流量测量

流量测量

第一节概述 • 流量的概念 • 流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量，前者称体积流量（m3/s)，后者称质量流量(kg/s)。 • 如果在截面上速度分布是均匀的，则：

流过管道某截面的流体的速度在截面上各处不可能是均匀的，假定在这个截面上某一微小单元面积上dAF速度是均匀的，流过该单元面积上的体积流量为流过管道某截面的流体的速度在截面上各处不可能是均匀的，假定在这个截面上某一微小单元面积上dAF速度是均匀的，流过该单元面积上的体积流量为整个截面上的流量qv为

测量某一段时间内流过的流体量，即瞬时流量对时间的积分，称之流体总量。测量某一段时间内流过的流体量，即瞬时流量对时间的积分，称之流体总量。用来测量流量的仪表统称为流量计。测量总量的仪表称为流体计量表或总量计。

流体的几个概念 （一）粘性在流体的内部相互接触的部分在其切线方向的速度有差别时会产生减小其速度差的作用。这是因为流速快的部分要加速与其相接触的流速慢的部分，而流速慢的部分要减小与其相接触的流速快的部分，流体的这种性质，称为粘性。 • 衡量流体粘性大小的物理量称为粘度．：

设有两块面积很大距离很近的平板，两平板中间是流体。令底下的平板保持不动，而以一恒定力推动上面平板，使其以速度v沿x方向活动。由于流体粘性的作用，附在上板底面的一薄层液体以速度v随上板运动。而下板不动故附在其上的流体不动，所以两板间的液体就分成无数薄层而运动，如图所示。作用力F与受力面平行，称为剪力，剪力与板的速度v、板的面积S成正比，而与两板间的距离y成反此，即

称为粘度，或动力粘度(dynamic viscosity)，单位是：泊（P）(Pa.s) Kinematic viscosity

（二）层流和紊流 流体在细管中的流动形式可分为层流和紊流两种。所谓层流(laminar flow)就是流体在细管中流动的流线平行于管轴时的流动。所谓紊流(turbulent flow)就是流体在细管中流动的流线相对混乱的流动。利用雷诺数可以判断流动的形式。如果雷诺数小于某一值时，可判断为层流，而大于此值时则判断为紊流。

由此，我们发现管内流体流动时存在着两种状态：一为层流状面一为紊流状态．在不同的流动状态下，流体有不同的流动特性。在层流流动状态时，流量与压力降成正比；在紊流流动状态时，流量与压力降的平方根成正比，而且在层流与紊流两种不同的流动状态时，其管内的速度分布也大不相同。这些对于许多采用测量流速来得到流量的测量方法是很重要的。由此，我们发现管内流体流动时存在着两种状态：一为层流状面一为紊流状态．在不同的流动状态下，流体有不同的流动特性。在层流流动状态时，流量与压力降成正比；在紊流流动状态时，流量与压力降的平方根成正比，而且在层流与紊流两种不同的流动状态时，其管内的速度分布也大不相同。这些对于许多采用测量流速来得到流量的测量方法是很重要的。

在层流流动状态下，流速分布是以管轴为中心线的轴对称抛物线分布。在层流流动状态下，流速分布是以管轴为中心线的轴对称抛物线分布。在紊流流动状态下，管内流速同样是以管中心线轴对称的分布，但是其分布呈指数曲线形式。

（三）雷诺数 为细管中的平均流速；为流体的运动粘度, d为管径。 Rd＜2320时为层流，Rd＞2320时为紊流； • 雷诺数是表征流体流动时惯性力与粘性力之比。利用细管直径d，可求出雷诺数Rd：所谓平均流速，一般是指流过管路的体积流量除以管路截面积所得到的数值。

（四）流体流动的连续性方程 流体在管道内作稳定流动的情况：即流体在稳定流动，且不可压缩时，流过各截面流体的体积为常量。因此利用上式，很方便的求出流体流过管道不同截面时的流速。

（五）流体伯努力方程

二、流量仪表的分类 （一）计量表 1.容积式计量表这类仪表用仪表内的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。习惯上人们把计量表也称为流量计。根据它的结构不同，这类仪表主要有椭圆齿轮流量计、腰轮流量汁、活塞式流量计等。

2.速度式计量表 在仪表中装一旋转叶轮，流体流过时，推动叶轮旋转，叶轮的转动正比于流过介质的总量，叶轮转动带动计数器的齿轮机构，计数器即显示读数。这类计量表机构简单，但精度低。一般在2％左右，大多的水表即采用此结构表。

（二）流量计

第二节总量测量仪表 （一）椭圆齿轮流量计每转一周，两个齿轮共送出四个标准体积的流体。

二、腰轮流量计（罗茨流量计） 腰轮流量计除可测液体外，还可测量气体，精度可达0.1％，并可做标准表使用；最大流量可达1000m3/h。腰轮上没有齿，它们不是直接相互啮合转动，而是通过按装在完体外的传动齿轮组进行传动．

三、容积式流量计的误差 • 仪表输出由指针指示，指示值I: 流量较小时，误差为负值，在流量增大时、误差为正值、且基本保持不变(曲线1)。这种现象主要是由于在运动件的间隙中泄漏所引起的。这个泄漏量与间隙、粘度、前后压差有关，另外也和流过体积V所需的时间有关。

容积式流量计的测量误差值E，可由指示值与真值之差与指示值之比表示。设：V为通过流量计的流体体积真值；I为流量计指示值，则误差值E可表示为容积式流量计的测量误差值E，可由指示值与真值之差与指示值之比表示。设：V为通过流量计的流体体积真值；I为流量计指示值，则误差值E可表示为

上述两种转子型式的容积流显计，可用于各种液体流量的测量，尤其是用于油流量的准确测量，在高压力、大流量的气体流量测量中，这类流量计也有应用．由于椭圆齿轮容积流量计直接依靠测量轮啮合，因此对介质的清洁要求较高，不允许有固体颗粒杂质流过流量计．上述两种转子型式的容积流显计，可用于各种液体流量的测量，尤其是用于油流量的准确测量，在高压力、大流量的气体流量测量中，这类流量计也有应用．由于椭圆齿轮容积流量计直接依靠测量轮啮合，因此对介质的清洁要求较高，不允许有固体颗粒杂质流过流量计．

差压式流量计（节流式流量计） • 当充满圆管的流体流经在管道内部安装的节流装置时，流束将在节流件处形成局部收缩，使流速增大，静压力降低，于是在节流件前后产生压力差．该压力差通过差压计检出．流体的体积流量或质量流量与差压计所测得的差压值有确定的数值关系。

选定两个截面，I—I是节流装置前流体开始受节流装置影响的截面；II-II是流束经过节流装置后收缩最厉害的流束截面，由伯努利方程式得选定两个截面，I—I是节流装置前流体开始受节流装置影响的截面；II-II是流束经过节流装置后收缩最厉害的流束截面，由伯努利方程式得 p1’、p2’—流体在截面I—I和II—II处的静压力 v1、v2’—流体在截面I—I和II—II处的平均流速由于流束在节流装置后的最小收缩面积S2，实际上很难确切地知道它的数值，因此用节流装置开孔的截面积S0来表示, 其中称为流束的收缩系数，其大小与节流装置的类型有关。

上面得到的流速是理论值，因为理想的不可压缩的流体是不存在的。流体有粘度，故有摩擦，因此实际的流速应修正。其次，考虑到使用方便，实际上经常在节流装置前后两个固定位置上测取压力p1、p2，代替p1’、p2’，在计算v2的公式中亦应修正。考虑这两方面的因素，在II—II截面上的流速

流过截面II—II的体积流量为

节流式流量计主要由两部分组成：节流装置和测量静压差的差压计。节流式流量计主要由两部分组成：节流装置和测量静压差的差压计。 • 节流装置是安装在流体管道中，使流体的流通截面发生变化，引起流体静压变化的一种装置。常用的节流装置有文丘利管、喷嘴和孔板，如图所示。

文丘利管 文丘利管压力损失最小，而孔板压力损失最大。喷嘴孔板常用的节流装置

标准孔板是用不锈钢或其它金属材料制造的薄板，它具有圆形开孔并与管道同心，其直角入口边缘非常锐利，且相对于开孔轴线是旋转对称的。标准孔板的形状如图所示．标准孔板是用不锈钢或其它金属材料制造的薄板，它具有圆形开孔并与管道同心，其直角入口边缘非常锐利，且相对于开孔轴线是旋转对称的。标准孔板的形状如图所示．

标准喷嘴即ISAl932喷嘴．它是一个以管道喉部开孔轴线为中心线的旋转对称体，由两个圆弧曲面构成的入口收缩部分及与之相接的圆筒形喉部所组成．其结构如图3—4所示标准喷嘴即ISAl932喷嘴．它是一个以管道喉部开孔轴线为中心线的旋转对称体，由两个圆弧曲面构成的入口收缩部分及与之相接的圆筒形喉部所组成．其结构如图3—4所示

标准文丘利喷嘴是标准文丘利管的一种型式，如图3—5所示．它由廓形修圆的收敛部分，圆筒形喉部和扩散段组成．喉部取压平面之前上游平面A、入口圆弧B、C和喉部的圆筒E部分与标准喷嘴完全相同．标准文丘利喷嘴是标准文丘利管的一种型式，如图3—5所示．它由廓形修圆的收敛部分，圆筒形喉部和扩散段组成．喉部取压平面之前上游平面A、入口圆弧B、C和喉部的圆筒E部分与标准喷嘴完全相同．

1．取压方式 差压式流量计是通过测量节流件前后压力差p来实现流量测量的，而压力差p的值与取压孔位置和取压方式紧密相关。节流装置的取压方式有以下5种，各种取压方式及取压孔位置如图3—7所示． (1)角接取压: 上下游取压管位于孔板(或喷嘴)的前后端面处。角接取压包括单独钻孔和环室取压。如图3—7中l—l位置。 (2)法兰取压：上下游侧取压孔的轴线至孔板上、下游侧端面之间的距离均为25.4±0.8mm（1inch)。取压孔开在孔板上下游侧的法兰上．如图3—7中2—2位置．

（3)径距取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为1Dm±0.1Dm，下游侧取压孔的轴线至孔极下游端面的距离为0.5Dm。如图3—7中的3.3位置（Dm管道直径）。（3)径距取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为1Dm±0.1Dm，下游侧取压孔的轴线至孔极下游端面的距离为0.5Dm。如图3—7中的3.3位置（Dm管道直径）。 (4)理论取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为l Dm±0.1Dm，下游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离因 值不同而异。该距离理论上就是流束收缩到最小截面的距离。如图3—7中的4—4位置。 (5)管接取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为2.5Dm，下游侧取压孔的轴线至孔板下游端面的距离为8Dm．如图3—7中的5—5位置．该方法使用很少．

标准取压装置 标准取压装置是国家标形中规定的两种取压装置，即角接取压装置和法兰取压装置。其中角接取压适用于孔板和喷嘴，而法兰取压仅用于孔板。 (1)角接取压装置角接取压装置可以采用环室或夹紧环(单独钻孔)取得节流件前后的差压。（2）法兰取压装置法兰取压装置由两个带取压孔的取压法兰组成。

第四节流体阻力式流量计 一、浮子流量计（转子流量计）转子流量计又名浮子流量计或面积流量计。浮子流量计具有结构简单，使用维护方便，对仪表前后直管段长度要求不高，压力损失小且恒定，测量范围比较宽，工作可靠且线性刻度，可测气体、蒸汽(电、气远传金属浮子流量计)和液体的流量，适用性广等特点．浮子流量计的测量本体由一根自下向上扩大的垂直锥管和一只可以沿着锥管的轴向自由移动的浮子组成．如图4-1所示．

当被测流体自锥管下端流入流量计时，由于流体的作用，浮子上下端面产生一差压，该差压即为浮子的上升力。当差压值大于浸在流体中浮子的重量时，浮子开始上升。随着浮子的上升．浮子最大外径与锥管之间的环形面积逐渐增大，流体的流速则相应下降，作用在浮子上的上升力逐渐减小，直至上升力等于浸在流体中的浮子的重量时，浮子便稳定在某一高度上。这时浮子在锥管中的高度与所通过的流量有对应的关系。当被测流体自锥管下端流入流量计时，由于流体的作用，浮子上下端面产生一差压，该差压即为浮子的上升力。当差压值大于浸在流体中浮子的重量时，浮子开始上升。随着浮子的上升．浮子最大外径与锥管之间的环形面积逐渐增大，流体的流速则相应下降，作用在浮子上的上升力逐渐减小，直至上升力等于浸在流体中的浮子的重量时，浮子便稳定在某一高度上。这时浮子在锥管中的高度与所通过的流量有对应的关系。

转子流量计的测量原理 作用在浮子上的力有：流体自下而上运动时，作用在浮子上的阻力F; 浮子本身的垂直向下的重力W；流体对浮子所产生的垂直向上的浮力B。当浮子处于平衡状态时，可列出平衡方程式式中，cd为浮子的阻力系数；o为流体密度；v为环形流通面积的平均流速：Af为浮子的最大迎流面积。

注意： 只要保持流量系数a为常数，则流量与浮子高度h之间就存在一一对应的近似线性关系．我们可以将这种对应关系直接刻度在流量计的锥管上．显然，对于不同的流体，由于密度发生变化，所以qv与h之间的对应关系也将发生变化，原来的流量刻度将不再适用．所以原则上，转子流量计应该用实际介质进行标定．

流 量 测 量

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