精密測試技術(shù)：CH 11 流量的測量

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1、第第1111章章 流量的測量流量的測量Measurement of Flow11.0 序序Introduction11.1 容積式流量計(jì)容積式流量計(jì) Positive Displacement Flowmeter11.2 壓差式流量計(jì)壓差式流量計(jì) Differential Pressure Flowmeter11.3 流體阻力式流量計(jì)流體阻力式流量計(jì) Flow Resistance Flowmeter11.4 速度式流量計(jì)速度式流量計(jì) Speed Flowmeter流體（包括液體和氣體，以及液體、氣體、粒狀固體兩者或三者之間的任意組合）的流量通常指單位時(shí)間內(nèi)流過管道某一截面或明渠橫斷面的流體量

2、。流體流量一般可分為體積流量qv和質(zhì)量流量qm，它們之間的關(guān)系為：第第1212章章 流量的測量流量的測量 Measurement of Flow為流體的密度。在某一段時(shí)間內(nèi)流體流量的總和，稱為總流量。工業(yè)上常用的流量計(jì)量儀表按其工作原理大致可分為容積式、壓差式、流體阻力式和速度式流量計(jì)等幾大類。（a）（b）（c）流量的測量流量的測量11.1 容積式流量計(jì)容積式流量計(jì) Positive Displacement Flowmeter11.1.1 橢圓齒輪流量計(jì)橢圓齒輪流量計(jì) Oval Geared Flowmeter容積式流量計(jì)是利用機(jī)械測量元件把流體連續(xù)不斷地分隔成單位體積并進(jìn)行累加而計(jì)量出流體

3、總量的儀表。如橢圓齒輪流量計(jì)、腰輪轉(zhuǎn)子流量計(jì)和比較新型的齒輪流量計(jì)等。l 結(jié)構(gòu)和工作原理 橢圓齒輪流量計(jì)主要部分是殼體和裝在殼體內(nèi)的一對相互嚙合的橢圓齒輪，它們與蓋板構(gòu)成了密閉的流體計(jì)量室，流體的進(jìn)出口分別位于兩個(gè)橢圓齒輪軸線構(gòu)成平面的兩側(cè)殼體上。流體進(jìn)入流量計(jì)時(shí)，由于進(jìn)出口壓力差pp1p2 的存在，使得橢圓齒輪受到力矩的作用而轉(zhuǎn)動(dòng)。流量計(jì) A、B 兩輪交替帶動(dòng)，以橢圓齒輪與殼體間固定的月牙型計(jì)量室為計(jì)量單位，不斷地把入口處的流體送到出口。橢圓齒輪每轉(zhuǎn)一周所排流體的容積為固定的月牙型計(jì)量室容積V0的4倍。若橢圓齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)為n，則通過橢圓齒輪流量計(jì)的流量為易見，已知排量q值的橢圓齒輪流量計(jì)，只要

4、測量出轉(zhuǎn)數(shù)n，便可確定通過流量計(jì)的流量大小。流量的測量流量的測量流量的測量流量的測量l 工作特性 橢圓齒輪流量計(jì)借助于固定的容積來計(jì)量流量，與流體的流動(dòng)狀態(tài)及粘度無關(guān)。粘度變化會(huì)引起泄漏量的變化，影響測量精度。若保證加工精度，且各運(yùn)動(dòng)部件的配合緊密，使用中不腐蝕和磨損，測量精度可很高，一般為0.51%，較好時(shí)可達(dá)0.2%。流量恒定時(shí)，橢圓齒輪在一周的轉(zhuǎn)速是變化的，但每周的平均角速度不變。橢圓齒輪的短軸與長軸之比為 0.5 時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的脈動(dòng)率接近 0.65。由于角速度的脈動(dòng)，測量瞬時(shí)轉(zhuǎn)速并不能表示瞬時(shí)流量，而只能測量整數(shù)圈的平均轉(zhuǎn)速來確定平均流量。大多數(shù)橢圓齒輪流量計(jì)的外伸軸都帶有測速發(fā)電機(jī)

5、或光電測速盤。同二次儀表相連，可準(zhǔn)確地顯示出平均流量和累積流量。橢圓齒輪流量計(jì)的缺點(diǎn)是對流體的清潔度要求較高。另外，齒輪容易磨損，特別是在流量計(jì)超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，磨損加劇，導(dǎo)致精度下降。流量的測量流量的測量11.1.2 腰輪齒輪流量計(jì)腰輪齒輪流量計(jì) Roots Flowmeter l 結(jié)構(gòu)和工作原理 腰輪轉(zhuǎn)子流量計(jì)同橢圓齒輪流量計(jì)類似，通過腰輪（轉(zhuǎn)子）與殼體之間所形成的固定計(jì)量室來實(shí)現(xiàn)，腰輪轉(zhuǎn)過一圈，排出四個(gè)固定計(jì)量體積的流體，只要記下腰輪的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)數(shù)，就可得到被測流體的體積流量。其流量的計(jì)算公式與橢圓齒輪流量計(jì)相同。1-殼體 2 軸 3 驅(qū)動(dòng)齒輪 4 腰輪 5 計(jì)量室 流量的測量流量的測量l 工作

6、特性 腰輪轉(zhuǎn)子流量計(jì)中，兩個(gè)腰輪轉(zhuǎn)子的加工精度和表面粗糙度要求較高，安裝時(shí)必須要保證兩腰輪軸線的平行度要求。普通腰輪流量計(jì)，隨著流量的增大，轉(zhuǎn)子角速度的波動(dòng)現(xiàn)象較嚴(yán)重，脈沖率約為0.22左右。對大流量的計(jì)量，往往都采用45角組合腰輪，可大大減小轉(zhuǎn)子角速度的波動(dòng)，脈沖率可減小到 0.027左右。由于腰輪流量計(jì)的驅(qū)動(dòng)是由專門的驅(qū)動(dòng)齒輪擔(dān)任，其磨損不影響測量精度，而與測量密切相關(guān)的只是腰輪，因此這種流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，適用性強(qiáng)等特點(diǎn),對于不同粘度的流體，均能夠保證精確的計(jì)量，一般精度可達(dá)0.2。齒輪流量計(jì)工作原理圖 齒輪流量計(jì)輸出波形 流量的測量流量的測量11.1.3 齒輪流量計(jì)齒輪流量

7、計(jì) Gear Flowmeter齒輪流量計(jì)在流量計(jì)殼體內(nèi)裝有齒輪狀轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子齒上沿圓周分布有磁體。當(dāng)流體進(jìn)入時(shí)推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在儀表殼體外的霍爾傳感器感應(yīng)到對應(yīng)的流量的磁脈沖信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為電脈沖后送出。其輸出電脈沖信號(hào)通常為相位差為 90的 A、B 兩路方波信號(hào)，通過四細(xì)分辨向電路處理后送計(jì)數(shù)器，即可獲得流量的大小和方向。齒輪流量計(jì)體積小、重量輕。測量時(shí)振動(dòng)噪聲小，可測量粘度高達(dá)10000Pas 的流體。齒輪流量計(jì)測量精度高，一般可達(dá) 0.5，經(jīng)非線性補(bǔ)償后甚至可達(dá)0.10.05。流量的測量流量的測量11.2 壓差式流量計(jì)壓差式流量計(jì) Differential Pressure Flowme

8、ter11.2.1 壓差式流量計(jì)的計(jì)算公式壓差式流量計(jì)的計(jì)算公式壓差式流量計(jì)是利用伯努利方程原理來測量流量的儀表。壓差式流量計(jì)通過測定流體經(jīng)過節(jié)流裝置時(shí)所產(chǎn)生的靜壓力差來實(shí)現(xiàn)流量測量。管內(nèi)連續(xù)流動(dòng)的流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)，將產(chǎn)生流體勢能和動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)換，致使其壓力和流速發(fā)生相應(yīng)的變化。實(shí)驗(yàn)證明，流體流經(jīng)各種節(jié)流裝置時(shí)，其流速和壓力沿流動(dòng)方向的分布情況是類似的。流量的測量流量的測量差壓流量計(jì)原理與壓力分布情況 水平管道內(nèi)裝有節(jié)流孔板時(shí)，沿流動(dòng)方向的壓力分布情況如下圖。流量的測量流量的測量體積流量方程為 式中：流量系數(shù)；流體壓縮系數(shù)。對不可壓縮流體，1；對可壓縮流 體，ReK時(shí)，只要測量壓力差便可確定

9、流量的大小。流量的測量流量的測量11.2.2 節(jié)流裝置節(jié)流裝置 Throttle device常用的節(jié)流裝置有標(biāo)準(zhǔn)孔板，噴嘴和文杜里管等。a）孔板 b）噴嘴 c）文杜里管 流體通過節(jié)流裝置時(shí)，由于克服摩擦阻力和在節(jié)流裝置后形成漩渦均要消耗一定的能量，所以通過節(jié)流裝置后有一部分靜壓力不能恢復(fù)，從而造成凈壓力損失p?？装宓膒 最大，文杜里管由于內(nèi)表面呈流線型與流束趨向一致，p最小，而噴嘴的值則介于兩者之間。流量的測量流量的測量11.3 流體阻力式流量計(jì)流體阻力式流量計(jì) Flow Resistance Flowmeter11.3.1 轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì) Rotameter轉(zhuǎn)子流量計(jì)是工業(yè)上和實(shí)驗(yàn)室

10、最常用的一種流量計(jì)。它具有結(jié)構(gòu)簡單、直觀、壓力損失小且恒定、維修方便等特點(diǎn)。適用于測量通過管道直徑毫米Dv時(shí)l 相差法 若超聲波發(fā)生器發(fā)射的是連續(xù)正弦波，則上、下游等距離處接收到超聲波的相位差為 為超聲波的角頻率 流量的測量流量的測量l 頻差法 通過測量順流和逆流時(shí)超聲脈沖的重復(fù)頻率差來測量流速。在上、下游等距離處收到超聲波的頻率差為 頻率差測流速與超聲波傳播速度c無關(guān)。在流量計(jì)管壁的斜對面固定兩個(gè)超聲波振子TR1、TR2，兼作超聲波的發(fā)送和接收元件。由一側(cè)的振子產(chǎn)生的超聲波脈沖穿過管壁流體管壁為另一側(cè)的振子所接收，并轉(zhuǎn)換為電脈沖，經(jīng)放大后再用此電脈沖激發(fā)對面的發(fā)送振子，形成所謂單環(huán)自激振蕩。

11、振蕩周期由超聲波在流體中的順流傳播速度決定，周期的倒數(shù)即為單環(huán)頻率f1。流量的測量流量的測量經(jīng)過一定時(shí)間間隔以后，由切換電路使發(fā)送振子變成接收振子，而接收振子變成發(fā)送振子，此時(shí)，測出單環(huán)頻率f2（取決于超聲波在逆流中的傳播速度）。式中：管徑方向流體平均流速 超聲波束與管軸的夾角D 管徑t超聲波在管壁內(nèi)和電脈沖信號(hào)在電路中傳輸所產(chǎn)生的 滯后時(shí)間的總和。流量的測量流量的測量經(jīng)過一定時(shí)間間隔以后，由切換電路使發(fā)送振子變成接收振子，而接收振子變成發(fā)送振子，此時(shí)，測出單環(huán)頻率f2（取決于超聲波在逆流中的傳播速度）。當(dāng)，且 很小時(shí)，可得則體積流量為 超聲波流量儀前后必須有足夠長的直管段以使流體流經(jīng)儀表前就

12、達(dá)到典型層流分布。且使用中要避免流體中出現(xiàn)氣泡并防止其他聲源干擾。超聲流量計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是儀表裝在管道外，不破壞管道，價(jià)格也與管道大小無關(guān)。流量的測量流量的測量11.4.3 電磁流量計(jì)電磁流量計(jì) Electromagnetic Flowmeter電磁流量計(jì)由電磁流量傳感器、轉(zhuǎn)換器以及顯示儀表等組成，也可由電磁流量傳感器和顯示儀表直接組成。傳感器的工作原理是基于電磁感應(yīng)定律。采用不導(dǎo)磁材料制成的流量測量導(dǎo)管，置于均勻磁場中，其內(nèi)徑為D，內(nèi)壁襯有絕緣材料。導(dǎo)電液體在管道中流動(dòng)時(shí)，作切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，若所有流體質(zhì)點(diǎn)都以平均流速 v 運(yùn)動(dòng)，則液體流速在整個(gè)管道截面上是均勻一致的。這樣，就可把液體看成許多

13、直徑為D的連續(xù)運(yùn)動(dòng)著的薄圓盤。這種由液體組成的薄圓盤等效于長度為D的導(dǎo)電體，其切割磁力線的運(yùn)動(dòng)速度為v。流量的測量流量的測量根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知，在液體圓盤內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，其大小為 式中：E感應(yīng)電動(dòng)勢；B磁感應(yīng)密度；v平均流速；D管道內(nèi)徑。流經(jīng)圓形導(dǎo)管的體積流量為被測介質(zhì)的平均流速與導(dǎo)管流通截面積的乘積。即 k儀表的比例常數(shù) 若感應(yīng)強(qiáng)度不變，流體充滿管道流動(dòng)，電磁流量計(jì)的感應(yīng)電勢與流量成線性關(guān)系。流量的測量流量的測量電磁流量計(jì)特點(diǎn)：輸出電信號(hào)與流量之間呈線性關(guān)系，便于儀表作等分刻度；儀表的測量不受被測介質(zhì)的溫度、壓力、密度和粘度以及流態(tài)的影響；儀表應(yīng)用范圍廣，幾乎可適用于所有電導(dǎo)率大于10-3S/m的導(dǎo)電性液體，且介質(zhì)的電導(dǎo)率在許可范圍內(nèi)變化也不影響測量結(jié)果，流速測量范圍可從每秒幾厘米至每秒十余米，滿量程時(shí)流速可從0.510m/s內(nèi)變化，口徑范圍可從幾毫米至幾米；變送器內(nèi)無活動(dòng)部件，幾乎無壓力損失，并對安裝直管段要求不高；儀表時(shí)滯小，能瞬時(shí)反應(yīng)流量變化，可以測脈動(dòng)流；輸出信號(hào)的極性與磁場方向及流速方向有關(guān)，所以能用于鑒別流向，可測兩向流；儀表便于清洗和消毒，便于維護(hù)，且能輸出標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)以便于配套，可靠性高，使用壽命長。