第7章 流量和压力的测试

出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编1流量测试第7章出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编2在工业自动化生产过程中，特别是化工、制药和供水等过程控制中，流量是必须测量和控制的物理量。流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量，也称为瞬时流量,前者称体积流量qv（m3/s)，后者称质量流量qm(kg/s)。一.流量的概念7.1基本概念出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编3体积流量：质量流量：vdVqvAdtmvdmqvAqdt注意：用体积流量表征流体时，必须同时给出流体的压力和温度，因为流体的体积在不同的压力和温度下，是不同的。如果在截面上速度分布是均匀的，则：出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编42、总量：指在一段时间内流过管道某横截面的流体数量，也称为累积流量。3、平均流量：流体的总量除以流体流过的时间间隔。2121tvttmtVqdtmqdt流量计：用来测量流量的仪表的统称。测量总量的仪表称为流体计量表或总量计。出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编51、流量是三大工业过程控制量(压力、温度、流量)之一；2、石油、天然气、化工原料等流体的计量直接关系到国家利益；3、自来水、灌溉、污水处理等关系到国计民生。二.流量测量的重要性出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编6大型化工企业中，流量是控制工艺过程和保证产品质量的关键因素。出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编7（二）、流量的测量方法流体的状态（如介质的温度，压力等）及流体的黏度、腐蚀性、导电性也不同，很难用同一种方法或原理测量不同的流体的流量。某些场合的流体时高温、高压的，某些场合是气液两相或液固两相的混合流体。根据测量方法不同分为速度式、容积式和质量式三类。出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编8三.流量计分类容积式总量流量计瞬时流量计速度式压差式流体阻力式测速式流体振动式容积流量计质量流量计出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编91容积式2速度式总量流量计大致有两大类：7.2总量流量计出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编10容积式流量计（一）、容积式流量计的结构和工作原理结构：容积式流量计内部有一个已标定容积的计量室，容积是在仪表壳体与旋转体之间形成的。工作原理：旋转体转动，使流体从流入口流向排出口，当流体经过仪表时，利用仪表入口和出口之间产生的压力差，推动旋转体转动，将流体从计量室中容积V0，一份一份地推送出去。椭圆齿轮流量计根据旋转体的结构不同，分为腰轮式流量计刮板式流量计出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编11用仪表内一个固定容量的容积连续地测量被测介质，最后根据定量容积称量的次数来决定流过的总量。根据结构不同，这类仪表主要有：1.容积式计量表括板式流量计椭圆齿轮流量计腰轮流量计活塞式流量计容积式计量表出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编12每转一周，四个相同月牙形腔（测量室）被形成、被封闭、被传送、被卸出。两个齿轮共送出4个标准容积的流体。1）椭圆齿轮流量计粘度愈大的介质，从齿轮和计量空间隙中泄漏出去的泄漏量愈小，因此被测介质的粘度愈大，对测量愈有利。出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编13椭圆齿轮流量计的结构和工作原理出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编14出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编15出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编16（三）、椭圆齿轮流量计的特点优点：由于是借助于固定的容积来计量流量，与流体的流动状态及黏度无关。若保证加工精度，且各运动部件的配合紧密，使用中不腐蚀和磨损，测量精度可很高，一般为0.5%—1%，较好时可达0.2%。缺点：对流体的清洁度要求较高。另外，齿轮容易磨损。出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编17（四）、应有领域出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编182）腰轮流量计（罗茨流量计）工作原理与椭圆流量计相同，只是转子不是椭圆齿轮，而是一对由圆弧和摆线围成的中间凹进的腰形光轮，形成菱角形测量室。可用于液体、气体流量测量。出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编19容积式流量计出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编20特点：计量精度高，基本误差一般为±0.5％，特殊的可达±0.2％或更高。通常在昂贵介质或需要精确计量的场合使用。没有前置直管段要求。这一点在现场使用中有重要的意义。可用于高粘度流体的测量。范围度宽，一般为10：1到5：1，特殊的可达30：1或更大。直读式仪表，无需外部能源，可直接获得累计总量，清晰明了，操作简便。1.容积式计量表出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编217.3流体阻力式流量计出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编22管道内置入一阻力体。根据阻力体不同，这类流量计有：转子(浮子)流量计靶式流量计一.工作原理流量大小阻力体受力变化阻力体运动位置变化出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编23浮子受力：B:流体内浮子的浮力F:流体作用于浮子的力W:浮子的重力WFB锥体浮子环隙1.转子(浮子)流量计结构：锥形管＋浮子转子(浮子)流量计原理图出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编24力平衡条件：02012fffdfWVBVFvCA转子(浮子)流量计的测量原理WBF00ffdfVCvA-浮子比重-浮子体积-流体比重-流体密度-浮子阻力系数-环形流通面积内的平均流速-浮子最大迎流面积重力＝浮力＋阻力出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编25该环形流通面积为A0，则体积流量为：出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编26则体积流量：出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编27Rr2hqv与h近似成线性关系。出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编28流体流量的修正：标定流体的密度为ρ0，实测流体的密度为ρ，则在同一个A0处有：从仪表刻度上读出的流量值乘上修正系数Cg，为实测值。出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编29浮子式流量计在工业生产中经常遇到小流量的测量，因流体的流速低，要求测量仪表有较高的灵敏度，才能保证一定的精度。差压式流量计对管径小于50mm、低雷诺数的流体的测量精度是不高的。此时可采用而转子流量计来测量，流量可小到每小时几升。出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编30工作原理差压式流量计是恒节流面积，变压降来反映流量的大小。而转子流量计，采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编31出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编322()/()vffqhgVAKh故：转子流量计是以定压降、变节流面积法测量流量的。出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编33出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编34出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编351、锥形管是玻璃的，直接目视转子的位置。2、在转子内安装磁铁，锥形管外安装磁环随转子上下移动，触发显示。转子位置信号的引出：12出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编363、在转子内安装磁铁，锥形管外安装双霍尔磁场传感器，测出磁场的水平分量和垂直分量，可确定转子位置。4、在转子上方安装一导磁棒，使差动变压器输出随转子位置变化。出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编37转子流量计的特点1、转子流量计主要适合于检测中小管径、较低雷诺数的中小流量；2、流量计结构简单，使用方便，工作可靠，仪表前直管段长度要求不高；3、转子流量计必须垂直安装，流体流向必须自下而上；出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编38◇结构简单；◇使用维护方便；◇测量范围宽；◇工作可靠且线性刻度；◇适用性广。转子(浮子)流量计的特点出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编39靶式流量计由靶式流量变送器和显示仪表两部分组成，其测量元件是一个在测量管中心并垂直于流向的被称为“靶”的圆板。通过测量流体作用在靶上的力而实现流量测量．靶式流量计是60年代随着工业生产迫切需要解决高粘度、低雷诺数流体，的流量测量而发展起来的一种新型流量测量仪表．可用于低雷诺数、含固体颗粒的浆液及腐蚀介质流量测量。它具有结构简单，安装维修方便，成本低。靶式流量计出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编40靶式流量计的结构如图所示，在被测管道中心迎着流速方向安装一个靶，当介质流过时，靶受到流体的作用力。这个力由两部分组成，一部分是流体和靶表面的摩擦力，另一部分是由于流束在靶后分离，产生压差阻力，后者是主要的。当流体的雷诺数达到一定数值时，阻力系数不随雷诺数变化，而保持常数，这时阻力为212vFA式中，F为靶受到流体的阻力；为阻力系数；A1为靶迎流面积，d为靶直径；v为靶和管壁间环面积中的平均流速；为介质密度。2114Ad出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编412122()21vvFADdFqd式中：＝为流量系数，D为管道内径。流量与靶输出力F的平方根成正比．测量靶所受的力F，就可以测定被测介质的流量．出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编427.4测速式流量计出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编431.涡轮流量计2.超声波流量计测速式流量计的分类出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编44以动量矩守恒原理为基础，涡轮的旋转速度随流量的变化而变化，从涡轮的转速可求出流量值；一.涡轮流量计出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编45qv=f/Kf－流量计输出信号的频率；K－流量计的仪表系数；出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编461）高精确度，基本误差可达±0.25％－±1.5％，在所有流量计中，它属于最精确的。2）重复性好，短期重复性可达0.05％-0.2％；3）输出脉冲频率信号，无零点漂移，抗干扰能力强。4）测量范围度宽，中大口径可达40：1-10：1。5）结构紧凑轻巧，安装维护方便。6）适用高压测量，仪表表体上不必开孔，易制成高压型仪表。7）难以长期保持校准特性，需要定期校验。涡轮流量计的特点出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编47超声波流量计的原理：流速不同会使超声波在流体中传播的速度发生变化，通过分析计算改变的超声波信号，可以检测到流体的流速，进而可以得到流量值。二.超声波流量计主要介绍传播速度差法和多普勒法。出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编48通过测量超声波脉冲在顺流和逆流传播过程中的速度之差来得到到被测流体的流速。1.传播速度差法测量速差的方法有：时差法、相差法和频差法。F1到J2超声波传播速度为：F2到J1超声波传播速度为：得到：出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编491）时差法测量顺、逆流传播时由于超声波传播速度不同而引起的时间差。顺流传播时间为：逆流传播时间为：时间差为：出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编501）时差法因此可得出流速：流量正比于时间差：出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编51测量顺、逆流传播时超声波信号的相位差。2）相差法F1和F2发射角频率为w的连续超声波，则J1和J2到的信号相位差为：流量正比于相位差：出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编52脉冲重复频率的定义:在单通道中一个发射脉冲被接收器接收之后，立即发射出另一个脉冲，这样以一定频率重复发射,这个频率称为脉冲重复频率。频差法是目前常用的测量方法，它是在前两种测量方法的基础上发展起来的．测量顺、逆流传播时超声脉冲的重复频率差。3）频差法出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编53顺流和逆流重复发射频率分别为:3）频差法频率差为：流量正比于频率差：出版社理工分社工程测试技术及应用—王振成主编54多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动，会引起反射声波与声源在频率上的变化，这种频率变化正比于运动目标和静止的换能器之间的相对速度。2.多普勒法利用声学多普勒原理确定流体流量。出版社