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第五章 流量检测,体积流量检测及常见的流量计,2,质量流量检测方法简介,3,流量检测的基本概念和检测方法,1,5.1 流量检测的基本概念及方法,一、流量检测介绍 在生产过程中，为了有效地进行操作、控制和监督，需要检测各种流体的流量。 物料总量的计量也是经济核算和能源管理的重要依据。 流量检测仪表是发展生产，节约能源，改进产品质量，提高经济效益和管理水平的重要工具，是工业自动化仪表与装置中的重要仪表之一。,5.1 流量检测的基本概念及方法,流量的概念和单位 1.流量：是指单位时间内流过管道某截面流体的体积或质量。 体积流量：流体数量以体积表示称为体积流量。 质量流量：流体数量以质量表示称为质量流量。 体积流量与质量流量之间的关系：,5.1 流量检测的基本概念及方法,2.累计流量: 在某段时间内流体通过的体积或质量总量称为累积流量或流过总量，它是体积流量或质量流量在该段时间中的积分，表示为：,单位：m3,单位：Kg,5.1 流量检测的基本概念及方法,二、流量检测方法及流量计分类 测量流量的仪表称为流量计； 测量流体总量的仪表称为计量表或总量计。,1.流量检测方法分类： 体积流量检测：测得流体的体积流量值。 质量流量检测：直接测得流体的质量流量值。 本章介绍差压式、容积式、速度式、振动式和电磁式流量计。,注意：用体积表示流量时，必须同时给出流体的压力和温度。流体的体积和密度受流体的工作状态影响较大。为便于比较，常将在工作状态下测得的体积流量转换成标准状态下 （20，760mmHg） 的体积流量。,三、流量计的几个特性 流量计通常由一次装置（流量传感器）和二次仪表组成。 一次装置：安装于流道的内部或外部，根据流体与之相互作用关系的物理定律产生一个与流量有确定关系的信号，这种一次装置亦称流量传感器。 二次仪表：给出相应的流量值大小。,5.1 流量检测的基本概念及方法,5.1 流量检测的基本概念及方法,特性1：流量范围及范围度 流量范围:指可测最大流量和最小流量所限定的范围。在这个范围内，仪表在正常使用条件下示值误差不超过最大允许误差。 范围度：最大流量与最小流量的比值称为范围度，一般表达为某数与 1 之比，流量计范围度的大小受仪表的原理与结构所限制。,5.1 流量检测的基本概念及方法,特性2：测量精确度和误差 精确度：用误差表示。流量计在出厂时均要进行标定，仪表所标出的精确度为基本误差。 在现场使用中由于偏离标定条件会带来附加误差. 流量计的实际测量精确度为基本误差与附加误差的合成，这种合成的估算很复杂，可以参照有关规定计算。,5.1 流量检测的基本概念及方法,特性3：压力损失 安装在流通管道中的流量计实际上是一个阻力件，流体在通过流量计时将产生压力损失，这会带来一定的能源消耗。 各种流量计的压力损失大小是仪表选型的一个重要指标。,四、流量的检测方法 节流差压法 容积法 速度法 流体阻力法 流体振动法 电磁式检测方法 质量流量测量,5.1 流量检测的基本概念及方法,1.节流差压法 在管道中安装一个直径比管径小的节流件。 通常以节流件的型式对差压式流量计分类。,文丘利管,孔板,喷嘴,节流件前后产生的静压差的大小和流过的流体流量有一定的函数关系，可以通过节流件前后的压差求流量。,差压式流量计： 主要利用管内流体通过节流装置时，其流量与节流装置前后的压差有一定的关系。属于这类流量计的有标准节流装置等。 2.容积法: 利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量体积总量。 容积式流量计： 容积式流量计又称排量流量计，在流量仪表中是精度最高的一类。主要利用流体连续通过一定容积之后进行流量累积的原理。属于这类流量计的有椭圆齿轮流量计和腰轮流量计。,3.速度法 直接测出管道内流体的流速，以此作为流量测量的依据. 速度式流量计： 主要利用管内流体的速度来推动叶轮旋转，叶轮的转速和 流体的流速成正比。属于这类流量计的有叶轮式水表和涡 轮式流量计等。,5.1 流量的测量方法,4.流体阻力法 流体流动对设置在管道中的阻力体以作用力，其作用力的大小与流量大小有关。 5.流体振动法 在管道中设置特定的流体流动条件，使流体流过后产生振动，而振动频率与流量有确定的函数关系。 6.质量流量测量 通过直接或间接的方法测量单位时间内流过管道截面的流体质量数。 1、直接式 2、间接式,5.1 流量的测量方法,5.2.1 结构、测量原理和特点 测量对象：气体、液体和蒸汽流量。 一、差压式流量计的结构 常用的差压式流量计是由 产生差压的节流装置和差压计组成。,5.2 差压式流量计,5.2 差压式流量计,差压式流量计的组成,测量原理-节流差压法：在管道内安装一个直径比管径小的节流件，当充满圆管的流体流经节流件时，流束将在节流件处形成局部收缩，使流速增大，静压力降低，于是在节流件前后产生压力差。该压力差通过差压计检出。 流体的体积流量或质量流量与差压计所测得的差压值有确定的数值关系。,二、差压式流量计的特点 优点：结构简单，无可动部件；可靠性较高；复现性能好；适应性较广，它适用于各种工况下的单相流体，适用的管道直径范围宽，可以配用通用差压计；装置已标准化。 缺点：安装要求严格；流量计前后要求较长直管段；测量范围窄，一般范围度为 3 : 1 ；压力损失较大；对于较小直径的管道测量比较困难 ；精确度不够高(1%2%)。,5.2 差压式流量计,产生差压的节流装置有多种型式，包括：如孔板、喷嘴、文丘利管等。 节流装置的作用：造成流束的局部收缩，从而产生压差。,5.2 差压式流量计,5.2.2节流装置的工作原理,当流体流经管道内的节流件时，流体将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。 流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。,一、工作原理,5.2 差压式流量计,1.流体连续性方程： 任取一管段，设截面、截面处, 面积分别为: A1、A2; 流体密度分别为: 1、 2; 流体的平均流速分别为:V 1 、V 2 。,5.2 差压式流量计,二、测量理论基础： 流体连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）。,5.2 差压式流量计,2.伯努利方程： 当理想流体在重力作用下在管内定常流动时，对于管道中任意两个截面和有如下图所示：,5.2 差压式流量计,5.2.3 流量方程 体积流量基本方程式为 质量流量基本方程式为 其中：F0 -节流件的工作开孔面积； -流体的密度； p=p1-p2-节流件前后的压力差； -流量系数，用实验方法求出，与节流装置的结构形式、 取压方式、孔口截面积与管道截面积之比m、孔口边缘 尖锐度、管壁粗糙度等因素有关。,5.2 差压式流量计,注意: 由流量基本方程式可以看出，被测流量与差压p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。,5.2 差压式流量计,5.2 差压式流量计,5.2.3 标准节流装置 按照标准文件设计、制造、安装和使用，无须经实流校准即可确定其流量值并估算流量测量误差。 一、标准节流装置：ISO 5167或GBT2624中所包括的节流装置称为标准节流装置。 标准孔板 标准喷嘴 经典文丘里管 文丘里喷嘴。,标准孔板及标准喷嘴的结构如图所示。,5.2 差压式流量计,全套标准节流装置如图所示。,5.2 差压式流量计,二、标准节流装置的使用条件 1.被测介质应充满全部管道截面并连续流动； 2.管道内的流束是稳定的； 3.节流装置的前后要有足够长的直管段，前后长度为二倍 管道直径，管道内表面不能有突出物和明显的粗糙不平； 4.各种标准节流装置的使用 5.管径D和孔截面比都有取值限制。,5.2 差压式流量计,三、标准节流装置(孔板或喷嘴)的安装要求 1.安装前应进行外观检查，孔板的入口和喷嘴的出口边缘应无毛刺和圆角，并按现行的国家标准流量测量节流装置的设计安装和使用的规定复验其加工尺寸； 2.安装前进行清洗时不应损伤节流件； 3.孔板的锐边或喷嘴的曲面侧应迎着被测介质的流向； 4.在水平和倾斜的工艺管道上安装的孔板或喷嘴，若有排泄孔时，排泄孔的位置对液体介质应在工艺管道的正上方，对气体及蒸汽介质应在工艺管道的正下方； 5.孔板或喷嘴与工艺管道的同轴度及垂直度，应符合规范的相应规定； 6.环室上有“”号的一侧应在被测介质流向的上游侧，当用箭头标明流向时，箭头的指向应与被测介质的流向一致 7.垫片的内径不应小于工艺管道的内径。,5.2 差压式流量计,5.2 差压式流量计,5.2.4 节流装置的取压方式 差压式流量计是通过测量节流件前后压力差p来实现流量 测量的，而压力差 p的值与取压孔位置和取压方式紧密相关。 根据节流装置取压口位置可将取压方式分为理论取压、角接取 压、法兰取压、径距取压与损失取压五种，以孔板为例，各种 取压方式的取压孔位置如图所示。,5.2 差压式流量计,1.理论取压：上游侧取压孔的轴线位于孔板前端面一倍管道直径D处，下游 侧取压孔的轴线位于流速最大的最小截面处。如图中1-1位置。 2.角接取压: 上下游取压管位于孔板(或喷嘴)的前后端面处。包括环室取压 和单独钻孔(加紧环)取压。如图中2-2位置。 3.法兰取压：上下游侧取压孔的轴线至孔板上下游侧端面之间的距离均为 25.40.8mm（1inch)。取压孔开在孔板上下游侧的法兰上 如图中3-3位置。,5.2 差压式流量计,4.径距取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为1Dm0.1Dm， 下游侧取压孔的轴线至孔极下游端面的距离为0.5Dm。 如图中4-4位置（Dm管道直径）. 5.管接取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为2.5Dm，下游侧 取压孔的轴线至孔板下游端面的距离为8Dm该方法可测压力 损失值.也称为损失压降法.位置如图中55所示,5.2 差压式流量计,目前广泛采用的是角接取压法，其次是法兰取压法。角接取压法比较简便，容易实现环室取压，测量精度较高。法兰取压法结构较简单，容易装配，计算也方便，但精度较角接取压法低些。,5.2 差压式流量计,5.2.5 差压计 差压计与节流装置配套组成节流式流量计。差压计经导压管与节流装置连接，接受被测流体流过节流装置时所产生的差压信号，并根据生产的要求，以不同信号形式把差压信号传递给显示仪表，从而实现对流量参数的显示、记录和自动控制。 差压计的种类很多，凡可测量差压的仪表均可作为节流式流量计中的差压计使用。目前工业生产中大多数采用差压变送器。它们可将测得的差压信号转换为0.02-0.1 MPa的气压信号和4-20mA的直流电流信号。,一、双波纹管差压计 主要由两个 波纹管(2,12) 量程弹簧(16) 扭力管及外壳 等部分组成。,挡板23推动扭管转动，其中心轴将连接轴5的位移传给指针或显示单元。,5.2 差压式流量计,二、膜片式差压计 主要由差压测量室 (5/13)、三通导压阀 (29高压阀；30平衡阀； 31低压阀)和差动变压 器(17)三部分组成。,5.2.6 差压计,5.2 差压式流量计,5.2.6差压流量计的安装要求 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： 1.差压变送器的压差和显示仪表的流量标尺有若干种规格，选择时应与节流装置孔径匹配。 2.在测量蒸汽和气体流量时，常遇到工作条件的密度与设计时的密度c不相同，这时必须对示数进行修正。 3.显示仪表刻度通常是线性的，测量值（差压信号）要经过开方运算进行线性化处理后再送显示仪表。,5.2 差压式流量计,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。 5.2.7 差压流量计的使用 1.测量液体流量 2.测量气体流量 3.测量蒸汽,1、容积式流量计 组成： 由固定标准容积的测量室、运动部件、传动和显示部件组成。 工作原理： 在一定容积的空间里充满的液体，随流量计内部的运动元件的移动而被送出出口，测量这种送出流体的次数就可以求出通过流量计的流体体积。 检测对象： 各种液体和气体的累积流量。,5.3 容积式流量计,5.3 容积式流量计,优点： 测量精度高，被测流体粘度影响小，不要求前后直管段。 缺点： 对介质的清洁度要求较高，不允许有固体颗粒杂质流过流量计。 应用： 小型的家用煤气表、大容积的石油和天然气计量仪表。,5.3.1椭圆齿轮流量计 椭圆齿轮流量计的测量本体由一对相互啮合的椭圆齿轮和仪表壳体构成。,5.3 容积式流量计,两个椭圆齿轮 A 、 B 在进出口流体压力差的作用下，交替地相互驱动，并各自绕轴作非匀角速度的转动。 每转一周，四个相同月牙形腔（测量室）被形成、被封闭、被传送、被卸出。两个齿轮共送出4个标准容积的流体。通过椭圆齿轮流量计的流体总量可表示为： Q = 4nV0,5.3 容积式流量计,注意： 适用于中小流量流体的测量，其最大口径为250mm。可测高粘度液体。粘度愈大的介质，从齿轮和计量空间隙中泄漏出去的泄漏量愈小，被测介质的粘度愈大，对测量愈有利。 流量计基本误差为 0.2% 0.5%； 范围度为 10:1 ； 工作温度要低于120 ，以防止齿轮卡死。 在使用时要注意防止齿轮的磨损与腐蚀，以延长仪表寿命。,5.3 容积式流量计,5.3.2 腰轮流量计 腰轮流量计又称罗茨流量计，其工作原理与椭圆齿轮流量计相同，只是转子的形状不同。 腰轮流量计的转子是一对不带齿的腰形轮，在转动过程依靠套在壳体外的与腰轮同轴上的啮合齿轮来完成驱动。 可测量液体和气体，测液体的口径为10600mm；测气体的口径为15250mm，即可测小流量也可测大流量。,5.3 容积式流量计,5.3 容积式流量计,5.3.3刮板式流量计 转子中开有4个两两互相垂直的槽， 槽中装有可以伸出缩进的刮板，伸 出的刮板在被测流体进、出口差压 作用推动下带动转子旋转。伸出的两个刮板与壳体内腔之间形成具有固定容积的测量室，当离开计量区时，刮板缩入槽内，流体从出口排出，同时后一刮板又与其另一相邻刮板形成测量室。转子旋转一周，排出4份固定体积的流体，由转子的转数就可以求得被测流体的流量。,特点： 测量精度高、量程比大、受流体粘度影响小，运转平稳，振动和噪音均小等特点，适合测量中等到较大的流量。,5.3 容积式流量计,5.4 速度式流量计,速度法测量： 测出流体的流速，再乘以管道截面积即可得出流量。 测量原理均基于与流体流速有关的各种物理现象， 仪表的输出与流速有确定的关系。 典型的速度式流量计： 叶轮式流量计 涡轮式流量计,5.4 速度式流量计,5.4.1 叶轮式流量计 分类： 切线流叶轮式、竖式叶轮式、轴流式叶轮式。 检测对象：液体、气体。 应用：水表、高压力燃气表,工作原理： 在管道内，安装有可以自由转动的叶轮，流体的动能使叶轮旋转。 流速越高动能越大叶轮转速越高。 在规定的流量范围和一定的流体粘度下，叶轮的转速与流体的平均流速成正比，通过磁电转换装置将叶轮转速变成电脉冲信号，以推导出被测流体的瞬时流量和累积流量。,5.4 速度式流量计,5.4 速度式流量计,5.4.2涡轮流量计 工作原理：在定范围内，涡轮的转速与流体的平均流速成正比，通过磁电转换装置将涡轮转速变成产生电动势的频率的变化，此频率与被测流体的体积流量成正比。 可以测量气体、液体流量，但要求被测介质洁净，并且不适用于粘度大的液体测量。,5.4 速度式流量计,5.4 速度式流量计,优点： 精度高,复现性和稳定性均好； 量程范围宽，量程比可达(1020):1,刻度线性； 对流量变化反应迅速，可测脉动流量； 抗干扰能力强，信号便于远传及与计算机相连。 缺点: 制造困难，成本高。 场合: 通常涡轮流量计主要用于量精度要求高、流量变化快的场合，还用作标定其他流量的标准仪表。,流体振动流量计是60年代末期发展起来的一种较新的流量测量技术。 特点： 可得到与流量成正比的频率输出信号； 被测流体本身就是振动体，无机械可动部件， 不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响。 分类：主要分为旋涡式和旋进式两种。,5.5 振动式流量计,5.5.2 旋涡流量计 一、工作原理 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。,5.5 振动式流量计,旋涡流量计测量原理图,5.5 振动式流量计,由于漩涡之间的相互影响，其形成通常是不稳定的。冯.卡门对涡列的稳定条件进行了研究，于1911年得到结论：只有当两漩涡列之间的距离h和同列的两漩涡之间的距离L之比满足： 时，所产生的涡街才是稳定的。,5.5 振动式流量计,其体积流量方程式为:,漩涡产生的频率； v流体流速； d直径漩涡发生体的特征尺寸； St斯特罗哈尔数； D 管道内径 ； A 在漩涡发生体处的流通截面积 。,5.5 振动式流量计,流体流过圆柱体后漩涡发生的频率为：,其中St是与雷诺数有关的无量纲数，称为斯特劳哈尔数。,二、旋涡频率的检测 旋涡频率的检测是通过旋涡检测器来实现的。旋涡 检测器的任务： 流体绕过检测器时，在其后能形成稳定的涡列； 能准确地测出旋涡产生的频率。 涡列检测器主要有两种形式：圆柱形、三角柱形。,5.5 振动式流量计,1.圆柱形漩涡检测器,当旋涡在圆柱体下游侧产生时，出于升力的作用，使得圆柱体下方的压力比上方高一些，圆柱体下方的流体在上下压力差的作用下，从圆柱体下方导压孔进入空腔，通过隔板中央部分的小孔，流过铂电阻丝，从上方导压孔流出。,5.5 振动式流量计,如果将铂电阻丝加热到高于流体温度的某温度值，则当流体流过铂电阻丝时，就会带走热量，改变其温度，也即改变其电阻值。当圆柱体上方产生一个旋涡时，则流体从上导压孔进入，由下导压孔流出，又一次通过铂电阻丝，又改变一次它的电阻值。由此可知：电阻值变化与流动变化相对应，也既与旋涡的频率相对应。所以，可由检测铂电阻丝电阻变化频率得到涡频率，进而得到流量值。,5.5 振动式流量计,2.三棱柱形检测器 在三角柱体的迎流面对称地嵌入两个热敏电阻组成桥路的两臂，以恒定电流加热使其温度稍高于流体，在产生漩涡的一侧，因流速变低，使热敏电阻的温度升高，阻值变小。在交替产生的漩涡的作用下，两个电阻被周期地冷却，使其阻值改变，阻值变化由桥路测出，即可测得漩涡产生频率，从而测出流量。,5.5 振动式流量计,优点: 涡街流量计测量精度较高；量程比宽,可达30:1；使用寿命长，压力损失小，安装与维护比较方便；测量几乎不受流体参数变化的影响，用水或空气标定后的流量计无须校正即可用于其它介质的测量；易与数字仪表或计算机接口,对气体、液体和蒸汽介质均适用。 缺点: 流体流速分布情况和脉动情况将影响测量准确度，因此适用于紊流流速分布变化小的情况，并要求流量计前后有足够长的直管段。,5.5 振动式流量计,5.6 电磁流量计,电磁流量计根据法拉第电磁感应定律制成的测量导电液体 体积流量的仪表。 检测对象： 只能测量导电液体，尤其适合各种腐蚀性介质：酸、碱、盐溶液以及带有悬浮颗粒的浆液。 对于气体、蒸气以及含大量气泡的液体，或者电导率很低的液体不能测量。 由于测量管内衬材料一般不宜在高温下工作，所以目前一般的电磁流量计还不能用于测量高温介质。,5.6.1 电磁流量计的工作原理 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。,在均匀磁场中垂直于磁场方向有一个直径为D的管道，管道由不导磁材料制成。当导电的液体在导管中流动时，导电液体切割磁力线，因而在磁场及流动方向垂直的方向上产生感应电动势，如安装一对电极，则电极间产生的电位差和流速成比例。,电磁流量计原理图,5.6 电磁流量计,产生的电位差的表达式为：,E感应电动势：B磁感应强度，D管道内径；v平均流速。则体积流量的表达式为：,当磁感应强度B及管道内径D固定不变时， 则K为常数， 两电极间的感应电动势E与流量qv呈线性关系，便可通过测量感应电动势来间接测量被测流体的流量qv值。,5.6 电磁流量计,5.6 电磁流量计,优点： 压力损失小，适用于含有颗粒、悬浮物等流体的流量测量； 可以用来测量腐蚀性介质的流量； 流量测量范围大；流量计的管径小到1mm，大到2m以上； 测量精度为0.5-1.5级； 电磁流量计的输出与流量呈线性关系； 反应迅速，可以测量脉动流量。 缺点： 被测介质必须是导电的液体，不能用于气体、蒸汽及石油 制品的流量测量；流速测量下限有一定限度； 工作压力受到限制。结构也比较复杂，成本较高。,5.6 电磁流量计,5.7 质量流量的检测,问题引出：为什么需要质量流量计? 1.在工业生产中，由于物料平衡，热平衡以及储 存、经济核算等所需要的都是质量，并非体积； 2.在测量工作中，常需将测出的体积流量，乘以 密度换算成质量流量，设备复杂，测量耗时； 3.密度随温度、压力而变化，在温度、压力变化 比较频繁的情况下，难以达到测量的目的。,质量流量计主要类型：推导式、直接式和补偿式。 5.7.1 推导式质量流量测量 一般是采用体积流量计和密度计的组合，实现质量 流量的测量。常见的组合方式主要有3种。,5.7 质量流量的检测,5.7 质量流量的测量,一、 检测器与密度计组合的形式 流量计检测出与管道中的流体的 成正比的信号x，由密度计检测出与成正比的信号y. 质量流量表达式为,5.7 质量流量的测量,二、体积流量计与密度计的组合形式 容积、漩涡、电磁式等流量计可测量管道中的体积流量qv，将它与密度计组合可构成质量流量计。,5.7 质量流量的测量,三、 检测器与体积流量计组合的形式 将测量 的差压式流量计与测量体积流量的qv体积 流量计组合通过乘除器运算得到质量流量。 表达式为,5.7.2 直接式质量流量测量 一、科里奥利质量流量计 在质量流量测量中如果能直接测出质量流量，将可提高测量精度和反应速度。科里奥利质量流量计就是常用的一种直接式质量流量计。 简称科氏力流量计，利用流体在振动管中流动时，将产生与质量流量成正比的科