第10章 流量传感器及其应用

10.1 概述 10.1.1 基本概念 1．流量 流量是指单位时间内流过管道横截面的流体的数量，也称为瞬时流量。流量又有体积流量和质量流量之分。 设流体的密度为 ，质量流量与体积流量之间的关系为： 或 当流体通过管道横截面各处的流速相等时，体积流量 还可以用下式计算： 使用体积流量时，必须同时给出流体的压力和温度。 累计流量是指一段时间内流体的总流量，即瞬时流量对时间的累积。总流量的单位常用m3或kg表示。 第10章 流量传感器及其应用

（1）密度 ：表示单位体积中物质的量，其数学表达式为 2．流量检测中常用的物理量 （1）密度 ：表示单位体积中物质的量，其数学表达式为 对于液体，在常温常压下，压力变化对其容积影响甚微，所以工程上通常将液体视为不可压缩流体，即可不考虑压力变化对液体密度的影响，而只考虑温度对其密度的影响。对于气体，温度、压力对单位质量气体的体积影响很大，因此在表示气体密度时，必须指明气体的工作状态（温度和压力）。 （2）黏度：是表征流体流动时内摩擦黏滞力大小的物理量，有动力黏度和运动黏度。 二者之间的关系为：v =h/r。 （3）雷诺数Re：是表征流体情况的特征数。其计算公式为 式中， 为管径； 为流速；r为流体密度；h为动力黏度； 为运动黏度。 第10章 流量传感器及其应用

（4）温度体积膨胀系数：当流体的温度升高时，流体所占有的体积将会增加。温度体积膨胀系数是指流体温度每变化1℃时其体积的相对变化率。 （5）压缩系数：当作用在流体上的压力增加时，流体所占有的体积将会缩小。压缩系数是指当流体温度不变，所受压力变化时其体积的变化率。 10.1.2 流量测量方法 1．容积法 2．节流差压法 3．速度法 4．流体阻力法 5．流体振动法 6．质量流量测量法 第10章 流量传感器及其应用

10.2 容积式流量传感器 10.2.1 椭圆齿轮流量传感器 传感器的活动壁是一对互相啮合的椭圆齿轮，它们在被测流体压差的推动下产生旋转运动。 两个齿轮交替或同时受差压作用并保持不断地旋转，被测介质以初月形空腔为单位一次又一次地经过椭圆齿轮被排至出口。显然，椭圆齿轮每转动一周，排出4个初月形体积的流量，所以体积流量 为 图10-1 椭圆齿轮流量传感器原理图 第10章 流量传感器及其应用

10.2.2 腰轮流量传感器 10.2.3 刮板式流量传感器 腰轮流量传感器又叫罗茨式流量传感器，它的运动部件是一对表面无齿而光滑的腰轮。 刮板式流量传感器的运动部件是两对刮板，分为凸轮式和凹线式两种。 图10-2 腰轮流量传感器原理图 图10-3 凸轮式流量传感器原理图 第10章 流量传感器及其应用

10.3 差压式流量传感器 差压式流量传感器又叫节流式流量传感器，它是利用流体流经节流装置时产生压力差的原理来实现流量测量的，它的使用量大概占全部流量仪表的60%～70%。 差压式流量传感器主要由节流装置和差压计（或差压变送器）组成。 10.3.1 测量原理与流量方程 1．测量原理 当连续流动的流体遇到安装在管道中的节流装置时，由于流体流通面积突然缩小而形成流束收缩，导致流体速度加快；在挤过节流孔后，流速又由于流通面积变大和流束扩大而降低。由能量守恒定律可知，动压能和静压能在一定条件下可以互相转换，流速加快必然导致静压力降低，于是在节流件前后产生静压差 ，且 ，此即节流现象。静压差的大小与流过的流体流量之间有一定的函数关系，因此通过测量节流件前后的静压差即可求得流量。 第10章 流量传感器及其应用

图10.4流体流经孔板时压力和流速变化情况 2．流量方程 体积流量基本方程式 第10章 流量传感器及其应用

为体积流量，m3/s； 为质量流量，kg/s。 质量流量基本方程式 两式中各参数的意义和单位规定如下： 为体积流量，m3/s； 为质量流量，kg/s。 为流量系数，可由实验确定。通常根据节流件形式、管道情况、雷诺数、流体性质、取压方式等查表得到。 为流体膨胀的校正系数，通常在0.9～1.0之间。不可压缩流体时 ；可压缩性流体时 。 为节流件开孔面积，m2。当已知节流件开孔直径d（m）时， 。 为流体密度，kg/m3。 为节流件前后的压力差，Pa。 第10章 流量传感器及其应用

1-上游直管段；2-导压管；3-孔板；4-下游直管段；5、7-连接法兰；6-取压环室 10.3.2 标准节流装置 标准节流装置是由标准节流件、标准取压装置和上、下游侧阻力件，以及它们之间的直管段所组成。 1．标准节流件 （1）标准孔板 （2）标准喷嘴 1-上游直管段；2-导压管；3-孔板；4-下游直管段；5、7-连接法兰；6-取压环室 图10.5 全套节流装置 第10章 流量传感器及其应用

取压方式是指取压口位置和取压口结构。不同的取压方式，即取压口在节流件前后的位置不同，取出的差压值也不同。 图10.6 标准孔板 图10.7 标准喷嘴 2．取压方式 取压方式是指取压口位置和取压口结构。不同的取压方式，即取压口在节流件前后的位置不同，取出的差压值也不同。 第10章 流量传感器及其应用

标准孔板通常采用两种取压方式，即角接取压和法兰取压。 （1）标准孔板的取压方式。 标准孔板通常采用两种取压方式，即角接取压和法兰取压。 ① 角接取压。孔板上、下游侧取压孔位于上、下游孔板前后端面处，取压口轴线与孔板各相应端面之间的间距等于取压口直径的一半或取压口环隙宽度的一半。 角接取压又分为环室取压和夹紧环（单独钻孔）取压两种。 图10.8 标准孔板的取压方式 第10章 流量传感器及其应用

环室取压的前后两个环室在节流件两边，环室夹在法兰之间，法兰和环室、环室与节流件之间放有垫片并夹紧。 单独钻孔取压是在孔板的夹紧环上打孔，流体上下游压力分别从前后两个夹紧环取出。 ②法兰取压。标准孔板被夹持在两块特制的法兰中间，其间加两片垫片，上、下游侧取压孔的轴线距孔板前、后端面分别为（25.4±0.8）mm。 （2）标准喷嘴的取压方式。标准喷嘴仅采用角接取压方式。 3．标准节流装置的使用条件与管道条件 （1）使用条件。 ① 被测流体应充满圆管并连续地流动。 ② 管道内的流束（流动状态）是稳定的，测量时流体流量不随时间变化或变化非常缓慢。 ③ 流体必须是牛顿流体，在物理学和热力学上是单相的、均匀的，或者可认为是单相的，且流体流经节流件时不发生相变。 ④ 流体在进入节流件之前，其流束必须与管道轴线平行，不得有旋转流。 ⑤ 标准节流装置不适用于脉动流和临界流的流量测量。 第10章 流量传感器及其应用

③ 节流件前后应有足够长的直管段，在不同局部阻力情况下所需要的最小直管段长度。 （2）管道条件。 ① 安装节流装置的管道应该是直的圆形管道，管道直度用目测法测量。上下游直管段的圆度按流量测量节流装置的国家标准规定进行检验，管道的圆度要求是在节流件上游至少2D（实际测量）长度范围内，管道应是圆的。在离节流件上游端面至少2D 范围内的下游直管段上，管道内径与节流件上游的管道平均直径D 相比，其偏差应在±3%之内。 ② 管道内表面上不能有凸出物和明显的粗糙不平现象，至少在节流件上游10D 和下游4D 的范围内应清洁、无积垢和其他杂质，并满足有关粗糙度的规定。 ③ 节流件前后应有足够长的直管段，在不同局部阻力情况下所需要的最小直管段长度。 第10章 流量传感器及其应用

10.3.3 差压计 1．双波纹管差压计 双波纹管差压计是由测量部分和显示部分构成的基地式仪表，主要包括两个波纹管、量程弹簧、扭力管及外壳等部分。 1-节流装置；2、4-导压管；3-阀；5-扭管；6-中心基座；7-量程弹簧；8-低压波纹管；9-低压外壳； 10-填充液；11-摆杆；12-推板；13-阻尼阀；14-高压波纹管；15-高压外壳；16-连接轴 图10.9 双波纹管差压计结构原理图 第10章 流量传感器及其应用

2．膜片式差压计 膜片式差压计由差压变送器和显示仪表两部分组成，如图10.10所示。差压变送器主要由差压测量室（高压和低压室）、三通阀和差动变压器构成；显示仪表可装在远离生产现场的控制室内，进行流量的指示和记录等。 1-高压端切断阀；2-低压端切断阀；3-平衡阀；4-高压室；5-低压室；6-膜片； 7-非磁性杆；8铁芯； 9、10-差动变压器的初级和次级线圈；11-非磁性材料的密封套管；12-保护用挡板阀；13-保护用密封环 图10.10 膜片式差压计结构原理图 第10章 流量传感器及其应用

1—节流装置；2—导压阀；3—三阀组；4—差压计；5—排放阀 10.3.4 差压式流量传感器的安装 1．节流装置的安装 2．引压导管的安装 3．差压计的安装 4．安装示例 （1）液体流量的测量。 1—节流装置；2—导压阀；3—排污阀；4—差压计；5—三阀组；6—排气阀 1—节流装置；2—导压阀；3—三阀组；4—差压计；5—排放阀 图10.12 测量液体时差压流量传感器安装示意图 第10章 流量传感器及其应用

（2）气体流量的测量。 图10.13 测量气体时差压流量传感器安装示意图 1—节流装置；2—导压阀；3—三阀组；4—差压计 1—导压阀；2—节流装置；3—三阀组；4—差压计；5—排放阀 1—节流装置；2—导压阀；3—三阀组；4—差压计 图10.13 测量气体时差压流量传感器安装示意图 第10章 流量传感器及其应用

（3）蒸气流量的测量。 图10.14 测量蒸气时差压流量传感器安装示意图 1—节流装置；2—导压阀；3—冷凝器； 4—三阀组；5—差压计；6—排放阀 1—节流装置；2—导压阀；3—冷凝器；4—排污阀；5—差压计；6—三阀组；7—排气阀 图10.14 测量蒸气时差压流量传感器安装示意图 第10章 流量传感器及其应用

10.4 速度式流量传感器 速度式流量传感器是通过测量管道截面流体的平均流速来进行流量测量的。 10.4.1 电磁流量传感器 电磁流量传感器是根据法拉第电磁感应定律工作的，主要用于测量导电液体的体积流量，应用领域涉及工业、农业、医学等多个领域，在市场上的占有率仅次于差压式流量传感器。 1．测量原理与结构 电磁流量传感器由变送器和转换器两部分组成，被测流体的流量经变送器后变换成相应的感应电动势，再由转换器将感应电动势转换成标准的直流电信号，送至调节器或指示器进行控制或显示。 （1）测量原理。 第10章 流量传感器及其应用

（2）结构。电磁流量传感器主要由测量管、励磁系统、电极、衬里、外壳及转换器等组成。 图10.15 电磁流量传感器测量原理 图10.16电磁流量传感器结构示意图 （2）结构。电磁流量传感器主要由测量管、励磁系统、电极、衬里、外壳及转换器等组成。 2．电磁流量传感器的特点 3．电磁流量传感器的选用与安装 第10章 流量传感器及其应用

1-导流体；2-轴承；3-涡轮；4-壳体；5-信号放大器 10.4.2 涡轮流量传感器 涡轮流量传感器是以动量矩守恒原理为基础，利用置于流体中的涡轮的旋转速度与流体速度成比例的关系来反映通过管道的体积流量的。 1．测量原理与结构 （1）测量原理。 在一定的流体介质黏度和一定的流量范围内，涡轮的旋转角速度与通过涡轮的流体流量成正比，通过测量涡轮的旋转角速度可以确定流体的体积流量。 1-导流体；2-轴承；3-涡轮；4-壳体；5-信号放大器 图10.18 涡轮流量传感器 第10章 流量传感器及其应用

式中， 为涡轮流量传感器的仪表系数，与传感器的结构有关。在涡轮流量传感器的使用范围内，仪表系数 应为一常数，其数值由实验标定得到。 式中， 为涡轮流量传感器的仪表系数，与传感器的结构有关。在涡轮流量传感器的使用范围内，仪表系数 应为一常数，其数值由实验标定得到。 （2）结构。涡轮流量传感器主要由涡轮及轴承、导流体、磁电转换装置、外壳和信号放大器等部分组成。 2．涡轮流量传感器的特点 3．涡轮流量传感器的安装 第10章 流量传感器及其应用

10.4.3 超声波流量传感器 超声波流量传感器是一种非接触式流量测量仪表，它是利用超声波在流体顺流方向与逆流方向中传播速度的差异来测量流量的。按照测量原理的不同，超声波流量测量可分为传播时间法、多普勒效应法、声束偏移法等。下面以应用较多的传播时间法为例加以介绍。 1．测量原理 （1）时差法。 流体的体积流量为 图10.19 时差法测量原理 第10章 流量传感器及其应用

（2）相位差法。 （3）频率差法。 2．特点 第10章 流量传感器及其应用

10.5 流体阻力式流量传感器 10.5.1 转子流量传感器 1．工作原理 转子流量传感器又称浮子流量传感器或变面积流量传感器。它由两个部分组成：一个是由下往上逐渐扩大的锥形圆管；另一个是放置在锥形管内随被测介质流量大小变化而上下自由浮动的转子（又称浮子）。 图10.20 转子流量传感器 第10章 流量传感器及其应用

（3）由于节流作用使流体作用于转子向上的压差阻力 。 转子在锥形管中所受到的力有三个，即 （1）转子本身垂直向下的重力 。 （2）流体对转子垂直向上的浮力 。 （3）由于节流作用使流体作用于转子向上的压差阻力 。 转子在某一高度平衡时，有 第10章 流量传感器及其应用

式中 为被测介质的实际流量； 流量传感器的指示值； 为被测介质的实际密度。 当被测介质或工况改变时，对流量指示值应加以修正，采用的修正公式为： 式中 为被测介质的实际流量； 流量传感器的指示值； 为被测介质的实际密度。 2. 转子流量传感器的分类及使用 （1）分类 转子流量传感器分为两大类，即直接指示型转子流量传感器和电远传型转子流量传感器。 （2）特点 （3）安装与使用 1-转子；2-锥管；3-连动杆；4-铁心；5-差动线圈 图10.21 电远传转子流量传感器原理 第10章 流量传感器及其应用

10.5.2 靶式流量传感器 靶式流量传感器是基于力平衡原理工作的。它的测量元件是一个放置于管道中心的圆形靶，流体流过时受到靶的阻力而对靶产生一个作用力，通过杠杆将该作用力转换为与流速对应的电信号。 1．工作原理 式中 为流量系数，由实验确定； 为直径比。 图10.22 靶式流量传感器 第10章 流量传感器及其应用

（2）流量系数与传感器结构、被测介质的黏度和密度有关，使用时应根据流体的实际温度和压力，对被测介质的流量系数进行标定。 显然，当圆形靶一定时， 为一定值。如果被测流体密度 和流量系数 为常数，那么作用于靶上的力 与被测体积流量的平方成正比。只要测量靶所受到的力，就可以测定被测流体的流量。 2.特点 （1）结构简单、安装维护方便、不易堵塞。 （2）流量系数与传感器结构、被测介质的黏度和密度有关，使用时应根据流体的实际温度和压力，对被测介质的流量系数进行标定。 （3）靶式流量传感器静压损失小，适用于压力6.3MPa和温度120℃以下的流体，在电厂常用来测量给水、凝结水和燃油的流量。 靶式流量传感器主要用来测量管道中的高黏度、低雷诺数的流体和有适量固体颗粒的浆液的流量。除此之外，还可用于测量一般液体、气体和蒸汽的流量。 第10章 流量传感器及其应用

10.6 流体振动式流量传感器 10.6.1 涡街流量传感器 1. 测量原理与结构 在流体中垂直放置一个有对称形状的非流线形阻流体（如圆柱体、棱柱体等），流体绕过阻流体流动时，产生附面层分离现象，从阻流体下游两侧就会交替产生两列旋转方向相反的旋涡，见图10.23所示，这种旋涡称为卡曼涡街或卡曼涡列。 图10.23 卡曼涡列形成原理 第10章 流量传感器及其应用

1-导压孔；2-空腔；3-隔板；4-电热丝；5-热敏电阻 假设旋涡发生体处流体的流通面积为 ，则流体的体积流量为 2．旋涡频率的检测 旋涡频率的检测是涡街流量传感器的关键，它是通过旋涡频率检测元件实现测量的。圆柱形旋涡发生体常用铂热电阻丝检测频率；三棱柱形旋涡发生体则采用热敏电阻或压电晶体检测频率。 （1）铂热电阻丝。 （2）热敏电阻。 3．特点 1-导压孔；2-空腔；3-隔板；4-电热丝；5-热敏电阻 图10.25旋涡频率检测原理 第10章 流量传感器及其应用

1-旋涡发生器；2-外壳；3-频率检测器探头；4-放大器；5-导流叶片 10.6.2 旋进式旋涡流量传感器 1-旋涡发生器；2-外壳；3-频率检测器探头；4-放大器；5-导流叶片 图10.26旋进式旋涡流量传感器 第10章 流量传感器及其应用

10.7 质量流量传感器 目前，质量流量的测量方法主要有3大类：直接法、间接法和补偿法。 直接法：测量元件的输出信号可直接反映被测流体的质量流量值。 间接法：同时测量出被测流体的体积流量和流体密度，或同时用两个测量元件分别测出两个与体积流量和密度有关的信号，通过运算得到反映质量流量的信号。 补偿法：同时测量出被测流体的体积流量和温度、压力，应用有关公式求出流体的密度或将被测流体的体积流量换算成标准状态下的体积流量，从而间接确定其质量流量。 10.7.1 直接式质量流量传感器 1．科氏质量流量传感器 （1）测量原理与结构:科氏力的演示实验。 科氏质量流量传感器的结构有直管、弯管、单管、双管等多种形式。 （2）特点。 第10章 流量传感器及其应用

（1）测量原理与结构。按结构原理分为浸入式、热分布式和边界层式三种。 图10.27 科氏力的演示实验 图10.28 双弯管型科氏质量流量传感器结构 2．热式质量流量传感器 （1）测量原理与结构。按结构原理分为浸入式、热分布式和边界层式三种。 （2）特点。 图10.29 浸入式质量流量传感器结构 第10章 流量传感器及其应用

10.7.2 间接式质量流量传感器 主要的组合方式有以下几种。 1．差压（靶）式流量传感器与密度计组合方式 2．容积（速度）式流量传感器与密度计组合方式 3．差压（靶）式流量传感器与容积（速度）式流量传感器组合方式 第10章 流量传感器及其应用

10.7.3 温度、压力补偿式质量流量传感器 对于不可压缩液体，密度与温度的关系为 图10.30 间接式质量流量传感器示例 10.7.3 温度、压力补偿式质量流量传感器 对于不可压缩液体，密度与温度的关系为 式中 、 分别为工作状态温度 、标准状态温度 ℃时的流体密度； 为被测流体的温度体积膨胀系数。 第10章 流量传感器及其应用

式中 、 分别为工作状态（压力 、绝对温度为 ）和标准状态（压力 、绝对温度为 ）时的流体密度； 气体的压缩系数。 对于低压气体 式中 、 分别为工作状态（压力 、绝对温度为 ）和标准状态（压力 、绝对温度为 ）时的流体密度； 气体的压缩系数。 使用速度式或容积式流量传感器测量时，质量流量可计算为 使用差压式流量传感器时，质量流量则应为 第10章 流量传感器及其应用

10.8 其他流量传感器 10.8.1 冲量式流量传感器 1．测量原理 目前主要是通过测量固体物料对测量板水平方向的分力来测量其流量的。 2．特点 图10.31 冲量式流量传感器原理 第10章 流量传感器及其应用

10.8.2 插入式流量传感器 近年来，尤其是在能源和环保计量方面，迫切需要对大口径管道流量进行测量，但在实际的大口径、大流量和恶劣的工作条件下，流量传感器与管道通常都是使用法兰连接，只有在工艺管道断流时才允许拆卸、维修和更换，为系统的可靠运行带来诸多不便。而插入式流量传感器从根本上解决了这一问题，因而深受用户的欢迎。 1．测量原理 插入式流量传感器就是将以测量元件为核心的部件全部封装在不锈钢套管内，组成一个插入式探头。它按照测点数的多少可分为点流型和径流型两大类。 2．特点 第10章 流量传感器及其应用

小 结 流量是指单位时间内流过管道横截面的流体的数量。有体积流量和质量流量、瞬时流量和累积流量之分。 小 结 流量是指单位时间内流过管道横截面的流体的数量。有体积流量和质量流量、瞬时流量和累积流量之分。 差压式流量传感器是目前使用最多的一种流量测量仪表，可以测量各种性质及状态的液体、气体与蒸气的流量，性能稳定、结构牢固，但测量精度较低；电磁流量传感器属于非接触式测量，主要用于导电液体的体积流量测量，因其具有反应速度快、测量范围宽等优点，应用也比较广泛。转子流量传感器和靶式流量传感器可用于测量高黏度、腐蚀性介质的流量，其输出信号可远传和自动调节；计量部门一般选择精度较高的流量传感器，如椭圆齿轮（腰轮）流量传感器、涡轮流量传感器和涡街流量传感器等。 工业生产中用于流量测量的传感器种类非常多，在选择流量传感器时，必须充分研究测量条件，根据管道尺寸，被测流体的特性和状态，流量传感器的测量范围、价格，以及所要求的精确度进行合理选用。同时还需对其安装、使用、维护等环节的特点十分熟悉。 返回目录 第10章 流量传感器及其应用