检测仪表与传感器-2

仪表及自动化第三章检测仪表与传感器

教学要求了解各种流量计的测量原理掌握差压力式流量计掌握转子式流量计重点差压力式流量计转子式流量计第三节流量检测及仪表一、概述

介质流量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。

流量大小：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。

总量：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。定义第三节流量检测及仪表质量流量M体积流量Q如以t表示时间，则流量和总量之间的关系是

流量计：测量流体流量的仪表。计量表：测量流体总量的仪表。

第三节流量检测及仪表(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。分类第三节流量检测及仪表二、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。第三节流量检测及仪表1.节流现象与流量基本方程式（1）节流现象

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，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。

节流装置就是在管道中放置的一个局部收缩元件,应用最广泛的是孔板,其次是喷嘴、文丘里管。

第三节流量检测及仪表图3-18孔板装置及压力、流速分布图流体在管道中流动，流经管径较小的节流装置时，由于流通截面积突然缩小，流束必然要产生局部收缩，流速加快。根据流体机械能相互转换原理，动能的增加必然导致静压能减低，因而在节流装置上下游之间产生了静压差。如图3-18所示。第三节流量检测及仪表

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。实际上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。注意第三节流量检测及仪表（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。

对于标准节流装置，其值可从有关手册中查出；对于非标准节流装置，其值要由实验方法确定。第三节流量检测及仪表2.标准节流装置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“标准节流装置”。

标准化的具体内容包括节流装置的结构、尺寸、加工要求、取压方法、使用条件等。第三节流量检测及仪表图3-19孔板断面示意图如左图，标准孔板对尺寸和公差、粗糙度等都有详细规定。举例

其中d／D应在0.2～0.8之间；最小孔径应不小于12.5mm；直孔部分的厚度h＝（0.005～0.02）D；总厚度H＜0.05D；锥面的斜角α＝30°～45°等等，需要时可参阅设计手册。举例第三节流量检测及仪表标准孔板采用角接取压法和法兰取压法，标准喷嘴为角接取压法。

我国规定标准节流装置取压方法角接取压法法兰取压法分为图3-20环式取压结构1—管道法兰；2—环室；3—孔板；4—夹紧环第三节流量检测及仪表

环室取压法能得到较好的测量精度，但是加工制造和安装要求严格，如果由于加工和现场安装条件的限制，达不到预定的要求时，其测量精度仍难保证。

所以，在现场使用时，为了加工和安装方便，有时不用环室而用单独钻孔取压，特别是对大口径管道。第三节流量检测及仪表优点缺点标准孔板应用广泛，结构简单，安装方便，适用于大流量的测量流体经过孔板后压力损失大，当工艺管道上不允许有较大的压力损失时，便不宜采用。标准喷嘴和标准文丘里管压力损失较孔板小结构比较复杂，不易加工第三节流量检测及仪表

标准节流装置仅适用于测量管道直径大于50mm，雷诺数在104～105以上的流体，而且流体应当清洁，充满全部管道，不发生相变。

节流装置将管道中流体流量的大小转换为相应的差压大小，但这个差压信号还必须由导压管引出，并传递到相应的差压计，以便显示出流量的数值。第三节流量检测及仪表3.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。注意第三节流量检测及仪表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、渗漏现象第三节流量检测及仪表

导压管要正确地安装，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同的要求，下面分类讨论。

图3-21测量液体流量时的取压点位置

图3-22测量液体流量时的连接图1—节流装置；2—引压导管；3—放空阀；4—平衡阀；5—差压变送器；6—贮气罐；7—切断阀第三节流量检测及仪表a)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°。

b)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。c)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。第三节流量检测及仪表②测量气体流量时，上述的这些基本原则仍然适用。

a)取压点应在节流装置的上半部。

b)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。

c)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3-23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3-24所示。第三节流量检测及仪表图3-23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3-24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—平衡阀第三节流量检测及仪表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，构成三阀组，如图3-25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3-26所示。

第三节流量检测及仪表图3-25差压计阀组安装示意图1，2—切断阀；3—平衡阀图3-26隔离罐的两种形式第三节流量检测及仪表三、转子流量计1.工作原理

以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小，即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3-27转子流量计的工作原理图玻璃转子流量计第三节流量检测及仪表转子流量计中转子的平衡条件是（3-25）由式（3-25）可得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（3-26）代入上两式，得或（3-26）第三节流量检测及仪表2.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3-28差动变压器结构第三节流量检测及仪表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。第三节流量检测及仪表（2）电动显示部分图3-29LTD系列电远传转子流量计3)转子流量计的使用(1)使用特点a.转子流量计用来测量中小流量。b.流量计应安装在环境温度低于60℃，防震且便于操作的地方。c.仪表使用前，先开启双通阀，将管中残留杂物冲洗干净。d.转于流量计在测量小流量时，对粘滞效应很敏感，不适用于测量脉动流量。(2)流量指示剂的修正

转子流量计是一种非标准化仪表，在大多数情况下宜个别地按照实际被测介质进行刻度。第三节流量检测及仪表四、椭圆齿轮流量计1.工作原理图3-30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。第三节流量检测及仪表五、涡轮流量计图3-31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。

第三节流量检测及仪表六、电磁流量计能够测量酸、碱、盐溶液以及含有固体颗粒（例如泥浆）或纤维液体的流量。

图3-32

电磁流量计原理图感应电势的方向由右手定则判断，大小由下式决定

（3-43）而（3-44）将式（4-44）代入式（4-43），得第三节流量检测及仪表注意

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。第三节流量检测及仪表七、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。图3-33卡曼涡街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。第三节流量检测及仪表热敏检测法电容检测法应力检测法超声检测法漩涡频率的检测方法图3-34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第三节流量检测及仪表八、质量流量计1.直接式质量流量计图3-35科氏力流量计测量原理科氏力流量计的测量原理是基于流体在振动管中流动时，将产生与质量流量成正比的科里奥利力。质量流量第三节流量检测及仪表优点

能够直接测量质量流量，不受流体物性（密度、黏度等）的影响，测量精度高；测量值不受管道内流场影响，没有上、下游直管段长度的要求；可测各种非牛顿流体以及黏滞和含微粒的浆液。

缺点

它的阻力损失较大；零点不稳定；管路振动会影响测量精度。第三节流量检测及仪表2.间接式质量流量计（1）测量体积流量Q的仪表与密度计配合

图3-36涡轮流量计与密度计配合质量流量（2）测量ρQ2的仪表与密度计配合图3-37差压流量计与密度计配合第三节流量检测及仪表（3）测量ρQ2的仪表与测量Q的仪表配合

图3-38差压流量计与涡轮流量计配合液位、料位、相界面位置总称为物位。用于对物位进行测量、报警、控制的自动化仪表称为物位测量仪表。(1)正确测知容器中贮藏物质的容量或重量。(2)监视容器内物位，使之保持在一定高度，对物位允许的上下限发出报警。(3)连续监视或调节容器中流入流出物料的平衡。物位测量的目的第四节物位检测及仪表概论一.浮力式液位计1)

浮标式液位计

2)

浮球式液位计

3)

远传浮标液位计

4)

浮筒液位计第四节物位检测及仪表二、差压式液位变送器41.工作原理图3-39差压液位变送器原理图图3-40压力表式液位计第四节物位检测及仪表将差压变送器的一端接液相，另一端接气相因此当被测容器是敞口的，气相压力为大气压时，只需将差压变送器的负压室通大气即可。若不需要远传信号，也可以在容器底部安装压力表，如图3-40所示。5第四节物位检测及仪表62.零点迁移问题图3-41负迁移示意图在使用差压变送器测量液位时，一般来说实际应用中，正、负室压力p1、p2分别为则第四节物位检测及仪表迁移弹簧的作用

改变变送器的零点。迁移和调零

都是使变送器输出的起始值与被测量起始点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零点迁移量则比较大。迁移

同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。7第四节物位检测及仪表图3-42正负迁移示意图图3-43正迁移示意图举例某差压变送器的测量范围为0～5000Pa，当压差由0变化到5000Pa时，变送器的输出将由4mA变化到20mA，这是无迁移的情况，如左图中曲线a所示。负迁移如曲线b所示，正迁移如曲线c所示。

8第四节物位检测及仪表3.用法兰式差压变送器测量液位图3-44法兰式差压变送器测量液位示意图1—法兰式测量头；2—毛细管；3—变送器

单法兰式

双法兰式

法兰式差压变送器按其结构形式9

为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使用在导压管入口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器，如下图所示。第四节物位检测及仪表三、电容式物位传感器1.测量原理图3-45电容器的组成1—内电极；2—外电极两圆筒间的电容量C当D和d一定时，电容量C的大小与极板的长度L和介质的介电常数ε的乘积成比例。10通过测量电容量的变化可以用来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。

第四节物位检测及仪表2.液位的检测3-46非导电介质的液位测量1—内电极；2—外电极；3—绝缘套；4—流通小孔当液位为零时，仪表调整零点，其零点的电容为

对非导电介质液位测量的电容式液位传感器原理如下图所示。当液位上升为H时，电容量变为电容量的变化为11第四节物位检测及仪表

电容量的变化与液位高度H成正比。该法是利用被测介质的介电系数ε与空气介电系数ε0不等的原理进行工作，（ε-ε0）值越大，仪表越灵敏。电容器两极间的距离越小，仪表越灵敏。结论12第四节物位检测及仪表3.料位的检