《自动检测技术》课程授课教案（过程检测与仪表）第4章 流量测量

第4章流量测量$4.1概述4.1.1流量的概念流量定义：指单位时间内流体（气体、液体或固体颗粒等)流经管道或设备某处横截面的数量，又称瞬时流量。体积流量：当流体以体积表示时称为体积流量：AV_dyq, = lim=uAN0 tdt(4-1)质量流量：当流体以质量表示时称为质量流量。AMdMqm= limpuAdtAr>0 At(4-2)V一体积：M一质量；t一时间：A一截面面积；e.一流体的密度；平均流速：[udAq,Ai=AA(4-3)u一流体在流过截面上各点的流速。体积流量和质量流量关系：qm= puA= pqv(4-4)瞬时流量：单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小，即瞬时流量。累积流量：在某一段时间内流过管道的流体流量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累计值。q,dtqmdtQ, =Om=(4-5)计量单位：体积流量的计量单位为米3 /秒(m3 / s)，质量流量的计量单位为千克/秒(kg/s)；累积体积流量的计量单位为米 (m3);累积质量流量的计量单位为千克(kg)。工程上还使用的流量计量单位有：米3 /时（(m3 / h)升/分（L/min)

第 4 章 流量测量 §4.1 概述 4.1.1 流量的概念 流量定义： 指单位时间内流体(气体、液体或固体颗粒等)流 经管道或设备某处横截面的数量，又称瞬 时流量。 体积流量：当流体以体积表示时称为体积流量; uA dt dV t V q t v = =   =  →0 lim （4-1） 质量流量：当流体以质量表示时称为质量流量。 uA dt dM t M q t m = =    =  →0 lim （4-2） V—体积；M—质量；t—时间；A—截面面积；ρ—流体的密度； 平均流速 ： A udA A q u v A  = = （4-3） u—流体在流过截面上各点的流速。 体积流量和质量流量关系： qm = uA = qv （4-4） 瞬时流量：单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小，即瞬时流量。 累积流量：在某一段时间内流过管道的流体流量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累计 值。 Q q dt t v =  v Q q dt t m =  m （4-5） 计量单位 ： 体积流量的计量单位为米 3／秒(m3／s)， 质量流量的计量单位为千克／秒(kg／s)； 累积体积流量的计量单位为米 3 (m3 )； 累积质量流量的计量单位为千克(kg)。 工程上还使用的流量计量单位有： 米 3／时 (m3／h) 升／分(L／min)

吨/小时(t/h)升(L)吨(t)等4.1.2流量计的分类1、流量测量方法大致可以归纳为以下几类：流量测量仪表种类繁多，其测量原理、结构特性、适用范围以及使用方法等各不相同。所以其分类可以按不同原则划分。按测量方法不同，流量仪表可分为速度式、容积式和质量式三类。（1）速度式流量计：以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的仪表。以测量管道内或明渠中流体的平均速度来求得流量。如节流式流量计（差压式孔板流量计、转子流量计）、涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声流量计等。（2）容积式流量计：以单位时间内所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表。容积式流量计是利用机械测量元件把流体连续不断地分隔成单位体积并进行累加而计量出流体总量的仪表。如腰轮流量计、椭圆齿轮流量计、刮板流量计、活塞流量计等。（3）质量流量计：以测量流体流过的质量M为依据的流量计。质量流量计分直接式和间接式两种。例如科里奥利质量流量计。2.流量仪表的主要技术参数（1）流量范围流量范围指流量计可测的最大流量与最小流量的范围。（2）量程和量程比流量范围内最大流量与最小流量值之差称为流量计的量程。最大流量与最小流量的比值称为量程比，亦称流量计的范围度。（3）允许误差和精度等级流量仪表在规定的正常工作条件下允许的最大误差，称为该流量仪表的允许误差，一般用最大相对误差和引用误差来表示。流量仪表的精度等级是根据允许误差的大小来划分的，精度等级有：0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5等。（4）压力损失压力损失的大小是流量仪表选型的一个重要技术指标。压力损失小，流体能消耗小，输运流体的动力要求小，测量成本低。反之则能耗大，经济效益相应降低。故希望流量计的压力损失愈小愈好。84.2节流式流量计4.2.1差压式流量计差压式流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计以及显示仪表所组成

吨／小时(t/h) 升(L) 吨(t)等 4.1.2 流量计的分类 1、流量测量方法大致可以归纳为以下几类： 流量测量仪表种类繁多，其测量原理、结构特性、适用范围以及使用方法等各不相同。 所以其分类可以按不同原则划分。 按测量方法不同，流量仪表可分为速度式、容积式和质量式三类。 （1）速度式流量计：以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的仪表。 以测量管道内或明渠中流体的平均速度来求得流量。如节流式流量计（差压式孔板流 量计、转子流量计）、涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声流量计等。 （2）容积式流量计：以单位时间内所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据来计 算流量的仪表。 容积式流量计是利用机械测量元件把流体连续不断地分隔成单位体积并进行累加而计 量出流体总量的仪表。如腰轮流量计、椭圆齿轮流量计、刮板流量计、活塞流量计等。 （3）质量流量计：以测量流体流过的质量 M 为依据的流量计。质量流量计分直接式和 间接式两种。 例如科里奥利质量流量计。 2. 流量仪表的主要技术参数 (1) 流量范围 流量范围指流量计可测的最大流量与最小流量的范围。 (2) 量程和量程比 流量范围内最大流量与最小流量值之差称为流量计的量程。最大流量与最小流量的比值称为 量程比，亦称流量计的范围度。 (3) 允许误差和精度等级 流量仪表在规定的正常工作条件下允许的最大误差，称为该流量仪表的允许误差，一般用最 大相对误差和引用误差来表示。流量仪表的精度等级是根据允许误差的大小来划分的，精度 等级有：0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5 等。 (4) 压力损失 压力损失的大小是流量仪表选型的一个重要技术指标。压力损失小，流体能消耗小，输运流 体的动力要求小，测量成本低。反之则能耗大，经济效益相应降低。故希望流量计的压力损 失愈小愈好。 §4.2 节流式流量计 4.2.1 差压式流量计 差压式流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实 现流量测量的。 通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置和能将此压差转换成对应的流量值 显示出来的差压计以及显示仪表所组成

图4-4差压式流量计组成1-节流元件2-引压管路3-三阀组4-差压计流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。节流装置就是在管道中放置的一个局部收缩元件，应用最广泛的是孔板其次是喷嘴、文丘里管。1.测量原理及流量方程P+P2+元"d?D?42=uP2upr22PiP244(4-13)p1、p2一截面1和2上流体的静压力；u1、u2一截面1和2上流体的平均流速：p1、p2一截面1和2上流体的密度D、d一截面1和2上流束直径；(a)P(b)1(c)图4-5流体流经节流件时压力和流速变化情况求出：(Pi- P2)i-(d'ID)(4-14)

图 4-4 差压式流量计组成 1-节流元件 2-引压管路 3-三阀组 4-差压计 流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异 的现象称为节流现象。 节流装置就是在管道中放置的一个局部收缩元件,应用最广泛的是孔板,其次是喷嘴、文丘 里管。 1.测量原理及流量方程 2 2 2 2 2 2 2 1 1 p1 u p u + = +   '2 2 2 2 1 1 4 4 u D u d     = （4-13） p1、p2—截面 1 和 2 上流体的静压力； u1、u2—截面 1 和 2 上流体的平均流速； ρ1、ρ2—截面 1 和 2 上流体的密度 D 、d'—截面 1 和 2 上流束直径； 图 4-5 流体流经节流件时压力和流速变化情况 求出： ( ) ( ) 1 2 4 2 2 1 / 1 p p d D u − −  =  （4-14）

体积流量：1(pi-p2)q,=A/1-(d'/D)* 4(4-15)质量流量：112 /2p(pr- p2)qm= pu,A/1-(d'ID)t 4(4-16)以实际采用的某种取压方式所得到的压差△p来代替(pl-p2)的值;同时引入流出系数C(或流量系数）对上式进行修正：22cc元元d2-Apα:=CEp=α-q,4J1- β4 4pVp/1- β4(4-17)c元元d212pp=α2pApqm24/1- β4 4Vi- β4(4-18)对于可压缩流体，考虑到节流过程中流体密度的变化而引入流束膨胀系数进行修正采用节流件前的流体密度β，由此流量公式可更一般的表示为：2"d?2p-△p=qm=04Vp4(4-19)流量基本方程式是阐明流量与压差之间定量关系的基本流量公式。它是根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程式推导而得的。可以看出：要知道流量与压差的确切关系，关键在于的取值。流量与压力差△P的平方根成正比。2.节流装置国内外把最常用的节流装置、孔板、喷嘴、文丘里管等标准化，并称为标准节流装置”。采用标准节流装置进行设计计算时都有统一标准的规定、要求和计算所需要的通用化实验数据资料。（1）标准节流装置的适用条件a.流体必须是牛顿流体，在物理学和热力学上是均匀的、单相的，或者板厚度压可认为是单相的流体。b.流体必须充满管道和节流装置且连续流动，流经节流件前流动应达到充分紊流，流束平行于管道轴线且无旋转，流经节流件时不发生相变。人科角户c.流动是稳定的或随时间缓变的。节流孔厚度e（2）标准节流元件的结构形式轴线①标准孔板d标准孔板是一块具有与管道同心圆形开孔的圆板，迎流一侧是有锐利直流动方向角入口边缘的圆筒形孔，顺流的出口呈扩散的锥形。结构简单，加工方便，价格便宜

体积流量： ( ) ( ) 1 2 2 4 2 2 2 4 1 / 1 d p p d D qv u A  − −  = =   （4-15） 质量流量： ( ) ( ) 1 2 2 4 2 2 2 4 1 / 1 d p p d D qm u A  − −  = =    （4-16） 以实际采用的某种取压方式所得到的压差Δp 来代替(p1-p2)的值;同时引入流出系数 C（或流 量系数α ）对上式进行修正： d p d p C qv  =  − =       2 4 2 1 4 2 2 4 CE C = − = 4 1   （4-17） d p d p C qm  =  − =       2 4 2 1 4 2 2 4 4 1 1 −  E = （4-18） 对于可压缩流体，考虑到节流过程中流体密度的变化而引入流束膨胀系数ε进行修正采用节 流件前的流体密度ρ，由此流量公式可更一般的表示为： qv = d p    2 4 2 q d p m =    2 4 2 （4-19） 流量基本方程式是阐明流量与压差之间定量关系的基本流量公式。它是根据流体力学中 的伯努利方程和流体连续性方程式推导而得的。 可以看出：要知道流量与压差的确切关系，关键在于α的取值。 流量与压力差ΔP 的平方根成正比。 2.节流装置 国内外把最常用的节流装置、孔板、喷嘴、文丘里管等标准化，并称为“标准节流装置”。 采用标准节流装置进行设计计算时都有统一标准的规定、要求和计算所需要的通用化实 验数据资料。 (1)标准节流装置的适用条件 a.流体必须是牛顿流体，在物理学和热力学上是均匀的、单相的，或者 可认为是单相的流体 。 b.流体必须充满管道和节流装置且连续流动，流经节流件前流动应达到 充分紊流，流束平行于管道轴线且无旋转，流经节流件时不发生相变。 c.流动是稳定的或随时间缓变的。 (2)标准节流元件的结构形式 ①标准孔板 标准孔板是一块具有与管道同心圆形开孔的圆板，迎流一侧是有锐利直 角入口边缘的圆筒形孔，顺流的出口呈扩散的锥形。 结构简单，加工方便，价格便宜

压力损失较大，测量精度较低，只适用于洁净流体介质，测量大管径高温高压介质时，孔板易变形。图4-6孔板示意图②标准喷嘴标准喷嘴是一种以管道轴线为中心线的旋转对称体，主要由入口圆弧收缩部分与出口圆筒形喉部组成，有ISA1932喷嘴和长径喷嘴两种型式。D/220.60流动方向流动方向B(a)高比值0.25≤β≤0.8(b)低比值0.2≤β≤0.5图4-7ISA1932喷嘴(p-a)9/PLXD/20.6do.6d流动方向流动方向2BZ1(a）高比值0.25≤β≤0.8(b)低比值0.2≤β≤0.5图4-8长径喷嘴③文丘里管文丘里管有两种标准型式：经典文丘里管与文丘里喷嘴。文丘里管压力损失最低，有较高的测量精度，对流体中的悬浮物不敏感，可用于污脏流体介质的流量测量，在大管径流量测量方面应用的较多。但尺寸大、笨重，加工困难，成本高，一般用在有特殊要求的场合。32234554JUNuuI儿JL1流动方向M1-1-理论取压2-2-角接取压；3-3-法兰取压：4-4-径距取压；5-5-搞失取压图4-9文丘里管（3）节流装置的取压方式根据节流装置取压口位置可将取压方式分为理论取压、角接取压、法兰取压、径距取压与损失取压等五种：

压力损失较大，测量精度较低，只适用于洁净流体介质，测量大管径高温高压介质时，孔板 易变形。 图 4-6 孔板示意图 ②标准喷嘴 标准喷嘴是一种以管道轴线为中心线的旋转对称体，主要由入口圆弧收缩部分与出口圆筒形 喉部组成，有 ISAl932 喷嘴和长径喷嘴两种型式。 图 4-7 ISA1932 喷嘴 图 4-8 长径喷嘴 ③文丘里管 文丘里管有两种标准型式：经典文丘里管与文丘里喷嘴。文丘里管压力损失最低，有较高的 测量精度，对流体中的悬浮物不敏感，可用于污脏流体介质的流量测量，在大管径流量测量 方面应用的较多。但尺寸大、笨重，加工困难，成本高，一般用在有特殊要求的场合。 图 4-9 文丘里管 (3)节流装置的取压方式 根据节流装置取压口位置可将取压方式分为理论取压、角接取压、法兰取压、径距取压与损 失取压等五种: