2.4流量检测及仪表在连续生产过程中，流量是判断生产状况、衡量设备效率的重要指标；是产品计量、企业资源核算的重要手段。2.4.1基本概
念流量是指单位时间内流过管道某一截面的流体量，也称为瞬时流量，表示方式有：质量流量Qm（kg/s、kg/h、t/h）
体积流量Qv（L/s、L/min、m3/h）当流体密度为ρ时，Qm=ρQv把某一段时间内流过管道某截面流体总和，称为总
量。总量在数值上等于瞬时流量对时间的积分/累加（累计量）。流量检测的种类繁多，按检测原理分类，有节流式、速度式、容积式、电磁式
、质量式等流量计；按输出信号类型分类，有脉冲频率输出型、模拟输出型流量计等。2.4.2差压式流量检测差压式（也称节流式）流量
检测是基于流动流体的节流原理，利用节流元件前后压差检测流量，在高压蒸气流量检测中应用较多。差压计截断阀节流元件节流现象与节流装置
流体流过节流装置时，在节流装置前后两侧管壁流体静压力出现差异的现象称为节流现象；节流装置包括节流元件和取压装置。引压管流体流动方
向流动流体的机械能包括静压势能和流动动能二种机械能在一定条件下可以互相转化。在没有外部能量输入的情况下，根据能量守恒定律，总（机
械）能量保持不变，如果流体动能增加，静压势能必然减少。在流束的截面积缩小处，流速增大（动能增大），流体静压必然降低（势能减小）
。P2P1流体节流元件能使管道中流体流束产生局部收缩的元件，应用最广泛的节流元件是孔板，其次是喷嘴、文丘里管等。双文丘里管孔板
喷嘴孔板前后流体对管壁压力流束最小处压力流束未收缩前压力平均流速v2平均流速v1流束最小处Ⅱ-Ⅱ截面孔板前稳定流动段Ⅰ-Ⅰ截面在
管道中插入一孔板（中心开孔的圆盘）时，当流体经过孔板时，流体流束截面缩小，流动速度加快，压力下降。损耗依据能量守恒定律，在没有外加
能量的情况下，流体所具有的静压（势）能和动能，加上克服流动阻力损失的能量，其总和不变，即：截面Ⅰ处能量=截面Ⅱ处能量+损耗由伯
努力(Bernoulli)方程可得?静压势能动能静压势能动能摩擦损耗?上式中：?—流体从截面Ⅰ-Ⅰ流到Ⅱ
-Ⅱ的动能损失系数；g—重力加速度；ρ1、ρ2—流体在截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处的密度。如果流体不可压缩，那么ρ1=ρ2=ρ。
那么，流过管道流体的体积流量在截面Ⅰ、Ⅱ处相等，则有方程组Qv=v1S1=v2S2S1、S2—Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处流束
截面积。求解以上方程组可得：实际测量中，可用二个固定取压点的压差代替式中的（p1′-p2′）。工程上常取紧挨孔板前后的管壁压
差（p1-p2）代替（p1′--p2′），二者之间的关系可用系数φ表示：?为简化计算，引入截面收缩系数μ和孔板口对管道的面积比系
数m：???S0—孔板开孔面积。???将代入v2表达式，可得将上式代入体积流量：Qv=v1S1=v2S2令;α称
为流量系数则(不可压缩流体)流量计算基本公式可表示为：体积流量质量流量如果流体可压缩（如蒸气），则要对公式进行修正。由
以上公式可知，流体流量与节流元件前后压差平方根成正比，因此，只要测得差压（p1-p2），便可得到流体流量Qm（Qv）。因为???
上述关系式中流量系数α与多个因素有关，其实际值与节流装置类型、孔板开口面积对管道的截面积比m及取压方式等相关，很难精确计算，可通
过实验获取。流量系数α的具体数值一般由厂家提供；节流装置通常都按标准设计加工。流量系数α的大小还与管壁粗糙度、孔板边缘尖锐度、流
体粘度、温度及可压缩性等相关；当标准节流装置安装好后，只有流体流动状态是影响流量系数α的可变因素。流体力学中常用雷诺数（Reyno
ldsnumber）Re反映流体的流动状态。v—流速D—管道内径ρ—流体密度η—流体动力粘性系数Re是一个无因次量。雷诺数小
，流动流体各质点的粘性力对流场的影响大于惯性力，流体质点流速扰动会因粘滞力而衰减，管道中各流体质点平行于管道内壁作有规则流动，呈层
流流动状态。雷诺数大，惯性力对流场的影响大于粘滞力，流动不稳定，形成不规则的紊(湍)流状态。一般管道雷诺Re<2000为层流状态，
Re>4000为紊流状态，Re=2000~4000为过渡状态。层流状态与宏观流速流速沿管道直径的分布紊流状态与宏观流速流体的雷诺
数Re越大，流体截面各点的流速越趋于一致，流量系数α越稳定。实验表明，在雷诺数Re大于某一界限值（约为105）时，流量系数α基本
保持常数。αm=0.5α不稳定区m=0.4α稳定区m=0.2Re1051—管道法兰2—环室3—孔板4—夹紧环角接取压节流件取
压方式有角接取压(右上图)、法兰取压(右中图)和径距取压(右下图)。角接取压法相对于其他两种取压方法，测量精度高。标准节流装置使
用条件流体应当清洁，充满圆管并连续稳定流动；流体的雷诺数在104～105以上，不发生相变；直管道、圆形截面，直径大于50mm；为保
证流体在节流装置前后流动状态稳定，在节流装置上、下游必须配置一定长度的直管段。直管段长度经验值为：上游10倍管径、下游5倍管径以上
直管。变送器差压流量计测量精度最高可达到±0.5～1％。由于雷诺数及流体温度、粘度、密度等变化、孔板边缘腐蚀、磨损等，实际精度常
低于±2％。由于结构简单、可靠性高等优点，差压流量计在高压蒸气等流量监测中得到广泛应用。差压传感器导压管节流装置2.4.3转子
流量检测在实际生产过程、科学实验中，经常会遇到小管径、小流量的测量。低流速流量检测要求仪表有较高灵敏度，才能保证测量精度。常用转
子流量计进行小管径和小、微流量测量。转子流量计特别适合10～150mm的中小管径和每小时几升的小、微流量测量。金属转子流量计塑料转
子流量计转子流量计工作原理转子流量计与差压式流量计采用（孔板或喷嘴）定流通面积，变差压（流速）的方法测量流量不同，转子流量计采用
恒定压降（恒定流速）、变流通（环形）面积的方法测量流量。转子流量计结构1-锥形管；2-转子(浮子)；3-流通环隙能上下浮动的转（
浮）子置于圆锥形测量管，当被测流体自下而上通过测量管时，由于转子的节流作用，在转子前后出现压差?p，压差对转子产生一个向上的推力。
当向上推力等于转子重力时，转子便悬停留在测量管平衡位置（高度恒定）。当被测流体流量增大时，向上推力增大，转子上移，流通（环形间
隙）面积逐渐增大，流过环隙的流体流速逐渐变慢，推力减小，最终重新达到新平衡位置。转子平衡时，压差?p产生的向上推力等于转子的重力
，根据作用力平衡条件可知S—转子最大横截面积ρ1—转子材质密度ρ2—被测流体密度g—重力加速度V—转子体积?由于V、S、ρ1
、ρ2、g均为常数，转子平衡时?p为恒值，前后压降不变。因此转子流量计为恒压降流量计。H转子(节流元件)前后压差恒定，则流过环隙
的流量公式可表示为：上式中S0为圆锥形管与转子之间环形间隙的面积。锥形管由下往上逐渐扩大，所以S0与转子浮起的高度H成正比，即
S0=KH，K为常数，代入上式可得S0由于K0、K均为常数，可知流量Qv与转子高度H成正比。故可从转子平衡位置高度H直接读
出流量值，或用位置传感器将转子高度H转换为电信号放大输出，供流量显示、记录、自动控制系统使用。流量计转子位置(流量检测值)获取1
.锥形管为透明材料时，可直接读出转子位置（流量检测值）。透明锥管直读转子流量计2.在转子内安装磁铁，锥形管外安装磁环随转子上下
移动，或带动指针显示转子位置（流量检测值）。不锈钢锥管转子流量计3.转子内安装磁铁，锥形管外安装双霍尔磁场传感器，测出磁场的水平
分量和垂直分量，确定转子位置(流量值)。4.在转子上方安装一导磁棒，差动变压器输出转子位置(流量)变化。从流量公式可知，流量检测值
与被测流体密度ρ相关。为了便于成批生产，生产厂家在工业标准状态下（20℃，0.10133MPa），用水或空气对流量计进行标定。进行
液体测量时，流量计指示值代表20℃时水的流量值。进行气体测量时，流量计指示值则代表20℃时，0.10133MPa压力下空气流量值。
实际使用时，须根据被测流体性质，对仪表指示值进行修正。各类转子流量计2.4.4椭圆齿轮流量检测椭圆齿轮流量计采用容积式流量检测，
可按照固定的容积直接计量流体，测量精度与流体流动状态无关，被测流体粘度越大，齿轮间隙中泄漏量越小，测量误差越小，特别适宜于高粘度流
体流量测量。当流体自左向右通过时，在输入压力作用下产生力矩，驱动椭圆齿轮（或腰轮）转动。图(a)位置时，由于A轮左下侧压力大，右
下侧压力小，所产生的力矩使A轮顺时针转动。A带动B转动；在(b)位置，A轮与B轮都有转动力矩，继续转动；在(c)位置，力矩使B轮
成为主动轮，B轮带动A轮转动。A、B轮转动一周，各排出2个半月形容积的流体。椭圆齿轮每转1周，出口总共排出4个半月形容积流体
，通过齿轮转速n可计算出流量为n—椭圆齿轮旋转速度V0V0—半月形测量室容积如果将上式中转速n换成总转数N，即可得到通过椭圆齿轮
流量计的体积总量为V0椭圆齿轮的特点属容积式测量，与被测流体粘度、密度、雷诺数等无关，对流体流动状态没有要求，安装时不求要直管段。
特别适用于高粘度流体流量测量。测量精度高，最高可达±0.1%，一般可达0.2％。被测流体不能有固体颗粒的杂物，否则齿轮容易卡死，或
引起严重磨损。椭圆齿轮工作温度超出规定范围，可能因热胀冷缩引起齿轮卡死故障，或出现泄漏、测量误差增大。2.4.5涡轮流量检测涡
轮流量计是利用置于流体中的涡轮转速与流体流速成比例的原理，通过检测涡轮转速，间接测出管道中流体流速，推算出流体体积流量。涡轮流量
计(传感器)属于速度式仪表，在化工、石油等行业中广泛应用，测量精度可达0.5级。日常生活中一些自来水表、油量计等都属这类流量计。
涡轮流量计的基本结构对被检测流体整流一般由非导磁不锈钢材料制成支承涡轮自由旋转涡轮螺旋形叶片用高导不锈钢材料制成涡轮的轴装在管
道中轴线上，当流体流过涡轮叶片时，叶片前后压差（力）推动叶片驱使涡轮转动。若忽略机械摩擦力矩，涡轮转动角速度ω与流速v之间的关系可
表示为β—涡轮叶片对轴线的倾角r—涡轮叶片平均半径v—流体流过涡轮间隙的轴向流速涡轮转速检测原理涡轮旋转时，高导磁涡轮叶
片周期性地扫过磁钢底部，改变感应线圈的磁通量，使感应线圈产生脉冲感应电压。NS感应电压频率f与涡轮转速成正比，即Z—涡轮叶片数而
流过涡轮的流体流量为S—涡轮位置管道截面有效流通面积根据以上关系式，可得到流体流过涡轮流量计测量管道的体积流量与感应脉冲电压频率
之间关系式N—仪表常数，可在产品手册中查到。涡轮流量计转速测量没有齿轮传动误差和密封问题，测量精度高(可达0.2级)，耐高压（静
压可达50MPa）。输出为频率信号，不易受干扰，便于远传。涡轮流量计使用注意事项要求在涡轮流量计前后均安装一段直管，以保证流体
轴向流动；为保证流体沿轴向推动涡轮，在涡轮前后均装有导流器，使涡轮前后流体流向与轴向完全一致，避免流体自旋影响测量精度；内部有转
动部件，容易被流体中的絮状、颗粒等杂物堵塞、磨损，只能在清洁流体测量中使用，安装时应加装杂物过滤器。2.4.6电磁流量检测导
电液体可用电磁感应方法测量流量。电磁流量计根据法拉第电磁感应定律进行流量检测。利用导电液体通过磁场时在一对固定电极上感应出的电动
势测量流速，可检测有一定电导率的液体流量，不能检测气体、蒸气和非导电液体流量。电磁流量计工作原理在一段不导磁的测量管正对（上下或水
平）两侧装上一对磁铁，在与磁场垂直方向管道内壁安装一对与流体接触的电极。被测液体由管内流过时，流动液体成为切割磁力线的导体，根据电
磁感应定律，与液体接触的两电极间产生感应电势E。EDB—磁场强度D—管道直径v均—管内流体的平均流速感应电动势E与液体流速成
正比。当磁感应强度B不变、管道直径D一定时，流体切割磁力线产生的感应电势E仅与流体的流速v均有关。液体流量为流速v均与流通面积的乘
积：Qvv均D式中N称为仪表常数。在D和B不变时，体积流量Qv与感应电势E大小成正比，测量结果不受液体温度、压力、密度、粘度等参
数影响。电磁流量计/变送器结构电磁流量变送器由测量管(传感器)和转换器(变送器)两部分组成，测量管上下两侧安装励磁线圈，水平
两侧装检测电极(右图)。为了避免直流磁场产生的直流感应电势使电极周围导电液体电解，导致电极表面极化减弱感应电势，一般采用交流励磁
。变送器部分传感器部分测量电极励磁线圈内衬电磁流量计/变送器结构为避免磁力线被测量管壁短路，并尽可能地降低导管涡流损耗，测量导管
应由非导磁的高阻材料制成，如不锈钢。如果测量管导为导电材料，内壁必须涂一层绝缘衬里，如环氧树脂，以防止感应电势被短路。电磁流量计/
变送器的特点测量管道中没有节流现象置，不存在压力损失；可测量高粘度导电液体，特别适合测量含有纤维和固体颗粒的导电液体；测量精度为0
.5%至1%，刻度线性，反应速度快。可测量水平或垂直管道中脉动或流动方向往复变动的液体流量；电磁流量计只能检测导电液体流量，一般要
求被测液体电导率≥100μS/cm(普通水的电导率)，不能测量油或气体的流量；采用大面积电极的特殊仪表，则可测电导率低达5×10-
8S/cm的液体；由于感应电势E的数值很小，变送器须采用高放大倍数的放大器，很容易受外界电磁场干扰的影响。2.4.7旋涡式流量检
测卡曼涡街现象是指流体横向流过非流线型柱体时，在柱体背面两侧交替产生旋涡，且在脱离阻流体后形成旋涡尾流现象。利用流体涡街现象中的漩
涡频率进行（气体、液体）流量测量的仪表，称为涡街流量计。卡曼涡街现象涡街流量计原理涡街流量计工作原理在管道内沿直径方向设置一根非
流线形阻流(柱)体，当流体遇到阻流体时，在阻流体两侧形成两排内旋、互相交替的旋涡列，旋涡在行进过程中逐渐衰减直至消失。由于这两排旋
涡很像街道两边的路灯，故称涡街，此现象由卡曼（Karman）首先发现，也称卡曼涡街。实验研究表明，只有当产生的旋涡排成两列，且两
列旋涡之间的间距h与同列两相邻旋涡的距离l之比满足h∕l＝0.281时，旋涡列（涡街）稳定，单侧旋涡产生的频率f与
流体流速v之间的关系可表示为f—单侧旋涡出现频率;v—流体流速;d—阻流体特征尺寸，对圆柱形阻流体来说是圆柱体直径;S
t—斯特劳哈尔（Strouhal）系数。上式表明，St为常数时，阻流体单侧旋涡出现的频率f与流体平均流速v成正比。将流
速v用单侧旋涡频率f表示，代入体积流量计算公式A0—管道中旋涡发生体处流通截面积。A0/2A0/2可得KV—由测量管直径和
阻流体外形决定的常数。上式表明，被测（气、液）流体流量Qv与旋涡频率f成正比，测得单侧漩涡出现频率f便可得到被测流量Qv。
常用阻流（柱）体横截面形状有圆行、三角形、矩形等。圆柱体特点是压力损失小，但旋涡偏弱；三角柱体旋涡强烈稳定，压力损失适中；
方柱体旋涡强烈，压力损失较大。旋涡频率检测是流量测量的关键。常见旋涡频率检测方法有热敏检测、超声波检测、电容检测、应力检测等
。这些方法都是将旋涡的局部压力、密度、流速等变化转换成电脉冲信号，测出与旋涡同频的电脉冲信号频率，就可得到被测流体流量。热敏检测法
三角柱阻流体旋涡频率热敏检测阻流体两侧交替产生旋涡时，阻流体两侧流体流速和压力周期性变化。在三角柱阻流体内正面两侧贴上二个半导体
热敏电阻，加上恒定电流后电阻自身温度升高，并通过三角柱外侧流体散热。出现旋涡一侧流体流速降低，电阻散热变慢、导致温度升高、阻值
较另一侧降低。测出热敏电阻值变化频率，就测出了与之相同的旋涡频率。圆柱阻流体旋涡频率热敏检测如右图所示，在圆柱阻流体内腔中心安
置一个铂丝绕制的电阻，电阻加上恒定电流后产生热量，使电阻及周围温度比腔外流体温度高。当某一侧出现旋涡时，流速下降，静压升高，流
体由导压孔进人内腔，并从未产生旋涡的一侧流出，导致铂电阻及周围温度下降，电阻值降低。每出现一个旋涡，铂电阻就变小一次，测出铂电阻变
化频率就测出与之相同的旋涡频率。电桥输出信号频率：fv=2f对圆柱阻流体，铂丝阻值的变化频率采用一个不平衡电桥进行转换，经放
大和整形，再变换成直流电流信号输出，供显示，累积流量或进行自动控制。铂丝电阻三角柱阻流体漩涡频率与两个热敏电阻值变化频率之和相同
，可采用圆柱阻流体类似的方法检测。此外，在有旋涡的管道管壁外安装超声波发射装置A和接收装置B，将超声波束由A侧发射穿透流体，到达
另一侧接收器B。由于旋涡旋转方向、压力和流体密度变化，对超声波产生折射、反射和吸收等效应，对超声波束产生调制作用，导致接收器B接
收到幅度变化频率与旋涡出现频率一致的超声波。通过检测超声波幅度变化频率从而测得流体流速。涡街流量计/变送器特点精确度比较高，测量范
围宽，量程比可达20:1；管道内无可动元件，可靠性高，压力损失小，结构简单牢固，安装维护方便，可用于液体、气体、蒸汽和部分混相流体
流量测量;输出为脉冲频率与被测流体体积流量成正比，方便进行总量计算。旋涡频率不受流体密度、黏度、压力、温度等影响，标定后无须再修正
。2.4.8超声波流量检测超声波流量测量属于非接触式测量。通过向被测流体发射超声波穿过流体，对被接收信号进行处理得到流体流速v
。流速v与管道截面积S相乘，既得到流体流量Qv。超声波流量监测分类按测量原理不同分类可分为传播时间法、多普勒效应法、波束偏移法等
。其中时差法是根据声波在流体中的传播速度顺流时增大、逆流时减小的原理测量流速。按测量参数不同分类可分为时差法、频差法和相位差法等。
时差法测超声波在顺流、逆流时传播时间之差频差法测超声脉冲在顺流、逆流时重复频率差相位差法测超声脉冲在顺流、逆流时的相位差
时差法测量原理超声波传播方向和流体流动方向v相同c为超声波在静止流体中传播速度v流体流速超声波传播方向与流体流动方向v相反传播距离
T1、T2为发射器R1、R2为接收器由上图可知，超声波从发射器T1到接收器R1所需时间t1、从发射器T2到接收器R2所需时间t2
可表示为两者的时间差为一般情况下，被检测流体流速远小于超声波在静止流体中的速度（c＞1000m/s），即v<v2可以忽略，则被测流体流速为超声波收发器一般倾斜安装在管道外侧，超声波在流体中传播方向与管道轴线成θ角，则被测流体流速为D—
管道直径测出流速v可计算出流量。这种测量方法有两个问题，一是声速c受温度影响会变化，影响测量精度，其次是时间差数值?t很小（＜1
μs），精确测量困难。相位差法是连续发射频率为f的超声脉冲，在顺流和逆流发射时所接收到的信号之间存在相位差?φ=2πf?t，
测出相位差便测出流速相位差法和时差法相比，相位差数值比时差值要大，但计算式中含有声速c，温度变化影响测量精度。频差法测量时，由
发射器发射一个脉冲，经过流体传播到达接收器，脉冲信号被接收器接收后，触发发射器发射第下一个脉冲，…，如此循环。两组发射—接收的循环
频率f1和f2的频率差值?f为则被测流速为如果超声波收发器倾斜安装在管道外侧，则被测流速为由于频差法测量流速不受声速
变化的影响，测量精度高，因此应用较多。特超声波流量计点及使用要求超声波流量计不插入任何元件，为非接触式测量，不会影响被测流体的流动
状况，无压力损失，可用于任何流体，甚至是强腐蚀、高黏度、非导电性等性能流体的流量检测;测量流体流量精度可达0.2级，测量气体流量精
度可达0.5级，量程范围可达20︰1。当流体中含有杂质或气泡时，会影响超声波的传播，降低测量精度，因此要求被测流体清洁，以避免对超
声波束的干扰；要求测量管前后要有足够长的直管段，以保证流速平稳、均匀。2.4.9质量流量检测许多流程工业生产涉及到物料平衡、热
量平衡、物料配比等过程参数控制，都需要检测流体的质量流量。质量流量是指在单位时间内，流经管道截面处流体的质量。质量流量主要有直接
式和间接式测量方式。直接式测量元件输出信号可直接代表被测流体的质量流量Qm。理论上不受流体温度、压力、黏度和密度等参数影响。间
接式通过测量流体体积流量Qv和密度ρ，计算得到质量流量Qm=ρQv；或测出流（气）体温度T和压力P，计算出此状态下密度ρ，再求出质量流量Qm=ρQv。前者又称为推导式，后者称为补偿式。常见的直接式有科里奥利式、热式质量流量计和双涡轮、惯性质量流量计等。科里奥利质量流量计热式质量流量计工作原理利用热交换原理，根据流体流过加热管道时产生的温度场变化、或加热时流体温度上升到规定值所需能量与质量流量之间的关系进行测量。可分为侵入（小管径采用直通）式和热分布式等测量方式。下面直通式热式（原理图见下页）质量流量计为例，简单讨论热式质量流量计的工作原理。插入式直通式如右图所示，在被测流体流过的管道外侧安装加热器R2和测量(Pt)电阻R1、R3。加热器使被测流体温度升高。流体静止时，温度场在加热器两侧对称分布；当流体流动时，R2温度高于R1。两者温度差ΔT和质量流量Qm之间关系可用下式表示W—加热器功率cP—被测流体定压比热容当加热器功率W恒定时，测量温度差ΔT即可知质量流量Qm；同样，当温度差ΔT恒定时，测出加热器功率W也就知道了质量流量Qm。在上图所示测量电路中，将铂电阻R1和R2接在测量电桥两臂。加热器功率W恒定、测量管内流体流动时，电桥输出不平衡电压，检测电桥输出电压即测出ΔT，可知道被测流体的质量流量Qm。流量检测（仪表）小结差压式流量检测转子流量检测椭圆齿轮流量检测涡轮流量检测流量检测及仪表电磁流量检测旋涡式流量检测超声波流量检测质量流量检测 |
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