流量检测

检测技术及仪表,主编毛徐辛,第5章流 量 检 测,5.1流量检测的方法5.2节流式流量计5.3容积式流量计5.4转子流量计5.5涡轮流量计5.6超声波流量计5.7其他流量计5.8流量计的校验5.9实训,5.1流量检测的方法,5.1.1流量及流量的表示方法流量是指单位时间内流过管道或通道某截面流体的数量。1.瞬时流量(1)体积流量单位时间内流过某截面的流体体积称为体积流量，用符号V表示。(2)质量流量单位时间内流过某截面的流体质量称为质量流量，用符号qm表示。2.累积流量,5.1流量检测的方法,5.1.2计量标准参比条件,5.1.3流量检测方法及仪表分类1.体积流量检测(1)直接法(容积法)直接法是把流体连续不断地分隔成固定容积的单元流体，根据固定容积值和排出单元流体的数量计算流量和累积流量。(2)间接法(速度法)间接法是先测出管道内流体的流速，再根据式(5-3)计算流体的体积流量。,压力：101.325KPa，温度：20（293.15K）。,5.1流量检测的方法,2.质量流量检测(1)直接法利用不同检测原理，使流量计的输出直接反映出质量流量，而无需进行换算。(2)间接法在分别测出体积流量、密度、温度、压力等多个参数的基础上，增加数据处理环节，通过运算得到流体的质量流量。 q2变送器与密度计组合。 qV变送器与密度计组合。 q2变送器与qV变送器组合。 同时测出流体的体积流量、温度和压力，利用流体密度与温度、压力之间的关系求出流体工作状态下的密度，再计算得到质量流量。,5.2节流式流量计,5.2.1基本组成及检测原理1.基本组成1)节流装置2)引压管路3)差压变送器,图5-1节流式流量计组成,5.2节流式流量计,2.检测原理(1)基本原理,图5-2孔板上下游的压力和流速变化,流体在通过节流装置时能量之间发生转换，导致节流元件上下游产生压差。,5.2节流式流量计,(2)流量方程,5.2节流式流量计,图5-3标准孔板流出系数与雷诺数的关系,1)流量系数。2)可膨胀性系数。3)流体密度1。4)节流孔直径d、管道内径D。,5.2节流式流量计,5.2.2标准节流装置国际标准ISO 51671(1991)； 国家标准 262493。1.标准节流元件,(1)标准孔板标准孔板是一块具有与管道同心的圆形开孔、直角上游边缘非常锐利、两面平整且平行的薄板。,5.2节流式流量计,图5-4标准孔板1上游端面2下游端面3上游边缘4、5下游边缘,5.2节流式流量计,(2)标准喷嘴1)ISA 1932喷嘴由入口平面、入口收缩部分、喉部及保护槽四部分组成。,图5-5ISA 1932喷嘴1入口平面2、3圆弧4(圆筒形)喉部5保护槽6出口边缘,5.2节流式流量计,2)长径喷嘴由入口收缩部分、喉部及下游端面三部分组成。,图5-6长径喷嘴的结构1收缩部分2喉部3下游端面,5.2节流式流量计,2.取压方式和取压装置(1)取压方式,图5-7取压方式,1)角接取压。 2)法兰取压。3)径距(D-D/2)取压。 4)理论取压。5)管接取压。,5.2节流式流量计,图5-8角接取压,(2)标准取压装置1)角接取压装置。2)法兰取压装置。3)径距取压装置。,5.2节流式流量计,图5-9法兰取压,图5-10径距取压,5.2节流式流量计,图5-11标准节流装置及管道1，2节流元件上游侧第二、第一阻流件3节流元件和取压装置4节流元件下游侧第一阻流件5上下游测量管,3.直管段,5.2节流式流量计,5.2.3非标准节流装置(1)低雷诺数节流装置(2)低压损节流装置(3)小管径节流装置(4)脏污介质用节流装置(5)宽范围度节流装置 (6)临界流节流装置,5.2节流式流量计,5.2.4节流式流量计的特点及应用1.节流式流量计特点1)应用范围极广泛。2) 标准节流元件通用性好非常方便。3) 节流元件与差压测量仪表组合灵活方便，便于专业化形成规模经济生产。4) 节流元件品种多，适应性强。 5)测量准确度、重复性属于中等水平；测量范围度较窄。6)压力损失大，尤其是孔板。7)现场安装对直管段要求严格；应用中导压管部分容易发生故障。,5.2节流式流量计,2.节流式流量计应用(1)节流装置类型选择选择节流装置时，首先考虑采用标准节流装置，当不满足使用要求时再选用其他类型装置。 (2)流量计安装要求节流式流量计的安装主要包括节流装置、引压管路和差压变送器(或差压计)等部分的安装。1)节流装置应安装在两段有恒定横截面积的圆形直管段之间，且上下游直管段长度满足要求。2)按正确方向安装节流元件，不得装反。,5.2节流式流量计,3)节流元件应垂直安装，保证节流孔与管道同心，并注意节流元件与法兰、夹紧环之间的密封垫片不得突入管道内部。4)如果节流装置安装在附录C中附表C-1和附表C-2未列出的各种阻流件下游，建议使用流动调整器。5)在水平管道上安装节流装置时，应注意不同介质对取压口位置的要求不同。6)引压管路材质应按被测介质性质和参数确定，其内径不得小于6mm，长度最好在16m以内。7)引压管路应垂直敷设，若需要向水平方向敷设时，应保证有不小于112的倾斜度。,5.2节流式流量计,图5-12测量清洁液体时的安装示意,5.2节流式流量计,8)正负压引压管应平行并列敷设，远离发热源，在寒冷地区应采取防冻措施。9)靠近节流装置的引压管路上应装有截断阀(切断阀)。10)应根据被测介质的性质和节流装置与差压仪表的相对位置，采取不同的引压管路安装方式，并正确选用和安装集气器、沉降器、冷凝器等附件。11)差压仪表应安装在温度、湿度、振动等符合要求的场合，同时兼顾操作和维护方便。,图5-13测量清洁干燥气体时的安装示意,5.2节流式流量计,图5-14测量湿气时的安装示意,5.2节流式流量计,图5-15测量蒸汽时的安装示意,5.2节流式流量计,(3)使用注意事项1)使用标准节流装置时，被测流体性质和流动状态必须满足相应条件。 流体必须是牛顿流体，且在物理学和热力学上是均匀的、单相的流体，或者可认为是单相的流体。 流体要充满管道连续流动。 流体流经节流装置时不发生相变。 对于气体，节流装置下游侧与上游侧的压力比应大于或等于0.75。,5.2节流式流量计,2)节流装置应定期进行检查和清洗，以保持其清洁。3) 注意定期(周期长短根据介质情况而定)检查和维修节流装置，必要时更换新的节流装置。4)随时注意被测流体性质和工作状态的变化，当与设计条件不相符时，应按新的工艺条件重新设计计算，或根据实际情况(工艺参数变化较小时)进行修正。5)引压管路应保证不渗漏、不堵塞。6)测量腐蚀性、高黏度、易凝结等介质流量时，应采取隔离措施。7)正确安装和使用差压变送器(或差压计)。,5.3容积式流量计,5.3.1检测原理,图5-17椭圆齿轮流量计测量部分结构示意,5.3容积式流量计,图5-18椭圆齿轮流量计动作过程,5.3.2容积式流量计的类型,5.3容积式流量计,图5-20腰轮式转子,1.转子式流量计,5.3容积式流量计,图5-21腰轮流量计外形图,5.3容积式流量计,图5-22刮板式流量计1壳体2刮板3计量室4凸轮5转子6滚轮,2.刮板式流量计,5.3容积式流量计,5.3.3容积式流量计的工作特性1.误差特性,图5-23容积式流量计误差特性,5.3容积式流量计,图5-24腰轮流量计不同黏度误差特性,5.3容积式流量计,图5-25气体腰轮流量计不同密度误差特性,5.3容积式流量计,图5-26容积式流量计压力损失特性,5.3.4容积式流量计的特点及应用1.容积式流量计的特点,2.压力损失特性,5.3容积式流量计,1)测量准确度高，液体型仪表准确度等级一般为0.20.5级，气体型一般为0.51.5级。2)可用于高黏度介质的测量。3)流体流动状态对测量准确度没有影响，故管道安装条件要求不严，流量计前后亦无直管段要求。4)直读式仪表无需外部能源就可直接获得累积流量，清晰明了，操作简便。5)机械结构复杂，较大口径的仪表体积庞大笨重，故不适宜大口径、大流量测量。6)不能在高温或低温场合下使用。7)大部分仪表只适用于洁净单相流体。,5.3容积式流量计,8)部分形式的仪表测量过程中会给流体带来脉动，较大口径仪表还会产生噪声，甚至使管道产生振动。2.容积式流量计应用(1)流量计的选型选用容积式流量计时，应考虑的主要因素有流量范围、测量准确度、流体种类和特性、工况条件、允许的压力损失、使用特点和目的等。(2)安装要求容积式流量计安装的一般要求如下。1)流量计应安装在环境温度、湿度符合规定，周围无腐蚀性气体，机械振动小，灰尘少且远离热源的场所，并有足够的空间便于安装和日常维护。,5.3容积式流量计,2)流量计安装前必须对管道进行吹扫。3)为滤除被测流体中的杂质，在流量计上游应安装过滤器；测量液体流量时，必须避免气体进入流量计，必要时在流量计上游安装气体分离器(消气器)。4)安装时应注意表体上的箭头方向必须与流体流向一致。5)流量计可水平安装，也可垂直安装。6)做到无应力安装，以免引起流量计变形，影响其性能，甚至导致活动部件卡死。,5.3容积式流量计,图5-27容积式流量计安装示意图1切断阀2过滤器3流量计4旁路阀,5.3容积式流量计,(3)使用与维护1)新投产或检修后的管道，一定要在吹扫后安装流量计。2)按正确顺序缓慢启动、缓慢停运流量计。3)定期检查、清洗或更换过滤器的滤网或滤芯，以避免堵塞。4)定期对流量计进行润滑，经常检查润滑油存量的液位计。5)流量计应在规定的流量、温度和压力范围内使用。6)用于贸易结算的流量计，应按照相应的检定规程对其进行定期检定。,5.4转子流量计,图5-28转子流量计检测原理,5.4.1检测原理 转子在锥形管中的停留高度与流体的流量存在对应关系，通过转子的高度便可确定流量的大小。,5.4转子流量计,5.4.2转子流量计的工作特性与结构类型1.工作特性(1)流量系数,图5-29流量系数与雷诺数关系曲线,5.4转子流量计,(2)黏度影响被测介质黏度的变化将对流量计产生影响，导致测量误差。(3)流体密度流体密度不同，流量与转子高度之间的对应关系将不同。2.结构类型(1)透明锥形管转子流量计透明锥形管转子流量计一般由透明锥形管、转子、基座、压盖、支承板等组成。,图5-30透明锥形管转子流量计典型结构1基座2防护罩3透明锥形管4转子5压盖6支承板7螺钉8衬套,5.4转子流量计,图5-32透明锥形管转子流量计外形图,5.4转子流量计,图5-33金属管转子流量计典型结构1转换部分2传感部分3导杆4转子5锥形管,(2)金属管转子流量计,5.4转子流量计,图5-34金属管转子流量计外形,5.4转子流量计,图5-35电远传式转子流量计1外磁钢2内磁钢3杠杆4、5、6第二套四连杆机构7铁心差动变压器转换器10、11、12第一套四连杆机构13指针14刻度盘15平衡锤,(3)电远传式转子流量计,5.4转子流量计,5.4.3转子流量计的指示值修正1.液体流量的指示值修正(1)密度修正(2)黏度修正2.气体流量的指示值修正3.蒸汽流量的指示值修正,5.4转子流量计,5.4.4转子流量计的应用1.转子流量计的选用2.安装要求1)流量计安装前应对工艺管道进行吹扫。2)流量计拆卸包装后应检查是否有运输损坏、管体内是否有残留包装物，在现场安装时注意轻拿轻放。3)绝大部分转子流量计必须垂直安装，流体自下而上流过流量计。4)若介质中含有杂质，应在流量计上游安装过滤器。5)转子流量计上游应保证一定长度的直管段。6)流量计应安装在没有振动并便于维修的地方。7) 必要时加装冲洗管以便定时冲洗流量计。,5.4转子流量计,图5-37转子流量计旁通管路的安装示意图1、2工作阀3旁路阀4流量计,图5-38带有冲洗管的旁通管路安装示意图1、2工作阀3旁路阀4单向阀5、6冲洗阀7流量计,5.4转子流量计,3.使用注意事项1)被测介质与校准介质物性参数不同或工作状态不同时必须进行流量指示值修正。2)转子流量计与管道的连接方式与口径有关。3)气体转子流量计应用过程中，为使转子稳定工作，应保证管道压力不小于5倍流量计的压力损失。4)无论是测量液体还是气体，转子流量计在开启过程中为避免流体的冲击，务必注意要缓慢地打开阀门。5)直角型金属管转子流量计用于液体测量时，若引伸套管内有残留空气存在，必须排除干净。,5.5涡轮流量计,5.5.1基本结构及工作原理1.涡轮流量变送器基本结构(1)涡轮(2)导流器 (3)轴和轴承(4)磁电感应转换器(5)前置放大器(6)仪表壳体,图5-39涡轮流量变送器基本结构1紧固件2壳体3前导流器4止推片5涡轮6带放大器的磁电感应转换器7轴承8后导流器,5.5涡轮流量计,2.涡轮流量变送器工作原理,5.5涡轮流量计,图5-40液体涡轮流量计外形图,5.5.2涡轮流量计类型及特性1.涡轮流量计的类型(1)液体涡轮流量计,5.5涡轮流量计,(2)气体涡轮流量计,图5-41温度压力补偿型气体涡轮流量计外形图,5.5涡轮流量计,2.涡轮流量计的特性,图5-42液体涡轮流量计特性曲线,5.5涡轮流量计,图5-43气体涡轮流量计特性曲线,5.5涡轮流量计,5.5.3涡轮流量计的特点及应用1.主要特点1)准确度高，重复性好。2)测量范围宽。3)结构紧凑，耐高压，流通能力大。4)一般输出脉冲频率信号(高频信号可达34kHz)，适用于总量计量及与计算机连接。,图5-44液体黏度与仪表系数的关系,5.5涡轮流量计,5)使用方便。6)大口径测量可制成插入式，压力损失小，价格低，可不断流取出，安装维护方便。7)流体物性对流量计特性影响较大，小口径时尤为突出。8)流量计需定期校准。,图5-45气体压力与仪表系数误差的关系,5.5涡轮流量计,2.安装要求1)流量计应安装在便于维修，管道无振动、无强电磁干扰与热辐射影响的场所。2)一般要求水平安装，避免垂直安装。3) 必须在流量计前安装过滤器。4)流量计上下游侧应保证一定的直管段长度。5)流量计应与连接管道同心，且口径与管道内径一致。6)安装在生产线上的涡轮流量计应设置旁通管路和可靠的截止阀。7) 若液体中含有气体，应在流量计上游加装消气器。8) 控制阀应安装在流量计的下游。9) 测温元件应安装在流量计下游直管段上。,5.5涡轮流量计,图5-46流量计安装示意图,5.5涡轮流量计,3.使用注意事项1) 适用于测量清洁低黏度紊流流体的流量。2)新安装或维修后的管路必须进行吹扫。3)流量计起动时，应缓慢升压；停用时，应缓慢降压。4)流量计应在规定的流量、温度和压力范围内使用。5) 定期润滑。6)实际使用介质的密度、黏度等物理参数与校准介质相差超过规定值时，需对流量计进行重新校准。7)妥善保管流量计生产厂家提供的仪表系数。8)定期检定。,5.6超声波流量计,5.6.1检测原理利用超声波测量流量有多种方法，如传播速度差法、多普勒法、声束偏移法、噪声法等，其中使用最多的是传播速度差法和多普勒法。1.传播速度差法,图5-47时差法超声波流量计检测原理,5.6超声波流量计,2.多普勒法,图5-48多普勒超声波流量计检测原理,5.6超声波流量计,5.6.2超声波流量计的结构与类型1.基本构成,图5-50超声波流量计组成框图,5.6超声波流量计,2.类型(1)气体和液体超声波流量计(2)单声道和多声道超声波流量计,图5-51单声道的声道布置,5.6超声波流量计,图5-52多声道的声道布置,5.6超声波流量计,图5-53夹装式超声波流量计,(3)夹装式和直射式超声波流量计,5.6超声波流量计,图5-54管段式超声波流量计,5.6超声波流量计,图5-55插入式超声波流量计,5.6.3超声波流量计的特点及应用,5.6超声波流量计,1.主要特点1)应用范围广，可测介质多。2) 无压力损失，可测双向流。3) 可实现非接触测量、移动测量。4)适用于大管径大流量测量。5)测量准确度中等。6)维修量小，检修更换超声波换能器方便。7)技术复杂，价格较高(尤其对中小管道来说)。,5.6超声波流量计,2.安装要求1)流量计的安装场所尽可能避开振动和电磁干扰环境。2)流量计安装位置上下游应保证足够的直管段长度。3)流量计可安装在水平管道或垂直管道上。4)按要求安装夹装式换能器、流量传感器。5)所有安装方式的换能器在水平管道上安装时都应避免安装在管道的顶部和底部。6)用于贸易计量的气体超声波流量计应安装压力变送器和温度传感器。7)按要求敷设及固定信号传输电缆。,5.6超声波流量计,3.应用中需注意的问题1)注意工作原理不同的超声波流量计对被测流体的要求。2)使用夹装式超声波流量计要知道确切的管道情况。3)确保流量计在规定的流量范围、介质温度和环境温度下使用。4)避开被测介质内部的噪声对流量计信号的干扰。5)流量计投入使用前，应按进行检定或实流校准。6)定期检查超声波换能器的工作情况。7)定期校准。,5.7其他流量计,5.7.1电磁流量计,图5-56电磁流量计检测原理,1.检测原理,5.7其他流量计,2.流量计结构类型,图5-57电磁流量计外形图,5.7其他流量计,(1)电磁流量传感器电磁流量传感器由测量管、励磁系统、电极及仪表壳体等部分组成。1)测量管。2)励磁系统。3)电极。4)仪表壳体。,图5-58电磁流量传感器结构,5.7其他流量计,图5-59各种励磁方式的磁场波形,5.7其他流量计,图5-60常用电极形状,5.7其他流量计,(2)电磁流量转换器电磁流量转换器的作用是把传感器感应的电动势放大，转换成与流量成正比的标准电流或频率信号输出，便于流量的显示、记录、积算与控制；同时向传感器励磁线圈提供励磁电流。,图5-61智能化转换器原理框图,5.7其他流量计,3.电磁流量计特点及应用(1)电磁流量计特点1) 传感器结构简单，无附加压力损失，节能效果显著。2)适用介质多，可测量各种导电液体的流量。3)测量不受被测介质密度、黏度、温度、压力的影响。4)测量范围度大。5)电磁流量计口径范围比其他流量计宽。6)流量计反应速度快，可测脉动流，也可测双向流。7)流量计输出特性为线性，测量准确度较高。,5.7其他流量计,(2)流量计的选择及安装使用1)流量计安装环境。2)流量计安装方向不受限制，但必须保证测量管内始终充满液体。3) 水平安装时要求两电极处于同一水平面。4)流量计上游要有一定长度的直管段；下游直管段长度通常无严格要求。5)流量计应用应避免产生负压。6)为消除电磁干扰，应将仪表壳体、被测介质和工艺管道三者连成等电位，并要求独立接地。7 )做好定期检查和维护工作。,5.7其他流量计,图5-63倾斜安装示意图,5.7其他流量计,5.7.2涡街流量计1.检测原理,图5-64卡曼涡街,5.7其他流量计,图5-66涡街流量计结构,2.流量计结构类型,5.7其他流量计,(1)旋涡发生体 (2)检测元件1)热敏式检测法。 2)应力式检测法。3)差动电容式检测法。(3)表体(4)转换器,5.7其他流量计,图5-69典型的旋涡发生体,5.7其他流量计,图5-70涡街检测元件,5.7其他流量计,图5-71转换器原理框图,5.7其他流量计,3.涡街流量计特点及应用(1)涡街流量计特点1)无可动部件，结构简单牢固，安装维修方便。2)具有良好的介质适应性和通用性。3)输出信号为数字脉冲信号。4)合理确定口径，可得到较宽的测量范围度，一般为101。5)压力损失小，一般约为孔板的1/21/4。6)测量准确度属中高水平。7)不适用于低雷诺数流量测量。8) 仪表系数较低，分辨率较低。9)流速分布变动、旋转流及管道振动将影响流量计的正常工作。,5.7其他流量计,(2)安装使用注意事项1)流量计安装场所应避开强电力设备、高频设备及强电源开关设备，特别应注意避开振动源。2)安装流量计时，其流向标志应与管道内流体流向一致。3)流量计安装时应注意上游阻流件分布情况，保证必要的上下游直管段长度。4)流量计可水平、垂直或倾斜安装。5)流量计安装管道内径应与仪表内径一致。,5.7其他流量计,6)若加装流动调整器，在流动调整器与流量计上游之间应有不小于6D的直管段。7) 信号传输线应采用屏蔽电缆线，并尽量用单独金属套管保护。8) 正确选择流量测量范围和仪表口径。9) 介质较脏且含悬浮物较多时，注意定期清洗。10)实际工作状态下的雷诺数低于下限雷诺数时，应对仪表系数进行修正。11)按照使用说明书要求做好仪表投运前的检查工作和调整工作。,5.7其他流量计,5.7.3质量流量计1.科里奥利质量流量计工作原理,图5-72科氏力的产生原理,5.7其他流量计,图5-74U形管工作原理,图5-75检测信号波形图,5.7其他流量计,2.科里奥利质量流量计结构类型(1)流量传感器流量传感器一般包括测量管(振动管)、振动驱动器、信号检测器、支撑结构和壳体等部分。,图5-76科里奥利质量流量计外形图,5.7其他流量计,图5-77双U形管质量流量传感器结构,5.7其他流量计,图5-78部分测量管结构形式,5.7其他流量计,图5-79信号处理系统框图,(2)流量变送器,5.7其他流量计,3.科里奥利质量流量计特点及应用(1)科里奥利质量流量计主要特点1)直接测量质量流量，有很高的测量准确度。2)测量范围度大。3)适用介质多。4) 可靠性高，使用寿命长。5) 上、下游直管段长度没有什么要求。6)可实现多参数测量。7) 零点不易稳定。8)不能用于较大口径。9)压力损失较大。10)购置费用较高。,5.7其他流量计,(2)安装使用注意事项1)尽量避免将流量计安装在有振动的场所，若振动不可避免，应采取减振措施。2) 不能安装在大型变压器、电动机、大功率电开关、机泵等设备附近，以免受到干扰。3) 根据被测流体类型及测量管结构形式选择安装方；使被测流体始终充满测量管。 4) 无应力安装。5)多台流量计串联或并联使用时，要防止相互影响。6) 定期在线校准流量计的零点。7)严格按照规定的工作温度、压力和流量范围使用流量计。,5.8流量计的校验,校验方法：1)直接测量法。2)间接测量法。3)综合测量法。5.8.1流量计标准装置1.液体流量标准装置(1)静态容积法,图5-80静态容积法液体流量标准装置1水池2水泵3上水管4水塔5溢流管6试验管路7截止阀8被校流量计9流量调节阀10喷嘴11换向器12、13标准容器14、15放水阀16回水管,5.8流量计的校验,(2)动态质量法,图