化工仪表自动化流量测量及变送

第四章流量(liúliàng)测量及变送概述差压式流量计靶式流量计容积(róngjī)式流量计转子流量计其他流量计质量流量计小结精品资料第一节概述(ɡàishù)返回(fǎnhuí)

流量仪表的主要功用：(1)作为工业自动化控制系统的检测物料数量的总量表；(2)在工业自动化控制系统中只要有流体的系统，都需要进行流量的检测和控制。(3)特别是在能源计量方面，无论是石油、天然气等，还是二次能源成品油、煤气、石油汽及蒸气，含能工质压缩空气、氧、氢和水等都使用着数量较大的流量计量仪表。流量计量仪表是能源管理和经济核算不可缺少的工具。对于储运，流量的测量是交接双方进行贸易结算的依据，流量测量的准确性就显得尤其重要。

定义:

流量是指流经某一截面的流体数量。这个量用流体的体积来表示称为体积流量（Q），简称体积流量；这个量用流量的质量来表示称为质量流量（M），简称质量流量。随着工艺要求的不同，它的测量可分为瞬时流量和累积流量。精品资料第一节概述(ɡàishù)一、瞬时(shùnshí)流量单位时间内流过某一截面的流体数量。1.体积瞬时流量单位时间内流经某一有效截面的流体体积。常用单位：L/h，m3/h

等。2.质量瞬时流量单位时间内流经某一有效截面的流体质量。常用单位：t/h，kg/h

等。可采用体积或质量流量来表示：

返回（4-1）

（4-2）

精品资料第一节概述(ɡàishù)二、累积流量(总量)某一段时间内流经某一有效截面(jiémiàn)的流体总和。1.体积累积流量某一段时间内流经某一有效截面的流体体积总和。常用单位：L，m3

等2.质量累积流量某一段时间内流经某一有效截面的流体质量总和。常用单位：t，kg

等

测量瞬时流量的仪表一般称流量计，测量累计流量(总量)的仪表称为计量表（总量表）。返回可以采用体积或质量来表示：

（4-3）

（4-4）

精品资料第一节概述(ɡàishù)三、关于气体体积流量(liúliàng)测量

气体体积流量测量单位采用标准立方米。其换算公式为物理标准状态：0℃，0.101325MPa工业标准状态：20℃，0.101325MPa

Q0ρ0=Q20ρ20由理想气体定律：Q0=0.9318Q20返回精品资料第一节概述(ɡàishù)四、流量仪表的分类(fēnlèi)返回流量测量的流体是多样化的，如测量对象有气体、液体、混合流体；流体的温度、压力、流量均有较大的差异，要求的测量准确度也各不相同。因此，根据工艺要求，考虑被测流体的特性（物理性质和化学性质、流动状态）、安装条件、环境条件等测量条件的不同，需采用不同类型的流量计。1速度式流量计

以测量流体在管道中的流速作为测量依据来计算流量的仪表。如差压式、浮子式、靶式、电磁式、涡轮式、涡街式、超声波式、激光测速式等。需要直管段。精品资料第一节概述(ɡàishù)返回(fǎnhuí)2容积式流量计3质量式流量计

以单位时间内所排出的流体固定容积的数目作为测量依据，如椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、刮板式流量计和旋转活塞或往复活塞式、双转子式、转筒式等流量计。不需要直管段。

以测量流过流体的质量M作为测量依据。如热式、补偿式、振动式等。特点：测量精度不受温度、压力、粘度等变化的影响。精品资料第一节概述(ɡàishù)五、流量仪表的输出(shūchū)信号返回1模拟量输出信号标准信号4-20mADC二线制或三线制2脉冲输出信号精品资料第一节概述(ɡàishù)返回(fǎnhuí)3数字输出信号(2)RS485,RS232,RS422(1)Hart精品资料一、概述(ɡàishù)由管道中节流元件产生的差压和已知流体条件及节流元件与管道的几何尺寸(chǐcun)进行流量测量。

第二节差压式流量计差压式流量计的组成:1.节流装置(节流件和取压装置)

v→△P2.引压管路与三阀组3.差压计(差压变送器)

△P→4～20mA信号输出

将△P→差压计，回零检查及维修。返回精品资料二、节流原理及流量(liúliàng)方程1.节流(jiéliú)原理分析

第二节差压式流量计动压能与静压能转换的原理。

流体流经节流元件将Q→△P

，测量△P进行流量测量。节流原理节流元件：改变管道中流体流通面积的元件。返回精品资料

第二节差压式流量计2.流量基本(jīběn)方程根据质量守恒定律和能量(néngliàng)守恒定律得到：β—直径比，β=d/D;C—流出系数；d—工作条件下节流件的孔径；ρ1

—节流装置上游流体密度；D—工作条件下上游管道内径；△P—节流装置前后测得的差压；A0—节流件的开孔截面积，ε—可膨胀性系数（液体ε=1；可压缩流体ε

<1）；三、标准节流装置它包括节流元件和取压装置。按国标设计、加工、制造和安装的节流装置。返回无需标定，可直接用于流量测量，其误差不会超出规定的数值。精品资料

第二节差压式流量计1.标准(biāozhǔn)孔板特点(tèdiǎn)：a.压力损失较大；b.一般只适用于洁净流体。孔板是一块上游具有锐利直角边缘的同心圆形薄板。2.标准喷嘴特点：a.压力损失略小于孔板；b.对带有污垢的流体介质较为适宜。ISAl932喷嘴和长径喷嘴。（一）标准节流元件

由两个圆弧曲面构成的入口收缩部分及与之相接的圆筒形喉部组成。返回精品资料

第二节差压式流量计3.标准(biāozhǔn)文丘利管上、下游取压口做成单独管壁取压形式(xíngshì)，由均压环将多个取压口连接。返回精品资料

第二节差压式流量计（二）标准(biāozhǔn)取压方式1.角接取(jiēqǔ)压

同一节流元件，相同流量下，取压位置不同所得△P不同，故Q与△P关系不同。（1）环室：用于400mm以下管径，精度高。（2）单独钻孔：安装方便。紧靠节流件前后端面取压。适于孔板、喷嘴。返回精品资料第二节差压式流量计3.径距取压2.法兰取压距节流件前后端面(duānmiàn)1英寸(25.4mm)处取压。仅适用于孔板。均距节流元件前端面1D、后端面D/2处取压，适用(shìyòng)于孔板和喷嘴。返回精品资料

第二节差压式流量计三种标准节流(jiéliú)元件的区别:压力损失(sǔnshī):孔板>喷嘴>文丘利管加工安装难度:

孔板<喷嘴<文丘利管成本:

孔板<喷嘴<文丘利管返回精品资料四、三阀组与差压计

第二节差压式流量计节流装置仅产生(chǎnshēng)△P，由差压计测量△P远传，用于显示、记录或控制。

1.差压计

（1）差压变送器（同前）（2）双波纹管差压计或U型管

不需电源(diànyuán)或气源，用于就地显示。返回△P→差压计→I0或就地指示△P→I0→控制室线性等分→差压百分数方根(非线性)→流量百分数差压计显示刻度：

精品资料2.三阀组第二节差压式流量计三阀组作用(zuòyòng)：（1）防止差压计启动(qǐdòng)和停运时,因单向受压损坏。启动顺序：①打开平衡阀2；②打开切断阀1或3（先后无关）；③关闭平衡阀2;④打开切断阀3或1（先后无关）关闭顺序：①关闭切断阀1、3（先后无关）；②打开平衡阀2。（2）差压计回零检查。返回精品资料

一体化差压流量计返回(fǎnhuí)精品资料

第三节靶式流量计

一、工作(gōngzuò)原理K—比例常数，与靶形状及雷诺数有关；Ad—垂直于流速的靶面积，ρ—流体密度；v—环形流通截面(jiémiàn)平均流速。测量部分：靶、杠杆、密封膜片、测量管路。转换部分：原理同力平衡式差压变送器。靶上作用力可分为三部分：（1）流体对靶的冲击力，即流体动压力。（2）靶节流作用，在前后侧产生的压差。（3）流体对靶的粘滞摩擦力。返回流体动压原理。动压→F精品资料第三节靶式流量计测得F，可知(kězhī)Q。—流量系数，与靶形、管径、直径(zhíjìng)比、雷诺数等有关。

设管径为D，靶径为d，则环形流通面积为:靶式流量计返回精品资料第三节靶式流量计二、特点(tèdiǎn)1.可测量含杂质的脏污(zānɡwū)流体、高温渣油、浆液、沥青等。

2.用于小口径(DN15～50)，高粘度，低雷诺数流体。3.可测压力高达数十MPa，温度达450℃。4.压力损失较低，约为标准孔板的一半。返回精品资料第四节容积(róngjī)式流量计常用：椭圆(tuǒyuán)齿轮流量计、罗茨流量计(腰轮流量计)、刮板流量计、旋转活塞流量计等。工作原理：

将流体连续地分割成固定体积的单元流体，测量元件的动作次数得到体积总量。即容积分界法。

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。返回精品资料一、椭圆(tuǒyuán)齿轮流量计第四节容积(róngjī)式流量计适合于中、小流量，测量范围：3L～540M3/h液体；

口径：10～250mm；精度：0.2～0.5。图a：P1

＞P2

，A为主动轮，B为从动轮；

图b：A、B均为主动轮；图c：B为主动轮，A为从动轮；

椭圆齿轮返回精品资料第四节容积(róngjī)式流量计允许微小颗粒(kēlì)通过，可测液体或气体。缺点：体积大、笨重，维修不便，压损较大，运行中有震动。精度：0.1～0.5，可作标准流量计。

口径：16～500mm。

二、腰轮流量计返回精品资料第四节容积(róngjī)式流量计5.要求(yāoqiú)被测流洁净，在流量计前加装过滤器。6.压损大。结构复杂、体积笨重，故适合于中、小口径。

7.不适用于高温或低温场合。温度范围：-30～160℃，压力<10MPa。三、特点

1.精度高，可达0.1级；

2.管道安装条件对计量精度没有影响，不要求直管段；

3.直读式无需外部能源；

4.特别适合高粘度流体测量；返回精品资料第五节转子(zhuànzǐ)流量计一、工作(gōngzuò)原理

转子在垂直锥管中随流量变化而升降，改变流通面积测量流量。转子受力分析：转子在某一位置平衡时：流体动压力转子重力浮力V—环形流通面积平均流速；C—转子阻力系数；Ar—转子迎流最大截面积；Vr—转子体积；ρr—转子密度；ρ—被测流体密度。

返回精品资料第五节转子(zhuànzǐ)流量计二、分类(fēnlèi)1.玻璃管转子流量计

用于就地指示，不适用高温、高压场合，不能远传，易碎。

2.金属管浮子流量计

用于远传，高温、高压场合。

远传式转子流量计返回精品资料三、转子(zhuànzǐ)流量计示值修正第五节转子(zhuànzǐ)流量计

流量计刻度在工业标准状态(20℃，0.101325MPa)下，以水或空气为介质单独标定所得。

1.液体流量的修正标定时：实测时：则修正公式为：Q0—水标定的刻度流量；ρw—水的密度

Q—密度ρ的实际流量。返回实用时，若介质密度或工作状态不同，须修正。工作状态下

实际流量精品资料第五节转子(zhuànzǐ)流量计2.气体流量(liúliàng)的修正工作状态下

实际流量需将工作状态下流量换为工业标态下气体流量：标定时：实测时：返回则修正公式为：将ρ和Q带入得：精品资料例：用转子流量(liúliàng)计测CO2气体流量(liúliàng)。测量时被测气体t=40℃，P=0.49×105Pa，若流量(liúliàng)计读数为120Nm3／h，问CO2实际流量(liúliàng)是多少?解：已知Q0=120Nm3／h，T0=293.15K，P0=0.10133MPa

P=0.049＋0.10133=0.15033MPa，T=40＋273.15=313.15K由气体(qìtǐ)性质表查得：20℃，0.10133MPa条件下：ρ0＝1.205kg／m3，ρ'0＝1.842kg／m3。则带入修正公式得：第五节转子流量计返回精品资料第五节转子(zhuànzǐ)流量计四、特点(tèdiǎn)1.适用于小管径、小流量气体或低粘度液体测量。常用仪表口径：40～50mm以下，最小为1～4mm。玻璃管最大口径100mm，金属为150mm。4.只能用于自下向上垂直流动管道。3.受被测介质密度、粘度、温度、压力等因素影响，

精度较低，最高1.0级左右。2.压力损失较低，平衡时为恒压降。返回精品资料第六节其他(qítā)流量计电磁(diàncí)流量计旋涡流量计涡轮流量计返回精品资料第六节其他(qítā)流量计1.测量(cèliáng)原理电磁感应：B—磁感应强度；D—管道内径；v—垂直于磁力线方向的流速；C—比例系数，单位换算系数。k—仪表常数，取决磁感应强度、管径。磁场励磁方式：直流励磁、交流励磁或方波励磁等。一、电磁流量计返回精品资料第六节其他(qítā)流量计2.特点(tèdiǎn)及使用

仅适用于导电液体。（1）压损小,可测含固体颗粒、悬浮物或腐蚀性等介质；（2）输出线性,且不受介质物理性质影响；（3）测量范围宽。量程比可达100:1，口径1～2000mm，精度可达0.5级；（4）反应速度快，可测脉动流和正、反两向流。

缺点：使用温度为0～200℃，压力<6.4MPa；易受外界电磁场干扰影响，必须有良好的屏蔽措施。返回精品资料应用(yìngyòng)流体振动原理。分为自然振动和强迫振动方式。1.涡街流量计St—斯特罗哈尔(Strouhal)系数(xìshù)；v—发生体两侧平均流速；d—旋涡发生体的迎流面最大宽度。

垂直于流体方向插入非流线形柱状物，流速大于某值时，下游两侧交替产生方向相反的旋涡，称涡街。

满足h/l=0.281

时，涡街保持稳定。单侧漩涡频率与流速的关系为：流体自然振动二、旋涡流量计第六节其他流量计返回精品资料第六节其他(qítā)流量计相似理论证明：几何形状相同的旋涡发生体，无论尺寸大小(dàxiǎo)，只要在相似流场中，则具有相同的斯特罗哈尔系数St。K—流量计系数，脉冲数/m3

当管道和旋涡发生体尺寸一定，K为常数，测得旋涡频率f

，即可知流量Q。返回精品资料第六节其他(qítā)流量计产生旋涡一侧与无旋涡一侧形成△P，引起空腔(kōnɡqiānɡ)内流体移动，交替改变电阻值。测桥路输出频率→旋涡频率f→流量Q频率的检测方法旋涡发生体返回电阻变化频率与旋涡频率相同。

精品资料第六节其他(qítā)流量计2.旋进(xuánjìn)漩涡流量计

旋进漩涡流量计工作示意图Q=f/K

流体强迫振动流体流经扩大管时，涡流产生进动现象：

由于涡流进动运动，旋涡偏心旋转。管道截面切线方向的速度分量按进动频率周期性的变化。

切线方向发出与进动频率相同的脉冲，与流量成正比。返回涡流绕自身轴线旋转；涡流轴线绕主流轴线旋转运动。即：一种绕流动轴线旋转的旋涡流。精品资料第六节其他(qítā)流量计3.特点(tèdiǎn)(1)输出脉冲，频率与流量成正比，不受流体性质影响；(2)测量范围宽，量程比可达（30:1～100:1）；

(4)压损涡街较小，旋进漩涡较大（约为涡街的5~10倍）。

(5)特别适合大口径（25～2700mm）、大流量、雷诺数

ReD>104流体测量。(6)因采用流体振动原理，安装地点应避免机械振动。

(3)精度较高，0.5～1.0，可适用液体、气体和蒸气；

返回精品资料第六节其他(qítā)流量计三、涡轮流量计1.结构(jiégòu)涡轮：叶片由高导磁材料制成；导流器：对流体导流并支承涡轮；壳体：非导磁材料制成；前置放大器：放大转换器输出的

电信号。2.工作原理J—涡轮的转动惯量；dω/dt—涡轮角加速度；T—推动转动的旋转力矩；Ti—阻碍旋转的各种阻力矩。涡轮运动方程为动量矩守恒返回磁电感应转换器：产生与叶片转速成正比的电信号；精品资料第六节其他(qítā)流量计阻力矩：①流体(liútǐ)阻力矩T1②机械摩擦阻力矩T2③电磁系统阻力矩T3流量恒定时:dω/dt=0，则T=T1+T2+T3涡轮以角速度ω作匀速旋转。流量变化时:dω/dt≠0，涡轮作

加速或减速旋转。经一段时间达到新稳态。稳态方程流量与脉冲频率的关系为：测量原理返回ξ—流量系数，一定范围内为常数。精品资料3.特点(tèdiǎn)(1)精度高，0.1～0.5%，可作准确计量(jìliàng)仪表。(2)反应迅速，可测脉动流量，线性。(3)输出频率信号，抗干扰能力强。成本高、寿命短。(4)应水平安装，流量计前应加过滤装置。注意：各流量计ξ不得混淆。返回精品资料第七节质量(zhìliàng)流量计直接(zhíjiē)式：直接(zhíjiē)检测与M成比例的变量。间接式(推导式)：同时检测Q和ρ，经运算得M。

温度、压力补偿式：同时检测Q、t、p，计算修正ρ，

与Q运算得M。测量方法：返回精品资料第七节质量(zhìliàng)流量计一、科里奥利质量(zhìliàng)流量计利用科里奥利力制成的质量流量计。1.科里奥利力在匀角速度转动参照系中的运动物体，除附加惯性离心力作用外，所附加的另外一种惯性力。

科氏力的大小取决转动角速度ω和物体的径向速度v

。fc存在条件：运动速度v和转动角速度ω必须同时存在。v与ω垂直fc最大；两者平行fc=0。返回精品资料第七节质量(zhìliàng)流量计(1)右手握起四指为旋转角速度ω运动方向(fāngxiàng)，拇指垂直向上的方向(fāngxiàng)为ω法线方向(fāngxiàng)P；(2)四指由质点运动(流速)方向，向≤90°

的ω法线方向P握起，拇指垂直向上

的方向即fc方向。fc方向由右手法则判定：扭曲方向总是出水侧摆动领先于入水侧，流速越大，出水侧相位领先于入水侧越多。m返回精品资料第七节质量(zhìliàng)流量计2.科里奥利质量(zhìliàng)流量计

流量测量管在电磁系统驱动下，以固有频率作周期性振动，频率80Hz，振幅约1mm。U型管流入、流出侧流动方向相反，