第3章 检测仪表与传感器(流量检测)(1)

1、第三章 检测仪表与传感器流量检测(jin c)及仪表Instrumentation and sensor 共一百四十一页3.3流量检测(jin c)及仪表 flow detection and instrument 教学内容各种流量计的结构、测量原理(yunl)及使用特点差压式流量计转子流量计椭圆齿轮流量计涡轮流量计电磁流量计 超声波流量计等共一百四十一页一.概述(i sh)流量(liling) ：1.定义单位时间内流过管道某一截面的流体数量。 （瞬时流量）总流量：某一段时间内流过管道流量的总和。共一百四十一页流量的表示(biosh)方法质量流量(liling)(M)体积流量(Q) （流体密度

2、） （t时间） 两者关系共一百四十一页流量计总量计常用(chn yn)的流量单位：t/h、kg/h、kg/s、m3/h、L/h、L/min共一百四十一页2.流量计的种类(zhngli)（1）速度(sd)式流量计以测量流体的速度为依据得到流量如压差式流量计 转子流量计电磁流量计 涡轮流量计 靶式流量计 堰式流量计共一百四十一页（2）容积(rngj)式流量计受流体的流动状态影响(yngxing)小，适用于高粘度、低雷诺数的流体。以单位时间内所排出流体的固定容积数目为依据。如椭圆齿轮流量计 （液体型）活塞式流量计 等共一百四十一页（3）质量(zhling)式流量计以测量流过的质量(zhling) M

3、 为依据分为直接式（直接测量）间接式（用和计算）共一百四十一页二.压差(y ch)式流量计differential pressure flowmeter工作(gngzu)原理：结构简单，使用寿命长，适应性较广，能测各种工况下单相流体和高压下流体流量，应用广泛。利用流体流经节流装置时产生的压力差来测量流量。基于流体的节流原理特点：共一百四十一页广泛应用于：气体、蒸汽和液体的流量(liling)测量。孔板流量计共一百四十一页日本(r bn)进口DPF差压式流量计 共一百四十一页差压式流量计的组成(z chn) 节流装置将被测流量压力差 包括 节流件（孔板、喷嘴、文丘里管） 取压装置（导压管）差压计

4、测量(cling)压差而显示流量节流装置引压管线差压变送器(差压计)QPI0共一百四十一页差压式流量计 孔板引压管差压计共一百四十一页1.节流(ji li)现象与流量基本方程式（1）节流(ji li)现象 throttle 流体在管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象。共一百四十一页孔板喷嘴(pnzu)文丘里管常用(chn yn)的节流件节流件：例如斜面：4515能使流体产生局部收缩的元件共一百四十一页（2）测流量(liling)的基本原理流体流经节流装置前后(qinhu)产生的压力差与流量有关流动流体的能量，包括静压能和动能总能量=静压能+动能+损失的能量（摩擦阻力

5、损失） 共一百四十一页p1p2123P1P2P3P=P1- P2P=P1- P3123孔板装置及压力(yl)、流速分布图共一百四十一页节流(ji li)装置前流体压力正压（+） 后流体压力负压（-）P1、 P2不易测出，实际上在孔板前后(qinhu)选两个固定的取压点P1、 P2注意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紧密相关的。 共一百四十一页（3）流量(liling)基本方程 - 流量(liling)系数 - 膨胀校正系数F0 - 孔口截面积1 - 流体密度P - 实际测得的压力差流量与压力差的平方根成正比共一百四十一页节流装置(zhungzh)的结构形式、取压方式、 与许

6、多因素(yn s)有关孔口边缘锐度、管道粗糙度 雷诺数Re表示流体的流动状态，测量湍流流体，不随Re变化。 选用标准节流装置，测量湍流流体，为常数。 共一百四十一页2标准(biozhn)节流装置 standard throttling set结构(jigu)、尺寸、加工要求、取压方式、使用条件等标准化的节流装置。标准孔板标准喷嘴标准文丘里管共一百四十一页标准(biozhn)孔板标准(biozhn)喷嘴标准文丘里管共一百四十一页角接取(ji q)压标准孔板共一百四十一页角接取压标准(biozhn)孔板(带前10D后5D测量管)共一百四十一页标准(biozhn)喷嘴 共一百四十一页标准(biozh

7、n)文丘里管 共一百四十一页标准孔板：简单、方便，适于大流量测量 缺点：压力损失(snsh)大。标准喷嘴和文丘里管：压力损失较小 缺点：结构较复杂，不易加工。（1）常用标准(biozhn)节流装置的特点共一百四十一页标准节流装置：仅适于测量管道50，Re在104105以上的流体，且流体应当清洁，充满全部(qunb)管道，不发生相变。 共一百四十一页（2）标准节流装置(zhungzh)的选用加工制造、安装、价格方面：孔板最简单，文丘里管最复杂。要求压力(yl)损失较小时：喷嘴、文丘里管。共一百四十一页有腐蚀性、脏污、颗粒状杂质(zzh)的介质：喷嘴较孔板好。喷嘴精度较高，所需的直管段较短。高温、

8、高压介质：孔板和喷嘴低压介质：文丘里管。共一百四十一页（3）节流装置的安装(nzhung)使用节流装置的开孔和管道轴线同心，端面与管道轴线垂直。节流装置前后应有直管道，内壁不应有凸出物和明显的粗糙(cco)或不平的地方。共一百四十一页用于直径(zhjng)D50mm的管道中。被测介质应充满全部管道且连续流动。管内流束（流动状态）应稳定被测介质应不发生相变。 共一百四十一页在实际(shj)使用时，由于使用不当，往往测量误差较大。注意：选型合理，设计、加工准确，安装、维护正确，符合使用条件等。测量条件较好时，测量误差为1%2%。3差压式流量计测量误差共一百四十一页（1）造成(zo chn)测量误差

9、的原因被测流体工作状态的变动（如温度、压力、湿度、粘度、Re等）节流装置安装不正确（有“+”一侧是流体入口(r ku)端；孔板90锐角一侧是入口端）孔板入口边缘的磨损（P偏小，指示值偏低）共一百四十一页导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏等现象 ）测量液体流量(liling)（取压点在下面，且有排气装置） ）测量气体流量（取压点在上面） ）测量蒸汽流量（需装凝液罐）差压计安装或使用不正确共一百四十一页测量液体流量(liling)时的取压点的位置：045如果从底部引出，液体中的固体杂质会沉积(chnj)引起引压管线堵塞。共一百四十一页P1P2切断阀平衡阀差压计阀安装(nzhung)示意图测量(cli

10、ng)腐蚀性或易凝固介质，应装隔离罐注意共一百四十一页4. 适用范围 广泛用于石油、化工、冶金、电力、轻纺等行业。适用于液体、蒸汽、气体的流量(liling)测量。 共一百四十一页（1）作用：将P统一标准的气压或电流信号，可以连续(linx)测量压差 。4.力矩(l j)平衡式差压变送器 moment balance pressure transducer DDZ-电动力矩平衡差压变送器自平衡检测仪表（一般为0. 5级）共一百四十一页差压（压力(yl)）变送器 共一百四十一页P1FiO1F1F2F3FfI0RL主杠杆(gnggn)测量(cling)膜片轴封膜片推板矢量板连杆副杠杆检测片差动变压

11、器反馈线圈放大器调零弹簧永久磁钢量程调整螺丝矢量板O2DDZ-型力矩平衡差压变送器 F2F3F1P2共一百四十一页（2）工作(gngzu)原理测量(cling)膜片主杠杆矢量板推板连杆P测量力偏转偏转移动副杠杆平衡，放大器输出 0与P成比例顺时针F1F2向上副杠杆逆时针铁芯差动变压器电压放大器 0反馈线圈Ff副杠杆当Mf= M2顺时针偏转共一百四十一页 K电动(din dn)压力变送器放大系数K越大，量程(lingchng)范围越小。K与变送器的结构及电磁特性有关共一百四十一页改变K，即改变变送器的结构或电磁特性(txng)。调整，可在415 之间调整。量程范围(fnwi)的调整：共一百四十一

12、页三转子(zhun z)流量计 rotary flowmeter适于小管径（50mm）、小流量的测量(cling)。气体、液体（粘度大的除外）压力损失小，反应快。结构简单，价格便宜。精度受所测介质压力、温度、粘度影响比较大。1.特点共一百四十一页LZB-（）WB系列(xli)玻璃转子流量计共一百四十一页日本进口FM-PZ玻璃管浮子(f zi)/转子流量计共一百四十一页日本进口FC-C18玻璃管浮子(f zi)/转子流量计 适于测量工业(gngy)机械中的低流量共一百四十一页2.结构(jigu)： 由一个(y )锥形管和一个(y )转子组成P1P2403转子流量计的工作原理图流体流量转子高度流量

13、数值共一百四十一页3工作(gngzu)原理流体通过时，受到节流作用，在转子前后产生P，Q增加 P增大(zn d)转子上升 h增高转子与壁隙增大 P减小（转子重力不变）。直到向上的力=重力，转子停止上升。Q， h ，测出h，即得Q。共一百四十一页转子在压差力和重力(zhngl)的共同作用下平衡。压差与流速有关；压差决定转子的位置。由转子高度可直接读取通过的流量；转子位置h电气信号。共一百四十一页平衡条件 因为(yn wi)P产生(chnshng)的向上的力+浮力=重力=1；F0h共一百四十一页 v - 转子的体积t - 转子的密度(md)f - 被测流体的密度 A - 转子的最大横截面g - 重

14、力加速度 - 仪表常数h - 转子浮起的高度差压式：恒截流(ji li)面积，变压差化 转子流量计 ： 恒压降，变截流面积共一百四十一页转子(zhun z)流量计有 玻璃管转子(zhun z)流量计LZB 金属管转子流量计LZ对仪表前直管段要求不高共一百四十一页适于高温(gown)、高压和强腐蚀性介质；可用于易燃、易爆危险场合金属管浮子(f zi)流量计共一百四十一页4. 电远传式转子(zhun z)流量计（LZD系列）转子高度(god)信号电信号显示仪表供显示、记录、调节控制。流量变送部分电动显示部分分两大部分共一百四十一页广泛适用于国防、化工、石油、冶金、电力、环保、医药、和轻工等部门的液

15、体、气体流量测量和自动控制。适应：腐蚀性流体(如氯气、盐水、盐酸、硝酸(xio sun)和硫酸等)的流量测量。LZ-B型金属管转子(zhun z)流量计共一百四十一页（1）流量(liling)变送部分（差动变压器） 铁芯初级线圈次级线圈骨架(gji)差动变压器结构123e1e2U456共一百四十一页 流量(liling)Qh铁芯 铁芯在中点上方，输出u=e1-e20 铁芯在中点时， 输出u=e1-e2=0 铁芯在中点下方，输出u=e1-e20 流量(liling)变送原理将转子与铁芯相连，转子随流量变化的运动带动铁芯一起移动，就可将h位号电信号u输出转换原理共一百四十一页（2）电动显示(xin

16、sh)部分变送测量(cling)T1T2LZD系列电远传式转子流量计u2u1共一百四十一页 QhT1的铁芯输出电信号u1放大器放大可逆电机转动 指针(zhzhn)移动 凸轮转动T2中铁芯输出u2放大器，当u1= u2时，T2中铁芯不动，指针指示出相应的Q 。电动(din dn)显示共一百四十一页5.转子流量计的指示(zhsh)值修正转子(zhun z)流量计的刻度是在工业基准状态20（293K）、0.10133MPa 下标定的。测液体流量：以水标定刻度测气体流量：以空气标定刻度实际使用时，若不是工业基准状态，须对指示值进行修正。共一百四十一页（1）对液体(yt)流量进行修正：只需对修正(xiz

17、hng)（指示值）（实际值）共一百四十一页1）当所测的液体不是(b shi)水时，用不锈钢转子，t=7.9g/cm3=7900kg/m3 （密度(md)修正系数）共一百四十一页2）当转子(zhun z)的密度变化时（形状不变），测水 （，增大(zn d)测量范围）共一百四十一页3）当流体不是(b shi)水，且转子的密度变化 共一百四十一页例1 现用一只以水标定的转子(zhun z)流量计来测量苯的流量，已知转子(zhun z)材料为不锈钢，t=7.9g/cm3，苯的密度为f=0.83g/cm3。试问流量计读数为3.6L/s时，苯的实际流量是多少？共一百四十一页（2）对气体转子流量计刻度(kd

18、)修正 当气体(qt)不是空气，且不在基准状态，刻度修正公式为：Q0指示的刻度值，Nm3/h ；Q1所测介质在工业基准状态下的流量，Nm3/h0；1空气和非空气在标态下密度，kg/Nm3P1 、T1所测介质的绝对压力MPa和绝对温度 K P00.1033MPa T0293K共一百四十一页例2 某厂用转子流量计来测定温度(wnd)为27，表压为0.16MPa的空气流量，问转子流量计读数为38Nm3/h时，空气的实际流量时多少？共一百四十一页用一个用水标定的转子流量计来测量苯的流量，流量计的读数(dsh)为28 m3/h，已知转子密度为7920 kg/m3的不锈钢，苯的密度为0.831 kg/L，

19、求苯的实际流量是多少？例解所以(suy)苯的实际流量是31.08m3/h。共一百四十一页四靶式流量计尤其某些粘度较高或含有悬浮(xunf)性介质的流量。可用于测量液体、气体(qt)和蒸汽的流量；例如：重油、沥青、含固体颗粒的浆液及腐蚀性介质。共一百四十一页1.结构(jigu)F靶输出(shch)力杠杆推杆悬臂块R1,3R2,4R3R1电源E输出UababRWR1R2R4R3+-共一百四十一页2.工作(gngzu)原理流体靶子冲击力 输出力杠杆悬臂块微弯曲变形半导体应变片R1、R3增大; R2、R4减小电桥输出Uab 毫伏测量(cling)仪表显示流量值共一百四十一页 智能(zh nn)数显靶式

20、流量计 共一百四十一页数显靶式流量计 共一百四十一页管螺纹(luwn)靶式流量计 共一百四十一页电容式靶式流量计 共一百四十一页结构简单，安装维护(wih)方便、不易堵塞；压力损失较低。3. 主要(zhyo)特点共一百四十一页五椭圆(tuyun)齿轮流量计（容积式） elliptical wheel flowmeter对被测流体的粘度变化(binhu)不敏感，易于测量粘度高的流体如：重油、聚乙烯醇、树脂等，甚至糊状物的流量。共一百四十一页主要用于测量油类等昂贵(nggu)介质或其他高粘度介质的累计流量。LC椭圆(tuyun)齿轮流量计共一百四十一页共一百四十一页1结构(jigu)外壳、两个互相

21、(h xing)啮合的齿轮P1P2椭圆齿轮流量计的工作原理图 A主动轮B从动轮 A,B主动轮 A从动轮B主动轮 (a)(b)(c)ABAABB测量室共一百四十一页2.动作(dngzu)过程 由于P1P2，对齿轮A合力矩(l j)顺时针，对B轮合力矩为零，A轮为主动轮。（a）（b）过程中，A轮受的合力矩慢慢减小，B轮所受的合力矩慢慢增大。（c）位置时，A轮所受的合力矩为0，B轮所受的合力矩增大（逆时针），B轮为主动轮。共一百四十一页3工作(gngzu)原理 流体 P1P2 两齿轮交替产生旋转力矩(l j)而旋转被测液体以半月形容积为单位一次一次由进口排至出口。n 椭圆齿轮的旋转速度；V0 半月形

22、测量室容积 流量表示为共一百四十一页4主要(zhyo)特点 最适于测量高粘度的流体。所测流量不能太小。流体不能有固体颗粒，机械夹杂物。使用(shyng)温度-1060之内。精度高（0.2%0.5%），压力损失小对直管段无要求，安装使用较方便结构复杂，入口端需加装过滤器共一百四十一页六.涡轮流量计turbine flowmeter涡轮转换器流量(liling)转速(zhun s)放大器电信号fQn计数器从叶轮流量计（水表）基础上发展起来的共一百四十一页涡轮流量计共一百四十一页涡轮流量计共一百四十一页液体(yt)涡轮流量计共一百四十一页气体(qt)涡轮流量计共一百四十一页1.结构(jigu)外壳：

23、非导磁材料(cilio)涡轮：流体使涡轮转动导流器：稳定流体流向、支撑叶轮磁电感应转换器：将转速信号电脉冲信号（关键部分）放大器：涡轮磁电感应转换器放大器外壳导流器涡轮流量计共一百四十一页2.工作(gngzu)过程流体通过间隙压差涡轮旋转涡轮周期性扫过磁钢磁路的磁阻周期性变化(binhu)线圈中磁通量周期性变化交流电信号前置放大器放大电子计数器或电子频率计，以累计或指示流量。 （f转数）用于测量气体、液体（粘度大的除外）的流量共一百四十一页3.特点(tdin)测量精度高（0.5级常作标准表），受介质密度、粘度变化影响，耐高压。反应快，可测脉动流量。输出电频率(pnl)信号，便于远传。被测介质不

24、能带机械杂物（需装过滤器）。设备复杂，造价高，抗干扰能力小，前后需有一定的直管段。 共一百四十一页七电磁(dinc)流量计（速度式） electromagnetic flowmeter 测量导电性的液体(yt)介质酸、碱、盐溶液，含有固体颗粒或纤维液体。变送器转换器QEx显示仪表010mA共一百四十一页电磁(dinc)流量计共一百四十一页共一百四十一页化工、冶金、造纸、水处理(chl)等行业 共一百四十一页1结构(jigu)变送器：测量导管（不导磁）、一对(y du)磁极（永久性磁铁或交变的），将介质的流量感应电势Ex。转换器：把Ex 统一的010mA直流信号输出，以进行指示、记录或与电动单元

25、组合仪表配套使用。共一百四十一页BNSEX电磁(dinc)流量计原理图共一百四十一页2工作(gngzu)原理 当导电液体以某一流速流过管道时，因切割磁力线，在管壁两端产生感应电势(dinsh)Ex。当磁感应强度B不变，管道直径D一定时，Ex的大小仅与流体的流速有关，将此Ex经放大、转换，传送给显示仪表，指示出流量。 共一百四十一页又Ex - 感应电势K 比例系数B-磁感应强度(qingd)D - 管道直径v - 液体速度K-仪表常数共一百四十一页3. 特点(tdin)只能测量导电的液体（酸、碱、盐液体）；各种高粘度的导电液体（含有纤维和固体颗粒）；各种腐蚀性液体；不受介质的温度、压力、密度、粘

26、度(zhn d)等影响。可用来测量脉动流量。压力损失较小，结构复杂，成本高。要求环境高，要远离磁源，无振动。不能测量气体、蒸汽、石油制品等的流量共一百四十一页八漩涡(xun w)流量计（涡街流量计） vortex shedding flowmeter测量各种管道中的液体、气体、蒸汽(zhn q)的流量。柱状物Q漩涡f铂丝阻值变化电压电桥010mA（或420mA）共一百四十一页1.原理(yunl)：利用(lyng)有规则的漩涡剥离现象元件柱状物作为漩涡发生体共一百四十一页涡街流量计输出(shch)指示计外壳(wi k)漩涡发生体转换部分压电元件共一百四十一页测量气体、蒸汽(zhn q)或液体的体

27、积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计。并可作为流量变送器。 涡街流量计共一百四十一页日本(r bn)进口SSF卡尔曼涡街流量计共一百四十一页（1）涡列的产生(chnshng)hDhD卡曼涡街在流体中垂直(chuzh)插入一个非流线形的柱状物，在下游产生两列不对称但有规律的交替漩涡卡曼涡街。通常不稳定，当h/=0.281时，才稳定。共一百四十一页单列漩涡(xun w)频率 Sf斯特劳哈尔系数流体平均流速m/s d圆柱(yunzh)直径m共一百四十一页目前(mqin)常用的阻流体形状有圆柱体：压力损失小，但漩涡偏弱。三角柱体：漩涡强烈(qin li)，压力损失稍大。方柱体：漩涡强烈，压力损

28、失较大。共一百四十一页（2）漩涡(xun w)频率的检测热学(rxu)法：用铂电阻丝，将fR热学法电容法压差法共一百四十一页流体漩涡发生体产生静压差流体由一侧进入，另一侧排出(pi ch)铂丝温度下降，阻值减小，铂丝阻值交替变化的频率与漩涡频率相对应，由铂丝阻值变化的频率可求出Q。采用(ciyng)不平衡电桥将铂丝阻值变化的频率进行转换、放大和整形，再转换成010mA或420mA直流电流输出，以供显示、积累、控制。共一百四十一页2.特点(tdin)无运动部件，无机械磨损、工作可靠、压力损失小。几乎不受流体性质的影响，精度高，可达1级。测量范围宽，可测液体、气体流量。输出脉冲信号，易于和数字仪表

29、及计算机配合(pih)使用。共一百四十一页九质量(zhling)流量计直接测量单位时间内所流过介质(jizh)的质量M，输出的信号与介质的M成比例。结构较复杂，只用于压力变化较大的可压缩流体共一百四十一页质量(zhling)流量计分两大类（1）直接式：直接得到与质量(zhling)流量成比例的信号。（2）间接式或推导式：将体积流量计与密度计组合，同时检测出流体的Q和，通过运算器得出与M成比例的输出信号。 共一百四十一页1.直接(zhji)式质量流量计 （1）科里奥利质量(zhling)流量计利用流体在振动管中流动时，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的 测量重油、沥青、乳液等高粘度流体，

30、及高压气体，广泛用于石油、电力、化工、冶金、食品等行业。 共一百四十一页科里奥利力的产生(chnshng) atarFco科里奥利力产生(chnshng)的原理Fc科里奥利力共一百四十一页上海中隆实业(shy)有限公司 共一百四十一页共一百四十一页共一百四十一页中国上海艾默生过程管理(gunl)公司新型(xnxng)大流量高准 ELITE 科里奥利流量计 共一百四十一页3寸高准Elite流量计用在卡车(kch)装料的流量测量共一百四十一页对掺气（高达30%）和高粘度（高达10Pas）流体(lit)的测试设备计算流量计的尺寸 共一百四十一页组成(z chn) 传感器：产生(chnshng)科里奥

31、利力 变送器：使传感器产生振动，测量时间差t的大小，并将其转换为质量流量 形状：直管型和弯管型 测量管数目：单管型和多管型 共一百四十一页OO科氏力流量计结构(jigu)支撑(zh chng)管驱动器电磁位置检测器测量管F1F2U形测量管端面振动扭转示意图r1r2U形管科里奥利质量流量计 共一百四十一页测量(cling)原理 驱动器U形管电磁(dinc)位置检测器转换器振动科式力扭转时间差显示流量流体支撑管共一百四十一页特点(tdin) 准确度高，一般为0.25%，最高可达0.1%。与流体的温度、压力(yl)、粘度和组分等无关。不受管内流动状态的影响，前后无直管段要求。无阻流件、接触和活动部件

32、，免维护。量程比宽。可进行各种液体（包括含气泡的液体、深冷液体）和高粘度、非牛顿流体的测量。可进行多参数测量，还可同时测得介质密度、体积流量、温度等参数。动态特性好。共一百四十一页缺点(qudin) 不能用于测量(cling)低压、低密度的气体、含气量超过某一值的液体和气液二相流（因密度较低） 。抗振动干扰较差，安装固定要求较高。适合200mm以下小管径的流量测量。压力损失较大。被测介质的温度不能太高，一般不超过205。测量管内壁磨损、腐蚀或沉积结垢后影响准确度。价格昂贵，约为同口径电磁流量计的25倍或更高。零点稳定性较差。共一百四十一页（2）差压式质量(zhling)流量计P1-P2ABQQ

33、qq2qQ-qQ+q经A孔，Q-q 方向向右经B孔，Q-q+2q=Q+q 方向向左若qQ经A孔，q- Q 方向向左经B孔， q+Q 向右故P2P1 P2P3共一百四十一页 根据(gnj)流量方程与无关(wgun)，与P1-P3成比例测出压差P1-P3即得M共一百四十一页xyM0tzdtxyz流速(li s)密度补偿法2.间接(jin ji)式质量流量计 共一百四十一页PM0tzdtxyz压差(y ch)密度补偿法共一百四十一页压差(y ch)流速补偿法PM0tzdtxyz共一百四十一页类别原理名称可测流体适用管径mm精度%安装要求特点体积流量传感器差压式流体流过阻力件时产生的压力差与流量之间有确定关系节流式孔板液、气、蒸汽50100012需直管段压损大喷嘴50500需直管段压损中等文丘里管1