安工大化工儀表及自動化第3章檢測儀表與傳感器(流量檢測)

1、1第三節(jié)第三節(jié) 流量流量檢測及儀表檢測及儀表q流量流量是指單位時間內(nèi)流過管道某一截面的流體是指單位時間內(nèi)流過管道某一截面的流體數(shù)量的大小，即數(shù)量的大小，即瞬時流量瞬時流量。q在某一段時間內(nèi)流過管道的流體流量的總和，在某一段時間內(nèi)流過管道的流體流量的總和，即瞬時流量在某一段時間內(nèi)的累計值，稱為即瞬時流量在某一段時間內(nèi)的累計值，稱為總量總量。q表示方法：表示方法：質(zhì)量流量M（t/h、kg/h、kg/s）體積流量Q （m3/h、L/h、L/min） M=Qq測量流體流量的儀表一般叫測量流體流量的儀表一般叫流量計流量計；q測量流體總量的儀表常稱為測量流體總量的儀表常稱為計量表計量表。一、一、概述概述2

2、流量計流量計的的分類分類1速度式速度式流量計流量計測量流體在管道內(nèi)的測量流體在管道內(nèi)的流速流速，用，用過流面積過流面積換算成流量換算成流量。 例如差壓式流量計、轉(zhuǎn)子流量汁、電磁流量計、渦輪流量計等。例如差壓式流量計、轉(zhuǎn)子流量汁、電磁流量計、渦輪流量計等。 2容積式容積式流量計流量計 以以單位時間內(nèi)所單位時間內(nèi)所排出的排出的流體的流體的固定容積固定容積的的數(shù)量數(shù)量作為測量依據(jù)。作為測量依據(jù)。 例如橢圓齒輪流量計、活塞式流量計等。例如橢圓齒輪流量計、活塞式流量計等。 3質(zhì)量質(zhì)量流量計流量計 以以測量流體流過的質(zhì)量測量流體流過的質(zhì)量為依據(jù)，分直接式和間接式兩種。為依據(jù)，分直接式和間接式兩種。 直接式

3、直接式質(zhì)量流量計直接測量質(zhì)量流量。例如量熱式、角動量式、質(zhì)量流量計直接測量質(zhì)量流量。例如量熱式、角動量式、陀螺式和科里奧利力式等質(zhì)量流量計。陀螺式和科里奧利力式等質(zhì)量流量計。 間接式間接式質(zhì)量流量汁是用密度與容積流量經(jīng)過運算求得質(zhì)量流量質(zhì)量流量汁是用密度與容積流量經(jīng)過運算求得質(zhì)量流量的。具有測量精度不受流體的溫度、壓力、粘度等變化影響的優(yōu)點。的。具有測量精度不受流體的溫度、壓力、粘度等變化影響的優(yōu)點。3表表類 別工作原理儀表名稱可測流體種類適用管徑mm測量精度安裝要求、特點體積流量計差流壓量式計流體流過通管道中的阻力件時產(chǎn)生的壓力差與流量之間有確定關(guān)系，通過測量差壓值求得流量節(jié)流式孔板液、氣、

4、蒸汽50100012需直管段，壓損大噴嘴50500需直管段，壓損中等文丘里管1001200需直管段，壓損小均速管液、氣、蒸汽2590001需直管段，壓損小轉(zhuǎn)子流量計液、氣41502垂直安裝靶式流量計液、氣、蒸汽1520014需直管段，彎管流量計液、氣0.55需直管段，無壓損容流積量式計直接對儀表排出的定量流體計數(shù)確定流量橢園齒輪流量計液104000.20.5無直管段要求，需裝過濾器，壓損中等腰輪流量計液、氣刮板流量計液0.2無直管段要求，壓損小4表表速流度量式計通過測量管道截面上流體平均流速來測量流量渦輪流量計液、氣46000.10.5需直管段，裝過濾器渦街流量計液、氣15010000.51需

5、直管段電磁流量計導(dǎo)電液體620000.51.5直管段要求不高，無壓損超聲波流量計液101需直管段，無壓損直接式直接檢測與質(zhì)量流量成比例的量來質(zhì)量流量熱式質(zhì)量流量計氣1沖量式質(zhì)量流量計固體粉料0.22科氏質(zhì)量流量計液、氣0.15間接式同時測體積流量和流體密度來計算質(zhì)量流量體積流量經(jīng)密度補償液、氣0.5溫度、壓力補償體積流量計質(zhì)量流量計類 別工作原理儀表名稱可測流體種類適用管徑mm測量精度安裝要求、特點5二、二、差壓式（節(jié)流式）差壓式（節(jié)流式）流量計流量計基于流體流動的節(jié)流原理節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置（流動阻力件）時產(chǎn)生的壓力差壓力差而實現(xiàn)流量的測量。1 - 節(jié)流元件 ；2 - 引壓管路；3

6、 - 三閥組 ；4 - 差壓計。 61、工作原理工作原理和流量和流量基本方程式基本方程式當(dāng)流體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時，流速將在節(jié)流件處形成局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后便產(chǎn)生了壓差。流體流量愈大，產(chǎn)生的壓差愈大，這樣可依據(jù)壓差來衡量流量的大小。節(jié)流元件附近節(jié)流元件附近流速流速和和壓力壓力分布情況分布情況壓差影響因素：流量、節(jié)流裝置形式、管道內(nèi)流體的物理性質(zhì)（密度、粘度）。7流量流量基本方程式基本方程式根據(jù)流體的連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律）和流體力學(xué)的伯努利方程（能量守恒定律），可以推導(dǎo)出流量與壓差之間的流量方程式，即/20pFQpF20體積流量質(zhì)量流量式中：式中： 流量系數(shù)

7、流束膨脹系數(shù) F0節(jié)流裝置的開孔截面積 流體密度 節(jié)流裝置前后實際測得的壓力差流量與壓力差的流量與壓力差的平方根平方根成正比成正比82、差壓式流量計的差壓式流量計的組成組成歷史悠久、技術(shù)成熟、應(yīng)用最廣泛。結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長，適應(yīng)能力強，幾乎能測量各種工況下的流量。測量對象測量對象：流體方面，單相、混相、潔凈、臟污；工作狀態(tài)工作狀態(tài)：常壓、高壓、真空、常溫、高溫、低溫；管徑方面管徑方面：從幾毫米到幾米；流動條件流動條件：亞音速流、臨界流、脈動流。顯示儀表93、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置標(biāo)準(zhǔn)孔板1 孔板孔板是一塊具有與管道同心圓形開孔的圓板，迎流一側(cè)是有銳利直角入口邊緣的圓筒形孔，順流的出口呈擴散

8、的錐形。結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，價格便宜。壓力損失較大，測量精度較低，只適用于潔凈流體介質(zhì)，測量大管徑高溫高壓介質(zhì)時，孔板易變形。2 噴嘴噴嘴3 文丘里管文丘里管102 噴嘴噴嘴標(biāo)準(zhǔn)噴嘴標(biāo)準(zhǔn)噴嘴是一種以管道軸線為中心線的旋轉(zhuǎn)對稱體，主要由入口圓弧收縮部分與出口圓筒形喉部組成，有ISAl932噴嘴和長徑噴嘴兩種型式。113 文丘里管文丘里管文丘里管有兩種標(biāo)準(zhǔn)型式：經(jīng)典文丘里管與文丘里噴嘴。文丘里管壓力損失最低，有較高的測量精度，對流體中的懸浮物不敏感，可用于污臟流體介質(zhì)的流量測量，在大管徑流量測量方面應(yīng)用的較多。但尺寸大、笨重，加工困難，成本高，一般用在有特殊要求的場合。124、節(jié)流裝置的節(jié)流裝置的

9、取壓方式取壓方式根據(jù)節(jié)流裝置取壓口位置可將取壓方式分為理論取壓、角接取壓、法蘭取壓、徑距取壓與損失取壓等五種:13標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的節(jié)流裝置的取壓方式取壓方式國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置有兩種取壓方法，即角接取壓法和法蘭取壓法。其中角接取壓適用于孔板和噴嘴，而法蘭取壓僅用于孔板。（1）角接取壓裝置角接取壓裝置角接取壓裝置可以采用環(huán)室或夾緊環(huán)(單獨鉆孔)取得節(jié)流件前后的差壓。（2）法蘭取壓裝置法蘭取壓裝置法蘭取壓裝置由兩個帶取壓孔的取壓法蘭組成。14標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的取壓方式示意圖角接取壓法（環(huán)室結(jié)構(gòu)和單獨鉆孔結(jié)構(gòu)）比較簡便，容易實現(xiàn)環(huán)室取壓，測量精度較高。法蘭取壓法結(jié)構(gòu)較簡單，容易裝配，計算也方便，但精

10、度較角接取壓法低些。A：角接取壓法B：法蘭取壓法155、差壓式流量計差壓式流量計-測量誤差測量誤差p被測流體工作狀態(tài)的變動p節(jié)流裝置安裝不正確p孔板入口邊緣的磨損p導(dǎo)壓管安裝不正確，或有堵塞、滲漏現(xiàn)象p差壓計安裝或使用不正確16三、三、轉(zhuǎn)子流量計轉(zhuǎn)子流量計q組成：錐形管、轉(zhuǎn)子q測量原理:定壓降，變節(jié)流面積轉(zhuǎn)子在錐形管中的平衡位置的高低與被測介質(zhì)的流量大小相對應(yīng)。q適宜于測量管徑50mm以下管道的流量，測量的流量可小到每小時幾升。又名浮子流量計，測量本體由一根自下向上擴大的垂直錐管和一只可以沿著錐管的軸向自由移動的浮子組成如圖所示線性刻度，可測氣體、蒸汽和液體的流量。171、流量公式流量公式q流

11、量公式：按錐形管的材料材料分：玻璃管玻璃管轉(zhuǎn)子流量計，流量示值刻在錐形管上；金屬管金屬管轉(zhuǎn)子流量計，有就地指示型就地指示型和電氣信號遠(yuǎn)傳型遠(yuǎn)傳型兩種。儀表常數(shù)常數(shù)A轉(zhuǎn)子的最大橫截面積截面積。 t轉(zhuǎn)子的密度密度；h轉(zhuǎn)子浮起的高度高度；AgVhMfft)(2f被測流體的密度密度；V轉(zhuǎn)子的體積體積；g重力加速度重力加速度；AgVhQfft)(2182、電遠(yuǎn)傳式電遠(yuǎn)傳式轉(zhuǎn)子流量計轉(zhuǎn)子流量計組成：流量變送及電動顯示193、轉(zhuǎn)子流量計轉(zhuǎn)子流量計指示值修正指示值修正1、液體流量、液體流量測量時的修正：介質(zhì)密度修正。AgVhQfft)(2 基本公式：用水標(biāo)定：AgVhQwwt)(20被測介質(zhì)的粘度和水相差不大

12、時，可認(rèn)為是常數(shù)。則有：AgVhQfftf)(2（1）（2）（1）式除以（2），整理后可得：fQfwftfwtQKQQ)()(0KQ為體積流量密度修正系數(shù)。202、氣體流量氣體流量測量時的測量時的修正修正氣體流量氣體流量測量時的修正：介質(zhì)密度密度、溫度溫度、壓力壓力的修正。001001101111QKKKQTTPPQTP ，P，T：密度密度，壓力壓力，絕對溫度絕對溫度。下標(biāo)為0：對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣。下標(biāo)為1：被測的氣體介質(zhì)。21四、四、橢圓橢圓齒輪齒輪流量計流量計結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)與與工工作作原原理理由于流體在流量計入、出口處的壓力P1P2，當(dāng)A、B兩輪處于 (a)所示位置時，A輪與殼體間構(gòu)成容積固定

13、的半月形測量室(圖中陰影部分)，此時進出口差壓作用于B輪上的合力矩為零，而在A輪上的合力矩不為零，產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)力矩，使得A輪作順時針方向轉(zhuǎn)動，并帶動B輪逆時針旋轉(zhuǎn)，測量室內(nèi)的流體排向出口；221、 結(jié)構(gòu)與工作原理（續(xù)1）當(dāng)兩輪旋轉(zhuǎn)處于 (b)位置時，兩輪均為主動輪；當(dāng)兩輪旋轉(zhuǎn)90，處于 (c)位置時，轉(zhuǎn)子B與殼體之間構(gòu)成測量室，此時，流體作用于A輪的合力矩為零，而作用于B輪的合力矩不為零，B輪帶動A輪轉(zhuǎn)動，將測量室內(nèi)的流體排向出口。231、 結(jié)構(gòu)與工作原理（續(xù)2）當(dāng)兩輪旋轉(zhuǎn)至180時，A、B兩輪重新回到位置(a)。如此周期地主從更換，兩橢圓齒輪作連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)橢圓齒輪每旋轉(zhuǎn)一周時，流量計將排出

14、4個半月形(測量室)體積的流體。設(shè)測量室的容積為V，則橢圓齒輪每旋轉(zhuǎn)一周排出的流體體積為4V。242、 流量公式流量公式；3、特點特點q流量公式：流量公式：Q = 4nV 其中： n轉(zhuǎn)速 V半月形(測量室)體積q特點特點：適合于測量高粘度的流體(例如重油、聚乙烯醇、樹脂等)，甚至糊狀物的流量。不能含固體顆粒，入口端應(yīng)加過濾器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工困難，成本高。25五、五、渦輪渦輪流量計流量計1 1、工作原理與結(jié)構(gòu)工作原理與結(jié)構(gòu)在定范圍內(nèi)，渦輪的轉(zhuǎn)速與流體的平均流速成正比，通過磁電轉(zhuǎn)換裝置將渦輪轉(zhuǎn)速變成電脈沖信號，可推導(dǎo)出被測流體的瞬時流量和累積流量。262 2、渦輪流量計的特點和使用渦輪流量計的特點

15、和使用優(yōu)點優(yōu)點: :其測量精度高,復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性均好；量程范圍寬，量程比可達(dá)(1020):1,刻度線性；耐高壓，壓力損失；對流量變化反應(yīng)迅速，可測脈動流量；抗干擾能力強，信號便于遠(yuǎn)傳及與計算機相連。缺點缺點: :制造困難，成本高。場合場合: :通常渦輪流量計主要用于量精度要求高、流量變化快的場合，還用作標(biāo)定其他流量的標(biāo)準(zhǔn)儀表。27六、六、電磁電磁流量計流量計1 1、測量原理和結(jié)構(gòu)測量原理和結(jié)構(gòu)電磁流量計是基于法拉第電磁感應(yīng)原理制成的一種流量計，其測量原理如圖8-30所示。當(dāng)被測導(dǎo)電流體在磁場中沿垂直于磁力線方向流動而切割磁力線時，在對稱安裝在流通管道兩側(cè)的電極上將產(chǎn)生感應(yīng)電勢，此電勢與流速成正

16、比。n基于電磁感應(yīng)定律，n感應(yīng)電勢與流速成正比。282 2、電磁電磁流量計的特點及應(yīng)用流量計的特點及應(yīng)用優(yōu)點：測量導(dǎo)管內(nèi)無節(jié)流部件，壓力損失??；適用于含有顆粒、懸浮物等流體的流量測量；可以用來測量腐蝕性介質(zhì)的流量；流量測量范圍大；流量計的管徑小到1mm，大到2m以上；測量精度為0.5-1.5級；電磁流量計的輸出與流量呈線性關(guān)系；無機械慣性，對流量變化反應(yīng)速度快，可以測量脈動流量。缺點：被測介質(zhì)必須是導(dǎo)電的液體，不能用于氣體、蒸汽及石油制品的流量測量；流速測量下限有一定限度；工作壓力受到限制。結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，成本較高。29七、七、漩渦（渦街）漩渦（渦街）流量計流量計1、測量原理、測量原理：n基于

17、流體力學(xué)中的卡門渦街原理n當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到定的數(shù)值時，會在柱狀物的下游處產(chǎn)生如圖所示的兩列平行狀、并且上下交替出現(xiàn)的漩渦。n當(dāng)h/l=0.281時，非對稱的漩渦列就能保持穩(wěn)定。n漩渦頻率f與流速u及漩渦發(fā)生體的寬度d關(guān)系：f=Stu/d特點：特點：精度高，應(yīng)用范圍廣，使用壽命長。302、渦街頻率渦街頻率的的檢測方法檢測方法檢測原理檢測原理： 由于漩渦是交替地出現(xiàn)在柱狀物的兩側(cè)，所以鉑熱電阻絲阻值的變化也是交替的，且阻值變化的頻率阻值變化的頻率與漩渦產(chǎn)生的頻率相對應(yīng)，故可通過測量鉑絲阻值變化的頻率來推算流量。31八、八、質(zhì)量流量計質(zhì)量流量計-直接式直接式p科氏力流量變送器p原理：n管子的相位差大小取決于管子變形的大小，而管子變形的大小僅僅取決于流經(jīng)管子的流體質(zhì)量的大小。即利用相位差來反映質(zhì)量流量。32質(zhì)量流量計質(zhì)量流量計-間接式間接式間接式質(zhì)量流量計一般是采