§3 流量检测

一、流量的表示方法 流量是指流经管道（或设备）某一截面的流体数量，随着工艺要求不同，它的测量又可分为瞬时流量和累积流量的测量。 在工业生产过程中，为了有效地指导生产操作、监视和控制生产过程，为管理和控制生产提供依据。 厂与厂、车间与车间之间经常有物料的输送，需要对它们进行精确的计量，作为经济核算的重要依据。

式中v为截面A中某一微元面积dA上的流速。如果流体在该截面上的流速处处相等，则体积流量可简写成： 1、体积流量 单位时间内通过某截面的流体的体积，用符号 表示，单位为 。根据定义，体积流量可用下式表示： (A为管道截面积) 式中v为截面A中某一微元面积dA上的流速。如果流体在该截面上的流速处处相等，则体积流量可简写成： （3－6） （3－7）

流体的体积受流体的工作状态影响，在用体积表示流量时，必须同时给出流体的压力和温度。对于流体，压力和温度的变化实际上引起流体密度的改变。对于液体，压力变化对密度的影响非常小，一般可以忽略不计。温度对密度的影响要大一些。对于气体，密度受温度、压力的变化影响较大。因此，对于气体流量检测，为便于比较，常将在工作状态下测得的体积流量转换成标准状态下 （20℃，760mmHg） 的体积流量。

3、瞬时流量和累积流量的关系 体积总量： 质量总量： （3－8） （3－9） ：

二、流量检测的主要方法和分类 由于流量检测条件的多样性和复杂性，流量检测的方法非常多，是工业生产过程常见参数中检测方法最多的。据估计目前在全世界流量检测方法至少已有上百种，其中有十多种是工业生产和科学研究中常用的。就检测量的不同可分为体积流量和质量流量两大类。

1、体积流量 （1）直接法 也称容积法，在单位时间内以标准固定体积对流动介质连续不断地进行度量，以排出流体固定容积数来计算流量。基于这种检测方法的流量检测仪表主要有：椭圆齿轮流量计、旋转活塞式流量计和刮板流量计等。容积法受流体的流动状态影响较小，适用于测量高粘度、低雷诺数的流体。

（2）间接法, 也称速度法，这种方法是先测出管道内的平均流速，再乘以管道截面积求得流体的体积流量。用来检测管道内流速的方法或仪器主要有：

※ 节流式检测方法 利用节流件前后的差压与流速之间的关系，通过差压值获得流体的流速； ※ 电磁式检测方法 导电流体在磁场中运动产生感应电势，感应电势的大小正比于流体的平均速度； ※ 变面积式检测方法 它是基于力平衡原理，通过在锥形管内的转子把流体的流速转换成转子的位移，相应的流量检测仪表为转子流量计； ※ 旋涡式检测方法 流体在流动中遇到一定形状的物体会在其周围产生有规律的旋涡，旋涡释放的频率正比于流速；

※ 声学式检测方法 根据声波在流体中传播速度的变化可获得流体的流速； ※ 涡轮式检测方法 流体对置于管内涡轮的作用力，使涡轮转动，其转动速度在一定流速范围内与管内流体的流速成正比； ※ 声学式检测方法 根据声波在流体中传播速度的变化可获得流体的流速； ※ 热学式检测方法 利用加热体被流体的冷却程度与流速的关系来检测流速，基于此方法的流量检测仪表主要有热线风速仪等。

速度法的特点 速度法有较宽的使用条件，可用于各种工况下的流体的流量检测，有的方法还可用于对脏污介质流体的检测。但是，由于这种方法是利用平均流速计算流量，所以管路条件的影响很大，流动产生涡流以及截面上流速分布不对称等都会给测量带来误差。

2、质量流量 （1）直接法 利用检测元件，使输出信号直接反映质量流量。直接式质量流量检测方法主要有利用孔板和定量泵组合实现的差压式检测方法；利用同轴双涡轮组合的角动量式检测方法；应用麦纳斯效应的检测方法和基于科里奥利力效应的检测方法等。 （2）间接法 用两个检测元件分别测出两个相应参数，通过运算间接获取流体的质量流量，检测元件的组合主要有：

三、 节流式流量检测 如果在管道中安置一个固定的阻力件，它的中间是一个比管道截面小的孔，当流体通过该阻力件的小孔时，由于流体流束的收缩而使流速加快、静压力降低，其结果是在阻力件前后产生一个较大的压力差。它与流量（流速）的大小有关，流量愈大，差压也愈大，因此只要测出差压就可以推算出流量。把流体通过阻力件时流束的收缩造成压力变化的过程称节流过程。其中的阻力件称为节流件。

作为流量检测用的节流件有标准的和特殊的两种。标准节流件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管。对于标准化的节流件，在设计计算时都有统一标准的规定、要求和计算所需的有关数据、图及程序；可直接按照标准制造、安装和使用，不必进行标定。 特殊节流件也称非标准节流节流件，他们可以利用已有实验数据进行估算，但必须用实验方法单独标定。特殊节流件主要用于特殊介质或特殊工况条件的流量检测。

图3－12 几种常用的节流装置

孔板流量计 毕托管流量计 图3－13 一体化差压式流量计

1、检测原理 设稳定流动的流体沿水平管流经节流件，在节流件前后将产生压力和速度的变化，如图3－14所式。在截面1处流体未受节流件 影响，流速充满管道，管道截面为A1，流体静压力为P1，平均流速为V1，流体密度为 。截面2是经节流件后流束收缩的最小截面，其截面积为A2，平均流速为V2，流体密度为 。流体的静压力和流速在节流件前后的变化情况，充分地反映了能量形式的转换。

图3－14 流体流经节流装置时压力和流速变化

在节流件前，流体向中心加速。至截面2处，流束截面收缩到最小，流速到达最大，静压力最低。然后流束扩张，流速逐渐降低，静压力升高，直到截面3处。由于涡流区的存在，导致流体能量损失，因此在截面3处的静压力P3不等于原先静压力P1，而产生永久的压力损失 。 根据化工原理知识（伯努利方程）：

因为是不可压缩流体，则 。由于流速分布的不均匀，截面1、2处平均流速与管中心的流速有以下关系： （3－10） 因为是不可压缩流体，则 。由于流速分布的不均匀，截面1、2处平均流速与管中心的流速有以下关系： ， 式中C1、C2为截面1、2处流速分布不均匀的修正系数。 （3－11） 考虑到实际流体有粘性，在流动时必然会产生摩擦力,其损失的能量 ， 为能量损失系数。

又设节流件的开孔面积为A0，定义开口截面比 , 收缩系数 。联解式 根据流体的连续性方程，有 （3－12） 又设节流件的开孔面积为A0，定义开口截面比 , 收缩系数 。联解式 （3－13）

问题： (1)因为流束最小截面2的位置随流速而变，而实际取压点的位置是固定的； (2)实际取压是在管壁取的，所测得的压力是管壁处的静压力。

解决方案：设实际取压点处取得的压力为 ，用它代替式（3-13）中管轴中心的静压力 ，需引入一个取压系数 ，并且取 解决方案：设实际取压点处取得的压力为 ，用它代替式（3-13）中管轴中心的静压力 ，需引入一个取压系数 ，并且取 （3－14） 将上式代入式（3-13），并根据质量流量的定义，可写出质量流量与差压 的关系： （3－15）

令流量系数 （3－16） 则流体的质量流量可写为： （3－17a） 则体积流量为： （3－17b） 流体体积膨胀的校正系数

流量系数主要与节流件的形式和开孔直径（主要对应于m和 ）、取压方式（即取压点的位置，对应于 ）、流体的流动状态（包括雷诺数、管道直径等，对应于 和 ）和管道条件（如管道内壁的粗糙度，对应于 ）等因素有关。因此，它是一个影响因素复杂，变化范围较大的重要系数，也是节流式流量计能否准确测量流量的关键所在。

取压方式 （1）角接取压法 在紧靠节流件上下游两侧取压。这种取压方式适用于标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管。 （2）法兰取压法 这种取压法仅适用于标准孔板、其取压装置是由一对带有取压口的法兰组成，取压口轴线距孔板端面距离为25.4mm （3） 取压法 这也是仅适用于标准孔板的一种取压方式，其取压装置就是设有取压口的管段，上下游取压口轴线与相应的孔板端面之间的距离分别为一个D和 D(D为管道的直径)

四、 电磁式流量检测 电磁式流量检测方法是根据法拉第电磁感应定律进行流量检测，它能检测具有一定电导率的酸、碱、盐溶液，腐蚀性液体以及含有固体颗粒（泥浆、矿将等）的液体流量。但不能检测气体、蒸汽和非导电液体的流量。

图3－15 光华－爱而美特电磁流量计传感器

图3－16 光华－爱而美特分体式电磁流量计

                             A 一体化电磁流量计 b 电磁流量计传感器 图3－17 西门子电磁流量计

检测原理 如图3－18所示，导体在磁场中作切割磁力线运动时，在导体中便会有感应电势，其大小与磁场的磁感应强度、导体在磁场内的有效长度及导体的运动速度成正比。同理，导电的流体介质在磁场中作垂直方向流动而切割磁力线时，也会在管道两边的电极上产生感应电势。感应电势的方向由右手定则确定。流量方程为：

图3－18 电磁式流量检测原理

由上式可知，在管道直径D已确定并维持磁感应强度B不变时，这时体积流量与感应电势具有线性关系，而感应电势与流体的温度、压力、密度和粘度等无关。 （3－18） （3－19） 由上式可知，在管道直径D已确定并维持磁感应强度B不变时，这时体积流量与感应电势具有线性关系，而感应电势与流体的温度、压力、密度和粘度等无关。

电磁流量检测的特点 ※ 管道内无阻挡部件，阻力损失小 ※ 可以测量强酸、碱、盐、溶液 ※ 现场检测的可靠性 ※ 无突出的传感器 ※ 量程比可达10:1 ※ 介质必须是导电性液体，电导率大于

利用在下窄上宽的锥形管中的浮子所受的力平衡原理工作。由于流量的不同，浮子的高度不同，即环形的流通面积要随流量变化。 五、 变面积式流量计 利用在下窄上宽的锥形管中的浮子所受的力平衡原理工作。由于流量的不同，浮子的高度不同，即环形的流通面积要随流量变化。 流量系统 （3－20）

图3－19 转子流量计原理、结构

六、超声波流量检测 传播速度差法 时间差法 相位差法 频率差法 与多普勒法 在物位检测中，利用了超声波在界面的反射和在静止介质中的传播速度等特性。用超声波进行流量检测的原理有多种，主要有 传播速度差法 时间差法 相位差法 频率差法 与多普勒法

超声波流量检测的特点 ※ 管道内无阻挡部件 ※ 低能耗 ※ 现场检测的可靠性 ※ 无突出的传感器 ※ 可检测高粘度的液体、非导电介质和气体的流量 ※ 可满足大尺寸精度的精密加工

3－20 不同类型的超声波流量计

八、 流量检测仪表的选用 1、仪表类型的选择 应根据工艺生产和控制系统对显示方式的不同要求，被测流体介质的物化性质和状态，仪表的使用特点，工艺允许的压力损失，生产工况的条件，现场安装和环境条件及经济性等各方面进行综合分析考虑，以便正确选择合适类型的流量检测仪表。

2、仪表刻度（量程）范围的选择 流量检测仪表的刻度范围选择主要根据工艺最大和最小额定流量要求。为读数和换算方便，应按整数选用。还要考虑仪表是线性刻度或非线性刻度的不同特点。流量仪表刻度范围的选择可参考表3－2。 流量刻度 方根刻度％ 线性刻度％ 面积式刻度％ 最大流量为满刻度 95 90左右 95左右 正常流量为满刻度 70～80 50～70 50～80 最小流量为满刻度 30左右 10左右

3、仪表精度等级的选择 流量仪表的精度等级应根据所选量程范围和工艺要求最大误差来选择。用于计量的流量计精度宜高于1级。