检测技术与过控-20155fundamentals of sensors and detection容积式流量计

传感器与检测基础FundamentalsofSensorsandDetection信息与控制工程学院Flow

Measurement流量测量Slide205信息与控制工程学院Slide3信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式Positivedisplacementmeters(sometimesreferredtoasdirectvolumetrictotalisers（加法器）)alloperateonthegeneralprinciplewheredefinedvolumesofthemediumareseparatedfromtheflowstreamandmovedfromtheinlettotheoutletindiscretepackages.Totalisingthenumberofpackagesprovidesthetotalvolumepassedandthetotalvolumepassedinagiventimeprovidestheflowrate,forexample,litres/min.Becausetheypassaknownquantity,theyareidealforcertainfluidbatch,blendingandcustodytransferapplications.Theygiveveryaccurateinformationandaregenerallyusedforproductionandaccountingpurposes.1.概述1.概述2.椭圆齿轮流量计3.腰轮流量计4.刮板流量计5.双转子流量计6.湿式气体流量计经测量元件将流体连续地分割成固定体积的单元流体，根据测量元件的动作次数得到总量。V0—固定体积；N—测量元件的转数；k—与流量计结构有关的系数。Slide4信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式1.概述PositivedisplacementflowmetershavebeenthetraditionalchoiceforresidentialandcommercialnaturalgasflowandwaterflowmeasurementintheUnitedStates(asimpleapplicationofcustodytransferflowmeasurement,wherethefluidbeingmeasuredisacommodityboughtandsold).Arotarygasflowmeterisshowninthefollowingphotograph.Notetheodometer-stylenumericaldisplayontheleft-handendofthemeter,totalizinggasusageovertime:Slide5信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式2.椭圆齿轮流量计（Ovalgearmeters）Ovalgearflowmeterscomprisetwoidenticalprecisionmoulded（铸造）ovalrotorswhichmesh(啮合)togetherbymeansofgearteetharoundthegearperimeter.TherotorsrotateonstationaryshaftswhicharefixedwithinthemeasuringchamberConstructionoftheovalgearmeter(courtesyEmerson)Slide6信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式2.椭圆齿轮流量计（Ovalgearmeters）(a)Wheninthepositionshownin(a),GearAreceivestorquefromthepressuredifferencewhilethenettorque（力矩）onGearBiszero.A-主动轮，B-从动轮；

(b)GearAdrivesGearB.(c)AsGearBcontinuestorotate,ittrapsadefinedquantityoffluiduntil,inthisposition,thenettorqueonGearAiszeroandGearBreceivestorquefromthepressuredifference.B-主动轮，A-从动轮(d)GearBdrivesGearAandadefinedquantityoffluidispassedtotheoutlet.Slide7信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式2.椭圆齿轮流量计（Ovalgearmeters）Advantagesoftheovalgearmeterinclude:highaccuracyof±0.25%;highrepeatabilityof±0,05%;lowpressuredropoflessthan20kPa;highoperatingpressures,upto10MPa;hightemperatures,upto300°C;widerangeofmaterialsofconstruction.Disadvantagesoftheovalgearmeterinclude:pulsationscausedbyalternatedriveaction;accuracydependentonviscosity.速度式流量计的缺点：与流体速度分布有关，需要直管段。测量平均流速，精度较低。测量瞬时流量。Slide8信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式2.椭圆齿轮流量计（Ovalgearmeters）精度高，可达0.2-0.5级，一般用于计量仪表(累计流量)；管道安装条件对计量精度没有影响，不要求直管段；通过进出口之间产生一定的压力差推动，直读式无需外部能源；若要远传可以另接发讯器（输出脉冲信号）。特别适合高粘度流体测量；量程比大：一般为10-30：1或更大压损大。结构复杂、体积笨重，故适合于中、小口径。不适用于高温或低温场合。温度范围：-30～160℃，压力<10MPa。要求被测流洁净，在流量计前加装过滤器。Slide9信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式3.腰轮流量计（罗茨流量计Rootsflowmeter）Lobedimpellermeter(courtesyTokicoLtd).SimilarinoperationtotheOvalmeter,thelobedimpellertypemeterisanon-contactmetercomprisingtwohighprecisionlobedimpellerswhicharegearedexternallyandwhichrotateinoppositedirectionswithintheenclosure.ThelobedimpellermeterissuitableforawiderangeoffluidsrangingfromLPG（LiquefiedPetroleumGas）throughtotarintherangesfrom4litresto200kilo-litres/hr,processtemperaturesupto300°C,andpressuresupto10MPa.由一对表面光滑的“8”字形转子（腰轮）代替椭圆齿轮.测量室内无齿轮，泄漏量减小，可测低粘度介质，甚至气体。Slide10信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式3.腰轮流量计（罗茨流量计Rootsflowmeter）Themaindisadvantagesinclude:Pooraccuracyatlowflowrates.Temperatureofprocessmediumlimitedtoabout60°CBulkyandheavy.Expensive.PulsationscausedbyalternatedriveactionAccuracydependentonviscosity精度：0.1～0.5，可作标准流量计。

口径：16～500mm。缺点：体积大、笨重，维修不便，压损较大，运行中有震动。Slide11信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式4.刮板流量计（Slidingvane）Slidingvanepositivedisplacementmetercomprisingarotorassemblyfittedwithfourspring-loadedslidingvanes.Usedextensivelyinthepetroleumindustryforgasolineandcrudeoilmetering,theslidingvanemeterisoneofthehighestperformanceliquidpositivedisplacementmeters.Initssimplestformitcomprisesarotorassemblyfittedwithfour（orsix）spring-loadedslidingvanessothattheymakeconstantcontactwiththecylinderwall.Therotorismountedonashaftthatiseccentrictothecentreofthemeterchamber.Slide12信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式4.刮板流量计（Slidingvane）在流量计测量室内有两对或三对可旋转的刮板在转子圆筒的槽内刮板沿径向滑动，在有压流体的作用下，推动刮板与转子旋转。Slide13信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式4.刮板流量计（Slidingvane）Advantagesoftheslidingvanemeterinclude:suitableforaccuratelymeasuringsmallvolumes;Highaccuracyof±0.2%;highrepeatabilityof±0.05%;turndownratioof20:1;suitableforhightemperatureservice,upto180°C;pressuresupto7Mpa;notaffectedbyviscosity.Disadvantagesoftheslidingvanemeterinclude:suitableforcleanliquidsonly;limitationsduetoleakage;highunrecoverablepressureloss.Slide14信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式4.刮板流量计（Slidingvane）

除了具有一般容积式流量计特点外,与椭圆齿轮、腰轮相比还有：

刮板不易磨损，能承受高压力；比速度式流量计压降大，但优于其它容积式流量计；流体内的杂质和气体含量较少时，可以直接测量；含量较高时，建议在流量计前加装过滤器、消气器或消气过滤器。由于刮板的特殊运行轨迹,使流体通过流量计时基本不受干扰,不产生涡流,震动和噪音小。Slide15信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式5.双转子流量计（螺杆流量计

Flutedrotormeters）一对特殊齿型的螺旋转子直接啮合，无相对滑动，不需要同步齿轮。靠进、出口处较小的压差推动转子旋转。两个转子各自作等速、等转矩旋转，排量均衡无脉动。Physicalconstructionoftheaxialradialfluted‘Birotor’meter(courtesyEmerson)齿轮传动链传感器前置放大器Theaxialandradialflutedrotormetersworkonthesameprincipal.Theaxialflutedrotormeter

makesuseoftwoaluminium（铝）spiralflutedrotorsworkingwithinthesamemeasuringchamber—withtherotorsmaintainedinaproperlytimedrelationshipwithoneanotherbyhelicalgears.Slide16信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式5.双转子Birotor流量计（螺杆流量计

Flutedrotormeters）Operationoftheaxialradialfluted‘Birotor’meter(courtesyEmerson).Astheproductenterstheintakeofthemeasuringunitchamber,thetworotorsdividethevolumebeingmeasuredintosegments;momentarilyseparatingeachsegmentfromtheflowinginletstreamandthenreturningthemtotheoutletofthemeasuringunitchamber.Slide17信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式5.双转子流量计（Birotormeters）Operationoftheradialfluted‘Birotor’meter(courtesyEmerson).Intheradialflutedrotormeter,twospeciallyshapedhydraulicallyunbalancedrotorsaremaintainedinaproperlytimedrelationshipwithoneanotherbyhelicalgears.Therotorsareneitherinmetal-to-metalcontactwithoneanothernorwiththehousinginwhichtheyrotate.Slide18信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式Thephotographshowsaclose-upoftheinterlockingrotors(onewiththreelobes,theotherwithfourslotswhichthoselobesmeshwith).Boththelobesandslotsarespiral-shaped,suchthatfluidpassingalongthespiralpathwaysmust“push”thelobesoutoftheslotsandcausetherotorstorotate.Solongasthereisnoleakagebetweenrotorlobesandslots,rotorturnswillhaveapreciserelationshiptofluidvolumepassedthroughtheflowmeter.5.双转子流量计（螺杆流量计

Flutedrotormeters）Slide19信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式Alargepositivedisplacementflowmeterusedtomeasuretheflowofliquid(registeringtotalaccumulatedvolumeinunitsofgallons)isshownhere,havingbeencutawayforuseasaninstructionaldisplay:Theleft-handphotographshowsthegearmechanismusedtoconvertrotormotionintoavisibletotalreadout.5.双转子流量计（螺杆流量计

Flutedrotormeters）Slide20信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式5.双转子流量计（螺杆流量计）特点：精度可达±0.1%。特别适用于食品、化学溶液（氨水、液化气、苯、醇、醚和醛类）、原油、高凝油、高含水原油、等石油制品的商贸交易计量和工程自动化计量管理控制。转子等速转、等转矩旋转，流量均匀、无脉动，振动、噪声小，且转子之间互不受力，齿面力为零。与同种口径前几种容积式流量计相比，流量大30-40%。压力损失比前几种容积式流量计小，即使小流量范围内运行也能准确计量。Slide21信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式6.湿式气体流量计（Wet-typegasmeters）Thewet-typegasmetercomprisesagas-tightcasingcontainingameasuringdrum,withfourseparatecompartments,mountedonaspindlethatisfreetorevolve.Thecasingisfilledtoapproximately60%ofitsofvolumewithwaterorlightoil.Thewet-typegasmeter(courtesyAlexanderWrightdivisionofGHZealLtd)

一个圆形封闭的壳体，后面有进气管，上面是出气管，进气和出气以水或油封闭隔离。Slide22信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式6.湿式气体流量计（Wet-typegasmeters）Undernormaloperationthegaspassesthroughthemeasuringdrumsothateachcompartmentofthedrummust,inturn,beemptiedofwaterandfilledwithgasthusforcingthedrumtorotate.Inanalternativearrangementthegasisintroducedintothespaceabovethewaterintheoutercasingandthenpassesthroughthedrumtotheoutletofthemeter.Thecalibrationofthemeasuringdrum(i.e.thequantityofgaspassedforeachrevolution)isdeterminedbytheheightofthewaterinthecasing.Consequently,thenormalcalibrationpointisshownbyawater-levelindicatingpointthatisvisibleinthesightboxlocatedonthesideofthemetercasing.Slide23信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式6.湿式气体流量计（Wet-typegasmeters）（1）精度：0.5级、0.2级，无泄漏；（2）规格通常有0.5L、1.5L、l0L、20L等；（3）压力损失小，一般只有几百帕；（4）工作压力一般不高于1500Pa。（5）量程比很宽（100：1）多用于实验室小气体流量测量，或作为标准表来校验膜式燃气表等小流量类的气体流量计。特点：被测气体不能溶于液体或与液体反应；必须保证水平、液位高度；Suchmetersareavailableincapacitiesranginginsizefrom0.25to100dm3withanaccuracydownto±0.25%.需注意的问题：Slide24信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式7.容积式流量计的主要特性(1)压力损失特性:容积式流量计的测量元件的动作都是依靠流体压差的作用来推动的，为克服运动件动作所产生的机械阻力，就要消耗掉流体的一部分能量。流体具有粘滞性，在流体流过流量计时也要消耗掉流体的部分能量，因而在流量计两端出现不可恢复的压力降，并称之为压力损失：Slide25信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式7.容积式流量计的主要特性(2)泄漏量与误差：多数容积式流量计由于间隙的存在，泄漏是不可避免的泄漏流量可用下式关系表示：流量较小时，误差为负；泄漏量影响较大随流量增大，误差减小；泄漏量影响较小流量较大时误差近似常数或向负误差倾斜变大泄漏量影响较大Slide26信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式8.容积式流量计的辅助设备-发讯器对于容积式流量计，标配是用于就地指示，不配置信号输出；如果需要输出4-20mA或脉冲信号，需要另配发讯器罗茨（腰轮）流量计刮板流量计Slide27信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式8.容积式流量计的辅助设备-发讯器光电式脉冲转换器（发讯器）

罗茨（腰轮）流量计Slide28信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式8.容积式流量计的辅助设备-发讯器为防止管线及油中的铁屑、焊渣、石块等杂质和脏物进入流量计，影响流量计正常运行，延长流量计的使用寿命，因此在每台流量计的进口处安装过滤器。过滤器主要由筒体和过滤网组成，被计量的液体经过过滤网时，杂质和脏物被留在过滤网内，当需要清洗时，只要把筒体上盖打开，就能把过滤网提出来清洗，它的主要优点是清洗、检修方便，为便于清洗时排出油污，在它的底部安装了排油阀。

Slide29信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式8.容积式流量计的辅助设备-消气器气体的产生：（1）管线是空的（新管线）。（2）油流在经过弯路、流动方向的改变、节流等情况，排放出溶解于液体中的气体（以气泡的形式存在）。（3）管路中出现负压，大气中的气体被吸入液流中，这样大小不等的气泡在管路中就占据一定的容积。对输送的油流计量时，就会把气体占有的体积量也一并计算在内，产生误差。

Slide30信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式8.容积式流量计的辅助设备-消气器消气器首先是使油品和气体分离开，当含有气泡的液体顺输油管道进入消气器，在油气底部遇到中间筒底的斜板而形成漩涡，又沿着中间筒外围的环状空间上升到容器的上部，逐渐形成一个气体空间，出现油气界面，随着气体空间的扩大，油气界面下降，当油气界面下降到一定程度，安装在消气器内的浮球连杆机构动作，打开排气阀，将分离出来的气体排出。

Slide31信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式GeneralSummaryBecauseoftheirhighaccuracy,positivedisplacementmetersareusedextensivelyinliquidcustodytransferapplicationswheredutyisapplicableonsuchcommoditiesaspetrol,wines,andspirits.Inuse,someofthefollowingapplicationlimitationsshouldbenoted:Owingtothemechanicalcontactbetweenthecomponentparts,wearandtearisaproblem.Ingeneral,therefore,positivedisplacementmetersareprimarilysuitedforclean,lubricatingandnon-abrasiveapplications.Insomecases,filters(downto10μm)mayberequiredtofilterdebrisandcleanthefluidbeforethemeter.Suchfiltersrequireregularmaintenance.Ifregularmaintenanceisnotcarriedout,theaddedpressuredropmayalsoneedtobeconsidered.Theirworkinglifealsodependsonthenatureofthefluidbeingmeasured,especiallyinregardtosolidsbuild-upandthemediatemperature.Positivedisplacementmetersareanobstructiontotheflowpathandconsequentlyproduceanunrecoverablepressureloss.Slide32信息与控制工程学院POsitiveDisplacementFlowmeter容积式Becausemanypositivedisplacementmetershavethesameoperatingmechanismsaspumps,theyma