[信息与通信]热工测量仪表.ppt

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1、热工测量仪表,流体流量的测量方法,7.1 流量测量概述,在热力发电厂中，流体（水、蒸汽、油等）的流量直接反映设备的负荷高低，工作状况和效率等运动情况。因此连续监视流体的流量对热力设备的安全、经济运行及能源管理有着重要意义。 流体流量就是单位时间内流过某一截面的流体的量，称为瞬时流量。在某一段时间间隔内流过某一截面流体的量称为流过的总量。显然，流过的总量可以用在该段时间内瞬时流量对时间的积分得到，所以总量常称为积分流量或累计流量。总量除以得到总量的时间间隔就称为该段时间内的平均流量。,流体的流量可以用单位时间内流过的质量（ ）表示，称为质量流量，也 可以用单位时间内流过的体积（ ）来表示， 称为

2、体积流量，它们之间的关系为 （7-1） 式中： 为流体密度，它随工质状况而变，因此给出体积流量 的同时，必须指明被测流量的密度。在测量气体流量时，为了便于比较，常将测得的体积流量 换算成标准状态下的体积流量 ，称为标准体积流量（ ）。它们之间的关系为 （7-2） 式中： 为标准状态（温度为 和压力为101325Pa绝对压力）下的被测气体密度。对于一定的被测气体， 是定值，所以一直标准体积流量，也就确定了其质量流量 。 目前工业上常用的流量测量方法大致可以分为容积式、速度式和质量式三类。,流量测量仪表的校验与分度,除标准节流装置和标准毕托管以外的各种流量测量仪表，在出厂大都需要用实验来求得仪表的

3、流量系数，以确定仪表的流量刻度标尺，即进行流量计的分度。 在使用中还需要定期检验，检查仪表的基本误差是否超过仪表的准确度级所允许的误差范围。 标准节流装置的分度关系和误差，可按“流量测量节流装置国家标准”中规定通过计算确定，但必须指出，“标准”中的流量系数系数等数据也是通过大量实验求得的。 另外，在测量准确度要求很高时，还是要将成套节流装置进行实验分度和校验。,在进行流量测量仪表的校验和分度时，瞬时流量的标准是用标准砝码、标准容积和标准时间通过一套标准实验装置来得到的。所谓标准实验装置，也就是能调节流量并使之高度稳定在不同数值上的一套液体或气体循环系统。若能保持系统中流量稳定不变，则可通过准确

4、测量某一段时间和这段时间内通过 系统的流体总容积或总质量，由下式求得这时系统中的瞬时体积流量或质量流量的标准值 或,将流量标准值与安装在系统中的被校仪表指示值对照，就能达到校验和分度被校流量计的目的。 图7-1所示为水流量标定系统。该系统用高位水槽来产生压头，并用溢流的方法保持压力恒定，以达到稳定的目的； 用与切换机构同步的计时器来测定流体流入计量槽的时间； 用标准容积计量槽（或用称重设备）测定V； 被校流量计前后必须有足够长的直管段，流量调节由被校流量计后的阀门控制。系统所能达到的雷诺数受高位水槽高度的控制，为了达到更大的雷诺数，有些实验装置用多级稳压罐代替高位溢流水槽做恒压水源。,经过容积

5、标定的基准体积管和高准确度的容积式流量计也经常作为流量测量仪表校验和分度的标准。由于它们便于移动和能安装在生产工艺管道上，所以更适用于流量计的现场校验。基准体积管如图7-2所示，其原理是在一根等直径管径的橡胶球在流体推动下通过前一开关时，发出一电脉冲去打开计数器的计数门，开始对时基脉冲计数；当橡胶球通过后一开关时发出一电脉冲，关闭计数器的计数门，停止计数，两电脉冲信号间所计的脉冲数代表时间。两开关之间的管段容积是经过准确地标定过的，即V是确定的，因此测得时间就可求得瞬时体积流量。基准体积管的两端有橡胶球投入和分离装置，使橡胶球能自动从基准体积管前投入，从体积管后分离出来，连续循环于体积管中。,

6、7.2 节流式流量计,在管道内装入节流件，流体流过节流件时流束收缩，于是在节流件前后产生差压，对于一定形状和尺寸的节流件，一定的测压位置和前后直管段情况，一定参数的流体，和其他条件下，节流件前后产生的差压值随流量而变，两者之间并有确定的关系。因此可通过测量差压来测量流量。 节流变压降流量计的显示仪表就是差压计，只是差压的标尺是按求得的流量与差压间的关系，以流量值刻度的。,节流件的形式,1形式很多：有孔板、喷嘴、文丘利管、1/4圆喷嘴，等等。 2用得最广泛的节流件是孔板和喷嘴，这两种形式的节流件的外形、尺寸已标准化，并同时规定了它们的取压方式和前后直管段要求，总称为“标准节流装置”，通过大量试验

7、求得了这类标准节流装置的流量与差压的关系，以“流量测量节流装置国家标准”的形式公布。凡符合国家标准的节流装置，其流量和差压之间的关系及测量误差可按国家标准直接计算确定。,标准节流装置的适用范围,1、只适用于测量圆形截面管道中的单相、均匀流体的质量； 2、并要求流体充满管道； 3、在节流件前后一定距离内不发生相变或析出杂质； 4、流速小于音速，流动属于非脉动流； 5、流体在节流件前，流束与管道轴线平行，不得有旋转流。,一、标准节流装置,如图7-3所示，标准节流装置包括：节流件、取压装置、节流件上游侧第一个阻力件、第二个阻力件，下游侧第一个阻力件以及在它们之间的直管段。,标准节流装置应根据我国流量

8、测量节流装置国家标准和检测规程的规定进行设计、制造、安装和使用。我国的标准和国际标准（ISO/R541）基本一致。 1993 年发布了国标GB/T262493流量测量节流装置：用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体测量。,图7-3 整套节流装置示意 1上游侧第二个局部阻力件； 2上游侧第一个局部阻力件；3节流件；4下游侧第一个局部阻力件,1、标准节流件及其取压装置,标准节流件的形式和取压方式，目前国际规定如下： 标准孔板：角接取压、法兰取压； 标准喷嘴（亦称ISA1932喷嘴）：角接取压。 国际上还有一些其他的已标准化了的节流件，如径距取压（即D和0.5D取压，D为管道内径）标准孔板，径距取

9、压长径喷嘴（亦称ASME喷嘴），古典文丘利管和文丘利喷嘴等。,1.1标准孔板,标准孔板的结构如图7-4所示，孔板要求如下： （1）标准孔板的开孔直径d是一个重要的尺寸，应实际测量。测量在上游段进行，最好是在四个大致相等的角度上测量直径，求其平均值。要求各个单测值与平均值之差在0.05%范围内。 （2）标准孔板的全称是“同心薄壁锐缘孔板”，因此孔板进口圆筒形部分应与管道同心安装； （3）孔板进口边缘应是严格直角，不能有毛刺和可见的反光，即进口边缘应很尖锐，边缘半径不大于0.0004d。所谓薄壁是指孔板厚度E和圆筒形厚度e不能过大。,图7-4 标准孔板 E=0.020.05D， e=0.0050.

10、02D,1)在各处测得的E值之间的最大差值和各处测得的e值之间的最大差值均不得超过0.001D 2)孔板必须与管道轴线垂直安装，其偏差不超过1度 3)若E0.02D，则可以不做成 的圆锥形出口，这样的孔板适用于测量双向流动的流体，但这时要求下游端面的标粗糙度和边缘尖锐度必须与上游端面的相同； 4)孔板加工过程中，不得使用刮刀和砂布进行修刮和打磨。标准孔板的适用范围如下表所示：,标准孔板制造安装的其他要求,1.2标准喷嘴,标准喷嘴的形状如图7-4所示。其型线由进口端面A、收缩部分第一圆弧面C1、第二圆弧面C2、圆筒形喉部e和圆筒形出口边缘保护槽H等五部分组成。 圆筒形喉部长度为0.3d，其直径就

11、是节流件开孔直径d。d值应是不少于8个单测值的算术平均值，其中4个在圆筒喉部的始端测得，另4个在其终端测得，并且是大致相距45度的位置上测得的。要求任何一个单测值与平均值的差值不得超过0.05%。各段型线之间必须相切，不得有不光滑部分。 当2/3时，由于此时1.5d已大于管道直径D，必须将喷嘴上游端面切去一部分L，使上游进口部分最大值径与管道内径相等，以便夹持，应切去的长度为: 喷嘴在管道上的安装要求与标准孔板的相同。,图7-5 标准喷嘴 （a）2/3,1.3角接取压装置,角接取压装置有环室取压和单独孔取压两种。分别如图7-6上半部和下半部所示。 环室取压的前、后环室装在节流件两边，环室夹在法

12、兰之间，法兰和环室、环室和节流件之间放有垫片并加紧。节流件前后的压力是从前、后环室和节流件前、后端面之间所形成的连续环隙上取得的，为整个圆周上的平均值。 单独钻孔取压可以钻在法兰上，也可以钻在法兰之间的夹紧环上。取压孔在夹紧环内壁的出口边缘必须与夹紧环内壁平齐，并有不大于取压孔直径1/10的倒角，无可见的毛刺和突出部分。取压孔应为圆筒形，其轴线应尽可能与管道轴线垂直。,图7-6 环室取压和单独钻孔取压装置结构，f2a;,1.4法兰取压装置,法兰取压装置如图7-7所示，孔板夹持在两块特制的法兰中间，其间加两片垫片，厚度不超过1mm。取压口只有一对，上游取压口中心线与节流件上游端面距离L1=25.

13、4mm，下游取压口中心线与节流件下游端面距离L2=25.4mm。当0.6且D150mm时，允许偏差为0.5mm，其余情况下允许偏差为1mm。从法兰外圆垂直管道轴线向内钻孔。取压孔直径应小于0.13D和小于13mm。取压孔必须符合单独钻孔取压的全部要求，取压孔中心线必须与管道中心线垂直。,图7-7 法兰取压装置,1.5径距取压,取压孔只有一对，上游取压孔中心线与节流件上游端面距离L1等于D，允许偏差为0.1D。下游取压孔中心线与节流件上游端面距离L2等于0.5D，允许偏差，当0.6时为0.02D;当0.6时为0.01D。取压孔必须符合单独钻取压得全部要求，取压孔中心线必须与管道中心线垂直。,2、

14、标准节流装置的管道条件,节流装置的流量与差压之间的关系，不仅与节流件类型有关，而且与流体在节流件上下游流动情况有关。对于标准节流装置，要求在节流件前24D处的管道截面上已基本形成典型的紊流速度分布，节流件下游的阻力件不影响流束的正常恢复。因此对节流件前后的管道必须有明确的要求，此外还必须确定所用管道内壁粗糙度限值。,2.1节流件前后直管段要求,节流件上下游第一阻力与节流件之间的直管段长度L1和L2如图7-3所示，L1和L2取决于上下游第一阻力件的形式和所用节流件的值，如表10-2所列，表中所列数值为管道内径D的倍数。如果实际的L1和L2中有一个括号内数值，或在括号内外的数值之间，则在计算流量测

15、量不确定度时，在流出系数的不确定度上要算术相加0.5%的附加偏差。 凡实际装在节流件上游侧的阻力件形式没有包括在表7-2之内，或要求的三段直管段有一个小于括号内的数值或有两个都在括号内外的数值之间，则应在实验室实际测定差压和流量之间的关系。,表7-2 节流件上游侧的最小直管段长度,2.2节流装置所用管道的条件,首先必须知道节流件前长度上的管道内壁绝对粗糙度Ks，或粗糙度的相对值Ks/D。它们原则上应用实验方法确定。对于一般工业用管道，Ks的数值经过大量实验得到，其值见表73，74。 节流件上游侧10D以内管道内壁应没有肉眼可见的明显凹凸，相对粗糙度应在附录表所给出的限值之内，必要时应对此长度的

16、管道内壁进行拉光，这样不但能满足粗糙度要求，而且保证得到准确的管道内径D值和满足管道圆度的要求。,表7-3 孔板上游侧管道相对粗糙度上限,表7-4 ISA1932喷嘴的管道相对粗糙度上限,二、标准节流装置的流量公式,流量公式就是差压和流量之间的关系式。可通过伯努利方程和流动连续性方程来推导。但必须指出，要完全从理论上计算出差压和流量之间的关系式目前是不可能的，因为关系式中的各系数只能靠实验确定。,2.1流动情况和流量公式,首先分析一下流体经节流件时的流动情况，图7-8是流动情况的示意图。 截面1处流涕未受节流件影响，流束充满管道，流束直径为D，流体压力为 ，平均流速为 ，流体密度为 。截面2是

17、节流件后流束收缩为最小的截面，对于孔板，它在流出孔板后的位置，对于喷嘴，在一般情况下该截面的位置在喷嘴的圆筒部分之内。此处流束中心压力为 ，平均流速为 ，流体密度为 ，流束直径为 。 从图7-8中可知，当流速未受节流件影响时，流动方向与管道中心线平行，在节流件前流体就向中心加速，在截面2处流束截面收缩到最小，此处流束截面上各点的流动方向又完全与管道中心线平行，此时流速最大、压力最低，然后流束向外扩散，流速降低，静压升高，直到又恢复到流束充满管道内壁的情况。图中实线代表管壁处静压力，点划线代表管道中心处静压力。由于涡流区的存在，流体有能量损失，因此，在流束充分恢复后，静压力不能恢复到原来的数值，

18、而有一个压力降落，这压力降落就是流体流经节流件后的压力损失,图7-8 流体流经孔板时的压力和流速变化,设流经水平管道的流体为不可压缩性流体，对截面1和截面2可写出伯努利方程： （7-3） 和写出流动的连续方程： （7-4） 式中 C1、C2 截面1、2处流速不均匀，以平均流速代替中心流速计算动能时采用的修正系数与充分发展的紊流，其值大于1，并随Re的正大趋近于1 。 节流件的阻力系数。,把全部的流体可压缩性对流量系数的影响用一个流束膨胀系数 来考虑，流量公式可写为：,2.2标准节流装置的流出系数C值及其不确定度,标准节流装置的流出系数C值是通过在流量实验台上测定 qm和与之相对应的 ，然后用流

19、量公式计算得到。对于一定的形式的标准节流装置，其流量系数 和流出系数C仅与节流件直径比 和雷诺数有关，当雷诺数大 到一定程度后， 和就与雷诺数无关 ，趋于定值。,标准孔板的C值及其不确定度,标准中取得C的值的原始实验，对于角接取压是在相对 粗糙度为 ,而对于径距取压则是在 的 管道中进行的。但只要所使用的管道在节流件上游侧10D的长度内的粗糙度不超过前节所列的限值，C值是可用的。 标准孔板的流出系数是由stolz方程给出的： （7-7） Re 雷诺数 ，L1孔板上游端面到上游取压口的距离除以管道内径得出的商， L2 孔板下游端面到下游取压口的距离除以管道内径得出的商。 附录表 给出了角接取压孔

20、板的C值。,标准喷嘴（ISA1932喷嘴）的C值 及其不确定度,求取标准喷嘴C值的原始实验是在相对粗糙度 的管道中进行的，但只要喷嘴上游侧至少有10D的长度的管道的粗糙度在前节规定的限值内，C值仍可用。 如不考虑 的不确定度，并假定管道的Ks/D 在规定的限值之内，则C值的百分率不确定度 为（概率95）为： 标准喷嘴的C值在附录表 中给出,2.3标准节流装置的流束膨胀系数 及其不确定度,标准节流装置的形式确定后，其流束膨胀系数 决定于 、 和 。其中 是被测流体的等熵指数。 标准孔板： 若 、 和 是已知的且无误差，则标准孔板的百分率不确定度（概率95）为：,标准喷嘴： 标准喷嘴的 值的百分率

21、不确定度（置信概率为95%）：,2.4标准节流装置的压力损失,流体流经标准节流装置时，涡流产生必然造成压力的损失，其损失大小因节流件形式而异。孔板的压力损失要大于喷嘴的。 值愈小，压力损失愈大。标准规定孔板与喷嘴都可用下式近似的计算压力的损失： 标准孔板可用下式近似计算：,三、标准节流装置的计算,3.1 计算命题 常见的标准节流装置计算命题大致有以下两类： (1) 已知管道内径、节流装置的开孔直径、节流形式、取压方式、被测流体参数等必要条件，要求根据所测得的压差值计算流量，这一般是试验工作中的命题。为了准确的求得流量的值，需要较准确的测量当时的压差值和流体温度、压力等参数。,（2）已知管道内径

22、以及管路的布置情况，流体的性质和参数值，大致流量范围，要求设计标准节流装置流量测量系统，即要进行下列工作： 选择节流件形式和确定节流件的开孔直径 选择压差计类型及其差压和流量量程的范围 建议节流件在管道上的布置位置 必要时计算流量测量的不确定度。,3.1 计算命题,3.2 原始资料和辅助计算公式,任务书中应给出：被测流体的种类、参数（如温度和压力）、密度、动力粘度；对可压缩流体，还应知道其等熵指数；管道和节流件的线膨胀系数和管道的绝对粗糙度。 计算时管道直径D和节流件开孔直径d 都应使用节流件工作温度下的数值Dt和dt，节流件直径比 式中： D20和 d20是20 下的管道内径和节流件开孔直径

23、。应检查流量测量范围内的雷诺数是否在所使用的节流件的使用范围内。管道雷诺数的计算公式为：,在标准节流装置计算时，由于流量公式中的未知数不止一个，且未知数间有一定的关系，所以通常情况下需用迭代求解，即将流量公式中的已知量重新组合在等号的一边，形成这一问题的“不变量”，将初始假设值引入等号另一边，依次迭代，逐步逼近。,3.3 计算流程,（1）第一类命题 A准备计算:求 B检查直管段长度和粗糙度是否符合要求 C迭代计算流量qm (2)第二类命题 A准备计算 B选择节流件形式和差压计类型和量程 C计算常用流量下的差压值 D迭代计算 E迭代计算 F验算压力损失 G确定d20,3.4标准节流装置测量结果的

24、不确定度,式中所有的不确定的置信概率均为95 。 具体计算可参看书本p213-218,四、非标准节流件及其应用,所谓非标准节流件，就是实验数据较少，流量系数的误差还相当大的尚未标准化的节流件。在某些特殊的情况下（例如管道直径小于50毫米，雷诺数很小等等），不适用标准节流件，就只能选用非标准节流件或其它类型的流量计。下面举两种用于电厂燃料油量流量测量的非标准节流件。如下图79所示，其中图（a）为1/4圆弧孔板，图（b）为锥形入口孔板，都是同心孔板，与标准孔板相比，只是孔口廓形不同，前者为1/4圆弧，后者像一倒装的标准孔板，各部分尺寸如图中所示。,图79 圆弧入口孔板和锥形入口孔板,五、节流变压降

25、流量计的显示仪表差压计,目前使用最多的是双波纹管式差压计、电动力平衡式与电容式差压变送器. 工业上测流量用差压计的标尺一般都以流量值为分度,并刻出最大流量处的差压值。 改变节流件的类型和尺寸,或者改变被测介质的种类和参数,都必须重新分度标尺.这是由于分度关系 中的常数 在上述情况下发生了变化.若仅仅是被测介质参数发生变化,则只要对常数中的密度 的变化进行补偿,就能消除或减少参数变化造成的流量指示误差。,由于流量与差压之间为平方关系,因此差压计标尺上的流量分度是不均匀的,在流量较小时相对误差会迅速增大.因此,流量测量范围常限于是1/3(或者1/4)标尺上限流量至标尺上限流量之间.1/3(或1/4

26、)标尺上限流量以下一般不分度.,流量测量用差压计与节流装置之间用差压信号管路连接,信号管路按最短的距离敷设,一般总长度不超过50m,主要满足以下条件: 1)所传送的差压不因经信号管路而发生变化； 2)信号管路要有阀门等必要附件,使得能在主设备运行的条件下冲洗信号管路,现场校验差压计以及在信号管路发生故障的情况下能与主设备隔离； 3)信号管路与水平面之间要有不小于1:10的倾斜度,能随时排出气体(对液体,蒸气介质)或冷凝水(对于气体介质)； 4)能防止有害物质(如高温介质)进入差压计,在测量腐蚀性介质时要使用隔离容器.如信号管路中介质有凝固或冷冻的可能,要沿信号管路进行保温,甚至采用蒸汽或电加热

27、,但要特别注意防止两信号管路加热不均,或局部汽化造成误差.,7.3 速度式流量测量方法,速度式流量测量方法以直接测量管道内流体流速 v 作为流量测量的依据。若测得的是管道截面上的平均流速 ，则流体的容积流量 ,A为管道截面面积。若测得的是管道截面上的某一点流速v ，则流体体积量 ，K为截面上的平均流速与被测点流速的比值，它与管道内流速分布有关。,在典型的层流或紊流分布的情况下，圆管截面上流速的分布是有规律的,K 为确定值，但在阀门、弯头等局部阻力后流速分布变得非常不规则,K值很难确定，而且通常是不稳定的。因此速度式流量测量方法的一个共同特点是：测量结果的准确度不但取决于仪表本身的准确度，而且与

28、流速在管道截面上的分布有关。为了使测量时的流速分布与仪表分度时的流速分布相一致，要求在仪表前后有足够长的直管段或加装整流器，以使流体进入仪表前速度分度就达到典型的层流或紊流分布，如图7-10所示。,对于半径为R的圆管，在层流（ ）情况下，由于流动分层，沿管道截面的流速分布为 （7-8） 式中 管道中心处的最大流速； 离管道中心r处的流速； 离管道中心的距离。,速度式流量测量方法（续 1 ）,也就是说，在层流情况下，流速沿管道截面按抛物面分布。由此可计算管道截面上的平均流速 是在处 ，其数值为管道中心最大流速 的一半，而沿管道直径的流速分布为一抛物线，沿直径的平均流速 。所以层流情况下截面上平均

29、流速 是直径上的平均流速 的 倍。 紊流情况下，由于存在流体的径向流动，流速分布曲线随雷诺数 的增高而逐渐变平，变平程度还与管道粗糙度有关。对于光滑管道（即 其中：D为管道内径， 为管道内壁的绝对粗糙度），可由如下经验公式表示圆管中紊流下的流速分布： （7-9） 式中 n 与流体管道雷诺数有关的常数，数值见表7-5所列： r 与管道中心的距离 表7-5 光滑管道速度分布公式中的n 值,速度式流量测量方法（续 2 ）,由上表可知，紊流情况下管道截面上的平均流速位于距离管道中心r0=0.762R左右之处。 同样，在紊流情况下，管道截面上的平均流速和沿管道直径的平均流速也是不一样的。由于紊流情况下流

30、速分布曲线比较平坦，两者差别没有层流时那么大，而且随雷诺数的变化而略有不同，如表7-7所示。 此外，尚有很多近似描述圆管内充分发展紊流速度分布的数学模型，例如“对数-线形”法数学模型：,根据式（7-9）可以计算出紊流情况下，不同雷诺数时管道截面上平均流速所在的位置，以及截面平均流速与最大流速的比值，如表7-6所示。,速度式流量测量方法（续 3 ）,（7-10） 式中： ， ， 为常数；y是离开管壁的距离（y=R-r）。 由于速度式测量方法是通过测量流速而测得体积流量的，因此了解被测流体的流速分布及其对测量的影响是十分重要的。 工业上常用的速度式流量测量仪表有涡轮式、电磁式、超声波式、热式和差压

31、式等。使用最广泛的差压式流量测量仪表。,速度式流量测量方法（续 4 ）,一、涡轮流量计 涡轮流量计实质上为一零功率输出的涡轮机，其结构如图7-11所示。当被测流体通过时，冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，在一定的流量范围内、一定的流体粘度下，涡轮转速与流速成正比。当涡轮转动时，涡轮上由导磁不锈钢制成的螺旋形叶片顺次接近处于管壁上的检测线圈，周期性地改变检测线圈磁电回路的磁阻，使通过线圈的磁通量发生周期性变化，检测线圈产生与流量成正比的脉冲信号。此信号经,前置放大器放大后，可远距离传送至显示仪表。在显示仪表中对输入脉冲进行整形，然后一方面对脉冲信号进行积算以显示总量，另一方面将脉冲信号转换为电流输出指示

32、瞬时流量。,速度式流量测量方法（续 5 ）,将涡轮的转速转换为电脉冲信号的方法，除上述磁阻方法外，也可以采用感应方法，这时转子用非导磁材料制成，将一小块磁钢埋在涡轮的内腔，当磁钢在涡轮带动下旋转时，固定于壳体上的检测线圈中感应出电脉冲信号。磁阻放大比较简单，并可提高输出电脉冲频率，有利于提高测量准确度。图7-11中导流器的作用是导直流体的流束以及作涡轮的轴承支架用。导流器和仪表壳体均由非导磁不锈钢制成。使用中，轴承的性能好坏是涡轮流量计使用寿命长短的关键。目前一般采用不锈钢滚珠轴承和聚四氟乙烯、石墨、碳化钨等非金属材料指成的滑动轴承，前者适用于清洁的、有润滑性的液体和气体流量，流体中不能含有固

33、体颗粒；后者适当选择材料可用于非润滑性流体、含微小颗粒和腐蚀性流体测量中，以及由于液态气体突然气化等原因而有可能成涡轮高速运转的场合。,速度式流量测量方法（续 6 ）,当叶轮处于匀速转动的平衡状态，并假定涡轮上所有的阻力矩均很小时，可得到涡轮运动的稳态公式： （7-11） 式中 涡轮的角速度； 作用于涡轮上的流体速度； 涡轮叶片的平均半径； 叶片对涡轮轴线的倾角。 检测线圈输出的脉冲频率为 或 （7-12） 式中 z涡轮上的叶片数； n涡轮的转速，r/s。 （7-13） 式中 流体体积流量； A流量计的有效通流面积。,速度式流量测量方法（续 7 ）,将式（7-11）、式（7-13）代入式（7-

34、12）得 （7-14） 称为仪表常数： （7-15） 理论上，仪表常数 仅与仪表结构有关，但实际上 值受很多因素的影响。例如：轴承摩擦及电磁阻力矩变化的影响，涡轮与流体之间粘性摩擦阻力矩的影响等。,典型的涡轮流量计的特性曲线如图7-12所示，仪表出厂时由制造厂标后给出其在允许流量测量范围内的 平均值。因此，在一定时间间隔内流体流过的总量 与输出总脉冲数N之间的关系为 （7-16） 由图中可以看出，在小流量下，由于存在,速度式流量测量方法（续 8 ）,的阻力矩相对比较大，故仪表系数急剧下降;在从层流到紊流的过渡区中，由于层流时流体粘性摩擦阻力矩比紊流时小，故在特性曲线上出现峰值；当流量再增大时，

35、转动力矩大大超过阻力矩，因此特性曲线虽稍有上升但近于平行线。通常仪表允许使用在特性曲线的平直部分，使得线形度在 以内，复现性在 以内。 由于流体粘性阻力矩比的存在，涡轮流量计的特性受流体粘度变化的影响较大，特别在小流量，小口径时更为显著，因此应对涡轮流量计进行实液标定。制造厂常用给出仪表用于不同流体粘度范围时的流量测量下限值，以保证在允许测量范围内仪表常数的线形度在 范围以内。用涡轮流量计测量燃油流量时，保持油温大致不变，使粘度大致相等是重要的。,速度式流量测量方法（续 9 ）,为了降低管内流速分布不均匀的影响，要保证在流量计前的流速分布不被局部阻力所扭曲，仪表前要有15D长以上、仪表后要有5

36、D长以上的直管段。其中D是管道直径，必要时要加装整流器。 仪表前应加装过滤网，防止杂质进入。仪表时应特别注意不能超过规定的最高工作温度、压力和转速。例如：在用高温蒸汽清扫工艺管路时涡轮流量计会损坏，因此必须加装旁路，使冲洗蒸汽不经过仪表。另外，流量计应水平安装，应垂直安装会影响仪表特性，仪表应加装逆止阀，防止涡流倒转。 为了便于远距离传送和提高可干扰能力，与检测线圈一起装有前置放大器。 涡轮流量计的显示仪表实际上是一个脉冲频率测量和计数的仪表，它将涡轮流量变送器输出的单位时间内的脉冲数和一段时间内的脉冲总数按瞬间流量和累计流量显示出来。,二漩涡流量计,在流体中放置一个有对称形状的 非流线型柱体

37、时，在它的下游两 侧就会交替出现漩涡的旋转方向 相反，并轮流地从柱体上分流出 来，在下游侧形成所谓涡流。如 图7-13 。实验证明，当漩涡之间 的纵向距离h和横向距离L之间满 足下列关系：,速度式流量测量方法（续 10 ）,（7-17） 即h/L=0.281 时，则非对称的“卡门涡街”是稳定的。通过大量实验证明，单侧的漩涡产生的频率f与柱体附近的流体流速v成正比，与柱体的特征尺寸l成反比，即 （7-18） 式中 St无因次数，称斯特劳哈尔数。 St是以柱体特征尺寸l计算流体雷诺数Rel 的函数。而且发现Rel 在500 150000的范围内，St 基本不变。St的数值对于圆柱体为0.2 ，对等

38、边三角形柱体为0.16。因此当柱体的形状、尺寸决定后，就可通过测定单侧漩涡释放频率f来测量流速和流量。 对于工业圆管，漩涡流量计一般应有在 Rel=1000 100000范围内。设管内插入柱 体和未插入柱体时的管道通流截面比为m， 对于直径为D的圆管，可以证明 （719） 当l/D0.3时 (720),速度式流量测量方法（续 11 ）,根据流体的流动性，有柱体处的流速v和无柱体处的管内平均速度与两者流通截面积成反比，即 （7-21） 将式（7-20）与式(7-21)代入式(7-18),得圆管中漩涡的发生频率f与管内平均流速的关系为 （7-22） 所以，体积流量与频率f之间的关系为 （7-23）

39、 漩涡频率信号f的检出方法很多，可以利用漩涡发生时发热体散热条件变化的热检出；也可用漩涡产生时漩涡发生体两侧产生的差压来检出，差压信号可通过压电变送或应变片变送，等等。例如：三角柱表面涂有陶瓷涂层，所以热敏电阻与柱体是绝缘的，在热敏电阻中通以,速度式流量测量方法（续 12 ）,恒定电流，使其温度在流体静止的情况下比被侧流体高10度左右。在三角柱两侧未发生漩涡时，两只热敏电阻温度一致、阻值相等；当三角柱两侧交替发生漩涡时，在发生漩涡的一侧由于流体的漩涡发生能量损失，流速一要低于另一侧。因而换热条件变差，使这一侧热敏电阻温度升高，阻值变小。以这两个热敏电阻为电桥的相邻臂，在电桥对角线上就输出一列于

40、漩涡发生频率相对应的电压脉冲。经发大、整形后得到与流量相应的脉冲数字输出，或用“脉冲电压”转换电路转换为模拟量输出，供指示和累计用。,速度式流量测量方法（续 13 ）,由于漩涡流量计的测量范围宽（仪表口径大，测量范围宽，一般可达100：1），压损小，具有数字输出，其结构简单且安装、维护方便，输出信号不受流体压力、温度、黏度和密度的影响等优点，正受到广泛的注意。目前的准确度约在 左右。该流量计对于大口径管道的流量测量（例如烟道排气和天然气流量测量）更为便利。 由于是速度式测量方法，管道内流速分布对测量准确性有较大影响，因此漩涡发生体前面要有20D长、后面要有5D的长直管道，管壁的内壁上不能有明显

41、的凹凸，对于大口径管道，要求直管道更长，这给漩涡流量计的使用带来困难。,三电磁流量计,电磁流量计的原理是法拉第电磁感应 定律。图7-14是其结构示意图，在工 作管道的两侧有一对电极安装在与磁 力线和管道垂直的平面上。当导电流 体以平均速度通过直径为D的测量管 道时切割磁力线，于是在电极上产生 感应电势E，电动势方向可由右手定则 判断。如磁场的磁感应强度为B，则电 动势：,（7-24）,速度式流量测量方法（续 14 ）,式 中常数 因此通过仪表的体积流量 （7-25） 合并式（7-24）和式（7-25），得 或 （7-26） 式中 K电磁流量计的仪表常数， 当仪表口径D和磁感应强度B一定时，K为

42、定值，感应电势与流体体积流量存在线形关系。 为了避免极化作用，以及导体与电解质之间通过直流电后产生的吸热或放热反应，工业用电磁流量计通常采用交变磁场，缺点是干扰较大。采用直流磁场对于真实地反映流量的急剧变化有利，故适用于实验室等特殊场合或用来测量不致引起极化现象的非电解性液体，如液体金属之类。,速度式流量测量方法（续 15 ）,电磁流量计的感受件结构如 图7-15所示。为了避免磁力 线被管道壁短路和降低涡流 损耗，测量导管应由非导磁 的高阻材料制成，一般为不 锈钢、玻璃钢或某种具有高 电阻率的铝合金。在用不锈 钢等导电材料做导管时，测 量导管内部及内壁与电极之 间必须有绝缘衬里，以防止 感应电

43、势被短路。衬里材料视工作温度而异，常用耐酸搪瓷、橡胶、聚四氯乙烯等。电极与管内衬平齐，电极材料常用非导磁不锈钢制成，也用铂、金或镀铂、铂金的不锈钢制成。 产生交变磁场的激磁线圈结构根据导管口径不同而有所不同，图7-15所示的适合大口径导管（100mm以上），将激磁线圈分成多段，每段匝数的分配按余弦分布，并弯成马鞍形驼伏在导管上下两边，在导管和线圈外边再放一个磁轭，以便得到较大的磁通量，并提高导管中磁场的均匀性。 采用交变磁场时，磁感应强度式中 磁感应强度的幅值； 交变磁场的角频率。,速度式流量测量方法（续 16 ）,由于交变磁通总有可能穿过由被测导电液体、电极引线和感应电动测量仪表等所形成的回

44、路，并在此回路中产生一个干扰电动势Et，干扰电动势的大小为 （7-27） 由于 ，所以上式为 （7-28） 可见，信号电动势E和干扰电动势Et的频率相同而相位差90度，故称此干扰为正交干扰，严重时其值可与信号电动势相当，甚至超过，所以要实现测量，必须消除此干扰。消除的方法除尽可能使电极引线等所形成回路的平面与磁力线平行，以免磁力线穿过此闭合回路外，还设有调零电位器，如图7-16所示。从一个电极引出两条引线，形成两个闭合回路，而磁力线穿过这两个回路所产生的干扰电动势方向相反，通过调节调零电位器Wt，可使它们相互抵消，从而减少了正交干扰。 还有一种以低频等值矩形波激磁，其特点是采用低频(约1/8频

45、)的等值矩形波磁场。由于磁场存在期间的dB/dt=0，因而交变磁场激磁时存在的正交干扰可以消减或大为减少，同时采用低频间断建立磁场的方式，在磁场没有建立或磁场反向期间，足以消除直流激磁时将产生的极化电位，要达到这两个目的，需要一个时间控制开关，按所需的低频断续地将直流电流与激磁线圈正、反向接通，并将电极与测量回路断续接通。,速度式流量测量方法（续 17 ）,电磁流量计无可动部件和插入管道的阻流件，所以压力损失极小。其流速范围很宽（0.510m/s），口径从1mm到2m以上，反应迅速，可用于测量脉动流、双相流以及如灰浆等含固体颗粒的液体流量。如果截面上流速分布不是轴对称的，而在电极附近及两电极之

46、间的流量分配得多，则仪表指示的流量将大于实际流量；相反，如果在与电极成90度方向的区域里流量分配得多，则指示值将偏小。一般要求在电磁流量计之前有长度为510D的直管道。 仪表准确度可达1%以上。被测流体必须是导电的，导电率一般要求在（2050）x10(-8)s/m以上，不能用于测量气体、蒸汽、石油制品等。另外，仪表使用温度、压力不能过高，目前使用温度不应超过200摄氏度。安装地点应远离强磁场和振动源。使用中还应注意，测量的准确度会受测量导管内壁，特别是电极附近积垢的影响。由于电磁流量计价格昂贵，这影响了它的推广使用。 四超声波流量计 超声波流量计的原理是，在流通中超声波向上游和向下游的传播速度

47、由于流体流速而不同，因此，可以根据超声波向上、下游传播速度之差测得流体流速。测定传播速度之差的方法很多，主要有时间差、相位差或频率差等方法。 设静止流体中的声速为c，流涕流速为v，发送器与接收器之间的距离为L，则传播时间差为：,速度式流量测量方法（续 18 ）,（7-29） 当cv时 (7-30) 如发送器发出的是连续正弦波，则上、下游接收到的波的相位差 （7-31） 式中超声波的角频率。由式(7-29)、（7-31）看出，测得t或就能求得流速v。但是，流体中声速c是随流体温度而变得，水中声速c的温度系数为0.2%/。因此在流速一定时，t和的温度系数约为0.4%/，造成测量误差。一般需采用流体

48、温度补偿装置。采用频率法的优点是可消除声速c的影响，因此上、下游接收到的超声波的频率之差 （7-32） 可见在频率法中，频率差与声速c无关，因此工业上常用频率法。,速度式流量测量方法（续 19 ）,超声波流量计的原理如图7-16所示。在管壁的斜对面固定两个超声波振子TR1、TR2，兼作为超声波的发生和接收元件。由一侧的振子产生得超声波脉冲穿过管壁-流体-管壁为另一侧的振子所接收，并转换为电脉冲，经放大后再用此电脉冲来激发对面的发送振子，形成所谓单环自激振荡，振荡周期由超声波在流体中的顺流传播速度决定，周期的倒数即单环频率f1。如此循环交替的测出f1、f2。,速度式流量测量方法（续 20 ）,当 ，且很小时，可得 （7-33） 所以，当D、c为常数，f与 成线性关系。由于很小，在大口径管道中c项可以忽略。通过运算电路得到的f值可供指示、记录和计算。 式（7-33）也可用下法