1、第三章第三章 检测仪表与传感器检测仪表与传感器第三节第三节 流量检测及仪表流量检测及仪表内容提要内容提要n差压式流量计差压式流量计n节流现象与流量基本方程式节流现象与流量基本方程式n标准节流装置标准节流装置n力矩平衡式差压变送器力矩平衡式差压变送器n差压式流量计的测量误差差压式流量计的测量误差n转子流量计转子流量计n工作原理工作原理n电远传式转子流量计电远传式转子流量计n漩涡流量计漩涡流量计内容提要内容提要n质量流量计质量流量计n直接式质量流量计直接式质量流量计n补偿式质量流量计补偿式质量流量计n其他流量计其他流量计n 靶式流量计靶式流量计n 椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计n 涡轮流量计涡轮流量
2、计n 电磁流量计电磁流量计一、概述一、概述是控制生产过程达到优质高产和安全生产以及进行经济核算所必需的一个重要参数。单位时间单位时间内流过管道某一截面某一截面的流体数量的大小，即瞬时流量。在某一段时间内某一段时间内流过管道的流体流量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累计值。MQQM或如以 t 表示时间，则流量和总量之间的关系是 ttMdtMQdtQ00,总总测量流体流量的仪表。：测量流体总量的仪表。以测量流体在管道内的流速流速作为测量依据来计算流量的仪表 以单位时间内所排出的流体的固定容积固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表。以测量流体流过的质量M为依据的流量计。质量流量计分直接式和间接
3、式两种。分类二、二、差压差压(节流节流)式流量计式流量计 是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差压力差而实现流量测量的。通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置节流装置和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计差压计以及显示仪表显示仪表所组成。1.1.节流现象与流量基本方程式节流现象与流量基本方程式 流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。孔板装置及压力、流速分布图 要准确测量出截面、处的压力有困难，因为产生最低静压力p2的截面的位置随着流速的不同会改变。因此是在孔板前后的管壁上选择两个固定的取压点，来测量流
4、体在节流装置前后的压力变化。因而所测得的压差与流量之间的关系，与测压点及测压方式的选择是紧密相关的。流量基本方程式是阐明流量与压差之间定量关系的基本流量公式。它是根据流体力学中的伯努利方程和流体连续伯努利方程和流体连续性方程性方程式推导而得的。pFMpFQ101022要知道流量与压差的确切关系，关键在于的取值。流量与压力差P的平方根成正比。国内外把最常用的节流装置孔板、喷嘴、文丘里管孔板、喷嘴、文丘里管等标准化，并称为“标准节流装置”。采用标准节流装置进行设计计算时都有统一标准的规定、要求和计算所需要的通用化实验数据资料。在加工制造和安装方面在加工制造和安装方面,以以孔板孔板为最简单为最简单,
5、喷嘴喷嘴次之次之,文丘文丘里管最复杂。造价高低也与此相对应。实际上里管最复杂。造价高低也与此相对应。实际上,在一般场合在一般场合下下,以采用以采用孔板孔板为最多。为最多。当要求压力损失较小时当要求压力损失较小时,可采用喷嘴、文丘里管等。可采用喷嘴、文丘里管等。在测量某些易使节流装置在测量某些易使节流装置腐蚀、沾污、磨损、变形腐蚀、沾污、磨损、变形的的介质流量时介质流量时,采用喷嘴较采用孔板为好。采用喷嘴较采用孔板为好。在流量值与压差值都相同的条件下在流量值与压差值都相同的条件下,使用喷嘴有较高的使用喷嘴有较高的测量精度测量精度,而且所需的直管长度也较短。而且所需的直管长度也较短。如被测介质是高
6、温、高压的如被测介质是高温、高压的,则可选用孔板和喷嘴。则可选用孔板和喷嘴。文丘里管只适用于低压的流体介质。文丘里管只适用于低压的流体介质。必须保证节流装置的开孔和管道的轴线必须保证节流装置的开孔和管道的轴线同心同心,并使节并使节流装置端面与管道的轴线流装置端面与管道的轴线垂直垂直。在节流装置前后长度为在节流装置前后长度为两倍于管径两倍于管径(2D)(2D)的一段管道的一段管道内壁上内壁上,不应有凸出物和明显的粗糙或不平现象。不应有凸出物和明显的粗糙或不平现象。任何局部阻力任何局部阻力 (如弯管、三通管、闸阀等如弯管、三通管、闸阀等)均会引均会引起流速在截面上重新分布起流速在截面上重新分布,引
7、起流量系数变化。所以引起流量系数变化。所以在节流装置的在节流装置的上、下游必须配置一定长度的直管上、下游必须配置一定长度的直管。标准节流装置标准节流装置 (孔板、喷嘴孔板、喷嘴),),一般都用于直径一般都用于直径D50mmD50mm的管道中。的管道中。被测介质应被测介质应充满充满全部管道并且全部管道并且连续流动连续流动。管道内的流束管道内的流束 (流动状态流动状态)应该是应该是稳定稳定的。的。被测介质在通过节流装置时应不发生被测介质在通过节流装置时应不发生相变相变。在现场实际应用时，往往具有比较大的测量误差，有的甚至高达1020。不仅需要合理的不仅需要合理的选型选型、准确的、准确的设计计算设计
8、计算和和加工加工制造，制造，更要注意正确的更要注意正确的安装、维护和符合使用条件安装、维护和符合使用条件等，才能保等，才能保证差压式流量计有足够的实际测量精度。证差压式流量计有足够的实际测量精度。被测被测流体流体工作状态的变动工作状态的变动;孔板入口孔板入口边缘的磨损边缘的磨损;节流装置节流装置安装不正确安装不正确;导压管导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏现象安装不正确，或有堵塞、渗漏现象;差压计差压计安装或使用不正确。安装或使用不正确。导压管导压管要正确地安装，防止堵塞与渗漏，否则会引起较大的测量误差。对于不同的被测介质，导压管的安装导压管的安装亦有不同的要求，下面分类讨论。测量液体流量时的取
9、压点位置 测量液体流量时的连接图1节流装置；2引压导管；3放空阀；4平衡阀；5差压变送器；6贮气罐；7切断阀取压点应该位于节流装置的下半部，与水平线夹角为045。引压导管最好垂直向下，如条件不许可，导压管亦应下倾一定坡度（至少120110），使气泡易于排出。在引压导管的管路中，应有排气的装置。取压点应在节流装置的上半部。引压导管最好垂直向上，至少亦应向上倾斜一定的坡度，以使引压导管中不滞留液体。如果差压计必须装在节流装置之下，则需加装贮液罐和排放阀。测量气体流量时的连接图1节流装置；2引压导管；3差压变送器；4贮液罐；5排放阀 测量蒸汽流量的连接图1节流装置；2凝液罐；3引压导管；4排放阀；5
10、差压变送器；6平衡阀差压计或差压变送器差压计或差压变送器安装或使用不正确也会引起测量误差。安装或使用不正确也会引起测量误差。由引压导管接至差压计或变送器前，必须安装切断阀1、2和平衡阀3，如图所示。测量腐蚀性（或因易凝固不适宜直接进入差压计）的介质流量时，必须采取隔离措施。常用的两种隔离罐隔离罐形式如图所示。n 皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉、皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉、心、肺、肾等多脏器严重损害的，心、肺、肾等多脏器严重损害的，全身性疾病，而且不少患者同时全身性疾病，而且不少患者同时伴有恶性肿瘤。它的伴有恶性肿瘤。它的1症状表现如症状表现如下：下：n 1、早期皮肌炎患者，还往往伴、早期皮肌炎患者
11、，还往往伴有全身不适症状，如有全身不适症状，如-全身肌肉酸全身肌肉酸痛，软弱无力，上楼梯时感觉两痛，软弱无力，上楼梯时感觉两腿费力；举手梳理头发时，举高腿费力；举手梳理头发时，举高手臂很吃力；抬头转头缓慢而费手臂很吃力；抬头转头缓慢而费力。力。皮肌炎图片皮肌炎图片皮肌炎的症状表现皮肌炎的症状表现 差压计阀组安装示意图1，2切断阀；3平衡阀 隔离罐的两种形式三、三、转子流量计转子流量计1.1.工作原理工作原理 转子流量计采用的是恒压降恒压降、变节流面积变节流面积的流量测量方法。转子流量计的工作原理图AppgVft21转子流量计中转子的平衡条件是phMf2根据转子浮起的高度就可以判断被测介质的流量
12、大小或phQf2AgVhMfft2或AgVhQfft2固定不变AgVpppft21 它可以将反映流量大小的转子高度h转换为电信号，适合于远传，进行显示或记录。LZD系列电远传式转子流量计主要由流量变送及电动显示两部分组成。差动变压器结构 若将转子流量计的转子若将转子流量计的转子与差动变压器的铁芯连接起与差动变压器的铁芯连接起来，使转子随流量变化的运来，使转子随流量变化的运动带动铁芯一起运动，那么，动带动铁芯一起运动，那么，就可以将流量的大小转换成就可以将流量的大小转换成输出感应电势的大小。输出感应电势的大小。LTD系列电远传转子流量计转子流量计指示值修正转子流量计指示值修正自学内容自学内容四、
13、椭圆齿轮流量计四、椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计结构原理通过椭圆齿轮流量计的体积流量04nVQ 适用于高黏度介质高黏度介质的流量测量。测量精度较高，压力损失较小，安装使用也较方便。椭圆齿轮流量计的入口端必须加装过滤器过滤器。椭圆齿轮流量计的使用温度有一定范围。椭圆齿轮流量计的结构复杂，加工成本较高。五、涡轮流量计五、涡轮流量计 涡轮流量计1涡轮；2导流器；3磁电感应转换器；4外壳；5前置放大器 安装方便。测量精度高，可耐高压。反应快，可测脉动流量。输出信号为电频率信号，便于远传，不受干扰。一般应加过滤器。安装时，前后要有一定的直管段。六、电磁流量计六、电磁流量计能够测量酸、碱、盐溶液以及含有固体
14、颗粒（例如泥浆）或纤维液体的流量。电磁流量计原理BDvKEX感应电势的方向由右手定则判断，大小由下式决定（3-23）vDQ241而（3-24）KDDBDKEX4将式（4-24）代入式（4-23），得 只能用来测量导电液体的流量，且导电率要求不小于水的导电率，不能测量气体、蒸汽及石油制品等的流量。要引入高放大倍数的放大器，会造成测量系统很复杂、成本高，并且易受外界电磁场的干扰。使用中要注意维护，防止电极与管道间绝缘的破坏。安装时要远离一切磁源。不能有振动。七、漩涡流量计七、漩涡流量计 精度高、测量范围宽、没有运动部件、无机械磨损、维护方便、压力损失小、节能效果明显。漩涡流量计是利用有规则的漩涡剥
15、离现象来测量流体流漩涡流量计是利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体流量的仪表。量的仪表。卡门涡列(a)圆柱涡列；(b)三角柱涡列 热学法热学法 电容法电容法 压差法压差法漩涡频率的检测方法漩涡频率的检测方法 圆柱检出器原理图1空腔；2圆柱棒；3导压孔；4铂电阻丝；5隔墙 满足hL0.281时，则所产生的涡街是稳定的。由圆柱体形成的卡曼漩涡，其单侧漩涡产生的频率为dvSff八、质量流量计（自学内容）八、质量流量计（自学内容）直接测量单位时间内所流过的介质的质量,即质量流量M。质量流量计的最后输出信号只与介质的质量流量M成比例,这就能从根本上提高流量测量的精度,省去了烦琐的换算和修正。vAM1.1.
16、直接式质量流量计直接式质量流量计双孔板差压式质量流量测量示意图232212QqKppQqKpp（3-183-18）（3-193-19）将式(3-19)减去式(3-18),可得QqKpp431KqMpp431即QvAM2.2.间接式质量流量计间接式质量流量计1.流速-密度补偿法流速-密度补偿法vAM2.压差-密度法压差-密度补偿法3.压差-流速补偿法图3-17 压差-流速补偿法QQQM2vAQ 又由于vQAM21将式(3-21)代入式(3-20)，得例题分析例题分析1.1.某差压式流量计的流量刻度上限为某差压式流量计的流量刻度上限为320320m3/h,差差压上限压上限25002500Pa。当仪
17、表指针指在。当仪表指针指在160160m3/h时时,求相应求相应的差压是多少的差压是多少 (流量计不带开方器流量计不带开方器)?)?pFQ102解解：由流量基本方程式可知 流量是与差压的平方根成正比的。当测量的所有条件都不变时,可以认为式中的、F0、1均为不变的数。如果假定上题中的 Q1=320m3/h;p1=2500Pa;Q2=160m3/h;所求的差压为p2,则存在下述关系例题分析例题分析2121ppQQ121222pQQp由此得)(6252500320160222Pap代入上述数据,得 该例说明了说明了差压式流量计的标尺如以差压刻度,则是均匀的,但以流量刻度时,如果不加开方器,则流量标尺
18、刻度是不均匀的。当流量值是满刻度的1/2时,指针却指在标尺满刻度的1/4处。例题分析例题分析2.2.通常认为差压式流量计是属于定节流面积变压降通常认为差压式流量计是属于定节流面积变压降式流量计式流量计,而转子流量计是属于变节流面积定压降式而转子流量计是属于变节流面积定压降式流量计流量计,为什么为什么?这可以从它们的工作原理上来分析。差压式流量计在工作过程中,只要节流元件结构已定,则其尺寸是不变的,因此它是属于定节流面积的。当流量变化时,在节流元件两侧的压降也随之而改变,差压式流量计就是根据这个压降的变化来测量流量的,因此是属于变压降式的。例题分析例题分析 转子流量计在工作过程中转子是随着流量变化而上下移动的,由于锥形管上部的直径较下部的大,所以转子在锥形管内上下移动时,转子与锥形管间的环隙是变化的,即流体流通面积是变化的,因此它是属于变节流面积的。由于转子在工作过程中截面积不变,重力也不变,而转子两端的静压差作用于转子上的力恒等于转子的重力,转子才能平衡在一定的高度上,所以在工作过程中,尽管转子随着流量的变化上下移动,但作用在转子两侧的静压差却是恒定不变的,所以它是属于定压降式流量计。
