第六节 流量的测量
一、测速管
二、孔板流量计
三、文丘里流量计
四、转子流量计
五、涡轮流量计
第一章
流体流动
流量计的两种类型
1、变压头流量计
【特点】将流体的动压头的变化以静压头的变化的形式表示出来。读数指示由压强差换算而来。
【例如】测速管、孔板流量计和文丘里流量计。
【说明】除测速管测定管截面上的点速度外，其余均测得平均速度。
第六节 流量的测量
2、变截面流量计
【特点】流体通过流量计时的压力降是固定的，流体流量变化时流道的截面积发生变化，以保持不同流速下通过流量计的压强降相同。（恒压差、变截面）
【例如】转子流量计。
【说明】变截面流量计可直接测得流体的体积流量。
1、测速管的结构
①两根弯成直角的同心套管；
②内管管口敞开；
③外管的管口封闭；
④外管前端壁面四周开有若干测压小孔。
一、测速管（Pitot tube 皮托管）
毕托管实物图
【说明】为了减小误差，测速管的前端经常做成半球形以减少涡流。
外管测压小孔在3～8D处
毕托管实物图
【说明】1732年由法国工程师H.皮托首创，至今仍是用来测量时均点流速的常用仪器。
空速管
2 测速管工作原理
【说明】对于某水平管路，测速管的内管处测得的是管口所在位置的局部流体动压头与静压头之和，外管测压孔测得为静压头。
测速管的内管与外管分别与U形压差计相连。
3、测速管的计算公式
内管处测得的是管口所在位置的局部流体动压头与静压头之和，称为冲压头（能）。
外管测压孔测得为静压头：
内外管之压强差为：
测速管管口处的点速度为：
——测速管测定管内流体的点速度的基 本公式
【结论】可通过测量内、外管的压力差计算管内流体的点速度。
若使用U形管压差计，所测流体的密度为ρ，U型管压差计内充有密度为ρ0 的指示液，读数为R。
实际使用时
c =~（校正系数）
4、平均流速与流量的确定
（1）根据测速管测得的管截面各处的点速度，建立流体在管内的速度分布方程，然后对速度分布方程进行积分，获得体积流量及流速。其具体步骤为：
①获得流体在管内的速度分布方程式： ur＝f(r)
②对速度分布方程式进行积分以得到流量及平均流速：
（2）根据管内的最大流速与平均流速之间的关系，测出管内的最大流速，然后确定平均流速及流量。该法要使用试差法，其具体步骤为：
①假设流型（层流或湍流）；
②由最大流速计算平均流速（如u＝）；
③校核流型（与假设流型是否相符）。
（3）根据皮托管测量管中心的最大流速，利用关系曲线（图1－38）查取最大速度与平均速度的关系，求出截面的平均速度，进而计算出流量。
u/umax～Remax(Re)关系图
【说明】u/umax的关系较为复杂，与Re有关。因此，Re不同时，速度分布式亦不同。
5、使用皮托管的注意事项
（1）测速管应放置于流体均匀流段；
（2）内管管口截面严格垂直于流动方向；
（3）测量点的上，下游应有50倍直径长的直管距离，至少应有8~12倍直径长的直管段。
（4）如果测速管的压差读数太小，可配微压计。
（5）测速管安装于管路中，装置头部和垂直引出部分都将对管道内流体的流动产生影响，从而造成测量误差。因此，除选好测点位置，尽量减少对流动的干扰外，一般应选取皮托管的直径小于管径的1/50。
（6）测速管对流体的阻力较小，适用于测量大直径管道中清洁气体的流速，若流体中含有固体杂质时，易将测压孔堵塞，故不宜采用。
二、孔板流量计
1、孔板流量计的结构
（1）节流元件为孔板——中央开有圆孔的金属板（锐孔）；
（2）垂直安装在管道中；
（3）孔板前后分别引出两个测压口，分别与压差计相连。
金属孔板
压差计
法兰
孔板流量计实物图
一体化的孔板流量计
数字压差计
孔板流量计
安装在管路上的孔板流量计
2 孔板流量计的工作原理
流束收缩
缩脉
流束扩大
【说明】（1）当流体以一定流量流经孔板时，在孔板前后产生一定的压力差 ΔP＝P1－P2；
（2）流量愈大，ΔP也就愈大，即：
【孔板流量计的两种取压方法】
（1）角接法（角接取压） 其取压口在孔板前后两片法兰上，尽量靠近孔板。
（2）径接法（缩脉取压） 其上游取压口在距离孔板1倍管径处，下游取压口在距离孔板倍管径处，尽量接近缩脉。
其中
——流量系数或孔流系数
——孔板流量计基本方程式
3、孔板流量计的流量方程
孔板流量计的流量与压差的关系，可由连续性方程和柏努利方程推导。结果如下：
【说明】u0为流体经过孔板的流速。
将U形压差计公式代入式中，得孔板处的流速：
【体积流量的计算】
4、流量的计算
【质量流量的计算】
5、孔流系数的确定
通过实验发现，C0的影响因素有：
（1）管道流动的雷诺数Re；
（2）孔面积与管道面积比A0/A1；
（3）孔板的取压方式；
（4）孔板的加工精度；
（5）管壁粗糙度等。
【说明】由于影响因素众多，目前还无法从理论上计算C0 ，只能依靠实验数据所获得的实验曲线，根据操作条件查找。
【实验曲线】对于按标准规格及精度制作的孔板，用角接取压法安装的标准孔板流量计，实验测得的C0与Re、A0/A1的关系曲线如图1－40所示。
【处理方法】对于取压方式、结构尺寸、加工状况均已规定的标准孔板，流量系数C0可以表示为：
式中Re是以管道的u1、d1计算的雷诺数，即：
【说明】（1）对于A0/A1相同的标准孔板，C0只是Re的函数，并随Re的增大而减小；
（2）当Re增大到一定界限值之后，C0不再随Re 变化，成为一个仅取决于A0/A1的常数；
（3）选用或设计孔板流量计时，应尽量使常用流量在此范围内。常用的C0值为～。
6、流量的确定——试差法
（1）先假设Re超过Re界限值ReC， 由A0/A1从图1-40中查得C0；
（2）根据公式计算流量qV，再计算管道中的流速u及相应的Re；
（3）若所得的Re值大于界限值ReC, 则表明原来的假设正确，计算结果有效；
（4）否则需重新假设C0，重复上述计算，直至计算值与假设值相符为止。
【优点】构造简单，安装方便 。
【缺点】流体通过孔板流量计的阻力损失很大。主要是由于流体流经孔板时，截面的突然缩小与扩大形成大量涡流所致。虽然流体经管口后某一位置流速已恢复与孔板前相同，但静压力却不能恢复，产生了永久压力降。
7、孔板流量计的优缺点
孔板
缩脉
旋涡
流体流经孔板的状况
7、孔板流量计的安装
（1）水平安装在管路上；
（2）孔板流量计安装时，上、下游需要有一段内径不变的直管作为稳定段，上游长度至少为管径的10倍，下游长度为管径的5倍。
【例】 20℃苯在φ133×4mm的钢管中流过，为测量苯的流量，在管道中安装一孔径为75mm的标准孔板流量计。当孔板前后U形压差计的读数R为80mmHg时，试求管中苯的流量（m3/h）。
【解】查得20℃苯的物性：
面积比：
由公式可求得苯的体积流量：
设Re＞ReC，由图1-40查得：
校核Re： 管内的平均流速为：
管道的Re：
故假设正确，以上计算有效。苯在管路中的流量为：
qV＝ m3/h
三、文丘里（Venturi）流量计
1、文氏流量计的结构及特点
【结构】用一段渐缩、渐扩管代替孔板，所构成的流量计称为文丘里流量计或文氏流量计。
【特点】当流体经过文丘里管时，由于均匀收缩和逐渐扩大，流速变化平缓，涡流较少，故能量损失比孔板大大减少。
文氏流量计的结构示意图
渐缩管
渐扩管
喉管
测压口
测压口
文氏流量计实物图
【说明】文丘里流量计的测量原理与孔板流量计相同，也属于差压式流量计。
根据所连接的U型管压差计确定R，然后使用公式计算体积流量。
2、文丘里流量计的测量原理
3、文丘里流量计的流量计算
由于文丘里流量计的测量原理与孔板流量计相同，其流量计算公式也与孔板流量计相似，即：
式中 CV——文丘里流量计的流量系数（约为～）；
A0——喉管处截面积，m2。
一体化文丘里流量计
3、文氏流量计的优缺点
【优点】阻力损失小，大多数用于低压气体输送中的测量；
【缺点】加工精度要求较高，造价较高，并且在安装时流量计本身占据较长的管长位置。
文丘里除尘器
【说明】洗涤液（水）从喉管加入时，气液两相间相对流速很大，液滴在高速气流下雾化，尘粒被水湿润。尘粒与液滴或尘粒与尘粒之间发生激烈碰撞和凝聚。在扩散管中，气流速度减小，压力回升，以尘粒为凝结核的凝聚作用加快，凝聚成粒径较大的尘粒，而易于被捕集。
文丘里除尘器
文丘里除尘器
锅炉脱硫除尘工艺流程图
1、转子流量计的结构
（1）金属外壳；
（2）上粗下细的锥形玻璃管（锥角约在4°左右）；
（3）固体转子（或称浮子）；
（4）流体自玻璃管底部流入，经过转子和管壁之间的环隙，再从顶部流出。
四、转子流量计
转子流量计实物图
转子流量计实物图
2、转子流量计的工作原理
（1）当被测流体以一定的流量流经转子与管壁之间的环隙时，在转子上、下端面形成一个压差，将转子托起，使转子上浮。当三个力平衡时，转子的位置不动。
（2）当流速增大时，压差变大，平衡破坏，转子位置上升；
（3）转子停留的位置可确定流量的大小。
3、转子流量计的流量方程
转子共受到三个力：重力（向下）、
压力（向上）、浮力（向上）。
当转子静止不动时，三个力平衡，即：
由此可推得转子流量计的体积流量为：
AR——转子上端面处环隙面积
CR——转子流量系数
0′
1′
1
0
4、流量的测定
【原理】由于流量（qv）与环隙面积（AR）有关，在圆锥形筒与浮子的尺寸固定时，环隙面积AR决定于浮子在筒内的位置，因此，转子流量一般都以转子的停留位置来指示流量。
【读数】转子流量计玻璃管外表面上刻有流量值，根据转子平衡时其上端平面（最大截面）所处的位置，即可读取相应的流量。
5、转子流量计的标定与刻度换算
转子流量计上的刻度，是在出厂前用某种流体进行标定的。
①液体流量计用20℃的水（密度约为1000kg/m3）标定；
②气体流量计用20℃和下的空气（密度为
（1）标定
转子流量计的标定
孔板流量计
转子流量计
当被测流体与标定条件不符时，应进行刻度换算。假定CR相同，在同一刻度下，有：
式中 下标1表示标定流体的参数；
下标2表示实际被测流体的参数。
（2）换算
6、转子流量计的安装与特点
（1）转子流量计必须垂直安装在管路上；
（2）为便于检修，应设置如图所示的支路。
（1）转子流量计的安装
【优点】转子流量计读数方便，流动阻力很小，测量范围宽，测量精度较高，对不同的流体适用性广。
【缺点】玻璃管不能经受高温和高压，在安装使用过程中玻璃容易破碎。
（2）转子流量计的特点
五、涡轮流量计
1、涡轮流量计的结构
涡轮流量计由涡轮流量传感器和显示仪表组成。
（1）涡轮；
（2）导流器；
（3）磁电感应转换器；
（4）外壳；
（5）前置放大器 。
涡轮流量传感器
管路中的涡轮流量计
2、涡轮流量计的工作原理
（1）当流体通过安装有涡轮的管路时，流体的动能冲击涡轮发生旋转，流体的流速愈高，动能越大，涡轮转速也就愈高。在一定的流量范围和流体粘度下，涡轮的转速和流速成正比。
（2）当涡轮转动时，涡轮叶片切割置于该变送器壳体上的检测线圈所产生的磁力线，使检测线圈磁电路上的磁阻周期性变化，线圈中的磁通量也跟着发生周期性变化，检测线圈产生脉冲信号，即脉冲数。其值与涡轮的转速成正比，也即与流量成正比。这个电讯号经前置放大器放大后，即送入电子频率仪或涡轮流量积算指示仪，以累积和指示流量。
涡轮流量积算指示仪工作原理
流量积算显示仪
一体化涡轮流量计
气体智能涡轮流量计
