流量检测及仪表课件

第三章流量检测及仪表

机泵、压缩机的出口流量常常是生产装置的负荷（设备的处理量），必须进行严格检测和控制。以便为生产操作和控制提供依据。同时，为了进行经济核算，经常需要知道在一段时间（如一班、一天等）内流过的介质总量。所以，介质流量（液体、气体和蒸汽等）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（瞬时流量）：单位时间内流过管道某一截面的流体的数量。

累积流量（总流量）：某一时段内流过的流体的总合。瞬时流量在某一时段的累积量。

质量流量(M)：单位时间内流过某截面的流体的质量。单位：(kg/s)

体积流量(Q)：单位时间内流过某截面的流体的体积。（工作状态下）单位：（m3/s）流量的基本概念

对于气体，密度受温度、压力变化影响较大，如在常温常压附近，温度每变化10℃，密度变化约为3%；压力每变化10kPa，密度约变化3%。

因此在测量气体流量时，必须同时测量流体的温度和压力。为了便于比较，常将在工作状态下测得的体积流量换算成标准状态下（温度为20℃，压力为101325Pa）的体积流量，用符号Qn表示，单位符号为Nm3/s。3.1差压式流量变送器（工业应用最广泛）

3.2靶式流量计3.3转子流量计3.4椭圆齿轮流量计3.5涡街流量计3.6涡轮流量计3.7电磁流量计3.8质量流量计

主要研究内容

差压式（也称节流式）流量变送器（图3-1）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。它是目前生产中测量流量最成熟，最常用的方法之一。通常是由节流装置产生的压差信号，通过差压流量变送器转换成相应的标准电信号，以供显示、记录或控制用。

3.1差压式流量变送器

节流装置是差压式流量传感器的流量敏感检测元件，是安装在流体流动的管道中的阻力元件。机组控制常用的节流元件有孔板、文丘里管。

它们的结构形式、相对尺寸、技术要求、管道条件和安装要求等均已标准化，故又称标准节流元件，如图3-2所示。（动画）

3.1.1节流装置

图3-2标准节流元件(a)孔板(b)文丘里管

在管道中流动的流体具有动压能和静压能，在一定条件下这两种形式的能量可以相互转换，但参加转换的能量总和不变。用节流元件测量流量时，流体流过节流装置前后产生压力差Δp(Δp=p1-p2)，且流过的流量越大，节流装置前后的压差也越大，流量与压差之间存在一定关系，这就是差压式流量传感器测量原理。

3.1.2测量原理

图3-3为节流件前后流速和压力分布情况，图中充分地反映了能量形式的转换。由于流动是稳定不变的，即流体在同一时间内通过管道截面A和节流件开孔截面A0的流体量应相同，这样通过截面A0的流速必然比通过截面A时快。在流速变化的同时，流体的动压能和静压能也发生变化，根据能量守恒定律，因而在孔板前后出现了静压差。通过测量此静压差便可以求出流量。

流量方程式为：流量公式中的流量系数α与节流装置的结构形式、取压方式、节流装置开孔直径、流体流动状态（雷诺数）及管道条件等因素有关。对于标准节流装置，α值可直接从有关手册中查出。节流装置是将被测流体的流量值变换成差压信号Δp，节流装置输出的差压信号由压力信号管路输送到差压变送器（或差压计）。

由流量基本方程式可以看出，被测流量与差压Δp成平方根关系，对于直接配用差压计显示流量时，流量标尺是非线性的，为了得到线性刻度，可加开方运算电路或加开方器。如差压流量变送器带有开方运算，变送器的输出电流就与流量成线性关系。显示仪表则显示流量的大小。要使仪表的指示值与通过管道的实际流量相符，必须做到以下几点：（4）节流装置应正确安装。（5）接至差压变送器的压差应该与节流装置前后压差相一致，这就需要正确安装差压信号管路，信号管路安装举例(如下)：①被测流体为清洁液体时，导压管路安装方式如图3-4所示。

a)垂直管道差压仪表在管道下方b)差压仪表在管道上方图3-4清洁液体时安装示意图②被测流体为清洁的干燥气体时，导压管路安装方式如图3-5所示

：a)垂直管道差压仪表在管道下方b)差压仪表在管道上方图3-5清洁干气体时的安装图示意图④被测流体为洁净湿气体时，导压管路安装如图3-7所示。

图3-7测量洁净湿气体时的安装图示意图

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在流体通过的管道中，垂直于流动方向插上一块圆盘形的靶。流体通过时对靶片产生推力，经杠杆系统产生力矩。力矩与流量的平方近似成正比。靶式流量计适用于测量粘稠性及含少量悬浮固体的液体。3.2靶式流量计图3-8靶式流量计返回工作原理：

如图所示，被测流体从下向上经过锥管1和浮子2形成的环隙3时，浮子上下端产生差压形成浮子上升的力，当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量时，浮子便上升，环隙面积随之增大，环隙处流体流速立即下降，浮子上下端差压降低，作用于浮子的上升力亦随着减少，直到上升力等于浸在流体中浮图3-9工作原理子重量时，浮子便稳定在某一高度。浮子在锥管中高度和通过的流量有对应关系。金属转子流量计金属浮子流量计的流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成。3-10金属转子流量计返回

该流量计系直读累积式流体流量计，是由装有一对椭圆齿轮转子的计量室、密封联轴器（小口径流量计采用灵敏度高的磁性联轴器）和计数机构组成。测得旋转频率就可求得体积流量。

3.4椭圆齿轮流量计

旋涡流量计又称涡街流量计，其测量方法基于流体力学中的卡门涡街原理。把一个旋涡发生体（如圆柱体、三角柱体等非流线型对称物体）垂直插在管道中，当流体绕过旋涡发生体时会在其左右两侧后方交替产生旋涡，形成涡列，且左右两侧旋涡的旋转方向相反。这种涡列就称为卡门涡街。3.5涡街流量计

图3-12旋涡流量计测量原理图

在一定的雷诺数Re范围内，体积流量qv与旋涡的频率f成线性关系。只要测出旋涡的频率f就能求得流过流量计管道流体的体积流量qv。

旋涡流量计的输出信号是与流量成正比的脉冲频率信号或标准电流信号，可以远距离传输，而且输出信号与流体的温度、压力、密度、成分、粘度等参数无关。该流量计量程比宽，结构简单，无运动件，具有测量精度高、应用范围广、使用寿命长等特点。

返回3.6涡轮流量计

在流体流动的管道内，安装一个可以自由转动的叶轮，当流体通过叶轮时，流体的动能使叶轮旋转。流体的流速越高，动能就越大，叶轮转速也就越高。在规定的流量范围和一定的流体粘度下，转速与流速成线性关系，因此，测出叶轮的转速或转数，就可确定流过管道的流体流量和总量。（动画）涡轮流量计安装方便，磁电感应转换器与叶片之间不需密封和齿轮传动机构，因而测量精度高，可耐高压，静压可达50MPa。由于基于磁电感应转换原理，故反应快，可测脉动流量。输出信号为电频率信号，便于远传，不受干扰。

应用特点：

涡轮流量计的涡轮容易磨损，被测介质中不应带机械杂质，否则会影响测量精度和损坏机件。因此，一般应加过滤器。安装时，必须保证前后由一定的直管段，以使流向比较稳定。一般入口直管段的长度取管道内径的10倍以上，出口取5倍以上。

返回在进行流量测量时，如果被测介质具有导电性，则可以使用电磁流量计来测量。3.7电磁流量计

图3-14电磁流量计原理图（1）工作原理及组成电磁流量计是依据法拉第电磁感应定律来测量流量的。

由电磁感应定律可知，导体在磁场中切割磁力线时，便会产生感应电势。同理，当导电的液体在磁场中作垂直于磁力线方向的流动而切割磁力线时，也会产生感应电势。见电磁流量计原理图，将一个直径为D的管道放在一个均匀磁场中，并使之垂直于磁力线方向。管道由非导磁材料制成，如果是金属管道，内壁上要装有绝缘衬里。当导电液体在管道中流动时，便会切割磁磁力线。如果在管道两侧各插入一根电极，则可以引出感应电势。其大小与磁场、管道和液体流速有关，由此不难得出流体的体积流量与感应电势的关系为：式中E——感应电势；

B——磁感应强度；

D——管道内径。所以，只要测出感应电势E，就可知道被测流量Q的大小。实际应用中多采用交流磁场，以消除介质的极化影响。（动画）（2）电磁流量计的使用特点

a.测量管道内没有可动部件或突出于管内的部件，所以几乎没有压力损失，可以测量各种腐蚀性液体以及带有悬浮颗粒的浆液。b.输出电流与介质流量呈线性关系，且不受液体物理性质（温度、压力、粘度、密度）或流动状态的影响。流速的测量范围大。c.一般精度为0.5级到1.5级。d.被测介质必须是导电液体，导电率一般要求不小于水的导电率。不能测量气体、蒸气及石油制品等的流量。e.信号较弱，满量程时只有2.5～8mV，抗干扰能力差。电源电压的波动会引起磁场强度的变化，从而影响到测量信号的准确性。返回（1）直接式质量流量传感器——科里奥利质量流量传感器科里奥利质量流量传感器是利用流体在直线运动的同时，处于一个旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力而制成的一种直接式质量流量传感器。然而，通过旋转运动产生科里奥利力实现起来比较困难，目前的传感器均采用振动的方式来产生，下图是科里奥利质量流量传感器结构原理图。

3.8质量流量计

3-15科里奥利质量流量传感器结构原理图

流量传感器的测量管道是两根两端固定平行的U形管，在两个固定点的中间位置由驱动器施加产生振动的激励能量，在管内流动的流体产生科里奥利力，使测量管两侧产生方向相反的扭曲。位于U形管的两个直管管端的两个检测器用