化工仪表检测技术第3章流量检测

1、化工仪表及自动化化工仪表及自动化第三章第三章 流量检测流量检测 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差压变送器差压变送器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1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计n 电磁流量计电磁流量计2概述概述是控制

2、生产过程达到优质高产和安全生产以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。及进行经济核算所必需的一个重要参数。 单位时间内流过管道某一截面的流体单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小，即数量的大小，即瞬时流量瞬时流量。 在某一段时间内流过管道的流体流量的总在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。和，即瞬时流量在某一段时间内的累计值。3MQQM或如以如以 t 表示时间，则流量和总量之间的关系是表示时间，则流量和总量之间的关系是 ttMdtMQdtQ00,总总测量流体流量的仪表。测量流体流量的仪表。：测量流体总量的仪表。测量流体

3、总量的仪表。 45第一节第一节 差压式流量计差压式流量计 是基于流体流动的节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而实现流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。流量测量的。 6oIpvqp一、节流现象与流量基本方程式一、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后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现节流现象象。7(a)(b)(c)高 压低 压入 口 部分渐 缩 部分喉 部渐 扩 部 分图图3-1 3-1 孔板装置及压力、流速分布图

4、孔板装置及压力、流速分布图 要准确测量出截面要准确测量出截面、处的压处的压力有困难，因为产生最低静压力力有困难，因为产生最低静压力p p2 2的截面的截面的位置随着流速的不的位置随着流速的不同会改变。因此是在孔板前后的管同会改变。因此是在孔板前后的管壁上选择两个固定的取压点，来测壁上选择两个固定的取压点，来测量流体在节流装置前后的压力变化。量流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系，与测压点及测压方式的选择是紧密相关的。紧密相关的。8 流量基本方程式是阐明流量与压差之间定量关系的基流量基本方程式是阐明流量与压差之

5、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性方程式推导而得的。续性方程式推导而得的。 pFMpFQ101022要知道流量与压差的确切关系，关键在于要知道流量与压差的确切关系，关键在于的取值。的取值。 流量与压力差流量与压力差PP的平方根成正比。的平方根成正比。9 国内外把最常用的节流装置、孔板、喷嘴、文丘里国内外把最常用的节流装置、孔板、喷嘴、文丘里管等标准化，并称为管等标准化，并称为“标准节流装置标准节流装置”。 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

6、需要的通用化实验数据资料。需要规定、要求和计算所需要的通用化实验数据资料。需要时可查阅有关的手册或资料。时可查阅有关的手册或资料。10在加工制造和安装方面在加工制造和安装方面, ,以孔板为最简单以孔板为最简单, ,喷嘴次之喷嘴次之, ,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, ,以采用孔板为最多。以采用孔板为最多。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。11在测量某些易使节流装置腐蚀、沾污、磨损、变形的在测量某些易使节流装置腐蚀、沾污、磨损、变形的介质流量时介质

7、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。如被测介质是高温、高压的如被测介质是高温、高压的, ,则可选用孔板和喷嘴。文则可选用孔板和喷嘴。文丘里管只适用于低压的流体介质。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同心必须保证节流装置的开孔和管道的轴线同心, ,并使节流装并使节流装置端面与管道的轴线垂直。置端面与管道的轴线垂直。 在节流装置前后长度为两倍于管径在节流装置前后长度为两倍于

8、管径(2D)(2D)的一段管道内壁的一段管道内壁上上, ,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。 13 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) )均会引起流均会引起流速在截面上重新分布速在截面上重新分布, ,引起流量系数变化。所以在节流装引起流量系数变化。所以在节流装置的上、下游必须配置一定长度的直管。置的上、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) ,) ,一般都用于直一般都用于直D50mmD50mm的管道中。的管道中。 被测介质应充满全部管道并且连续流动。被测介质应充满全部

9、管道并且连续流动。 管道内的流束管道内的流束 ( (流动状态流动状态) )应该是稳定的。应该是稳定的。 被测介质在通过节流装置时应不发生相变。被测介质在通过节流装置时应不发生相变。 15分类 按按使用的能源使用的能源不同不同, ,单元组合式仪表有气动单元组合单元组合式仪表有气动单元组合式仪表式仪表( (QDZ型型) )和电动单元组合式仪表和电动单元组合式仪表( (DDZ型型) )。 差压变送器差压变送器可以将差压信号可以将差压信号p转换为统一标准的转换为统一标准的气压信号或电流信号气压信号或电流信号, ,可以连续地测量差压、液位、分可以连续地测量差压、液位、分界面等工艺参数。当它与节流装置配合

10、时界面等工艺参数。当它与节流装置配合时, ,可以用来连可以用来连续测量液体、蒸汽和气体的流量。续测量液体、蒸汽和气体的流量。 16 在现场实际应用时，往往具有比较大的测量误差，有在现场实际应用时，往往具有比较大的测量误差，有的甚至高达的甚至高达10102020。 不仅需要合理的选型、准确的设计计算和加工制造，不仅需要合理的选型、准确的设计计算和加工制造，更要注意正确的安装、维护和符合使用条件等，才能保更要注意正确的安装、维护和符合使用条件等，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。 21被测流体工作状态的变动。被测流体工作状态的变动。节流装置安装不正确。在

11、安装时要注意节流装置的节流装置安装不正确。在安装时要注意节流装置的安装方向。安装方向。孔板入口边缘的磨损。孔板入口边缘的磨损。导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏现象导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏现象差压计安装或使用不正确差压计安装或使用不正确2223 导压管要正确地安装，防止堵塞与渗漏，否则会引起较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，导压管的安装亦有不大的测量误差。对于不同的被测介质，导压管的安装亦有不同的要求，下面分类讨论。同的要求，下面分类讨论。测量液体介质时：测量液体介质时：图3-4 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

12、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，与水平线夹角取压点应该位于节流装置的下半部，与水平线夹角为为0 04545。 引压导管最好垂直向下，如条件不许可，导压管亦应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（至少下倾一定坡度（至少120120110110），使气泡易于排出。），使气泡易于排出。 在引压导管的管路中，应有排气的装置。在引压导管的管路中，应有排气的装置。 2425取压点应在节流装置的上半部。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，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

13、滞留液体。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，如图排放阀，如图3-53-5所示。所示。 图3-6 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差压变送器；6平衡阀图3-6 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差压变送器；6平衡阀26 图图3-26 3-26 隔离罐的两种形式隔离罐的两种形式27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。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。 由引压导管接至差压计或变送器前，必须安装切断阀由引压

14、导管接至差压计或变送器前，必须安装切断阀1 1、2 2和平衡阀和平衡阀3 3，如图，如图3-73-7所示。所示。图图3-7 3-7 差压计阀组安装示意图差压计阀组安装示意图1，2切断阀；3平衡阀第二节第二节 转子流量计转子流量计29 在工业生产中经常遇到小流量的测量，因其流在工业生产中经常遇到小流量的测量，因其流体的流速低，这就要求测量仪表有较高的灵敏度，体的流速低，这就要求测量仪表有较高的灵敏度，才能保证一定的精度。转子流量计特别适宜于测量才能保证一定的精度。转子流量计特别适宜于测量管径管径50mm以下管道的流量，测量的流量可小到每以下管道的流量，测量的流量可小到每小时几升。小时几升。 一一

15、.组成：组成：二二.测量原理测量原理第二节第二节 转子流量计转子流量计AppgVft21转子流量计中转子的平衡条件是（3-133-13）phMf2根据转子浮起的高度就可以判断被测介质的流量大小或phQf2将式（3-13）代入上两式，得AgVhMfft2或AgVhQfft2AgVpppft21由式（3-13）可得（3-143-14）3031 它可以将反映流量大小的转子高度它可以将反映流量大小的转子高度h转换为电信号，转换为电信号，适合于远传，进行显示或记录。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。示

16、两部分组成。 图3-10 差动变压器结构第二节第二节 转子流量计转子流量计 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。32第二节第二节 转子流量计转子流量计33图3-11 LTD系列电远传转子流量计第三节第三节 漩涡流量计漩涡流量计34 2.2.工作原理：工作原理： 漩涡流量计是利用有规则的漩涡剥离现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。当雷诺

17、量达到一定数值时，漩象来测量流体流量的仪表。当雷诺量达到一定数值时，漩涡的释放频率与流速成正比。涡的释放频率与流速成正比。图图3-12 3-12 卡门涡列卡门涡列 (a)圆柱涡列； (b)三角柱涡列1.1.结构：在流体中垂直插入一个非流线形的柱状物（圆柱结构：在流体中垂直插入一个非流线形的柱状物（圆柱或三角柱）作为漩涡发生体或三角柱）作为漩涡发生体。第三节第三节 漩涡流量计漩涡流量计 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图3-13 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

18、卡门漩涡，其单侧漩涡产生的频率为dvSff35 精度高、测量范围宽、没有运动部件、无机械磨损、维护精度高、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。方便、压力损失小、节能效果明显。 第四节第四节 质量流量计质量流量计直接测量单位时间内所流过的介质的质量直接测量单位时间内所流过的介质的质量, ,即质量流量即质量流量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成比例成比例, ,不受压力、温度、粘度、密度等因素的影响，不受压力、温度、粘度、密度等因素的影响，这就能从根本上提高流量测量的精度这就能从根本上提高流量测量的精度

19、, ,省去了烦琐的换省去了烦琐的换算和修正。算和修正。 vAM36第四节第四节 质量流量计质量流量计n 一、直接式质量流量计一、直接式质量流量计图图3-14 3-14 双孔板差压式质量流双孔板差压式质量流量测量示意图量测量示意图232212QqKppQqKpp（3-183-18）（3-193-19）将式将式(3-19)(3-19)减去式减去式(3-18),(3-18),可得可得QqKpp431KqMpp431即即37第四节第四节 质量流量计质量流量计QvAM38二、补偿式质量流量计二、补偿式质量流量计1.1.流速流速- -密度补偿法密度补偿法图图3-15 3-15 流速流速- -密度补偿法密度

20、补偿法vAM2.2.压差压差- -密度法密度法图图3-16 3-16 压差压差- -密度补偿法密度补偿法第四节第四节 质量流量计质量流量计3.3.压差压差- -流速补偿法流速补偿法图图3-17 3-17 压差压差- -流速补偿法流速补偿法39QQQM2vAQ 又由于vQAM21将式 (3-21)代入式 (3-20)，得第五节第五节 其他流量计其他流量计一、靶式流量计一、靶式流量计组成：在管道中心垂直于流体流动方向安装一圆盘形组成：在管道中心垂直于流体流动方向安装一圆盘形的靶作为节流元件。的靶作为节流元件。图图3-18 3-18 半导体应变片式靶式流量变送器半导体应变片式靶式流量变送器11靶；靶

21、；22输出力杠杆；输出力杠杆； 33推杆；推杆； 44悬臂块；悬臂块；R1 1R4 4半导体应变片半导体应变片 测量原理测量原理：流体流动中冲击圆盘形的靶，流速越大，则：流体流动中冲击圆盘形的靶，流速越大，则靶上所受的力越大，只要通过力矩转换方式来测出靶上靶上所受的力越大，只要通过力矩转换方式来测出靶上所受的力所受的力F,便可求出通过流体的流量。便可求出通过流体的流量。 转换部分：转换部分：采用半导体应变片作为转换元件。采用半导体应变片作为转换元件。特点：特点：便于某些黏度较高或含有悬浮物介质的流量检测便于某些黏度较高或含有悬浮物介质的流量检测。40二、椭圆齿轮流量计二、椭圆齿轮流量计组成：组

22、成： 两个相互啮合的椭圆齿轮两个相互啮合的椭圆齿轮A A和和B B、轴及壳体组成。椭圆、轴及壳体组成。椭圆齿轮与壳体之间形成测量室。齿轮与壳体之间形成测量室。4vqVn图图3-19 3-19 椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计结构原理结构原理二、椭圆齿轮流量计二、椭圆齿轮流量计41 适用于高黏度介质的流量测量。适用于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。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。椭圆齿轮流量计的入口端必须加装过滤器。 椭圆齿轮流量计的使用温度有一定范围。椭圆齿轮流量计的使用温度有一定范围。 椭圆齿轮流量计的结

23、构复杂，加工成本较高。椭圆齿轮流量计的结构复杂，加工成本较高。 三、涡轮流量计三、涡轮流量计42图3-20 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。 四、电磁流量计四、电磁流量计工作原理：电磁感应原理工作原理：电磁感应原理图图3-21 3-21 电磁流量电磁流量计原理计原理四、电磁流量计四、电磁流量计43能够测量能够测量酸、碱、盐酸、碱、盐溶液以及含有溶液以及含有固体颗粒固体颗粒（例如泥（例如泥浆）或浆）或纤维液体纤

24、维液体的流量。的流量。 图3-21 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。 44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。当仪表指针指在。当仪表指针指在160160m3/h时时, ,求相