第7章流量測量7.1概述7.2節(jié)流式流量計7.3速度式流量計7.4容積式流量計7.5質(zhì)量流量計7.6兩相流流量測量介紹7.1流量測量概述流量流體的物理性質(zhì)與管流的基礎(chǔ)知識流量測量方法流量測量系統(tǒng)流量計的校驗與標定7.1.1流量定義：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，后者稱質(zhì)量流量。注意：流體的密度隨流體的狀態(tài)參數(shù)而變化，故在給出體積流量的同時，必須指明流體的狀態(tài)。對于氣體，其密度隨壓力、溫度變化顯著，為了便于比較，常把工作狀態(tài)下氣體的體積流量換算成標準狀態(tài)下(溫度為20℃，絕對壓力為1atm)的體積流量，用QN表示。累積流量：某一段時間內(nèi)流過的流體量，即瞬時流量對時間的積分。流量計:用來測量流量的儀表。測量流量總量的儀表稱為流體計量表或總量計。累積流量：平均流速：u流體在流過截面上各點的流速。體積流量和質(zhì)量流量關(guān)系：流量的計量單位 體積流量： m3/s， 質(zhì)量流量： kg/s； 累積體積流量：m3； 累積質(zhì)量流量：kg。

工程上使用的流量計量單位還有：

m3/h、L/min、t/h

L、t（噸）

7.1.2流體的物理性質(zhì)與管流基礎(chǔ)知識1.流體的密度 單位體積的流體具有的質(zhì)量稱為流體密度，數(shù)學(xué)表達式為：

M

流體質(zhì)量；V流體體積；流體的密度。流體密度是溫度和壓力的函數(shù)。單位是kg/m3。2.流體粘度流體運動過程中阻滯剪切變形的粘滯力與流體的速度梯度和接觸面積成正比，并與流體粘性有關(guān)，其數(shù)學(xué)表達式為（牛頓粘性定律）：

F 粘滯力；

A 接觸面積；

du/dy 流體垂直于速度方向的速度梯度；

表征流體粘性的比例系數(shù)。流體的動力粘度與流體密度的比值稱為運動粘度，即

動力粘度的單位為牛頓·秒/米2（N·s/m2），帕斯卡秒（Pa·s）；運動粘度的單位為米2/秒（m2/s）。3.流體的壓縮系數(shù)和膨脹系數(shù)流體的壓縮性：在一定的溫度下，流體體積隨壓力增大而縮小的特性；流體的膨脹性：在一定壓力下，流體的體積隨溫度升高而增大的特性。當流體溫度不變而所受壓力變化時，其體積的相對變化率：—流體的體積壓縮系數(shù)，（1/Pa）； —流體的原體積，(m3)；—流體壓力增量，(Pa)；—流體體積變化量，(m3)；1）壓縮系數(shù)—流體的體積膨脹系數(shù)(1/℃)；—流體的原體積，(m3)；—流體體積變化量，(m3)；—流體溫度變化量(℃)。在一定的壓力下，流體溫度變化時其體積的相對變化率，即2）膨脹系數(shù)雷諾數(shù)是流體流動的慣性力與粘滯力之比，表示為：—雷諾數(shù)（無量綱數(shù)）；—流動橫截面的平均流速，（m/s）；—動力粘度，（N·s/m2）； —運動粘度，（m2/s）；—流體的密度，(kg/m3)；—特征長度，（m）。4.雷諾數(shù)(1)單相流和多相流單相流：管道中只有一種均勻狀態(tài)的流體流動；多相流：管道中有兩種以上的不同相流體同時流動。(2)可壓縮和不可壓縮流體的流動流體：可壓縮和不可壓縮流體；流體的流動：可壓縮流體流動和不可壓縮流體流動。5.管流類型

(3)穩(wěn)定流和不穩(wěn)定流穩(wěn)定流：當流體流動時，若其各處的速度和壓力僅和流體質(zhì)點所處的位置有關(guān)，而與時間無關(guān)；不穩(wěn)定流：若其各處的速度和壓力不僅和流體質(zhì)點所處的位置有關(guān)，而且與時間出有關(guān)。(4)層流與紊流管內(nèi)流體有兩種流動狀態(tài)：層流和紊流。層流：流體沿軸向作分層平行流動，各流層質(zhì)點沒有垂直于主流方向的橫向運動，互不混雜，有規(guī)則的流線。紊流：管內(nèi)流體不僅有軸向運動，而且還有劇烈的無規(guī)則的橫向運動。圓形截面管道，當管內(nèi)流體為層流狀態(tài)時，沿半徑方向上的流速分布式表示為：6.流速分布與平均流速流體有粘性，當它在管內(nèi)流動時，即使是在同一管路截面上，流速也因其流經(jīng)的位置不同而不同。越接近管壁，由于管壁與流體的粘滯作用，流速越低；管中心部分的流速最快。流體流動狀態(tài)不同將呈現(xiàn)不同的流速分布。—距管中心距離處的流速；—管中心處最大流速；—距管中心徑向距離；—管內(nèi)半徑。當管內(nèi)流體為紊流狀態(tài)時，沿半徑方向上的流速分布為：n—隨流體雷諾數(shù)不同而變化的系數(shù)

104104

1042.5610.5420.5632.007.07.38.08.338.453.670.084.48.58.89.09.2110.0152.0198.0278.09.49.79.89.9雷諾數(shù)與n的關(guān)系圓管內(nèi)的流速分布根據(jù)流速求得流量的流量計，一般是檢測出平均流速后求得流量。對于層流，平均流速是管中心最大流速的0.5倍()；紊流時的平均流速與n值有關(guān)：7.流體流動的連續(xù)性方程和伯努利方程(1)連續(xù)性方程任取一管段，設(shè)截面Ⅰ、截面Ⅱ處的面積、流體密度和截面上流體的平均流速分別為A1、、和A2、、。

連續(xù)性方程示意圖(2)伯努利方程理想流體在重力作用下在管內(nèi)定常流動時，對于管道中任意兩個截面Ⅰ和Ⅱ，伯努利方程為：伯努利方程示意圖—重力加速度

—截面Ⅰ和Ⅱ相對基準線的高度；

—截面Ⅰ和Ⅱ上流體的靜壓力；

—截面Ⅰ和Ⅱ上流體的平均流速。實際流體具有粘性，在流動過程中要克服流體與管壁以及流體內(nèi)部的摩擦阻力，使流體的一部分機械能轉(zhuǎn)化為熱能。因此，實際流體的伯努利方程可寫為：—截面Ⅰ和Ⅱ之間單位質(zhì)量實際流體流動產(chǎn)生的能量損失。

(2)實際流體的伯努利方程7.1.3流量測量方法目前，已使用的流量計有100多種。這些方法均可歸結(jié)為容積法、速度法、質(zhì)量流量法、差壓法等。1、差壓法：利用伯努利方程原理，通過測量流體差壓信號得到流量的測量方法。2．容積法相當于一個標準容器連續(xù)不斷地對流體進行度量，單位時間內(nèi)，度量的次數(shù)越多，說明流量越大。特點：受流動狀態(tài)影響較小，適用于高粘度、低雷諾數(shù)的流體；不宜于測量高溫高壓以及臟污介質(zhì)的流量；流量測量上限較小。主要類型：橢圓齒輪流量計腰輪流量計刮板流量計等。3．速度法由流體的一元流動的連續(xù)方程，截面上的平均流速與體積流量成正比，如果可得到流體密度的信號，便可得到質(zhì)量流量。

節(jié)流式流量計是應(yīng)用最廣泛的一種速度法流量計。其他形式的速度式流量計還有轉(zhuǎn)子流量計、渦輪流量計、電磁流量計、超聲流量計等。平均流速：4．質(zhì)量流量法方法1：測量流體的體積流量，根據(jù)測量得到的流體的壓力、溫度等狀態(tài)參數(shù)對流體密度的變化進行補償。方法2：測量與流體質(zhì)量流量有關(guān)的物理量(如動量、動量矩等)，從而直接得到質(zhì)量流量。這種方法與流體的成分和參數(shù)無關(guān)，具有明顯的優(yōu)越性。但目前的質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴。在線測量流體密度的難度很大，影響了質(zhì)量流量的測量準確性。類別工作原理儀表名稱可測流體種類適用管徑mm測量精度％安裝要求、特點體積流量計差流壓量式計流體流過通管道中的阻力件時產(chǎn)生的壓力差與流量之間有確定關(guān)系，通過測量差壓值求得流量節(jié)流式孔板液、氣、蒸汽50～1000±1～2需直管段，壓損大噴嘴50～500需直管段，壓損中等文丘里管100～1200需直管段，壓損小均速管液、氣、蒸汽25～9000±1需直管段，壓損小轉(zhuǎn)子流量計液、氣4～150±2垂直安裝靶式流量計液、氣、蒸汽15～200±1～4需直管段，彎管流量計液、氣±0.5～5需直管段，無壓損容流積量式計直接對儀表排出的定量流體計數(shù)確定流量橢園齒輪流量計液10～400±0.2～0.5無直管段要求，需裝過濾器，壓損中等腰輪流量計液、氣刮板流量計液±0.2無直管段要求，壓損小速流度量式計通過測量管道截面上流體平均流速來測量流量渦輪流量計液、氣4～600±0.1～0.5需直管段，裝過濾器渦街流量計液、氣150～1000±0.5～1需直管段電磁流量計導(dǎo)電液體6～2000±0.5～1.5直管段要求不高，無壓損超聲波流量計液＞10±1需直管段，無壓損直接式直接檢測與質(zhì)量流量成比例的量來質(zhì)量流量熱式質(zhì)量流量計氣±1沖量式質(zhì)量流量計固體粉料±0.2～2科氏質(zhì)量流量計液、氣±0.15間接式同時測體積流量和流體密度來計算質(zhì)量流量體積流量經(jīng)密度補償液、氣±0.5溫度、壓力補償體積流量計質(zhì)量流量計 任何流量計都有其適用范圍，對流體的特性以及管道條件都有特定的要求。目前生產(chǎn)的各種容積法和速度法流量計，都要求滿足下列條件：流體必須充滿管道內(nèi)部，并連續(xù)流動；流體在物理上和熱力學(xué)上是單相，流經(jīng)測量元件時不發(fā)生相變；流速一般低于音速。 雖然兩相流動是工業(yè)過程中廣泛存在的流動現(xiàn)象。但目前尚無成熟的兩相流流量儀器。7.2節(jié)流式流量計原理及流量方程結(jié)構(gòu)有關(guān)參數(shù)測量誤差使用范圍設(shè)計計算非標節(jié)流元件差壓式流量計基于流體在通過設(shè)置于流通管道上的流動阻力件時產(chǎn)生的壓力差與流體流量之間的確定關(guān)系，通過測量差壓值求得流體流量。1-節(jié)流元件2-引壓管路3-三閥組4-差壓計

節(jié)流式流量計組成圖7-3流體流經(jīng)節(jié)流件時壓力和流速變化情況7.2.1節(jié)流裝置測量原理及流量方程在充滿流體的管道中放置一個固定的、有孔的節(jié)流元件，造成流束的局部收縮。對一定結(jié)構(gòu)的節(jié)流元件，其前后的靜壓差與流量成一定的函數(shù)關(guān)系。節(jié)流元件、靜差壓取出裝置和節(jié)流元件前后的直管段的組合體，稱為節(jié)流裝置。根據(jù)截面1、2處的壓力能、動能和勢能的關(guān)系，可寫出伯努利方程：

(7-2)C1,C2：截面1，2處流速不均勻，以平均流速計算動能時采用的修正系數(shù)；Z1,Z2：截面1，2處流體對參考水平面的距離；g: 重力加速度；: 能量損失系數(shù)。根據(jù)流體流動的連續(xù)性方程，有

(7-3)1、不可壓縮流體的流量方程不可壓縮流體：1=2=

水平管道：Z1=Z2非水平管道：因截面距離很近，也可認為Z1=Z2。將上述關(guān)系帶入方程(7-2)、(7-3)，得定義節(jié)流元件開孔面積A0，收縮系數(shù)(7-5)(7-4)(7-8)可得：流體的質(zhì)量流量G：定義流量系數(shù)a定義即不可壓縮流體的流量方程。方程中的流量系數(shù)a也可用流出系數(shù)C代替。流出系數(shù)——指實際流量與不考慮能量損失，并取C1=C2=1，=1，=1時的計算流量的比值。可證明2、可壓縮流體的流量方程7.2.2標準節(jié)流裝置對于不同幾何形狀的節(jié)流元件及不同的取壓方式，流量方程中的(或C)、各不相同，受多種因素影響，須由實驗求出。因此，任意節(jié)流裝置使用起來不方便，必須使其標準化。建立標準化節(jié)流裝置的理論基礎(chǔ)對于一定粗糙度的管道，幾何相似（相等）的節(jié)流裝置在流體動力學(xué)相似（管內(nèi)ReD相等）的條件下，流量系數(shù)相等。值完全可由實驗確定。節(jié)流元件的標準形式包括：和的實驗數(shù)據(jù)保證與試驗時幾何相似和流體動力學(xué)相似的具體條件（如節(jié)流元件的結(jié)構(gòu)尺寸、取壓方式、管道條件、流體條件）符合國際規(guī)定的條件。標準節(jié)流裝置可直接使用給出的、值，流量與壓差的關(guān)系不必校準，可在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)通過計算求得。我國國家標準GB2624-93規(guī)定的標準節(jié)流裝置為：①標準孔板，角接取壓；②標準孔板，法蘭取壓；③ISAl932噴嘴(標準噴嘴)，角接取壓。其他標準節(jié)流裝置，長徑噴嘴文丘里噴嘴。1、標準節(jié)流元件(1)標準孔板標準孔板為中間開孔、兩面平整且平行的薄板，由不銹鋼制成。(2)ISA1932噴嘴(標準噴嘴)

ISA1932噴嘴的型線的組成進口端面A；收縮部分第一圓弧面C1第二圓弧面C2圓筒形喉部e圓筒形出口邊緣保護槽H圓筒形喉部長0.3d，其直徑即節(jié)流件開孔直徑d。ISA1932噴嘴的加工安裝要求2、取壓裝置

環(huán)室有均壓作用，壓差比較穩(wěn)定，所以被廣泛采用。但當管徑超過500mm時，環(huán)室加工麻煩，一般都采用單獨鉆孔取壓。法蘭取壓角接取壓裝置法蘭取壓裝置角接取壓：簡便，容易實現(xiàn)環(huán)室取壓，測量精度較高。法蘭取壓：結(jié)構(gòu)較簡單，容易裝配，精度較角接取壓低。3、標準節(jié)流裝置的管道條件節(jié)流件前后直管段ll，l2的要求見附表7-1(P249)。ll的長度取決于節(jié)流件上游第一個阻力件形式和節(jié)流件的值，表中所列數(shù)值是管道內(nèi)徑D的倍數(shù)。如果實際的ll在括號內(nèi)和括號外的數(shù)字之間，則應(yīng)對流量測量的極限誤差算術(shù)值加上±0.5％。若節(jié)流件上游有兩個阻力件，其間的直管段長度l0，取按上游第二個阻力件形式和=0.7(不論實際為多少)查附表7-1所得ll的一半。如節(jié)流件上游有溫度計套管，它與節(jié)流件的距離應(yīng)為5D(3D)(當溫度計套管直徑＜0.03D時)或20D(10D)(當溫度計套管直徑在0.03D~0.13D之間時)。一般應(yīng)盡可能把溫度計裝于節(jié)流件之后，此時要求它與節(jié)流件的距離大于5D。如果節(jié)流件上游有直徑大于2D的容器造成突然收縮或有開敞空間，其與節(jié)流件的距離不得小于30D(15D)。如實際使用的節(jié)流件上游的阻力件的形式?jīng)]有包括在附錄表7-1內(nèi)，或要求的三個直管段長度(ll，l2，l3)有一個小于括號內(nèi)的數(shù)值或有兩個都在括號內(nèi)外數(shù)值之間，則整套節(jié)流裝置需單獨標定。在節(jié)流件上游10D和下游4D的范圍內(nèi)，管道內(nèi)壁應(yīng)沒有肉眼可見的凸凹不平、沉積物或結(jié)垢。為了得到精確的D值和滿足管道圓度的要求，應(yīng)在節(jié)流件上游0D，0.5D，1D，2D處取與管道軸線垂直的四個截面，對每個截面等角距地測量四個管道內(nèi)徑，這十六個測量值的算術(shù)平均值作為D值，并且平均值與任一單測值的偏差不大于±0.3％。對于節(jié)流件下游管道，也要在2D范圍內(nèi)這樣測量，但要求可降低，單測值可少些，任一單測值與平均值的偏差不大干±2％。4．標準節(jié)流裝置的流體條件標準節(jié)流裝置測量流體必須滿足如下要求，滿管，流體必須充滿管道內(nèi)部，并連續(xù)流動；單相，流體在物理上和熱力學(xué)上是單相，流經(jīng)測量元件時不發(fā)生相變；流體的速度一般低于音速。流體必須是在圓管內(nèi)流動，且已知密度和粘度，流速穩(wěn)定，不存在旋渦，只允許流量緩慢變化。7.2.3標準節(jié)流裝置的參數(shù)1、流量系數(shù)與、ReD、管道粗糙度有關(guān)。管道粗糙，大。管道粗糙度用絕對粗糙度kc或相對粗糙度kc/D來表示。常用管道的粗糙度如附表7-2所示。為了使用方便，標準節(jié)流裝置，往往在光滑管道(kc/D＜0.0004)上，根據(jù)式(7-12)測定流量系數(shù)，稱為光管流量系數(shù)或原始流量系數(shù)0，并編成圖7-8所示的0＝f(2,ReD)的圖形。分析：不同的節(jié)流裝置，0不同。同一節(jié)流裝置，在某一值,0隨ReD變化。隨著ReD的增大，0的變化越來越小。流量變化時，0跟隨發(fā)生變化