Chapter 5: Flow Measurement &meters

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1 Chapter 5: Flow Measurement &meters

2 Flow measurement Volumetric Flowmeter Mass Flowmeter Others Content
Pressure Differential Flowmeter Variable Area Flowmeter Electromagnetic Flowmeter Ultrasonic Flowmeter Positive Displacement Flowmeter Mass Flowmeter Others

3 ——在某段时间内流经有效截面的流体数量总和。
5.1 Flow Measurement 5.1.1 Flow Rate Volumetric Flow Mass Flow Rate Accumulative Flow Rate ——单位时间内流过某截面流体的体积 Unit ：m3/s ——单位时间内流过某截面流体的质量 Unit ：kg/s ——在某段时间内流经有效截面的流体数量总和。 Unit ：（m3、kg）

4 The most common fluid (liquid or gas) flowmeters with transmission are
5.1 Flow Measurement 5.1.2 Flow meter The most common fluid (liquid or gas) flowmeters with transmission are Pressure Differential Transmitter (Orifice plate, or Venturi, Nozzle) Variable Area Flow Meters Vortex Shedding Flowmeter Electromagnetic Flowmeter Ultrasonic Flowmeter …

5 5.1 Flow Measurement 5.1.2 Flow meter Two common fluid flowmeters that seldom have transmission signal capability and ,are not considered for process control are Positive displacement Rotameters

6 5.1.2 流量检测仪表的分类 差压式流量计 转子流量计 电磁流量计 漩涡流量计 涡轮流量计 靶式流量计 速度法 体积流量 流
5.1 Flow Measurement 差压式流量计 转子流量计 电磁流量计 漩涡流量计 涡轮流量计 靶式流量计 5.1.2 流量检测仪表的分类 速度法 体积流量 流 量 计 椭圆齿轮流量计 腰轮流量计 刮板式流量计 旋转活塞式流量计 容积法 直接法 差压式质量流量计 微动质量流量计 质量流量 间接法

7 1、Reynolds Number(雷诺数) 是一个表征流体惯性与粘性力之比的无量纲参数。 Re=U l / μ U——流体平均流速
补充 管道流动的几个重要概念 1、Reynolds Number(雷诺数) 是一个表征流体惯性与粘性力之比的无量纲参数。 Re=U l / μ U——流体平均流速 l——特征尺寸 μ——运动粘度 Re≤2000，Laminar flow(层流） Re≥5000，Turbulent flow(湍流） 通常用流出系数或仪表系数与雷诺数的关系式表示流量计的特性。在某种介质（如水或空气）中校验得到的流出系数或仪表系数可以根据在同样雷诺数下流出系数（或仪表系数）相同的原则求得另一种介质流量与输出信号之间的关系，这是流量计校验的理论根据。

8 2、斯特劳哈尔数 Sr = f l/ν 式中， Sr-----斯特劳哈尔数 f-------旋涡分离频率 ν-----流体流速
补充 管道流动的几个主要概念 2、斯特劳哈尔数 斯特劳哈尔数是具有特征尺寸l的某物体所产生的旋涡分离频率f与流体流速ν 相联系无量纲参数。 Sr = f l/ν 式中， Sr-----斯特劳哈尔数 f 旋涡分离频率 ν-----流体流速

9 3、Equation of Continuity(连续性方程)
补充 管道流动的几个主要概念 3、Equation of Continuity(连续性方程) 连续性方程是质量守恒定律(Law of conservation of mass）用于运动流体的一种数学表达式。对于可压缩流体定常流动，其计算式为： ρvA=constant ρ1ν1A1=ρ2ν2A2=qm（t）

10 4、Bernoulli’s equation(伯努利方程)
补充 管道流动的几个主要概念 4、Bernoulli’s equation(伯努利方程) 伯努利方程是能量守恒定律（Law of conservation of energy)应用于运动流体的一种数学表达式。在忽略摩阻及热交换情况下，对于不可压缩流体定常流动，其计算式为 p+ ½ ρν2=常数

11 5.2 Pressure Differential Flowmeter
5.2.1Pressure Gradient Technique Fundamental equation in fluid mechanics id the Bernoulli equation which is strictly applicable only to steady flow of nonviscous, incompressible medium Measuring the pressure gradient across a known resistor allows to calculate a flow rate. The concepts is analogous to Ohm’s law: voltage (pressure) across a fixed resistor is proportional to current (flow). p+ 1/2 ρν2=constant

12 5.2 Pressure Differential Flowmeter
节流原理（flow resistance) 流体的动压能和静压能转换的原理 节流装置 (resistive devices) 设置在管道中能使流体产生局部收缩的节流元件和取压装置的总称 差压和流量之间的变化(如图)： 5.2.2 流量基本方程式

13 5.2.2 流量基本方程式 假设条件： 1. 管道中的连续稳定的理想流体（无粘性，且不可压缩）
5.2 Pressure Differential Flowmeter   流量基本方程式 假设条件： 1. 管道中的连续稳定的理想流体（无粘性，且不可压缩） 2.节流件前的取压点静压为P1，相应流速为u1，介质密度为ρ；节流件后的取压点静压为P2，相应流速为u2，介质密度仍为ρ。

14 5.2.2 流量基本方程式 C——流出系数（仅与雷诺数有关）；
5.2 Pressure Differential Flowmeter 5.2.2 流量基本方程式 C——流出系数（仅与雷诺数有关）； ε——膨胀校正系数，它与节流元件孔径与管径的直径比、节流装置前后压差及等嫡指数有关。对于不可压缩流体ε＝1，可压缩流体ε＜1。 A0——节流元件的开孔截面积， △P——节流装置前后实际测得的压力差 ρl——节流装置前的流体密度

15 在某些确定条件下，规定了节流件的标准形式及取压方式和管道要求，无需对该节流装置进行单独标定，也能在规定的不确定度范围内进行流量测量的装置。
5.2 Pressure Differential Flowmeter 5.2.3标准节流装置 在某些确定条件下，规定了节流件的标准形式及取压方式和管道要求，无需对该节流装置进行单独标定，也能在规定的不确定度范围内进行流量测量的装置。 标准节流装置与标准压力表 的“标准”是否表示同一个 意义？

16 5.2.3标准节流装置 （一）标准节流元件 1. 标准孔板(Orifce) ： 2. 标准喷嘴(Porous Plugs)：
5.2 Pressure Differential Flowmeter 5.2.3标准节流装置 （一）标准节流元件 1. 标准孔板(Orifce) ： 压力损失大，一般只适用于洁净流体介质 2. 标准喷嘴(Porous Plugs)： 压力损失略小于孔板，对带有污垢的流体介质测量较为适宜。 3. 文丘利管(Venturi Tube)： 压力损失比孔板和喷嘴都小得多，可测量悬浮固体颗粒的液体，较适合大流量测量。但价格昂贵，不适合200mm以下管径流量测量。

17 5.2.3标准节流装置 5.2.4差压的检测 （二）取压方式 法兰取压 径距取压
5.2 Pressure Differential Flowmeter 5.2.3标准节流装置 （二）取压方式 角接取压 法兰取压 径距取压 5.2.4差压的检测

18 5.2.4 差压的检测 利用差压计检测节流装置在管道中前后压差。 差压计的形式：膜片式差压计、膜盒式差压计、差压变送器等。 q2 节流装置
5.2 Pressure Differential Flowmeter 5.2.4 差压的检测 利用差压计检测节流装置在管道中前后压差。 差压计的形式：膜片式差压计、膜盒式差压计、差压变送器等。 Δp=K1q2 q2 I =K2 Δp X=K3I 节流装置 差压变送器 显示仪表 节流装置 差压变送器 开方器 显示仪表

19 5.2.5差压式流量计的温度、压力补偿 1. 被测介质为不可压缩的液体 当介质温度变化范围不大，密度和温度的关系为
5.2 Pressure Differential Flowmeter 5.2.5差压式流量计的温度、压力补偿 1. 被测介质为不可压缩的液体 当介质温度变化范围不大，密度和温度的关系为 对于水类和油类，利用上式进行补偿。则流量温度 补偿公式为 利用该式可以方便地对刻度值进行补偿、修正，得到实际的体积流量和质量流量。

20 将上式带入流量基本方程式，则有气体流量的温度压力补偿公式。
5.2 Pressure Differential Flowmeter 5.2.5差压式流量计的温度、压力补偿 1. 被测介质为不可压缩的液体 2. 被测介质为压力较低的气体 服从理想气体状态方程式，气体密度为 将上式带入流量基本方程式，则有气体流量的温度压力补偿公式。

21 5.2 Pressure Differential Flowmeter
气体流量的温度压力补偿公式。

22 5.2 Pressure Differential Flowmeter

23 5.3 Variable Area Flowmeter
工 作 原 理

24 5.3 Variable Area Flowmeter

25 5.3 Variable Area Flowmeter
5.3.2 流量方程式 5.3.3 转子流量计的刻度校正与改量程 （一）液体流量的换算 例1：设被测介质为清水，在流量计入口测的温度是40℃，表压力为0.9MPa,转子流量计的指示值为15m3/h，设转子材料密度为7900kg/m3, 试问流经流量计的实际流量是多少？

26 5.3 Variable Area Flowmeter
5.3.3 转子流量计的刻度校正与改量程 （一）液体流量的换算 （二）气体流量的修正 例2：用某转子流量计测量二氧化碳气的流量，测量时被测气体的温度是40℃，表压力是49.03kPa。如果流量计读数为120m3/h,问二氧化碳的实际流量是多少？ （三）改变转子流量计的量程

27 5.3 Variable Area Flowmeter
1旋转式浮子 2圆盘式浮子 3板式浮子

28 5.3 Variable Area Flowmeter
5.3.4、转子流量计的分类 玻璃转子流量计: 干净透明流体，粘度小， 温度－2－～＋120℃之内 电远传转子流量计 金属转子流量计 气远传转子流量计

29 5.4 Electromagnetic flowmeters (电磁流量计)
The electromagnetic flowmeter is ideal for measuring the movement of conductive. The operating principle is based on the discovery of Faraday and Henry of the electromagnetic induction. It is ineffective on gases and pure liquids, such as oils.

30 5.4 Electromagnetic flowmeters (电磁流量计)
工 作 原 理

31 5.4 Electromagnetic flowmeters (电磁流量计)
5.4.1 Principle B Conductive liquid D 电磁感应定律 Volumetric Flow Rate

32 5.4 Electromagnetic Flowmeter (电磁流量计)
5.4.2 Features Not affected by viscosity, temperature changes, pressure changes, or flow direction Not introduce any more pressure Particularly applicable to slurries, corrosive liquids and sewage

33 5.5 Ultrasonic Flometer 测量方法 时间差法 相差法 频差法

34 5.5 Ultrasonic Flometer

35 5.5 Ultrasonic Flometer

36 5.5 Ultrasonic Flometer

37 5.6 容积式流量计（postive displacement flowmeter ）
1 检测原理 采用容积分界的方法，在已知计量容积V0 的情况 下，测量出转子的转动次数，就可计算出 这段时间内流体通过仪表的体积量，从而确定流量。 Q＝N*V0 2 容积式流量计的种类及工作过程

38 5.6 容积式流量计 流量检测仪表的分类 速度法 体积流量 容积法 流 量 表 直接法 质量流量 间接法 差压式流量计 转子流量计
电磁流量计 漩涡流量计 涡轮流量计 靶式流量计 流量检测仪表的分类 速度法 体积流量 椭圆齿轮流量计 腰轮流量计 刮板式流量计 旋转活塞式流量计 容积法 流 量 表 直接法 差压式质量流量计 微动质量流量计 质量流量 间接法 5.6 容积式流量计

39 5.6 容积式流量计（postive displacement flowmeter ）
1 检测原理 2 容积式流量计的种类及工作过程 (一)按结构分 1、椭圆齿轮流量计 2、腰轮流量计

40 5.6 容积式流量计（postive displacement flowmeter ）
2 容积式流量计的种类及工作过程 工 作 过 程

41 5.6 容积式流量计（postive displacement flowmeter ）
2 容积式流量计的种类及工作过程 工 作 过 程

42 5.6 容积式流量计（postive displacement flowmeter ）

43 5.6 容积式流量计（postive displacement flowmeter ）
1 检测原理 2 容积式流量计的种类及工作过程 (一)按结构分 1、椭圆齿轮流量计 2、腰轮流量计 (二)按信号传递方式分 1、就地指示式 2、远传显示式 3 容积式流量计的特性及使用要求

44 5.7 微动流量计 1 工作原理 哥里奥利效应 工 作 过 程

45 5.7 微动流量计

46 基本方程式 K—— U形管系统的扭转弹性系数； θ——U形管扭转变形角； ω——U形管的转动角速度； L—— U形管的长度。
5.7微动流量计 基本方程式 K—— U形管系统的扭转弹性系数； θ——U形管扭转变形角； ω——U形管的转动角速度； L—— U形管的长度。

47 5.9 微动流量计 1 工作原理 哥里奥利效应 基本方程式 扭转角的检测 2 主要性能 3 安装和调整

48 流量计的选择，对所选仪表进行分析，并报告选择结果和理由。
仪表选型 流量计的选择，对所选仪表进行分析，并报告选择结果和理由。 选择一种差压式（孔板/文丘利管/喷嘴）流量计，精度为0.1, 测量范围是0~10m3/h。 选择两种品牌超声波流量计，精度分别为0.01和0.1 ，比较其性能和价格。 选择两种品牌电磁流量计，精度分别为0.01和0.1 ，比较其性能和价格。 选择两种品牌质量流量计，精度分别为0.01和0.1 ，比较其性能和价格。 研究“嫦娥一号”中用到的相关仪表情况，进行总结和报告。

49 1 涡街流量计(Vortex shadding flowmeter)
5.10 others 1 涡街流量计(Vortex shadding flowmeter) 工 作 原 理 h/L=0.281卡门涡街，

50 1 涡街流量计(Vortex shadding flowmeter)
5.10 others 1 涡街流量计(Vortex shadding flowmeter) 漩涡发生体(当Re=500～1.5*105) 1、圆柱形发生体（0.2) 斯特劳哈尔数较大，稳定性强，压力损失小， 但漩涡强度低。 2、T柱形发生体 稳定性高，漩涡强度大，压力损失大，使用广泛 3、三角形发生体(0.16) 压力损失适中，漩涡强度较大，稳定性好，使 用最普遍。

51 1 涡街流量计(Vortex shadding flowmeter)
5.10 others 1 涡街流量计(Vortex shadding flowmeter) 5.5.1 检测原理及组成 基于流体振荡原理 组成： 旋涡发生体；频率信号检测器；信号转换器 5.5.2频率的检测 5.5.3涡街流量计的应用

52 2 涡轮流量计 (Turbine flowmeter)
5.10 others 2 涡轮流量计 (Turbine flowmeter) 工 作 原 理

53 2 涡轮流量计 (Turbine flowmeter)
5.10 others 2 涡轮流量计 (Turbine flowmeter) 5.6.1 检测原理及组成 基于流体动量矩原理 组成： 涡轮；磁电转换；前置放大；积算和数显 5.6.2 特点及使用注意事项

54 5.6.2 特点及使用注意事项 2 涡轮流量计 (Turbine flowmeter) 要求被测介质洁净（安装过滤装置）
5.10 others 2 涡轮流量计 (Turbine flowmeter) 5.6.2 特点及使用注意事项 要求被测介质洁净（安装过滤装置） 不适用于粘度大的液体 制造困难，成本高 用于测量精度要求高，流量变化快的场合 标定其它流量仪表

55 5.10 流量仪表的选择与标定 1 流量仪表的选择 2 流量仪表的标定

56 Chapter5 Flowmeter 速度法 体积流量 容积法 流 量 表 直接法 质量流量 间接法 差压式流量计 转子流量计 电磁流量计
漩涡流量计 涡轮流量计 靶式流量计 速度法 体积流量 椭圆齿轮流量计 腰轮流量计 刮板式流量计 旋转活塞式流量计 容积法 流 量 表 直接法 差压式质量流量计 微动质量流量计 质量流量 间接法

57 作业 P112 11 , 12, 18, 20,26(1-2-3)