流量傳感器技術(shù)知識

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1、流 量 測 量 第 一 節(jié) 概 述1 流 量 的 概 念 流 體 在 單 位 時 間 內(nèi) 流 經(jīng) 某 一 有 效 截 面 的 體 積 或 質(zhì) 量 ， 前者 稱 體 積 流 量 （ m3/s)， 后 者 稱 質(zhì) 量 流 量 (kg/s)。 如 果 在 截 面 上 速 度 分 布 是 均 勻 的 ， 則 ： v Fq vA m v如 果 介 質(zhì) 的 密 度 為 ， 那 么 量q 流= 量q 質(zhì) 流 過 管 道 某 截 面 的 流 體 的 速 度 在 截 面 上 各 處 不可 能 是 均 勻 的 ， 假 定 在 這 個 截 面 上 某 一 微 小 單元 面 積 上 dAF速 度 是 均 勻 的 ，

2、流 過 該 單 元 面 積 上的 體 積 流 量 為 ,v Fdq vdA v 為 流 速整 個 截 面 上 的 流 量 qv為 v FFq vdA 測 量 某 一 段 時 間 內(nèi) 流 過 的 流 體 量 ， 即 瞬 時 流 量 對時 間 的 積 分 ， 稱 之 流 體 總 量 。vt mtV q dtM q dt 用 來 測 量 流 量 的 儀 表 統(tǒng) 稱 為 流 量 計 。 測 量 總 量 的 儀 表 稱為 流 體 計 量 表 或 總 量 計 。 流 體 的 幾 個 概 念 （ 一 ） 粘 性 在 流 體 的 內(nèi) 部 相 互 接 觸 的 部 分 在 其 切 線 方 向 的 速 度有 差 別

3、 時 會 產(chǎn) 生 減 小 其 速 度 差 的 作 用 。 這 是 因 為 流速 快 的 部 分 要 加 速 與 其 相 接 觸 的 流 速 慢 的 部 分 ， 而流 速 慢 的 部 分 要 減 小 與 其 相 接 觸 的 流 速 快 的 部 分 ，流 體 的 這 種 性 質(zhì) ， 稱 為 粘 性 。 衡 量 流 體 粘 性 大 小 的 物 理 量 稱 為 粘 度 ： 設(shè) 有 兩 塊 面 積 很 大 距 離 很 近 的 平 板 ， 兩 平 板 中 間 是 流 體 。 令 底下 的 平 板 保 持 不 動 ， 而 以 一 恒 定 力 推 動 上 面 平 板 ， 使 其 以 速 度 v沿 x方 向 活

4、 動 。 由 于 流 體 粘 性 的 作 用 ， 附 在 上 板 底 面 的 一 薄 層 液體 以 速 度 v隨 上 板 運 動 。 而 下 板 不 動 故 附 在 其 上 的 流 體 不 動 ， 所以 兩 板 間 的 液 體 就 分 成 無 數(shù) 薄 層 而 運 動 ， 如 圖 所 示 。 作 用 力 F與 受 力 面 平 行 ， 稱 為 剪 力 ， 剪 力 與 板 的 速 度 v、 板 的 面 積 S成 正比 ， 而 與 兩 板 間 的 距 離 y成 反 此 ， 即 dvdy 稱 為 粘 度 ， 或 動 力 粘 度 (dynamic viscosity)， 單 位 是 ：泊 （ P） (Pa

5、.s), /s 2稱 為 運 動 粘 度 ， 單 位 是 ： m/ /F S v yF yS v v y Kinematic viscosity （ 二 ） 層 流 和 紊 流 流 體 在 細 管 中 的 流 動 形 式 可 分 為 層 流 和 紊 流兩 種 。 所 謂 層 流 (laminar flow)就 是 流 體 在 細 管 中 流動 的 流 線 平 行 于 管 軸 時 的 流 動 。 所 謂 紊 流 (turbulent flow)就 是 流 體 在 細 管 中 流動 的 流 線 相 對 混 亂 的 流 動 。 利 用 雷 諾 數(shù) 可 以 判 斷 流 動 的 形 式 。 如 果 雷

6、諾數(shù) 小 于 某 一 值 時 ， 可 判 斷 為 層 流 ， 而 大 于 此 值時 則 判 斷 為 紊 流 。 由 此 ， 我 們 發(fā) 現(xiàn) 管 內(nèi) 流 體 流 動 時 存 在 著 兩 種 狀 態(tài) ：一 為 層 流 狀 面 一 為 紊 流 狀 態(tài) 在 不 同 的 流 動 狀 態(tài)下 ， 流 體 有 不 同 的 流 動 特 性 。 在 層 流 流 動 狀 態(tài) 時 ，流 量 與 壓 力 降 成 正 比 ； 在 紊 流 流 動 狀 態(tài) 時 ， 流 量與 壓 力 降 的 平 方 根 成 正 比 ， 而 且 在 層 流 與 紊 流 兩種 不 同 的 流 動 狀 態(tài) 時 ， 其 管 內(nèi) 的 速 度 分 布 也

7、 大 不相 同 。 這 些 對 于 許 多 采 用 測 量 流 速 來 得 到 流 量 的測 量 方 法 是 很 重 要 的 。 在 層 流 流 動 狀 態(tài) 下 ， 流 速 分布 是 以 管 軸 為 中 心 線 的 軸 對稱 拋 物 線 分 布 。在 紊 流 流 動 狀 態(tài) 下 ， 管 內(nèi)流 速 同 樣 是 以 管 中 心 線 軸對 稱 的 分 布 ， 但 是 其 分 布呈 指 數(shù) 曲 線 形 式 。 雷 諾 數(shù) 是 表 征 流 體 流 動 時 慣 性 力 與 粘 性 力 之 比 。利 用 細 管 直 徑 d， 可 求 出 雷 諾 數(shù) Rd：d vd vdR 為 細 管 中 的 平 均 流 速

8、 ； 為 流 體 的 運 動 粘 度 , d為 管 徑 。Rd 2320時 為 層 流 ， Rd 2320時 為 紊 流 ；v （ 三 ） 雷 諾 數(shù)所 謂 平 均 流 速 ， 一 般 是 指 流 過 管 路 的 體 積 流 量 除 以 管 路截 面 積 所 得 到 的 數(shù) 值 。 （ 四 ） 流 體 流 動 的 連 續(xù) 性 方 程流 體 在 管 道 內(nèi) 作 穩(wěn) 定 流 動 的 情 況 ：1 1 1 2 2 2v S v S 1 2 常 數(shù) ， v為 某 截 面 上 流 體 的 平 均 速 度若 流 體 是 不 可 壓 縮 的 ， 即 ：則 ：vS=常 數(shù)即 流 體 在 穩(wěn) 定 流 動 ， 且

9、 不 可 壓 縮 時 ， 流 過 各 截 面 流 體 的體 積 為 常 量 。 因 此 利 用 上 式 ， 很 方 便 的 求 出 流 體 流 過 管道 不 同 截 面 時 的 流 速 。 （ 五 ） 流 體 伯 努 力 方 程 2 21 1 2 21 21 22 21 1 2 21 22 22 2v p v pgZ gZv p v pgZ gZ 對 不 可 壓 縮 的 流 體 二 、 流 量 儀 表 的 分 類（ 一 ） 計 量 表1.容 積 式 計 量 表 這 類 儀 表 用 儀 表 內(nèi) 的 一 個 固 定 容 量 的 容 積 連 續(xù)地 測 量 被 測 介 質(zhì) ， 最 后 根 據(jù) 定 量

10、容 積 稱 量 的 次數(shù) 來 決 定 流 過 的 總 量 。 習(xí) 慣 上 人 們 把 計 量 表 也稱 為 流 量 計 。 根 據(jù) 它 的 結(jié) 構(gòu) 不 同 ， 這 類 儀 表 主要 有 橢 圓 齒 輪 流 量 計 、 腰 輪 流 量 汁 、 活 塞 式 流量 計 等 。 括板式流量計橢圓齒輪流量計 腰輪流量計 活塞式流量計容積式計量表 2.速 度 式 計 量 表 在 儀 表 中 裝 一 旋 轉(zhuǎn) 葉 輪 ， 流 體 流 過 時 ，推 動 葉 輪 旋 轉(zhuǎn) ， 葉 輪 的 轉(zhuǎn) 動 正 比 于 流 過介 質(zhì) 的 總 量 ， 葉 輪 轉(zhuǎn) 動 帶 動 計 數(shù) 器 的 齒輪 機 構(gòu) ， 計 數(shù) 器 即 顯

11、示 讀 數(shù) 。 這 類 計 量表 機 構(gòu) 簡 單 ， 但 精 度 低 。 一 般 在 2 左 右 ，大 多 的 水 表 即 采 用 此 結(jié) 構(gòu) 表 。 （ 二 ） 流 量 計 流體振動式流量計差壓式流量計 流體阻力式流量計 測速式流量計流量計 第 二 節(jié) 總 量 測 量 儀 表（ 一 ） 橢 圓 齒 輪 流 量 計 每 轉(zhuǎn) 一 周 ，兩 個 齒 輪共 送 出 四個 標(biāo) 準(zhǔn) 體積 的 流 體 。 二 、 腰 輪 流 量 計 （ 羅 茨 流 量 計 ）腰 輪 流 量 計 除 可 測液 體 外 ， 還 可 測 量氣 體 ， 精 度 可 達0.1 ， 并 可 做 標(biāo)準(zhǔn) 表 使 用 ； 最 大 流量 可

12、 達 1000m3/h。腰 輪 上 沒 有 齒 ， 它 們 不 是直 接 相 互 嚙 合 轉(zhuǎn) 動 ， 而 是通 過 按 裝 在 完 體 外 的 傳 動齒 輪 組 進 行 傳 動 三 、 容 積 式 流 量 計 的 誤 差 儀 表 輸 出 由 指 針 指 示 ， 指 示 值 I:0V NVI N為 儀 表 系 數(shù)流 量 較 小 時 ， 誤 差 為 負 值 ， 在 流 量 增 大 時 、 誤 差 為 正 值 、且 基 本 保 持 不 變 (曲 線 1)。 這 種 現(xiàn) 象 主 要 是 由 于 在 運 動 件的 間 隙 中 泄 漏 所 引 起 的 。 這 個 泄 漏 量 與 間 隙 、 粘 度 、 前

13、后 壓 差 有 關(guān) ， 另 外 也 和 流 過 體 積 V所 需 的 時 間 有 關(guān) 。 容 積 式 流 量 計 的 測 量 誤 差 值 E， 可 由 指 示 值 與 真 值 之 差 與 指 示 值 之比 表 示 。 設(shè) ： V為 通 過 流 量 計 的 流 體 體 積 真 值 ； I為 流 量 計 指 示 值 ，則 誤 差 值 E可 表 示 為 0 01 1I V NV VE I N ,vVt qvq 為 流 量 儀 表 的 流 量 。 00 01 (1 / )ss s vss v s vqVV q t qV NV VIV VV q qI V VI q q 上 述 兩 種 轉(zhuǎn) 子 型 式 的

14、 容 積 流 顯 計 ， 可 用于 各 種 液 體 流 量 的 測 量 ， 尤 其 是 用 于 油流 量 的 準(zhǔn) 確 測 量 ， 在 高 壓 力 、 大 流 量 的氣 體 流 量 測 量 中 ， 這 類 流 量 計 也 有 應(yīng)用 由 于 橢 圓 齒 輪 容 積 流 量 計 直 接 依 靠測 量 輪 嚙 合 ， 因 此 對 介 質(zhì) 的 清 潔 要 求 較高 ， 不 允 許 有 固 體 顆 粒 雜 質(zhì) 流 過 流 量計 當(dāng) 充 滿 圓 管 的 流 體 流 經(jīng) 在 管 道 內(nèi) 部 安 裝的 節(jié) 流 裝 置 時 ， 流 束 將 在 節(jié) 流 件 處 形 成局 部 收 縮 ， 使 流 速 增 大 ， 靜

15、壓 力 降 低 ，于 是 在 節(jié) 流 件 前 后 產(chǎn) 生 壓 力 差 該 壓 力差 通 過 差 壓 計 檢 出 流 體 的 體 積 流 量 或質(zhì) 量 流 量 與 差 壓 計 所 測 得 的 差 壓 值 有 確定 的 數(shù) 值 關(guān) 系 。差 壓 式 流 量 計 （ 節(jié) 流 式 流 量 計 ） 選 定 兩 個 截 面 ， II是 節(jié) 流 裝 置 前 流 體 開 始 受 節(jié)流 裝 置 影 響 的 截 面 ； II-II是 流 束 經(jīng) 過 節(jié) 流 裝 置 后 收縮 最 厲 害 的 流 束 截 面 ， 由 伯 努 利 方 程 式 得2 2 1 1 2 2 1 1 2 22 2v p v pg gS v S

16、 v 由 連 續(xù) 性 方 程 ：由 于 流 束 在 節(jié) 流 裝 置 后 的 最 小 收 縮 面 積 S2， 實 際 上 很 難 確 切地 知 道 它 的 數(shù) 值 ， 因 此 用 節(jié) 流 裝 置 開 孔 的 截 面 積 S0來 表 示 ,2 0S S其 中 稱 為 流 束 的 收 縮 系 數(shù) ， 其 大 小 與 節(jié) 流 裝 置 的 類 型 有 關(guān) 。p1、 p2流 體 在 截 面 II和 IIII處 的靜 壓 力v1、 v2流 體 在 截 面 II和 IIII處 的平 均 流 速 01 2 21Sv v mvS 2 1 22 21 2 ( )1 gv p pm 上 面 得 到 的 流 速 是 理

17、 論 值 ， 因 為 理 想 的 不 可 壓 縮 的 流 體是 不 存 在 的 。 流 體 有 粘 度 ， 故 有 摩 擦 ， 因 此 實 際 的 流 速應(yīng) 修 正 。 其 次 ， 考 慮 到 使 用 方 便 ， 實 際 上 經(jīng) 常 在 節(jié) 流 裝置 前 后 兩 個 固 定 位 置 上 測 取 壓 力 p1、 p2， 代 替 p1、 p2，在 計 算 v2的 公 式 中 亦 應(yīng) 修 正 。 考 慮 這 兩 方 面 的 因 素 ， 在IIII截 面 上 的 流 速 2 2 1 22 2 2 ( )1 gv v p pm 流 過 截 面 IIII的 體 積 流 量 為02 2 2 0 1 22 2

18、0 1 2 2 ( )12 ( )v S gQ v S v S p pmgS p p m 稱 為 流 量 系 數(shù) ， 和 節(jié) 流 裝 置 的 面 積 比 、 流 體 的 粘 度 、密 度 、 取 壓 方 式 有 關(guān) ， 是 用 實 驗 方 法 確 定 的 系 數(shù) 。 節(jié) 流 式 流 量 計 主 要 由 兩 部 分 組 成 ： 節(jié) 流裝 置 和 測 量 靜 壓 差 的 差 壓 計 。 節(jié) 流 裝 置 是 安 裝 在 流 體 管 道 中 ， 使 流體 的 流 通 截 面 發(fā) 生 變 化 ， 引 起 流 體 靜 壓變 化 的 一 種 裝 置 。 常 用 的 節(jié) 流 裝 置 有 文丘 利 管 、 噴

19、嘴 和 孔 板 ， 如 圖 所 示 。 常 用 的 節(jié) 流 裝 置 文 丘 利 管 壓 力 損失 最 小 ， 而 孔 板壓 力 損 失 最 大 。 文 丘 利 管孔 板 噴 嘴 標(biāo) 準(zhǔn) 孔 板 是 用 不 銹 鋼 或其 它 金 屬 材 料 制 造 的 薄板 ， 它 具 有 圓 形 開 孔 并與 管 道 同 心 ， 其 直 角 入口 邊 緣 非 常 銳 利 ， 且 相對 于 開 孔 軸 線 是 旋 轉(zhuǎn) 對稱 的 。 標(biāo) 準(zhǔn) 孔 板 的 形 狀如 圖 所 示 標(biāo) 準(zhǔn) 噴 嘴 即 ISAl932噴嘴 它 是 一 個 以 管 道 喉 部開 孔 軸 線 為 中 心 線 的 旋 轉(zhuǎn)對 稱 體 ， 由 兩

20、個 圓 弧 曲 面構(gòu) 成 的 入 口 收 縮 部 分 及 與之 相 接 的 圓 筒 形 喉 部 所 組成 其 結(jié) 構(gòu) 如 圖 34所 示 標(biāo) 準(zhǔn) 文 丘 利 噴 嘴 是 標(biāo) 準(zhǔn) 文 丘 利 管 的 一種 型 式 ， 如 圖 35所 示 它 由 廓 形 修圓 的 收 斂 部 分 ， 圓 筒 形 喉 部 和 擴 散 段組 成 喉 部 取 壓 平 面 之 前 上 游 平 面 A、入 口 圓 弧 B、 C和 喉 部 的 圓 筒 E部 分 與 標(biāo)準(zhǔn) 噴 嘴 完 全 相 同 1 取 壓 方 式 差 壓 式 流 量 計 是 通 過 測 量 節(jié) 流 件 前 后 壓 力 差 p來 實 現(xiàn)流 量 測 量 的 ，

21、而 壓 力 差 p的 值 與 取 壓 孔 位 置 和 取 壓 方 式緊 密 相 關(guān) 。 節(jié) 流 裝 置 的 取 壓 方 式 有 以 下 5種 ， 各 種 取 壓 方式 及 取 壓 孔 位 置 如 圖 37所 示 (1)角 接 取 壓 : 上 下 游 取 壓 管 位 于 孔 板 (或 噴 嘴 )的 前 后 端 面處 。 角 接 取 壓 包 括 單 獨 鉆 孔 和 環(huán) 室 取 壓 。 如 圖 37中 ll位 置 。(2)法 蘭 取 壓 ： 上 下 游 側(cè) 取 壓 孔 的 軸 線 至 孔 板 上 、 下 游 側(cè)端 面 之 間 的 距 離 均 為 25.4 0.8mm（ 1inch)。 取 壓 孔 開

22、 在孔 板 上 下 游 側(cè) 的 法 蘭 上 如 圖 37中 22位 置 （ 3)徑 距 取 壓 ： 上 游 側(cè) 取 壓 孔 的 軸 線 至 孔 板 上 游 端 面 的 距離 為 1Dm 0.1Dm， 下 游 側(cè) 取 壓 孔 的 軸 線 至 孔 極 下 游 端 面的 距 離 為 0.5Dm。 如 圖 37中 的 3.3位 置 （ Dm管 道 直 徑 ） 。 (4)理 論 取 壓 ： 上 游 側(cè) 取 壓 孔 的 軸 線 至 孔 板 上 游 端 面 的 距離 為 l Dm 0.1Dm， 下 游 側(cè) 取 壓 孔 的 軸 線 至 孔 板 上 游 端 面的 距 離 因 值 不 同 而 異 。 該 距 離

23、理 論 上 就 是 流 束 收 縮 到 最小 截 面 的 距 離 。 如 圖 37中 的 44位 置 。 (5)管 接 取 壓 ： 上 游 側(cè) 取 壓 孔 的 軸 線 至 孔 板 上 游 端 面 的 距離 為 2.5Dm， 下 游 側(cè) 取 壓 孔 的 軸 線 至 孔 板 下 游 端 面 的 距 離為 8Dm 如 圖 37中 的 55位 置 該 方 法 使 用 很 少 標(biāo) 準(zhǔn) 取 壓 裝 置 是 國 家 標(biāo) 形 中 規(guī) 定 的 兩 種 取 壓 裝 置 ， 即角 接 取 壓 裝 置 和 法 蘭 取 壓 裝 置 。 其 中 角 接 取 壓 適 用 于孔 板 和 噴 嘴 ， 而 法 蘭 取 壓 僅 用

24、 于 孔 板 。(1)角 接 取 壓 裝 置角 接 取 壓 裝 置 可 以 采 用 環(huán) 室 或 夾 緊 環(huán) (單 獨 鉆 孔 )取 得 節(jié) 流 件 前 后 的 差 壓 。（ 2） 法 蘭 取 壓 裝 置法 蘭 取 壓 裝 置 由 兩 個 帶 取 壓 孔 的 取 壓 法 蘭 組 成 。標(biāo) 準(zhǔn) 取 壓 裝 置 一 、 浮 子 流 量 計 （ 轉(zhuǎn) 子 流 量 計 ）轉(zhuǎn) 子 流 量 計 又 名 浮 子 流 量 計 或 面 積 流 量 計 。 浮 子 流 量 計 具 有結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 使 用 維 護 方 便 ， 對 儀 表 前 后 直 管 段 長 度 要 求 不 高 ，壓 力 損 失 小 且 恒 定

25、 ， 測 量 范 圍 比 較 寬 ， 工 作 可 靠 且 線 性 刻 度 ，可 測 氣 體 、 蒸 汽 (電 、 氣 遠 傳 金 屬 浮 子 流 量 計 )和 液 體 的 流 量 ，適 用 性 廣 等 特 點 第 四 節(jié) 流 體 阻 力 式 流 量 計 浮 子 流 量 計 的 測 量 本 體 由 一 根 自 下 向 上 擴 大 的 垂 直 錐 管 和一 只 可 以 沿 著 錐 管 的 軸 向 自 由 移 動 的 浮 子 組 成 如 圖 4-1所示 當(dāng) 被 測 流 體 自 錐 管 下 端 流 入 流 量計 時 ， 由 于 流 體 的 作 用 ， 浮 子 上下 端 面 產(chǎn) 生 一 差 壓 ， 該

26、差 壓 即 為浮 子 的 上 升 力 。 當(dāng) 差 壓 值 大 于 浸在 流 體 中 浮 子 的 重 量 時 ， 浮 子 開始 上 升 。 隨 著 浮 子 的 上 升 浮 子最 大 外 徑 與 錐 管 之 間 的 環(huán) 形 面 積逐 漸 增 大 ， 流 體 的 流 速 則 相 應(yīng) 下降 ， 作 用 在 浮 子 上 的 上 升 力 逐 漸減 小 ， 直 至 上 升 力 等 于 浸 在 流 體中 的 浮 子 的 重 量 時 ， 浮 子 便 穩(wěn) 定在 某 一 高 度 上 。 這 時 浮 子 在 錐 管中 的 高 度 與 所 通 過 的 流 量 有 對 應(yīng)的 關(guān) 系 。 作 用 在 浮 子 上 的 力 有

27、 ：流 體 自 下 而 上 運 動 時 ， 作 用 在 浮 子 上 的 阻 力 F; 浮 子 本 身 的 垂直 向 下 的 重 力 W； 流 體 對 浮 子 所 產(chǎn) 生 的 垂 直 向 上 的 浮 力 B。 當(dāng)浮 子 處 于 平 衡 狀 態(tài) 時 ， 可 列 出 平 衡 方 程 式轉(zhuǎn) 子 流 量 計 的 測 量 原 理2 012 d fW B FF v c A 式 中 ， cd為 浮 子 的 阻 力 系 數(shù) ； o為 流 體 密 度 ； v為 環(huán) 形 流 通 面積 的 平 均 流 速 ： Af為 浮 子 的 最 大 迎 流 面 積 。 0 0 2000 00 0 0122 ( ,2 ( )1 f

28、 ff f f fd f f fd f f fv d f W V VgV v c AVv c A Vq Av Ac A 0 f0 f 0為 浮 子 材 料 的 重 度 ； 為 浮 子 的 體 積 。浮 子 在 流 體 中 所 受 的 浮 力 為 ：B= V 為 流 體 的 重 度 。 V ）該 環(huán) 形 流 通 面 積 為 A 則 體 積 流 量 為 ： 00 02 2 2 20 02 2 0 00 1/ , 2 ( )( ) (2 tan tan )2 ( )(2 tan tan )2 ( )(2 tan )d f ff f fv ff fv f c V gA AA R r hr hV gq

29、hr h AgVq r h A f f 0v 0 0 f 0 設(shè) 稱 為 流 量 系 數(shù) ， 則2V( - )q =A v= A A 只 要 保 持 流 量 系 數(shù) a為 常 數(shù) ， 則 流 量 與 浮 子高 度 h之 間 就 存 在 一 一 對 應(yīng) 的 近 似 線 性 關(guān)系 我 們 可 以 將 這 種 對 應(yīng) 關(guān) 系 直 接 刻 度 在流 量 計 的 錐 管 上 顯 然 ， 對 于 不 同 的 流 體 ，由 于 密 度 發(fā) 生 變 化 ， 所 以 qv與 h之 間 的 對 應(yīng)關(guān) 系 也 將 發(fā) 生 變 化 ， 原 來 的 流 量 刻 度 將 不再 適 用 所 以 原 則 上 ， 轉(zhuǎn) 子 流

30、量 計 應(yīng) 該 用實 際 介 質(zhì) 進 行 標(biāo) 定 注 意 ： 靶 式 流 量 計 由 靶 式 流 量 變 送 器 和顯 示 儀 表 兩 部 分 組 成 ， 其 測 量 元件 是 一 個 在 測 量 管 中 心 并 垂 直 于流 向 的 被 稱 為 “ 靶 ” 的 圓 板 。 通過 測 量 流 體 作 用 在 靶 上 的 力 而 實現(xiàn) 流 量 測 量 靶 式 流 量 計 是 60年 代 隨 著 工 業(yè) 生產(chǎn) 迫 切 需 要 解 決 高 粘 度 、 低 雷 諾數(shù) 流 體 ， 的 流 量 測 量 而 發(fā) 展 起 來的 一 種 新 型 流 量 測 量 儀 表 可 用于 低 雷 諾 數(shù) 、 含 固 體

31、顆 粒 的 漿 液及 腐 蝕 介 質(zhì) 流 量 測 量 。 它 具 有 結(jié)構(gòu) 簡 單 ， 安 裝 維 修 方 便 ， 成 本 低 。 靶 式 流 量 計 靶 式 流 量 計 的 結(jié) 構(gòu) 如 圖 所 示 ， 在 被 測 管 道 中 心 迎 著 流 速 方 向安 裝 一 個 靶 ， 當(dāng) 介 質(zhì) 流 過 時 ， 靶 受 到 流 體 的 作 用 力 。 這 個 力由 兩 部 分 組 成 ， 一 部 分 是 流 體 和 靶 表 面 的 摩 擦 力 ， 另 一 部 分是 由 于 流 束 在 靶 后 分 離 ， 產(chǎn) 生 壓 差 阻 力 ， 后 者 是 主 要 的 。 當(dāng)流 體 的 雷 諾 數(shù) 達 到 一 定

32、數(shù) 值 時 ， 阻 力 系 數(shù) 不 隨 雷 諾 數(shù) 變 化 ，而 保 持 常 數(shù) ， 這 時 阻 力 為 2 12vF A式 中 ， F為 靶 受 到 流 體 的 阻 力 ； 為 阻 力 系 數(shù) ； A1為 靶 迎 流面 積 ，d為 靶 直 徑 ； v為 靶 和 管 壁 間 環(huán) 面 積 中 的 平 均 流 速 ； 為 介 質(zhì)密 度 。 21 14A d 21 22( ) 21vv FAD d Fq d 式 中 ： 為 流 量 系 數(shù) ， D為 管 道 內(nèi) 徑 。流 量 與 靶 輸 出 力 F的 平 方 根 成 正 比 測 量 靶 所 受 的 力 F， 就 可以 測 定 被 測 介 質(zhì) 的 流

33、量 速 度 式 流 量 計 是 從 直 接 測 量 管 道 內(nèi) 流 體流 速 v作 為 流 量 測 量 依 據(jù) 的 。 若 測 得 的 是管 道 截 面 上 的 平 均 流 速 v， 則 流 體 的 體 積流 量 qv A v； (A為 測 量 管 道 橫 截 面 積 )。若 測 得 的 是 管 道 橫 截 面 上 的 某 一 點 流 速 v，則 流 體 的 體 積 流 量 qv K.A.v(K為 截 面 上的 平 均 流 速 與 被 測 點 流 速 的 比 值 ， 它 與 管道 內(nèi) 流 速 分 布 有 關(guān) )第 五 節(jié) 測 速 式 流 量 計 一 、 電 磁 流 量 計電 磁 流 量 計 是

34、 根 據(jù) 法 拉 第 電 磁 感 應(yīng) 定 律 制 成 的 一 種 測 量 導(dǎo)電 液 體 體 積 流 量 的 儀 表 ?？?以 測 量 各 種 腐 蝕 性 介 質(zhì) ： 酸 、 堿 、 鹽 溶 液 以 及 帶 有 懸 浮顆 粒 的 漿 液 。 被 測 介 質(zhì) 在 測 量 管 內(nèi) ， 由 于 沒 有 阻 滯 部 件 ，所 以 沒 有 壓 力 損 失 。 此 流 量 計 無 機 械 慣 性 ， 反 應(yīng) 靈 敏 ， 可以 測 量 脈 沖 流 量 ， 而 且 線 性 較 好 ， 可 以 直 接 進 行 等 分 刻 度 。但 電 磁 流 量 計 ， 由 于 只 能 測 量 導(dǎo) 電 液 體 ， 因 此 對 于

35、 氣 體 、蒸 氣 以 及 含 大 量 氣 泡 的 液 體 ， 或 者 電 導(dǎo) 率 很 低 的 液 體 不 能測 量 。 由 于 測 量 管 內(nèi) 襯 材 料 一 般 不 宜 在 高 溫 下 工 作 ， 所 以目 前 一 般 的 電 磁 流 量 計 還 不 能 用 于 測 量 高 溫 介 質(zhì) 。 如 圖 所 示 ， 設(shè) 在 均 勻 磁 場 中 ， 垂 直 于 磁 場 方 向 有 一 個 直 徑為 D的 管 道 。 管 道 由 不 導(dǎo) 磁 材 料 制 成 ， 當(dāng) 導(dǎo) 電 的 液 體 在 導(dǎo) 管中 流 動 時 ， 導(dǎo) 電 液 體 切 割 磁 力 線 ， 因 而 在 磁 場 及 流 動 方 向垂 直

36、的 方 向 上 產(chǎn) 生 感 應(yīng) 電 動 勢 ， 如 安 裝 一 對 電 極 ， 則 電 極間 產(chǎn) 生 和 流 速 成 比 例 的 電 位 差 。 式 中 ， c為 感 應(yīng) 電 動 勢 ： B為 磁 感 應(yīng) 強 度 ， D為 管 道 內(nèi) 徑 ； v為 液 體 在 管 道 內(nèi) 平 均 流 速 。E BDv 24 4v D DEq v B 1 直 流 勵 磁 直 流 勵 碰 方 式 用 直 流 電 產(chǎn) 生 磁 場 或 采 用 永 久 磁 鐵 ，它 能 產(chǎn) 生 一 個 恒 定 的 均 勻 磁 場 這 種 直 流 勵 磁 變 送器 的 最 大 優(yōu) 點 是 受 交 流 電 磁 場 干 擾 影 響 很 小

37、， 因 而可 以 忽 略 液 體 中 的 自 感 現(xiàn) 象 的 影 響 。 但 是 ， 使 用 直流 磁 場 易 使 通 過 測 量 管 道 的 電 解 質(zhì) 液 體 被 極 化 ， 即電 解 質(zhì) 在 電 場 中 被 電 解 ， 產(chǎn) 生 正 負 離 子 ， 在 電 場 力的 作 用 下 ， 負 離 子 跑 向 正 極 ， 正 離 子 跑 向 負 極 。 這樣 ， 將 導(dǎo) 致 正 負 電 極 分 別 校 相 反 極 性 的 離 子 所 包 圍 ，嚴 重 影 響 儀 表 的 正 常 工 作 所 以 ， 直 流 勵 磁 一 般 只用 于 測 量 非 電 解 質(zhì) 液 體 ， 如 液 態(tài) 金 屬 等 2 交

38、 流 勵 磁 目 前 ， 工 業(yè) 上 使 用 的 電 磁 流 量 計 ， 大 都 采 用 工 頻 (50Hz)電 源 交流 勵 磁 方 式 ， 即 它 的 磁 場 是 由 正 弦 交 變 電 流 產(chǎn) 生 的 ， 所 以 產(chǎn) 生 的磁 場 也 是 一 個 交 變 磁 場 。 交 變 磁 場 變 送 器 的 主 要 優(yōu) 點 是 消 除 了 電極 表 面 的 極 化 干 擾 另 外 ， 由 于 磁 場 是 交 變 的 ， 所 以 輸 出 信 號 也是 交 變 信 號 。 直 流 勵 磁 方 式 和 交 流 勵 磁 方 式 各 有 優(yōu) 缺 點 ， 為 了 充 分 發(fā) 揮它 們 的 優(yōu) 點 ， 盡 量

39、避 免 它 們 的 缺 點 ， 70年 代 以 來 ， 人 們 開 始采 用 低 頻 方 波 勵 磁 方 式 它 的 勵 磁 電 流 波 形 如 圖 所 示 ， 其 頻率 通 常 為 工 頻 的 1 4一 l 10 從 圖 可 見 ， 在 半 個 周 期 內(nèi) ， 磁 場 是 恒 穩(wěn) 的 直 流 磁 場 ， 它 具有 直 流 勵 磁 的 特 點 ， 受 電 磁 干 擾 影 響 很 小 。 從 整 個 時 間 過 程看 ， 方 波 信 號 又 是 一 個 交 變 的 信 號 ， 所 以 它 能 克 服 直 流 勵 磁易 產(chǎn) 生 的 極 化 現(xiàn) 象 因 此 ， 低 頻 方 波 勵 磁 是 一 種 比

40、 較 好 的 勵磁 方 式 ， 目 前 已 在 電 磁 流 量 計 上 廣 泛 的 應(yīng) 用 3 低 頻 方 波 勵 磁 當(dāng) 超 聲 波 在 流 體 中 傳 播 時 ， 會 載 帶 流 體 流 速的 信 息 。 因 此 ， 根 據(jù) 對 接 收 到 的 超 聲 波 信 號進 行 分 析 計 算 ， 可 以 檢 測 到 流 體 的 流 速 ， 進而 可 以 得 到 流 量 值 。 超 聲 波 流 量 測 量 方 法 有很 多 ， 本 節(jié) 主 要 介 紹 傳 播 速 度 差 方 法 和 多 普勒 方 法 的 基 本 原 理 與 流 量 方 程 二 、 超 聲 波 流 量 計 傳 播 速 度 差 法 的

41、 基 本 原 理 為 ： 測 量 超 聲 波 脈 沖 在順 流 和 逆 流 傳 播 過 程 中 的 速 度 之 差 來 得 到 到 被 測流 體 的 流 速 。 根 據(jù) 測 量 的 物 理 量 的 不 同 ， 可 以 分為 時 差 法 (測 量 順 、 逆 流 傳 播 時 由 于 超 聲 波 傳 播 速度 不 同 而 引 起 的 時 間 差 )、 相 差 法 (測 量 超 聲 波 在 順 、逆 流 中 傳 播 的 相 位 差 )、 頻 差 法 (測 量 順 、 逆 流 情 況下 超 聲 脈 沖 的 循 環(huán) 頻 率 差 )。 頻 差 法 是 目 前 常 用 的測 量 方 法 ， 它 是 在 前

42、兩 種 測 量 方 法 的 基 礎(chǔ) 上 發(fā) 展起 來 的 在 測 量 管 道 中 ， 裝 兩 個 超 聲 波 發(fā) 射 換 能 器 F1和 F2以 及 兩 個 接收 換 能 器 J1和 J2， F1J1和 F2J2與 管 道 軸 線 夾 角 為 a， 管 徑 為 D，流 體 由 左 向 右 流 動 ， 速 度 為 v， 此 時 由 F1到 J1超 聲 波 傳 播 速 度為 F2到 J2超 聲 波 傳 播 速 度 為 ： 1、 時 差 法如 果 超 聲 波 發(fā) 生 器 發(fā) 射 一 短 小 脈 沖 ， 其 順 流 傳 播 時 間 為而 逆 流 傳 播 的 時 間 為2 /sincosDt c v 測

43、 量 速 度 差 的 方 法 2 1 2 22 1 22 2 2 22 cos22 4 2 8 v Dvctgt t t c vv c Dvctgt t t cc tv Dctg D c tq Av Dc tg tDctg 2、 相 差 法所 謂 相 差 法 ， 既 是 通 過 測 量 超 聲 波 在 順 流 和 逆 流 時 傳 播 的 相 位差 來 得 到 流 速 22216v DvctgcDc tgq f 3、 頻 差 法此 法 是 通 過 測 量 順 流 和 逆 流 時 超 聲 脈 沖 的 重 復(fù) 頻 率 差 去 測 量 流速 。 在 單 通 道 法 中 脈 沖 重 復(fù) 頻 率 是 在

44、一 個 發(fā) 射 脈 沖 被 接 收 器 接收 之 后 ， 立 即 發(fā) 射 出 一 個 脈 沖 ， 這 樣 以 一 定 頻 率 重 復(fù) 發(fā) 射 ， 對于 順 流 和 逆 流 重 復(fù) 發(fā) 射 頻 率 為 2、 多 普 勒 法 多 普 勒 法 是 利 用 聲 學(xué) 多 普 勒 原 理 確 定 流 體流 量 的 多 普 勒 效 應(yīng) 是 當(dāng) 聲 源 和 目 標(biāo) 之 間 有相 對 運 動 ， 會 引 起 聲 波 在 頻 率 上 的 變 化 ， 這種 頻 率 變 化 正 比 于 運 動 的 目 標(biāo) 和 靜 止 的 換 能器 之 間 的 相 對 速 度 。 1 2 11 2 cos2 cos vf f f fc

45、Acqv ff 圖 是 超 聲 多 普 勒 流 量 計 示意 圖 。 超 聲 換 能 器 安 裝 在管 外 。 從 發(fā) 射 晶 體 T發(fā) 射的 超 聲 波 束 遇 到 流 體 中 運動 著 顆 粒 或 氣 泡 ， 再 反 射回 來 由 接 收 晶 體 R1接 收 。發(fā) 射 信 號 與 接 收 信 號 的 多普 勒 頻 率 偏 移 與 流 體 流 速成 正 比 。 如 忽 略 管 壁 影 響 ，并 假 設(shè) 流 體 沒 有 速 度 梯 度 ，以 及 粒 子 是 均 勻 分 布 的 ，可 得 方 程 流 體 振 動 流 量 計 是 60年 代 末 期 發(fā) 展 起 來 的 一 種 較 新 的流 量 測

46、 量 技 術(shù) 。 它 具 有 如 下 一 些 特 點 ： 可 得 到 與 流 量成 正 比 的 頻 率 輸 出 信 號 ； 被 測 流 體 本 身 就 是 振 動 體 ，無 機 械 可 動 部 件 ， 幾 乎 不 受 流 體 組 成 、 密 度 、 粘 度 、壓 力 等 因 素 的 影 響 ； 所 以 ， 該 測 量 方 法 越 來 越 受 到 人們 的 重 視 ，渦 街 流 量 計 （ Vortex flow meter) 是 利 用 流 體 流 過 阻 礙物 時 產(chǎn) 生 穩(wěn) 定 的 漩 渦 ， 通 過 測 量 其 漩 渦 產(chǎn) 生 頻 率 而實 現(xiàn) 流 量 計 量 的 。 渦 街 流 量 計

47、 由 渦 街 流 量 傳 感 器 和 流量 顯 示 儀 表 兩 部 分 構(gòu) 成 ， 第 六 節(jié) 振 動 式 流 量 計 渦 街 流 量 計 實 現(xiàn) 流 量 測 量 的 理 論 基 礎(chǔ) 是 流 體力 學(xué) 中 著 名 的 “ 卡 門 渦 街 ” 原 理 。 在 流 動 的流 體 中 放 置 一 根 其 軸 線 與 流 向 垂 直 的 非 流 線性 柱 形 體 (加 三 角 柱 、 圓 柱 等 )， 稱 之 為 漩 渦發(fā) 生 體 ， 見 圖 。 當(dāng) 流 體 沿 漩 渦 發(fā) 生 體 繞 流 時 ，會 在 漩 渦 發(fā) 生 體 下 游 產(chǎn) 生 如 圖 所 示 不 對 稱 但有 規(guī) 律 的 交 替 漩 渦

48、列 ， 這 就 是 所 謂 的 卡 門 渦街 。 When a fluid flow encounters a body, the layers of fluid close to the surfaces of the body are slowed down. With a streamlines body, these boundary layers follow the contours of the body until virtually meeting at the rear of the object. This results in very little wake bein

49、g produced. With a non-streamlined body, a so-called bluff-body, the boundary layers detach from the body much earlier and a large wake is produced.When the boundary layer leaves the body surface it rolls up into vortices. These are produced alternately from the top and bottom surfaces of the body.

50、The result is two parallel rows of vortices moving downstream with the distance between successive vortices in each row being the same, a vortex in one row occurring half way between those in the other row. 由 于 漩 渦 之 間 的 相 互 影 響 ， 其 形成 通 常 是 不 穩(wěn) 定 的 。 馮 .卡 門 對 渦列 的 穩(wěn) 定 條 件 進 行 了 研 究 ， 于1911年 得 到 結(jié) 論

51、 ： 只 有 當(dāng) 兩 漩 渦列 之 間 的 距 離 h和 同 列 的 兩 漩 渦 之間 的 距 離 L之 比 滿 足 時 ， 所 產(chǎn) 生 的 渦 街 才 是穩(wěn) 定 的 0.21tt t vf S dS v vf S d d 是 與 雷 諾 數(shù) 有 關(guān) 的 無 量 綱 數(shù) ，稱 為 斯 特 羅 哈 數(shù) 。圓 柱 體 后 漩 渦 發(fā) 生 的 頻 率 為 ： 2 5Re 3 10 2 10 21( )4Q Av D Dd v 圓 柱 體 表 面 開 有 導(dǎo) 壓 孔 ， 與 圓 柱 體 內(nèi) 部 空 腔 相 通 空 腔 由 隔 板分 成 兩 部 分 ， 在 隔 板 的 中 央 部 分 有 小 孔 ， 在

52、 小 孔 中 裝 有 檢 測流 體 流 動 的 鉑 電 阻 絲 當(dāng) 旋 渦 在 圓 柱 體 下 游 側(cè) 產(chǎn) 生 時 ， 出 于 升 力 的 作 用 ， 使 得 圓 柱體 下 方 的 壓 力 比 上 方 高 一 些 ， 圓 柱 體 下 方 的 流 體 在 上 下 壓 力 差的 作 用 下 ， 從 圓 柱 體 下 方 導(dǎo) 壓 孔 進 入 空 腔 ， 通 過 隔 板 中 央 部 分的 小 孔 ， 流 過 鉑 電 阻 絲 ， 從 上 方 導(dǎo) 壓 孔 流 出 。 如 果 將 鉑 電 阻 絲加 熱 到 高 于 流 體 溫 度 的 某 溫 度 值 ， 則 當(dāng) 流 體 流 過 鉑 電 阻 絲 時 ，就 會 帶

53、 走 熱 量 ， 改 變 其 溫 度 ， 也 即 改 變 其 電 阻 值 。 當(dāng) 圓 柱 體 上方 產(chǎn) 生 一 個 旋 渦 時 ， 則 流 體 從 上 導(dǎo) 壓 孔 進 入 ， 由 下 導(dǎo) 壓 孔 流 出 ，又 一 次 通 過 鉑 電 阻 絲 ， 又 改 變 一 次 它 的 電 阻 值 。 由 此 可 知 ： 電阻 值 變 化 與 流 動 變 化 相 對 應(yīng) ， 也 既 與 旋 渦 的 頻 率 相 對 應(yīng) 。 所 以 ，可 由 檢 測 鉑 電 阻 絲 電 阻 變 化 頻 率 得 到 渦 頻 率 ， 進 而 得 到 流 量 值 。 在 工 業(yè) 生 產(chǎn) 中 ， 由 于 物 料 平 衡 ， 熱 平 衡

54、 以 及 儲 存 、 經(jīng)濟 核 算 等 所 需 要 的 都 是 質(zhì) 量 ， 并 非 體 積 ， 所 以 在 測 量工 作 中 ， 常 需 將 測 出 的 體 積 流 量 ， 乘 以 密 度 換 算 成 質(zhì)量 流 量 。 但 由 于 密 度 隨 溫 度 、 壓 力 而 變 化 ， 所 以 在 測量 流 體 體 積 流 量 時 ， 要 同 時 測 量 流 體 的 壓 力 和 密 度 ，進 而 求 出 質(zhì) 量 流 量 。 在 溫 度 、 壓 力 變 化 比 較 頻 繁 的 情況 下 ， 難 以 達 到 測 量 的 目 的 。 這 樣 便 希 望 用 質(zhì) 量 流 量計 來 測 量 質(zhì) 量 流 量 ，

55、而 無 需 再 人 工 進 行 上 述 換 算 。 第 七 節(jié) 質(zhì) 量 流 量 計 3、 補 償 式 ： 同 時 檢 測 流 體 的 體 積 流 量 和 流 體 的 溫 度 、 壓 力值 ， 再 根 據(jù) 流 體 密 度 與 溫 度 、 壓 力 的 關(guān) 系 ， 由 計 算 單 元 計 算 得到 該 狀 態(tài) 下 流 體 的 密 度 值 ， 最 后 再 計 算 得 到 流 體 的 質(zhì) 量 流 量 值 。 補 償 式 質(zhì) 量 流 量 則 量 方 法 ， 是 目 前 工 業(yè) 上 普 遍 應(yīng) 用 的 一 種 測量 方 法 。質(zhì) 量 流 量 計 大 致 分 為 三 大 類 ： 1 直 接 式 ： 即 直 接

56、 檢 測 與 質(zhì) 量 流 量 成 比 例 的 量 ， 檢 測 元 件直 接 反 映 出 質(zhì) 量 流 量 。 2 推 導(dǎo) 式 ： 即 用 體 積 流 量 計 和 密 度 計 組 合 的 儀 表 來 測 量 質(zhì)量 流 量 ， 同 時 檢 測 出 體 積 流 量 和 流 體 密 度 ， 通 過 運 算 得 出 與質(zhì) 量 流 量 有 關(guān) 的 輸 出 信 號 。 一 、 直 接 式 質(zhì) 量 流 量 計 科 里 奧 利 質(zhì) 量 流 量 計 科 里 奧 利 質(zhì) 量 流 量 計 (簡 稱 CMF)是 利 用 流 體 在 振動 管 中 流 動 時 ， 產(chǎn) 生 與 質(zhì) 量 流 量 成 正 比 的 科 里 奧 利力

57、 而 制 成 的 一 種 直 接 式 質(zhì) 量 流 量 儀 表 。 如 圖 所 示 ， 當(dāng) 質(zhì) 量 m的 質(zhì) 點 以 速 度 v在 對 P軸 作 角 速 度 為 旋 轉(zhuǎn) 的管 道 內(nèi) 移 動 時 ， 質(zhì) 點 具 有 兩 個 分 量 的 加 速 度 及 相 應(yīng) 的 加 速 度 力 ：1. 法 向 加 速 度 ， 即 向 心 加 速 度 ar， 其 量 值 為 2r ， 方 向 朝 向 P軸 。2. 切 向 加 速 度 at， 即 科 里 奧 利 加 速 度 ， 其 量 值 為 2v ， 方 向 與ar垂 直 。 由 理 論 力 學(xué) 可 知 ， 當(dāng) 某 一 質(zhì) 量 為 m的 物 體 在 旋 轉(zhuǎn) 參 考系 中 以 速 度 v運 動 時 ， 將 受 到 一 個 力 的 作 用 ， 其 值 為當(dāng) 密 度 為 的 流 體 在 選 擇 管 道 中 以 恒 定 速 度 v流 動 時 ， 任 何 一 段長 度 x 的 管 道 都 受 到 一 個 Fc 的 切 向 科 里 奧 利 力 二 、 熱 式 質(zhì) 量 流 量 計