化工仪表及自动化第3章课件

化工仪表及自动化第三章流量检测

内容提要差压式流量计节流现象与流量基本方程式标准节流装置力矩平衡式差压变送器差压式流量计的测量误差转子流量计工作原理电远传式转子流量计漩涡流量计1内容提要质量流量计直接式质量流量计补偿式质量流量计其他流量计靶式流量计椭圆齿轮流量计涡轮流量计电磁流量计2概述流量计：测量流体流量的仪表。计量表：测量流体总量的仪表。

4概述1.速度式流量计

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。

2.容积式流量计

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。3.质量流量计

以测量流体流过的质量M为依据的流量计。质量流量计分直接式和间接式两种。5分类第一节差压式流量计

差压式（也称节流式）流量计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。6截面Ⅰ前:v1、p1截面Ⅱ:v2最大、p2最小截面Ⅲ后:完全恢复但p3p1节流装置前p1

较大“+”节流装置前p3较小“-”

流速将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前(Ⅰ)、后(Ⅱ)便产生了压差。流体流量愈大，产生的压差愈大。即以压差变化反映流量大小。第一节差压式流量计8第一节差压式流量计图3-1孔板装置及压力、流速分布图

要准确测量出截面Ⅰ、Ⅱ处的压力有困难，因为产生最低静压力p2′的截面Ⅱ的位置随着流速的不同会改变。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。注意9第一节差压式流量计2.节流基本方程式

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续性方程式推导而得的。可以看出要知道流量与压差的确切关系，关键在于α的取值。

流量与压力差ΔP的平方根成正比。

10α—流量系数

ε—膨胀校正系数△p—差压（Pa）p1、p2—取压点压力

ρ1—上游流体密度（kg/m3)

4.节流装置元件名称孔板

喷嘴

文丘里管结构特点结构简单、使用方便，能量（压力）损耗较大，测量精度低。加工比较困难压力损耗较小测量精度较高加工困难，压力损耗显著减小，测量精度高，价高。应用可用于大流量，无腐蚀无固体颗粒的液、气。高压、高温、高速液气。低压、低损、高精度测量；脏污流体，大管径流量测量。12实物13角接取压方式14第一节差压式流量计③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,采用喷嘴较采用孔板为好。④在流量值与压差值都相同的条件下,使用喷嘴有较高的测量精度,而且所需的直管长度也较短。⑤如被测介质是高温、高压的,则可选用孔板和喷嘴。文丘里管只适用于低压的流体介质。16第一节差压式流量计

2.节流装置的安装使用①必须保证节流装置的开孔和管道的轴线同心,并使节流装置端面与管道的轴线垂直。②在节流装置前后长度为两倍于管径(2D)的一段管道内壁上,不应有凸出物和明显的粗糙或不平现象。17第一节差压式流量计③任何局部阻力(如弯管、三通管、闸阀等)均会引起流速在截面上重新分布,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。④标准节流装置(孔板、喷嘴),一般都用于直径D≥50mm的管道中。⑤被测介质应充满全部管道并且连续流动。⑥管道内的流束(流动状态)应该是稳定的。⑦被测介质在通过节流装置时应不发生相变。18第一节差压式流量计分类按使用的能源不同,单元组合式仪表有气动单元组合式仪表(QDZ型)和电动单元组合式仪表(DDZ型)。

差压变送器可以将差压信号Δp转换为统一标准的气压信号或电流信号,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,可以用来连续测量液体、蒸汽和气体的流量。20第一节差压式流量计

力矩平衡式差压变送器是一种典型的自平衡检测仪表，它利用负反馈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度(一般为0.5级)、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。21举例以DDZ-Ⅲ型压力变送器为例

第一节差压式流量计

在差压Δp作用下，产生一个测试力，即f为膜片的有效面积。

（3-5）22图3-2DDZ-Ⅲ型差压变送器示意图1—测量气室;2—测量膜片;3—支点;4—主杠杆;5—推板;6—矢量板;7—拉杆;8—支撑簧片;9—动铁心;10—差动变送器;11—副杠杆;12—放大器;13—永久磁钢;14—可动线圈;15—调零弹簧DDZ-Ⅲ型差压变送器将差压信号转换为4～20mA的直流电流信号。第一节差压式流量计将式（3-10）代入式（3-9），得（3-10）、分别为F2及电磁力离副杠杆十字支撑簧片的距离。（3-9）（3-11）而（3-8）联立式（3-8）与（3-11），得（3-20）式中，为转换比例系数。24第一节差压式流量计四、差压式流量计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10％～20％。

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，才能保证差压式流量计有足够的实际测量精度。注意25第一节差压式流量计误差产生的原因被测流体工作状态的变动。节流装置安装不正确。孔板入口边缘的磨损。导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏现象差压计安装或使用不正确到23页到27页26第一节差压式流量计①取压点应该位于节流装置的下半部，与水平线夹角α为0°～45°。②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1∶20～1∶10），使气泡易于排出。③在引压导管的管路中，应有排气的装置。

（1）测量液体的流量时，应该使两根导压管内都充满同样的液体而无气泡，以使两根导压管内的液体密度相等。28第一节差压式流量计29（2）测量气体流量时，上述的这些基本原则仍然适用。

①取压点应在节流装置的上半部。

②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。

③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3-5所示。

（3）测量蒸汽的流量时，要实现上述的基本原则，必须解决蒸汽冷凝液的等液位问题，以消除冷凝液液位的高低对测量精度的影响。常见的接法见图3-6所示。第一节差压式流量计图3-5测量气体流量时的连接图1—节流装置；2—引压导管；3—差压变送器；4—贮液罐；5—排放阀图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30第一节差压式流量计31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1、2和平衡阀3，如图3-7所示。

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如图3-8所示。

第一节差压式流量计图3-7差压计阀组安装示意图1，2—切断阀；3—平衡阀图3-26隔离罐的两种形式32第二节转子流量计33第二节转子流量计一、工作原理34转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。图3-9转子流量计的工作原理图第二节转子流量计转子流量计中转子的平衡条件是（3-13）根据转子浮起的高度就可以判断被测介质的流量大小或将式（3-14）代入上两式，得或由式（3-13）可得（3-14）35使用条件

转子流量计使用于小管径和低流速。

常用仪表口径40-50mm以下，最小口径做到1.5-4mm。适用于测量低流速小流量36第二节转子流量计37二、电远传式转子流量计它可以将反映流量大小的转子高度h转换为电信号，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示两部分组成。

1.流量变送部分

图3-10差动变压器结构第二节转子流量计转换原理若将转子流量计的转子与差动变压器的铁芯连接起来，使转子随流量变化的运动带动铁芯一起运动，那么，就可以将流量的大小转换成输出感应电势的大小。38第二节转子流量计392.电动显示部分图3-11LTD系列电远传转子流量计第三节漩涡流量计精度高、测量范围宽、没有运动部件、无机械磨损、维护方便、压力损失小、节能效果明显。40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。图3-12卡门涡列(a)圆柱涡列；(b)三角柱涡列第三节漩涡流量计热学法电容法压差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h／L＝0.281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41第四节质量流量计定义直接测量单位时间内所流过的介质的质量,即质量流量M。

优点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,这就能从根本上提高流量测量的精度,省去了烦琐的换算和修正。质量流量的基本方程式为42第四节质量流量计一、直接式质量流量计图3-14双孔板差压式质量流量测量示意图（3-18）（3-19）将式(3-19)减去式(3-18),可得即43第四节质量流量计44二、补偿式质量流量计1.流速-密度补偿法

图3-15流速-密度补偿法质量流量

2.压差-密度法图3-16压差-密度补偿法第四节质量流量计

3.压差-流速补偿法

图3-17压差-流速补偿法39（3-20）又由于（3-21）将式(3-21)代入式(3-20)，得第五节其他流量计一、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。图3-18半导体应变片式靶式流量变送器

1—靶；2—输出力杠杆；3—推杆；4—悬臂块；R1～R4—半导体应变片40第五节其他流量计二、椭圆齿轮流量计411.工作原理图3-19椭圆齿轮流量计结构原理通过椭圆齿轮流量计的体积流量2.使用特点

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。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。椭圆齿轮流量计的结构复杂，加工成本较高。第五节其他流量计三、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—前置放大器优点

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。缺点

一般应加过滤器。安装时，前后要有一定的直管段。

第五节其他流量计四、电磁流量计43图3-21

电磁流量计原理感应电势的方向由右手定则判断，大小由下式决定

（3-23）而（3-24）将式（3-24）代入式（3-23），得是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势。由流量传感器和转换器两大部分组成。传感器典型结构示意如图，测量管上下装有激磁线圈，通激磁电流后产生磁场穿过测量管，一对电极装在测量管内壁与液体相接触，引出感应电势，送到转换器。激磁电流则由转换器提供。适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流体，如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等。易于选择与流体接触件的材料品种，可应用于腐蚀性流体。不能测量电导率很低的液体.因衬里材料和电气绝缘材料限制，不能用于较高温度的液体44第五节其他流量计注意

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。45五、超声流量计

是通过检测流体流动时对超声束（或超声脉冲）的作用，以测量体积流量的仪表。时间传播法:声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速.第五节其他流量计多普勒效应：当一束波射向移动的物质并产生散射时，其散射波的频率会产生变化（频移），且频率变化量与物质的运动速度成正比。超声波流量计的特点：非接触式测量；流体中需要有散射粒子：微泡或颗粒。优缺点和局限性

超声流量计可作非接触测量。夹装式换能器USF可无需停流截管安装，只要在既设管道外部安装换能器即可。这是USF在工业用流量仪表中具有的独特优点，因此可作移动性（即非定点固定安装）测量，适用于管网流动状况评估测定

超声流量计可测量非导电性液体，在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充。传播时间法超声流量计只能用于清洁液体和气体，不能测量悬浮颗粒和气泡超过某一范围的液体；反之多普勒法USF只能用于测量含有一定异相的液体。六、科里奥利质量流量计（简称CMF）

是利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。

直接或间接测量在旋转管道中流动流体产生的科里奥利力就可以测得质量流量.

基本工作原理

（实验）

将充水软管（水不流动）两端悬挂，使其中段下垂成U形，静止时，U形的两管处于同一平面，并垂直于地面，左右摆时，两管同时弯曲，仍然保持在同一曲面

若将软管与水源相接，使水由一端流入，从另一端流出（如图b和c）。当U形管受外力作用向右左摆动时，它将发生扭曲。扭曲的方向总是出水侧的摆动要早于人水侧；

随着质量流量的增加，这种现象变得更加明显，出水侧摆动相位超前于入水侧更多。

这就是科氏力质量流量的检测原理，它利用两管的振动（摆动）相位差来反映流经该U形管的质量流量利用科氏力构成的质量流量计有直管、弯管、单管、双管等多种形式双弯管型是最常见它由两根金属U形管组成，其端部连通并与被测管路相连。这样流体可以同时在两个U形管内流动在两管的中间A、B、C三处各装有一组压电换能器换能器A在外加交变电压作用下产生交变力，使两根U形管彼此一开一合地振动，相当于两根软管按相反方向不断摆动换能器B和C用来检测两管的振动情况由于B处于进口侧，C处于出口侧，则根据出口侧振动相位超前于进口侧的规律，C输出的交变信号的相位将超前于B某个相位此相位差的大小与质量流量成正比

科里奥利力质量流量计若将这两个交流信号相位差经过电路进一步转换成直流4～20mA等标准信号，就成为质量流量变送器。

特点和要求科氏力质量流量计的测量精度较高，主要用于粘度和密度相对较大的单相和混相流体的流量测量由于结构等原因，这种流量计适用于中小尺寸的管道的流量检测。

电磁流量计涡街流量计热式流量计例题分析举例

1.某差压式流量计的流量刻度上限为320m3/h,差压上限2500Pa。当仪表指针指