化工仪表及自动化第3章流量检测PPT课件

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

2、量计2概述概述是控制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，即瞬时流量。数量的大小，即瞬时流量。 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。3概述概述MQQM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。

3、：测量流体总量的仪表。测量流体总量的仪表。 4概述概述 以测量流体在管道内的流速作为测量依据以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的仪表来计算流量的仪表 以单位时间内所排出的流体的固定容积的以单位时间内所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表。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以测量流体流过的质量M为依据的流量计。为依据的流量计。质量流量计分直接式和间接式两种。质量流量计分直接式和间接式两种。 5分分类类第一节第一节 差压式流量计差压式流量计 是基于流体流动的是基于流体流动的节节流原理流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现，利用流体流经节

4、流装置时产生的压力差而实现流量测量的。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通常是由能将被测流量转换成压差信号的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以和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计以及显示仪表所组成。及显示仪表所组成。 6第一节第一节 差压式流量计差压式流量计n 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，流体的后的管壁处，流体的静压力产生差异静压力产生差异的现象称为的现象称为节流现节流现象象。7第一节第一节 差压式流量计差压式

5、流量计图图3-1 3-1 孔板装置及压孔板装置及压力、流速分布图力、流速分布图 要准确测量出截面要准确测量出截面、处的处的压力有困难，因为产生最低静压压力有困难，因为产生最低静压力力p p2 2的截面的截面的位置随着流速的位置随着流速的不同会改变。因此是在孔板前的不同会改变。因此是在孔板前后的管壁上选择两个固定的取压后的管壁上选择两个固定的取压点，来测量流体在节流装置前后点，来测量流体在节流装置前后的压力变化。因而所测得的压差的压力变化。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。测压方式的选择是紧密相关的。8第一节第一节 差压式流量计差

6、压式流量计 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第一节第一节 差压式流量计差压式流量计 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

7、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、要求和计算所需要的通用化实验数据资料。规定、要求和计算所需要的通用化实验数据资料。10第一节第一节 差压式流量计差压式流量计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

8、第一节第一节 差压式流量计差压式流量计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。 12第一节第一节 差压式流量计差压式流量计 必须保证节流装置的开

9、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, ,并使并使节流装置端面与管道的轴线垂直。节流装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。 13第一节第一节 差压式流量计差压式流量计 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。所以在节流装置的上、下游必须配置一定长度的直管。在节

10、流装置的上、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) ,) ,一般都用于直径一般都用于直径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。 14第一节第一节 差压式流量计差压式流量计n三、力矩平衡式差压变送器三、力矩平衡式差压变送器 15第一节第一节 差压式流量计差压式流量计分类分类 按按使用的能源使用的能源不同不同, ,单元

11、组合式仪表有气动单元组单元组合式仪表有气动单元组合式仪表合式仪表( (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第一节第一节 差压式流量计差压式流量计力矩平衡式差压变送器是一种典型的自平衡检测力矩平衡式差压变送器是一

12、种典型的自平衡检测仪表，它利用仪表，它利用的工作原理克服元件材料、加工的工作原理克服元件材料、加工工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量准确工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量准确度度 ( (一般为一般为0.50.5级级) )、工作稳定、可靠、线性好、不灵、工作稳定、可靠、线性好、不灵敏区小、温度误差小等一系列优点。敏区小、温度误差小等一系列优点。17 第一节第一节 差压式流量计差压式流量计pfF测 在差压在差压p作用下，产生一个测试力，作用下，产生一个测试力，即即 f为膜片的有效面积。为膜片的有效面积。 （3-53-5）1818图图3-2 DDZ-型差压变送器示意图型差压变送器示意

13、图11测量气室测量气室 ; 2; 2测量膜片测量膜片 ; 3; 3支点支点 ; 4; 4主杠杆主杠杆 ; 5; 5推板推板 ; 6; 6矢量板矢量板 ; 7; 7拉拉杆杆 ; 8; 8支撑簧片支撑簧片 ; 9; 9动铁心动铁心 ; 10; 10差动变送器差动变送器 ; 11; 11副杠杆副杠杆 ; 12; 12放大器放大器 ; 13; 13永久磁钢永久磁钢 ; 14; 14可动线圈可动线圈 ; 15; 15调零弹簧调零弹簧 DDZ-型差压变送器将差压信号转换型差压变送器将差压信号转换为为420mA的直流电流信号。的直流电流信号。 第一节第一节 差压式流量计差压式流量计 该变送器是按该变送器是按

14、工作的。根据主、副杠杆工作的。根据主、副杠杆的平衡条件可以推导出被测压力的平衡条件可以推导出被测压力p与输出信号与输出信号I0的关系。的关系。 211lFlF测（3-63-6）式中，式中， 、 分别为分别为F测测、F1离支点离支点O1的距离。的距离。1l2l将式（将式（3-53-5）代入式（）代入式（3-63-6），有），有pKpfllF1211（3-73-7）式中式中, , 为一比例系数。为一比例系数。fllK21119第一节第一节 差压式流量计差压式流量计0302342IKIKllFtan0pKI31KKK 3l4l电F将式（将式（3-103-10）代入式（）代入式（3-93-9），得），

15、得02IKF 电（3-103-10）432lFlF电 、 分别为分别为F2 2及电磁力及电磁力 离副杠杆十字支撑簧片的距离。离副杠杆十字支撑簧片的距离。（3-93-9）（3-113-11）tantan112pKFF而而（3-83-8）联立式（联立式（3-83-8）与（）与（3-113-11），得），得（3-203-20）式中，式中， 为转换比例系数。为转换比例系数。20第一节第一节 差压式流量计差压式流量计 在现场实际应用时，往往具有比较大的测量误差，在现场实际应用时，往往具有比较大的测量误差，有的甚至高达有的甚至高达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

16、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第一节第一节 差压式流量计差压式流量计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。节流装置安装不正确。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22第一节第一节 差压式流量计差压式流量计23 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

17、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。图图3-3 3-3 测量液体流量测量液体流量时的取压点位置时的取压点位置 图图3-4 3-4 测量液体流量时的连接图测量液体流量时的连接图11节流装置；节流装置；22引压导管；引压导管；33放空阀；放空阀；44平衡平衡阀；阀；55差压变送器；差压变送器；66贮气罐；贮气罐；77切断阀切断阀第一节第一节 差压式流量计差压式流量计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

18、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。 24第一节第一节 差压式流量计差压式流量计25 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

19、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。 第一节第一节 差压式流量计差压式流量计图图3-5 3-5 测量气体流量时的连接图测量气体流量时的连接图11节流装置；节流装置；22引压导管；引压导管；33差压变送器；差压变送器；44贮液罐；贮液罐；55排放阀排放阀图图3-6 3-6 测量蒸汽流量的连接图测量蒸汽流量的连接图11节流装置；节流装置；22凝液罐；凝液罐；33引压导管；引压导管；44排放阀；排放阀；55差压变送器；差压变送器；66平衡阀平衡阀26第一节第一节 差压式流量计差压式流量计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

20、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。 测量腐蚀性（或因易凝固不适宜直接进入差压计）的测量腐蚀性（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。常用的两种隔离罐形式介质流量时，必须采取隔离措施。常用的两种隔离罐形式如图如图3-83-8所示。所示。 第一节第一节 差压式流量计差压式流量计图图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 1，22切断阀；切断阀；33平衡阀平衡阀图图3-

21、26 3-26 隔离罐的两种形式隔离罐的两种形式28第二节第二节 转子流量计转子流量计n一、工作原理一、工作原理29 转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。方法。图图3-9 3-9 转子流量计的工作原理图转子流量计的工作原理图第二节第二节 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根据转子浮起的高度就可以判断被测介质的流量大小或或phQf2将式（将式（3-263-26）代入上两式，得）代入上两式，得AgVhM

22、fft2或或AgVhQfft2AgVpppft21由式（由式（3-133-13）可得）可得（3-143-14）30第二节第二节 转子流量计转子流量计31 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。示两部分组成。 图图3-10 3-10 差动变压器结构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

23、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33LTDLTD系系列列电电远远传传转转子子流流量量计计图图3-113-11第三节第三节 漩涡流量计漩涡流量计 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。 34 漩涡流量计是利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体漩涡流量计是利用有规则的漩涡剥离现象来测量

24、流体流量的仪表。流量的仪表。图图3-12 3-12 卡门涡列卡门涡列 (a) (a)圆柱涡列；圆柱涡列； (b)(b)三角柱涡列三角柱涡列第三节第三节 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图3-13 3-13 圆柱检出器原理图圆柱检出器原理图11空腔；空腔；22圆柱棒；圆柱棒；33导压导压孔；孔；44铂电阻丝；铂电阻丝；55隔墙隔墙 满足满足hL0.2810.281时，则所产生的涡街是稳定的。由时，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圆柱体形成的卡曼漩涡，其单侧漩涡产生的频率为dvSff35第四节

25、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质量流量计的最后输出信号只与介质的质量流量只与介质的质量流量M成比例成比例, ,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, ,省去了烦省去了烦琐的换算和修正。琐的换算和修正。 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）

26、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QvAM38n 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 又由于又由于vQAM21将式将式 (

27、3-21)(3-21)代入式代入式 (3-20)(3-20)，得，得第五节第五节 其他流量计其他流量计n 一、靶式流量计一、靶式流量计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。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；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40第五节第五节 其他流量计其他流量计n 二、椭圆齿轮流量计二、椭圆齿轮流量计41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通过椭圆齿轮流量计的通过椭圆

28、齿轮流量计的体积流量体积流量04nVQ 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，测量精度较高，压力损失较小，安装使用也较方便。安装使用也较方便。 椭圆齿轮流量计的入口端必须加椭圆齿轮流量计的入口端必须加装过滤器。装过滤器。 椭圆齿轮流量计的使用温度有一椭圆齿轮流量计的使用温度有一定范围。定范围。 椭圆齿轮流量计的结构复杂，加椭圆齿轮流量计的结构复杂，加工成本较高。工成本较高。 第五节第五节 其他流量计其他流量计n 三、涡轮流量计三、涡轮流量计42图图3-20 涡轮流量计涡轮流量计11涡轮；涡轮；22导流器；导流器；33磁电感应转换器；磁电感应转换器

29、；44外壳；外壳；55前置放大器前置放大器 安装方便。安装方便。 测量精度高，可耐高压。测量精度高，可耐高压。 反应快，可测脉动流量。反应快，可测脉动流量。 输出信号为电频率信号，便于远输出信号为电频率信号，便于远传，不受干扰。传，不受干扰。 一般应加过滤器。一般应加过滤器。 安装时，前后要有一定的直管段。安装时，前后要有一定的直管段。 第五节第五节 其他流量计其他流量计n 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）或纤维液体纤维液体的流量。的流量。 图图3-21 3-21 电磁流量电磁流量计原理计原理

30、BDvKEX感应电势的方向由右手定则判断，大小感应电势的方向由右手定则判断，大小由下式决定由下式决定 （3-233-23）vDQ241而而（3-243-24）KDDBDKEX4将式（将式（4-244-24）代入式（）代入式（4-234-23），得），得第五节第五节 其他流量计其他流量计 只能用来测量只能用来测量导电导电液体的流量，且导电率要求不小于液体的流量，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。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

31、磁场的干扰。使用中要注意维护，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。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。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：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件都不变时, ,可以认为式中的可以认为式中的、F0、1均为不变的数。均为不变的数。如果假定上题中的如果假定上题中的 Q1 = 320m3/h ; ;p1 = 2500Pa ; ; Q2 = 160m3/h ; ;所求的差压为所求的差压为p2 , ,则存在下述关系则存在下述关系45例题分析例题分析2121ppQQ121222pQQp由此得