流量檢測及儀表課件

第三章流量檢測及儀表

機泵、壓縮機的出口流量常常是生產(chǎn)裝置的負荷（設(shè)備的處理量），必須進行嚴(yán)格檢測和控制。以便為生產(chǎn)操作和控制提供依據(jù)。同時，為了進行經(jīng)濟核算，經(jīng)常需要知道在一段時間（如一班、一天等）內(nèi)流過的介質(zhì)總量。所以，介質(zhì)流量（液體、氣體和蒸汽等）是控制生產(chǎn)過程達到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和安全生產(chǎn)以及進行經(jīng)濟核算所必需的一個重要參數(shù)。

流量（瞬時流量）：單位時間內(nèi)流過管道某一截面的流體的數(shù)量。

累積流量（總流量）：某一時段內(nèi)流過的流體的總合。瞬時流量在某一時段的累積量。

質(zhì)量流量(M)：單位時間內(nèi)流過某截面的流體的質(zhì)量。單位：(kg/s)

體積流量(Q)：單位時間內(nèi)流過某截面的流體的體積。（工作狀態(tài)下）單位：（m3/s）流量的基本概念

對于氣體，密度受溫度、壓力變化影響較大，如在常溫常壓附近，溫度每變化10℃，密度變化約為3%；壓力每變化10kPa，密度約變化3%。

因此在測量氣體流量時，必須同時測量流體的溫度和壓力。為了便于比較，常將在工作狀態(tài)下測得的體積流量換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（溫度為20℃，壓力為101325Pa）的體積流量，用符號Qn表示，單位符號為Nm3/s。3.1差壓式流量變送器（工業(yè)應(yīng)用最廣泛）

3.2靶式流量計3.3轉(zhuǎn)子流量計3.4橢圓齒輪流量計3.5渦街流量計3.6渦輪流量計3.7電磁流量計3.8質(zhì)量流量計

主要研究內(nèi)容

差壓式（也稱節(jié)流式）流量變送器（圖3-1）是基于流體流動的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時產(chǎn)生的壓力差而實現(xiàn)流量測量的。它是目前生產(chǎn)中測量流量最成熟，最常用的方法之一。通常是由節(jié)流裝置產(chǎn)生的壓差信號，通過差壓流量變送器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電信號，以供顯示、記錄或控制用。

3.1差壓式流量變送器

節(jié)流裝置是差壓式流量傳感器的流量敏感檢測元件，是安裝在流體流動的管道中的阻力元件。機組控制常用的節(jié)流元件有孔板、文丘里管。

它們的結(jié)構(gòu)形式、相對尺寸、技術(shù)要求、管道條件和安裝要求等均已標(biāo)準(zhǔn)化，故又稱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件，如圖3-2所示。（動畫）

3.1.1節(jié)流裝置

圖3-2標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件(a)孔板(b)文丘里管

在管道中流動的流體具有動壓能和靜壓能，在一定條件下這兩種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)換，但參加轉(zhuǎn)換的能量總和不變。用節(jié)流元件測量流量時，流體流過節(jié)流裝置前后產(chǎn)生壓力差Δp(Δp=p1-p2)，且流過的流量越大，節(jié)流裝置前后的壓差也越大，流量與壓差之間存在一定關(guān)系，這就是差壓式流量傳感器測量原理。

3.1.2測量原理

圖3-3為節(jié)流件前后流速和壓力分布情況，圖中充分地反映了能量形式的轉(zhuǎn)換。由于流動是穩(wěn)定不變的，即流體在同一時間內(nèi)通過管道截面A和節(jié)流件開孔截面A0的流體量應(yīng)相同，這樣通過截面A0的流速必然比通過截面A時快。在流速變化的同時，流體的動壓能和靜壓能也發(fā)生變化，根據(jù)能量守恒定律，因而在孔板前后出現(xiàn)了靜壓差。通過測量此靜壓差便可以求出流量。

流量方程式為：流量公式中的流量系數(shù)α與節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)形式、取壓方式、節(jié)流裝置開孔直徑、流體流動狀態(tài)（雷諾數(shù)）及管道條件等因素有關(guān)。對于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，α值可直接從有關(guān)手冊中查出。節(jié)流裝置是將被測流體的流量值變換成差壓信號Δp，節(jié)流裝置輸出的差壓信號由壓力信號管路輸送到差壓變送器（或差壓計）。

由流量基本方程式可以看出，被測流量與差壓Δp成平方根關(guān)系，對于直接配用差壓計顯示流量時，流量標(biāo)尺是非線性的，為了得到線性刻度，可加開方運算電路或加開方器。如差壓流量變送器帶有開方運算，變送器的輸出電流就與流量成線性關(guān)系。顯示儀表則顯示流量的大小。要使儀表的指示值與通過管道的實際流量相符，必須做到以下幾點：（4）節(jié)流裝置應(yīng)正確安裝。（5）接至差壓變送器的壓差應(yīng)該與節(jié)流裝置前后壓差相一致，這就需要正確安裝差壓信號管路，信號管路安裝舉例(如下)：①被測流體為清潔液體時，導(dǎo)壓管路安裝方式如圖3-4所示。

a)垂直管道差壓儀表在管道下方b)差壓儀表在管道上方圖3-4清潔液體時安裝示意圖②被測流體為清潔的干燥氣體時，導(dǎo)壓管路安裝方式如圖3-5所示

：a)垂直管道差壓儀表在管道下方b)差壓儀表在管道上方圖3-5清潔干氣體時的安裝圖示意圖④被測流體為潔凈濕氣體時，導(dǎo)壓管路安裝如圖3-7所示。

圖3-7測量潔凈濕氣體時的安裝圖示意圖

返回

在流體通過的管道中，垂直于流動方向插上一塊圓盤形的靶。流體通過時對靶片產(chǎn)生推力，經(jīng)杠桿系統(tǒng)產(chǎn)生力矩。力矩與流量的平方近似成正比。靶式流量計適用于測量粘稠性及含少量懸浮固體的液體。3.2靶式流量計圖3-8靶式流量計返回工作原理：

如圖所示，被測流體從下向上經(jīng)過錐管1和浮子2形成的環(huán)隙3時，浮子上下端產(chǎn)生差壓形成浮子上升的力，當(dāng)浮子所受上升力大于浸在流體中浮子重量時，浮子便上升，環(huán)隙面積隨之增大，環(huán)隙處流體流速立即下降，浮子上下端差壓降低，作用于浮子的上升力亦隨著減少，直到上升力等于浸在流體中浮圖3-9工作原理子重量時，浮子便穩(wěn)定在某一高度。浮子在錐管中高度和通過的流量有對應(yīng)關(guān)系。金屬轉(zhuǎn)子流量計金屬浮子流量計的流量檢測元件是由一根自下向上擴大的垂直錐形管和一個沿著錐管軸上下移動的浮子組所組成。3-10金屬轉(zhuǎn)子流量計返回

該流量計系直讀累積式流體流量計，是由裝有一對橢圓齒輪轉(zhuǎn)子的計量室、密封聯(lián)軸器（小口徑流量計采用靈敏度高的磁性聯(lián)軸器）和計數(shù)機構(gòu)組成。測得旋轉(zhuǎn)頻率就可求得體積流量。

3.4橢圓齒輪流量計

旋渦流量計又稱渦街流量計，其測量方法基于流體力學(xué)中的卡門渦街原理。把一個旋渦發(fā)生體（如圓柱體、三角柱體等非流線型對稱物體）垂直插在管道中，當(dāng)流體繞過旋渦發(fā)生體時會在其左右兩側(cè)后方交替產(chǎn)生旋渦，形成渦列，且左右兩側(cè)旋渦的旋轉(zhuǎn)方向相反。這種渦列就稱為卡門渦街。3.5渦街流量計

圖3-12旋渦流量計測量原理圖

在一定的雷諾數(shù)Re范圍內(nèi)，體積流量qv與旋渦的頻率f成線性關(guān)系。只要測出旋渦的頻率f就能求得流過流量計管道流體的體積流量qv。

旋渦流量計的輸出信號是與流量成正比的脈沖頻率信號或標(biāo)準(zhǔn)電流信號，可以遠距離傳輸，而且輸出信號與流體的溫度、壓力、密度、成分、粘度等參數(shù)無關(guān)。該流量計量程比寬，結(jié)構(gòu)簡單，無運動件，具有測量精度高、應(yīng)用范圍廣、使用壽命長等特點。

返回3.6渦輪流量計

在流體流動的管道內(nèi)，安裝一個可以自由轉(zhuǎn)動的葉輪，當(dāng)流體通過葉輪時，流體的動能使葉輪旋轉(zhuǎn)。流體的流速越高，動能就越大，葉輪轉(zhuǎn)速也就越高。在規(guī)定的流量范圍和一定的流體粘度下，轉(zhuǎn)速與流速成線性關(guān)系，因此，測出葉輪的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)，就可確定流過管道的流體流量和總量。（動畫）渦輪流量計安裝方便，磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器與葉片之間不需密封和齒輪傳動機構(gòu)，因而測量精度高，可耐高壓，靜壓可達50MPa。由于基于磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換原理，故反應(yīng)快，可測脈動流量。輸出信號為電頻率信號，便于遠傳，不受干擾。

應(yīng)用特點：

渦輪流量計的渦輪容易磨損，被測介質(zhì)中不應(yīng)帶機械雜質(zhì)，否則會影響測量精度和損壞機件。因此，一般應(yīng)加過濾器。安裝時，必須保證前后由一定的直管段，以使流向比較穩(wěn)定。一般入口直管段的長度取管道內(nèi)徑的10倍以上，出口取5倍以上。

返回在進行流量測量時，如果被測介質(zhì)具有導(dǎo)電性，則可以使用電磁流量計來測量。3.7電磁流量計

圖3-14電磁流量計原理圖（1）工作原理及組成電磁流量計是依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來測量流量的。

由電磁感應(yīng)定律可知，導(dǎo)體在磁場中切割磁力線時，便會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。同理，當(dāng)導(dǎo)電的液體在磁場中作垂直于磁力線方向的流動而切割磁力線時，也會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。見電磁流量計原理圖，將一個直徑為D的管道放在一個均勻磁場中，并使之垂直于磁力線方向。管道由非導(dǎo)磁材料制成，如果是金屬管道，內(nèi)壁上要裝有絕緣襯里。當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中流動時，便會切割磁磁力線。如果在管道兩側(cè)各插入一根電極，則可以引出感應(yīng)電勢。其大小與磁場、管道和液體流速有關(guān)，由此不難得出流體的體積流量與感應(yīng)電勢的關(guān)系為：式中E——感應(yīng)電勢；

B——磁感應(yīng)強度；

D——管道內(nèi)徑。所以，只要測出感應(yīng)電勢E，就可知道被測流量Q的大小。實際應(yīng)用中多采用交流磁場，以消除介質(zhì)的極化影響。（動畫）（2）電磁流量計的使用特點

a.測量管道內(nèi)沒有可動部件或突出于管內(nèi)的部件，所以幾乎沒有壓力損失，可以測量各種腐蝕性液體以及帶有懸浮顆粒的漿液。b.輸出電流與介質(zhì)流量呈線性關(guān)系，且不受液體物理性質(zhì)（溫度、壓力、粘度、密度）或流動狀態(tài)的影響。流速的測量范圍大。c.一般精度為0.5級到1.5級。d.被測介質(zhì)必須是導(dǎo)電液體，導(dǎo)電率一般要求不小于水的導(dǎo)電率。不能測量氣體、蒸氣及石油制品等的流量。e.信號較弱，滿量程時只有2.5～8mV，抗干擾能力差。電源電壓的波動會引起磁場強度的變化，從而影響到測量信號的準(zhǔn)確性。返回（1）直接式質(zhì)量流量傳感器——科里奧利質(zhì)量流量傳感器科里奧利質(zhì)量流量傳感器是利用流體在直線運動的同時，處于一個旋轉(zhuǎn)系中，產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力而制成的一種直接式質(zhì)量流量傳感器。然而，通過旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生科里奧利力實現(xiàn)起來比較困難，目前的傳感器均采用振動的方式來產(chǎn)生，下圖是科里奧利質(zhì)量流量傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。

3.8質(zhì)量流量計

3-15科里奧利質(zhì)量流量傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

流量傳感器的測量管道是兩根兩端固定平行的U形管，在兩個固定點的中間位置由驅(qū)動器施加產(chǎn)生振動的激勵能量，在管內(nèi)流動的流體產(chǎn)生科里奧利力，使測量管兩側(cè)產(chǎn)生方向相反的扭曲。位于U形管的兩個直管管端的兩個檢測器用