3.8流量的检测(li)

3 8流量的检测 流量与温度 压力和物位一起统称为工业过程控制中的四大重要参数 人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制 对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行 提高产品质量 降低物质消耗 提高经济效益 实现科学管理的基础 第三节流量检测及仪表 1概述1 1流量的概念流量 是指流经管道或设备某一截面的流体数量 1 瞬时流量 单位时间内流经某一截面的流体数量称为瞬时流量 可以分别用体积流量和质量流量来表示 体积流量 单位时间内流过某一截面的流体体积 国际单位为m3 s 还常用m3 h L h等单位 体积流量可表示为 截面A上的平均流速 质量流量 是指单位时间内流经某一截面的流体质量 国际单位为kg s 还常用t h kg h等单位 2 累计流量 是指一段时间内流经某截面的流体数量的总和 也称总量 可用体积和质量来表示测量流体流量的仪表一般叫流量计 测量流体总量的仪表常称为计量表 一 概述 流量计的分类 1 速度式流量计测量流体在管道内的流速 用过流面积换算成流量 例如差压式流量计 转子流量汁 电磁流量计 涡轮流量计等 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量作为测量依据 例如椭圆齿轮流量计 活塞式流量计等 3 质量流量计以测量流体流过的质量为依据 分直接式和间接式两种 直接式质量流量计直接测量质量流量 例如量热式 角动量式 陀螺式和科里奥利力式等质量流量计 间接式质量流量汁是用密度与容积流量经过运算求得质量流量的 具有测量精度不受流体的温度 压力 粘度等变化影响的优点 二 差压式 节流式 流量计 基于流体流动的节流原理 利用流体流经节流装置 流动阻力件 时产生的压力差而实现流量的测量 1 节流元件 2 导压管路 3 三阀组 4 差压计 节流装置用于产生压力差 导压管是连接节流装置与差压计的管线 用来传导差压信号 差压计用来测量压差信号 并把此压差转换成流量指示记录下来 1 节流装置的流量测量原理 流体所具有的静压能和动压能 连同克服流动阻力的能量损失 总和不变能量守恒 可以用伯努利方程表示 当流体流经管道内的节流件时 流束将在节流件处形成局部收缩 因此 流体流速增加 动压能增加 其静压能下降 在节流件前后便产生了压差 流量基本方程式 根据流体的连续性方程 质量守恒定律 和流体力学的伯努利方程 能量守恒定律 可以推导出流量与压差之间的流量方程式 即 体积流量 质量流量 式中 流量系数 C 流出系数 节流元件开孔直径与工艺管道之比 流束膨胀系数 d 节流装置的开孔直径 m2 流体密度 kg m3 节流装置前后实际测得的压力差 流量与压力差的平方根成正比 对于气体 蒸汽等可压缩流体 在经过节流装置时压力的变化 使流体膨胀 密度变小 用流速膨胀校正系数系数 对上式进行修正 对于实际流体 摩擦阻力损失及可压缩性的影响 用流出系数c进行修正 2 差压式流量计的组成 历史悠久 技术成熟 应用最广泛 结构简单 使用寿命长 适应能力强 几乎能测量各种工况下的流量 测量对象 流体方面 单相 混相 洁净 脏污 工作状态 常压 高压 真空 常温 高温 低温 管径方面 从几毫米到几米 流动条件 亚音速流 临界流 脉动流 显示仪表 3 标准节流装置 通常把ISO5167 GB T2624 93 中所列节流装置称为标准节流装置 其它节流装置称为非标准节流装置 采用标准节流装置 按标准设计的差压式流量计 可直接投入使用 而不必进行实验标定 标准规定 标准节流元件为孔板 喷嘴和文丘里管 取压方式为角接取压 法兰取压 径距取压 适用条件 工艺管道公称直径在50 1000mm之间 差压流量计节流装置图 a 孔板 b 文丘利管 c 喷嘴 3 标准节流装置 标准孔板 孔板是一块具有与管道同心圆形开孔的圆板 迎流一侧是有锐利直角入口边缘的圆筒形孔 顺流的出口呈扩散的锥形 结构简单 加工方便 价格便宜 压力损失较大 测量精度较低 只适用于洁净流体介质 测量大管径高温高压介质时 孔板易变形 标准孔板 标准喷嘴是一个以管道喉部开孔轴线为中心线的旋转对称体 可用于测量温度和压力较高的蒸汽 气体和带杂质的液体流量 测量精度较孔板高 加工难度大 价格高 压损略小于孔板 要求工艺管径D不超过500mm a ISA1932喷嘴 b 长颈喷嘴图4 4标准喷嘴 3 标准节流装置 标准喷嘴 标准文丘里管压损较孔板和喷嘴都小 有较高的测量精度 对流体中的悬浮物不敏感 可测量有悬浮固体颗粒的液体 适合大流量气体流量测量 但尺寸大 制造困难 价格昂贵 不适用于200mm以下管径的流量测量 工业应用较少 图4 5经典文丘利管 3 标准节流装置 文丘里管 4 节流装置的取压方式 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等五种 角接取压取压点分别位于节流元件前后端面处 适用于孔板和喷嘴两种节流装置 它又分为环室取压和单独钻孔取压两种方法 法兰取压在距节流元件前后端面各1英寸 25 4mm 的位置上垂直钻孔取压 仅适用于孔板 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 4 节流装置的取压方式 径距取压 D D 2取压 在距节流元件前端面1D 后端面D 2处的管道上钻孔取压 适用于孔板和喷嘴 4 节流装置的取压方式 5差压式流量计的安装 节流件上下游侧直管段长度的要求安装节流元件的管道应该是直的 截面为圆形 管道内壁应洁净 节流元件前后要有足够长直管段长度 以使流体稳定流动 一般上游侧直管段在10D 50D之间 下游侧直管段在5D 8D之间 节流件的安装要求安装节流件时必须注意它的方向性 不能装反 节流件安装在管道中时 要保证其前端面与管道轴线垂直 偏差不超过1 还要保证其孔中心轴与管道同轴 不同心度不应超过0 015D 1 1 6 差压式流量计的应用 差压式流量计具有结构简单 工作可靠 使用寿命长 测量范围广的特点 不足之处是测量精度不高 测量范围较窄 量程比3 1 4 1 要求直管段长 压力损失较大 刻度为非线性 使用时应注意的问题 应考虑流量计使用范围 被测流体的实际工作状态 温度 压力 和流体性质 重度 粘度 雷诺数等 应与设计时一致 否则会造成实际流量值与指示流量值间的误差 使用中要保持节流装置的清洁 节流装置尤其是孔板 其入口边缘会由于磨损和腐蚀而变钝 引起仪表示值偏低 故应及时检查 引压管路接至差压计之前 必须安装三阀组 以便差压计的回零检查及引压管路冲洗排污用 四 电磁流量计 1 测量原理和结构 电磁流量计是基于法拉第电磁感应原理制成的一种流量计 用于测量导电液体 如工业污水 酸 碱 盐等腐蚀性介质 与浆液的体积流量 在磁感应强度为B的均匀磁场中 垂直于磁场方向放一个内径为D的不导磁管道 当导电液体在管道中以平均流速v流动时 导电流体就切割磁力线 B D v三者互相垂直 在两电极之间产生的感应电动势为 四 电磁流量计 1 测量原理和结构 基于电磁感应定律稳恒磁场条件下 感应电势与流速成正比 而与流体的物性和工作状态无关 四 电磁流量计 2 类型电磁流量计按结构形式可分一体式和分体式两种 均由传感器和转换器两大部分组成 传感器安装在工艺管道上感受流量信号 转换器用于将传感器输出的毫伏级电势信号进行处理与放大 并转换成与被测流体体积流量成正比的标准模拟电流信号 电压或频率信号输出 四 电磁流量计 分体式流量计的传感器和转换器分开安装 转换器可远离恶劣的现场环境 一体式电磁流量计 可就地显示 信号远传 无励磁电缆和信号电缆布线 接线简单 价格便宜 现场环境条件较好时可选用一体式电磁流量计 一体式 夹装 b 分体式 法兰安装 电磁流量计外形图 四 电磁流量计 3 电磁流量传感器的结构电磁流量传感器由测量管组件 磁路系统 电极 外壳 衬里等部分组成 如图所示 测量管上下装有励磁线圈 通以励磁电流后产生磁场穿过测量管 一对电极装在测量管内壁与液体相接触 引出感应电势 电磁流量传感器的结构示意图1 下盖 2 内衬管 3 连接法兰 4 励磁线圈 5 上盖 6 测量管 7 磁轭 8 电极 四 电磁流量计 低频方波励磁方式 其频率通常为工频的1 4一l 10 在半个周期内 磁场是恒稳的直流磁场 它具有直流励磁的特点 受电磁干扰影响很小 从整个时间过程看 方波信号又是一个交变的信号 所以它能克服直流励磁易产生的极化现象 因此 低频方波励磁是一种比较好的励磁方式 目前已在电磁流量计上广泛的应用 四 电磁流量计 四 电磁流量计 四 电磁流量计 测量转换器 测量转换器由线圈励磁电路和传感器输出转换电路组成励磁电路向传感器线圈提供恒流1 8工频矩形波励磁电流 前置放大电路进行阻抗转换 抑制共模干扰 放大电路作量程变换 隔离直流干扰电势 同步采样除去正交干扰 串模干扰 输出直流电压信号 电压 频率转换电路把流量信号变换为频率信号 用作累计总量的数字量输出 隔离的脉冲信号经频率 电流转换器变换为输出4 20mA直流电流信号 3 电磁流量计的特点 优点结构简单 无活动部件及插入管道的阻流件 几乎无附加压损 直管段要求低 电磁流量计的口径范围比其他品种流量仪表宽 对要求低阻力损失的大管径供水管道最为适合 测量结果不受流体物性及温度 压力 粘度等外界因素的影响 因此只需经水标定后 就可用来测量其它导电液体的流量 准确度高 约为0 5 1 5级 适于导电液体流量的测量 尤其适用于脏污流体 腐蚀性流体及含固体颗粒和悬浮物的液固两相流体 电磁流量计的输出与流量呈线性关系 设计没有机械惯性 所以反应灵敏 可测量正反两个方向的流量 也可测量瞬时脉动流量 3 电磁流量计的特点 缺点 只能用来测量导电液体的流量 不能用于气体 蒸汽及石油制品的流量 测量受内衬和电气绝缘材料的限制 不能用于测量高温液体 易受电磁干扰影响 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 当超声波在流体中传播时 会载带流体流速的信息 因此 根据对接收到的超声波信号进行分析计算 可以检测到流体的流速 进而可以得到流量值 传播速度差法的基本原理为 测量超声波脉冲在顺流和逆流传播过程中的速度之差来得到到被测流体的流速 根据测量的物理量的不同 可以分为时差法 测量顺 逆流传播时由于超声波传播速度不同而引起的时间差 相差法 测量超声波在顺 逆流中传播的相位差 频差法 测量顺 逆流情况下超声脉冲的循环频率差 六 超声波流量计 六 超声波流量计 1 时差式超声波流量计声波在流体中传播 顺流方向声波的传播速度会增大 逆流方向声波的传播速度则会减小 相同的传播距离在顺流和逆流时会有不同的传播时间 时差式超声波流量计正是利用超声波在流体中顺流和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流量的 图时差式超声波流量计的原理示意图 1 时差式超声波流量计 在管道中斜装一对超声波换能器 超声波的传播声程为A B换能器之间的距离 换能器A向换能器B顺流方向发射超声波信号 传播速度为声波传播速度与流体流速水平分量之和 则传播时间为反之 换能器B向换能器A逆流方向发射超声波信号 传播速度为声波传播速度与流体流速水平分量之差 则传播时间为c 超声波在静止介质中的传播速度 其值随介质不同而不同 v 流体沿超声波传播途径上的线平均流速 超声波传播方向与流体流动方向之间的夹角 D 管道内径 1 时差式超声波流量计 时差式超声波流量计主要用来测量洁净的流体流量 还可以测量杂质含量不高 杂质含量小于10g L 粒径小于1mm 的均匀流体 如污水等介质的流量 但不能测量含有影响超声波传播的连续混入气泡或体积较大固体物的液体 在悬浮颗粒含量过多或因管道条件致使超声信号严重衰减而不能测量时 有时可以试降低换能器频率 予以解决 而且精度可达 1 多普勒法多普勒法是利用声学多普勒原理确定流体流量的 多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动 会引起声波在频率上的变化 这种频率变化正比于运动的目标和静止的换能器之间的相对速度 2 多普勒式超声波流量计 多普勒式超声波流量计的测量原理 发射换能器向流体发出频率为的连续超声波 受到悬浮在流体中随流体移动的固体颗粒或气泡散射时 接收到的反射声波与发射声波之间存在频率差 由声学上的多普勒效应理论推知该频率差正比于流体流速 因此测量频率差即可求得流速和体积流量 这就是多普勒超声波流量计测量流量的工作原理 声波由声楔进入流体的入射角 c0 声楔材料中的声速 A 管道内横截面积 k 流速分布修正系数 因此 被测流体必须是含有一定数量能够反射声波的固体颗粒或气泡等的两相介质 以便获得足够强度的信号使仪表正常工作 2 多普勒式超声波流量计 超声波流量计的选择 3 结构类型 特点及应用 超声波流量计的结构由安装在测量管道上的传感器和转换器组成 超声波流量计有分体式和一体式两种 传感器的安装方式有插入式 管段式 外夹式三种型式 安装外夹式传感器无需管道断流 即夹即用 安装方便 管段式超声波传感器把传感和测量管组成一体 而且测量精度高 插入式传感器测量不受管质和管衬材料的限制 但安装麻烦 a 插入式传感器 b 外夹式传感器 c 管段式传感器 d 一体式流量计超声波流量计的类型 超声波流量计的特点 无可动部件 无压力损失 用于大口径流量测量 外夹式安装 非接触测量 可用于其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性 放射性 高压 高粘度 易燃易爆介质的流量测量问题 一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量 检测件的维修更换方便 安装和维修时不影响生产 既可测液体 也可测气体及非导电性流体 对于中小管道来说 超声波流量计价格偏高 超声波流量计的安装与应用使用时使测量管始终充满流体 需定期维护清理探头 时差式超声波流量计只能用于清洁流体 多普勒式超声波流量计适于测量含有一定数量的颗粒或气泡的流体 但脏污太重 均不可测量 3 结构类型 特点及应用 漩涡流量计基于流体振荡原理工作 即在一定的流动条件下 部分流体产生振动 且振动频率与流体流量成正比关系 将该振动频率信号输出 经转换就可得到被测流量 该流量计无机械可动部件 安装维护方便 运行费用低 按工作原理分流体自然振荡型和流体强迫振荡型两种 前者称涡街流量计 后者称旋进漩涡流量计 七 漩涡流量计 1 涡街流量计 测量原理基于流体力学中 卡门涡街 原理 在流体中垂直于流向放置一根非流线型柱状物体 如圆柱 三角柱或T形柱等 作为漩涡发生体 当流体流速足够大时 流体会在漩涡发生体的下游两侧交替产生旋转方向相反的漩涡 像这样两列平行的不对称的交替漩涡列称为卡门涡街 卡门涡街 由于漩涡之间相互影响 漩涡列一般是不稳定的 实验证明 当两列漩涡之间的距离h与同列的两个漩涡之间的距离l满足h l 0 281的关系时 卡门涡街才是稳定的 此时所产生的单列漩涡的频率f和旋涡发生体两侧流体的平均速度v1及漩涡发生体的宽度d之间存在如下关系v1 漩涡发生体两侧流体的平均流速 m s d 漩涡发生体迎流面最大宽度 m f 单列漩涡的频率 即单位时间内产生的单列漩涡的个数 Hz St 斯特罗哈尔数 无量纲 当漩涡发生体几何形状确定时 St只与雷诺数有关 若管道内流体的雷诺数Re能保持在2 104至7 106范围内 St便近似一个常数 三角柱St 0 16 圆柱体St 0 20 1 涡街流量计 K 流量系数 流体雷诺数Re在一定范围内时 K为一常数 不受流体的压力 温度 粘度 密度 成分的影响 用水标定的仪表用于空气 仪表系数仅相差0 5 误差不是很明显 若管道内径为D 流体在管道内的平均流速为v 对直径为d的圆柱形漩涡发生体 当时 近似有 1 涡街流量计 涡街流量计的结构涡街流量计通常由检测器和转换器组成 检测器包括漩涡发生体 检测元件 壳体等 漩涡发生体一般采用不锈钢材料制成 按柱形可分为圆柱 三角柱 梯形柱 T形柱 矩形柱等 单体三角柱形和梯形漩涡发生体应用最广泛 1 涡街流量计 a 单体漩涡发生体 b 多体漩涡发生体漩涡发生体基本形状 1 涡街流量计 1 涡街流量计 1 涡街流量计 热敏检测法 旋涡在圆柱体下游侧产生 出于升力作用 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 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 也即与旋涡的频率相对应 电容检测法 在三角柱的两侧面内有内充硅油的弹性金属膜片 漩涡压力使两膜片位于柱体间构成的电容差动变化 优点是耐振性能好 可测高温高压的气体 液体 蒸汽的流量 超声波检测法 在漩涡发生体后设置横穿流体的超神波束 流体的漩涡将使超声波由于介质密度变化而折射或散射 使收到的超声波束周期起伏 经放大得到脉冲信号 1 涡街流量计 电磁检测法 1 涡街流量计 应力检测法 漩涡发生体内零弯矩断面封装压电检测元件 中性面的一侧为压应力 另一侧为拉应力 两部分的压电电荷极性相反 通过差动方式输入到电荷放大器 两个信号叠加 放大器输出与漩涡频率成正比的信号 1 涡街流量计 1 涡街流量计 涡街流量计的转换器由于检测元件检测到的电信号既微弱又含有不同成分的噪声 所以必须经过转换器把该信号进行放大 滤波 整形等处理 才能输出与流量成比例的脉冲信号 对于流量显示仪 还需转换成4 20mA的标准电信号 转换器的原理框图 容积式流量计 椭圆齿轮流量计的结构椭圆齿轮流量计由测量主体 联轴耦合器 表头三部分组成 测量部分由壳体及两个相互啮合的椭圆截面的齿轮构成 在椭圆齿轮与壳体内壁 上下盖板间围成的 月牙 形固定容积的空间 计量室 图4 24椭圆齿轮流量计1 表头 2 联轴耦合器 3 上盖 4 测量主体 5 椭圆齿轮 6 轴 八 椭圆齿轮式流量计 检测原理 它是使被测流体充满具有一定容积的空间 流量计内部有1 2个转子 在流入口流体压力作用下使转子转动 随着转子的转动 使流体从流入口流向流出口 设转子与流量计壳体之间的容积已知 则通过测量转子的转速 就可得知流体流经流量计的流量 如果测出转子转过的次数 就可获得流体的总体积 八 椭圆齿轮流量计 结构与工作原理 由于流体在流量计入 出口处的压力P1 P2 当A B两轮处于 a 所示位置时 A轮与壳体间构成容积固定的半月形测量室 图中阴影部分 此时进出口差压作用于B轮上的合力矩为零 而在A轮上的合力矩不为零 产生一个旋转力矩 使得A轮作顺时针方向转动 并带动B轮逆时针旋转 测量室内的流体排向出口 当两轮旋转处于 b 位置时 两轮均为主动轮 当两轮旋转90 处于 c 位置时 转子B与壳体之间构成测量室 此时 流体作用于A轮的合力矩为零 而作用于B轮的合力矩不为零 B轮带动A轮转动 将测量室内的流体排向出口 当两轮旋转至180 时 A B两轮重新回到位置 a 如此周期地主从更换 两椭圆齿轮作连续的旋转 当椭圆齿轮每旋转一周时 流量计将排出4个半月形 测量室 体积的流体 设测量室的容积为V 则椭圆齿轮每旋转一周排出的流体体积为4V 流量公式 Q 4nV其中 n 转速V 半月形 测量室 体积 2 容积式流量计的工作特性 与流体的粘度 密度以及工作温度 压力等因素有关 相对来说 粘度的影响要大一些3 信号转换 就地显示远传显示4 容积式流量计的工作特点 精度高 可达0 2 0 5 用于企业管理和商品销售 主要测高粘度流体 例如重油 聚乙烯醇 树脂等 甚至糊状物的流量 测总流量 量程比10 1 对直管段无要求 小流量时泄漏大 使读数偏低 被测流体要求清洁 不能含固体颗粒 入口端应加过滤器 否则易堵或磨损 结构复杂 加工困难 成本高 八 椭圆齿轮式流量计 质量流量计 大多流量仪表所能直接测得的均为体积流量 但生产中进行产量计量交接 经济核算和产品储存时希望直接测量介质的质量 而不是体积 因此能够用来直接测量质量流量的流量计在近些年得到了很快发展 质量流量计 质量流量计的类型1 直接式质量流量计直接式质量流量计的输出信号能直接反映流体的质量流量 直接式质量流量计又分差压式 科里奥利式和热学式 动量法几种 具有高准确度 高重复性和高稳定性特点 2 间接式质量流量计 1 组合式可同时检测流体的体积流量和密度 或与密度有关的参数 然后通过运算单元计算出介质的质量流量信号输出 2 温度压力补偿式可同时检测流体的体积流量和温度 压力值 再根据介质密度与温度 压力的关系 由运算单元计算得到该状态下介质的密度值 最后计算得到介质的质量流量值输出 十 科氏力质量流量计 科里奥利质量流量计是利用与质量流量成正比的科里奥利力这一原理制成的一种直接式质量流量仪表 1 科里奥利力一根直管以角速度 绕旋转轴匀速旋转 管内通有以匀速v沿直管向外流动的流体 相对转动参照系做匀速直线运动 受到惯性离心力和科里奥利惯性力的共同作用 科里奥利惯性力是一种切向力 方向垂直于v向上 科里奥利力 在旋转管道中以匀速v流动的流体密度为 则管道受到流体所施加的科氏力的大小为A 管道的流通截面积 L 管道长度 qm 质量流量 qm vA 因此测量旋转管道中流体产生的科氏力就能测出流体的质量流量 十 科氏