第三章() 流量测量

1、化工仪表及自动化第三章第三章 检测仪表与传感器检测仪表与传感器 2第三节 流量检测及仪表n 一、概述在生产过程中，为了有效地进行操作、控制和监督，需要检测各种流体(如液体、气体和蒸汽等)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。33.1 流量检测的基本概念n 流量的概念和单位流体的流量是指在短暂时间内流过某一流通截面的流体数量与通过时间之比，该时间足够短以致可认为在此期间的流动是稳定的。此流量又称瞬时流量。在某一段时间内流过管道的流体流量的总和，即瞬时流量在某

2、一段时间内流过管道的流体流量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累计值。在某一段时间内的累计值。流体数量以体积表示称为体积流量，流体数量以质量表示称为质量流量。vdVQvAdtdMQmvAdt单位：m3/s单位：Kg/s4第三节 流量检测及仪表MQQM或如以 t 表示时间，则流量和总量之间的关系是 ttMdtMQdtQ00,总总测量流体流量的仪表。：测量流体总量的仪表。 5第三节 流量检测及仪表 以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的仪表如：差压式流量计，转子流量计、靶式流量计、电磁流量计、如：差压式流量计，转子流量计、靶式流量计、电磁流量计、涡轮流量计等。涡轮流量计等。 以单位时间内

3、所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表。如椭圆齿轮流量汁、腰轮如椭圆齿轮流量汁、腰轮( (罗茨罗茨) )流量计、流量计、刮板流量计等。刮板流量计等。 以测量流体流过的质量M为依据的流量计。如：热式质量如：热式质量流量计、补偿式质量流量计、振动式质量流量计等。流量计、补偿式质量流量计、振动式质量流量计等。质量流量计分直接式和间接式两种。 分类6体积流量检测方法n 组成：容积式流量计由测量室、运动部件、传动和显示部件组成。它的测量主体为具有固定标准容积的测量室，测量室由流量计内部的运动部件与壳体构成。n 按运动部件分类：往复运动和旋转运动两种形式。n往复运动式有家用煤气表、活塞式

4、油量表等。往复运动式有家用煤气表、活塞式油量表等。n旋转运动式有旋转运动式有旋转活塞式流量计旋转活塞式流量计、椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计、腰轮流量计腰轮流量计等。等。7三、质量流量计n 间接式质量流量计分别测量体积流量和密度再用乘法计算出质量流量。n 直接式质量流量计利用科氏力的作用使弯曲的弹性管道两侧产生震动相位差v 质量流量计结构比较复杂，只用于压力变化较大的可压缩流体。8第三节 流量检测及仪表n 二、差压式流量计 是是基于流体流动的节流基于流体流动的节流原理原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量，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。测量的。 是目前生产中测量

5、流量最成熟，最常用的方法之一是目前生产中测量流量最成熟，最常用的方法之一。 通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计以和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计以及显示仪表所组成。及显示仪表所组成。 9第三节 流量检测及仪表 流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现节流现象象。节流装置节流装置是设置在管道中能使流体产生局部收缩的节流是设置在管道中能使流体产生局部收缩的节流元件和取压装胃的总称，元件和取压装胃的总称，包括节流件和取压装置。包括节流件

6、和取压装置。10节流现象n 理论上：只要在管道中安置一个具有任意形状开孔截面的阻流体，均可产生节流现象，并且在阻流体两侧会有相应的流量和差压的关系。n 实际上：这些关系并不一定都能满足流量测量的要求，只有差压与流量之间存在比较稳定的关系，且重复性又较好的节流元件才有实用价值。n 常用的节流元件有同心圆孔板、喷嘴、文丘利管。特别注意！特别注意！11第三节 流量检测及仪表图3-17 孔板装置及压力、流速分布图 要准确测量出截面、处的压力有困难，因为产生最低静压力p2的截面的位置随着流速的不同会改变。因此是在孔板前后的管壁上选择两个固定的取压点，来测量流体在节流装置前后的压力变化。因而所测得的压差与

7、流量之间的关系，与测压点及测压方式的选择是紧密相关的。注意注意12p1p213应用应用动压能和静压能转换的原理动压能和静压能转换的原理检测流量检测流量 节流元件附近流速和压力分布情况 检测原理检测原理n 当流体流经管道内的节流件时，流速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。n 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）。n 压差影响因素：流量、节流装置形式、管道内流体的物理性质（密度、粘度）14第三节 流量检测及仪表 流量基本方程式是阐明流量与压差之间定量关系的基本流

8、量公式。它是根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程式推导而得的。 pFMpFQ101022要知道流量与压差的确切关系，关键在于的取值。 流量与压力差P的平方根成正比。15第三节 流量检测及仪表 国内外把最常用的节流装置、孔板、喷嘴、文丘里管等标准化，并称为“标准节流装置”。 标准化的具体内容包括节流装置的结构、尺寸、加工要求、取压方法、使用条件等。 1617 标准节流元件标准节流元件 标准孔板标准孔板结构简单，安装方便，适合大流量的测量标准喷嘴标准喷嘴标准文丘里管标准文丘里管结构复杂，压力损失比孔板小18第三节 流量检测及仪表图3-19 孔板断面示意图如左图，标准孔板对尺寸和公差、粗糙如左

9、图，标准孔板对尺寸和公差、粗糙度等都有详细规定。度等都有详细规定。 其中dD应在0.20.8之间；最小孔径应不小于12.5mm；直孔部分的厚度h（0.0050.02）D；总厚度H0.05D；锥面的斜角3045等等，需要时可参阅设计手册。 19第三节 流量检测及仪表标准孔板采用角接取压法和法兰取压法，标准喷嘴为角接取压法。标准节流装置取压方法角接取压法法兰取压法分为图3-20 环式取压结构1管道法兰；2环室；3孔板；4夹紧环20第三节 流量检测及仪表环室取压法能得到较好的测量精度，但是加工制造和安装要求严格，如果由于加工和现场安装条件的限制，达不到预定的要求时，其测量精度仍难保证。，在现场使用时

10、，为了加工和安装方便，有时不用环室而用单独钻孔取压，特别是对大口径管道。21 环室取压 单独钻孔取压 法兰取压 标准喷嘴取压方式 标准孔板的几种取压方式标准孔板的取压方式22第三节 流量检测及仪表标准孔板标准孔板应用广泛，结应用广泛，结构简单，安装构简单，安装方便，适用于方便，适用于大流量的测量大流量的测量流体经过孔板后压力损流体经过孔板后压力损失大，当工艺管道上不失大，当工艺管道上不允许有较大的压力损失允许有较大的压力损失时，便不宜采用。时，便不宜采用。标准喷嘴和标标准喷嘴和标准文丘里管准文丘里管压力损失较孔压力损失较孔板小板小结构比较复杂，不易加结构比较复杂，不易加工工23第三节 流量检测

11、及仪表 标准节流装置仅适用于测量管道直径大于50mm，雷诺数在104105以上的流体，而且流体应当清洁，充满全部管道，不发生相变。 节流装置将管道中流体流量的大小转换为相应的差压大小，但这个差压信号还必须由导压管引出，并传递到相应的差压计，以便显示出流量的数值。 24第三节 流量检测及仪表 在现场实际应用时，往往具有比较大的测量误差，有的甚至高达1020。 不仅需要合理的选型、准确的设计计算和加工制造，不仅需要合理的选型、准确的设计计算和加工制造，更要注意正确的安装、维护和符合使用条件等，才能保更要注意正确的安装、维护和符合使用条件等，才能保证差压式流量计有足够的实际测量精度。证差压式流量计有

12、足够的实际测量精度。 25第三节 流量检测及仪表被测流体工作状态的变动。节流装置安装不正确。孔板入口边缘的磨损。导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏现象差压计安装或使用不正确26第三节 流量检测及仪表 导压管要正确地安装，防止堵塞与渗漏，否则会引起较大的测量误差。对于不同的被测介质，导压管的安装亦有不同的要求，下面分类讨论。图3-21 测量液体流量时的取压点位置 图3-22 测量液体流量时的连接图1节流装置；2引压导管；3放空阀；4平衡阀；5差压变送器；6贮气罐；7切断阀27第三节 流量检测及仪表a) 取压点应该位于节流装置的下半部，与水平线夹角为045。 b) 引压导管最好垂直向下，如条件不许可

13、，导压管亦应下倾一定坡度（至少120110），使气泡易于排出。 c) 在引压导管的管路中，应有排气的装置。 28第三节 流量检测及仪表 a) 取压点应在节流装置的上半部。 b) 引压导管最好垂直向上，至少亦应向上倾斜一定的坡度，以使引压导管中不滞留液体。 c) 如果差压计必须装在节流装置之下，则需加装贮液罐和排放阀，如图3-23所示。 29第三节 流量检测及仪表图3-23 测量气体流量时的连接图1节流装置；2引压导管；3差压变送器；4贮液罐；5排放阀图3-24 测量蒸汽流量的连接图1节流装置；2凝液罐；3引压导管；4排放阀；5差压变送器；6平衡阀30第三节 流量检测及仪表差压计或差压变送器安装

14、或使用不正确也会引起测量误差。差压计或差压变送器安装或使用不正确也会引起测量误差。 由引压导管接至差压计或变送器前，必须安装切断阀1、2和平衡阀3，构成三阀组，如图3-25所示。 测量腐蚀性（或因易凝固不适宜直接进入差压计）的介质流量时，必须采取隔离措施。常用的两种隔离罐形式如图3-26所示。 31第三节 流量检测及仪表图3-25 差压计阀组安装示意图1，2切断阀；3平衡阀图3-26 隔离罐的两种形式32 差压计三阀组的安装示意图如图 所示， 它包括两个切断阀和一个平衡阀。 安装三阀组的主 要目的是为了在开停表时，防止差压计单向受到很大的静压力，使仪表产生附加误差，甚至损坏。为此，必须正确地使

15、用三阀组。具体步骤是： 先开平衡阀 3 ，使正负压室连通；然后再依次逐渐打开压侧的切断阀 1 和负压侧的切断阀 2 ，使差压计的正负压室承受同样的压力；最后再渐渐地关闭平衡阀 3 ，差压计即投人运行。 当差压计需要停用时，应先打开平衡阀 3 ，然后再关闭切断阀 1 和 2 。 如何正确安装三阀组？ p5333第三节 流量检测及仪表n 三、转子流量计 以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小，即转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。图3-26 转子流量计的工作原理图34n 转子流量计转子流量计也是利用节流原理测量流体的流量，但它的差压值基本保持不变，是通过节流面积的变化反映流

16、量的大小。应用改变流通面积的方法检测流量 。转子流量计可以测量多种介质的流量，更适用于中小管径、中小流量和较低雷诺数的流量测量。 特别注意！特别注意！35特点特点：结构简单，使用维护方便，对仪表前后直管段长度要求不高，压力损失小而且恒定，测量范围比较宽，刻度为线性。转子流量计测量精确度为2%左右。但仪表测量受被测介质的密度、粘度、温度、压力、纯净度影响，还受安装位置的影响。36第三节 流量检测及仪表AppgVft21AgVpppft21phMf2转子流量计中转子的平衡条件是（3-173-17）由式（3-17）可得根据转子浮起的高度就可以判断被测介质的流量大小或phQf2将式（3-18）代入上两

17、式，得AgVhMfft2或AgVhQfft2（3-183-18）37转子流量计的安装38第三节 流量检测及仪表 它可以将反映流量大小的转子高度h转换为电信号，适合于远传，进行显示或记录。 LZD系列电远传式转子流量计主要由流量变送及电动显示两部分组成。 图3-27 差动变压器结构39第三节 流量检测及仪表 若将转子流量计的转子若将转子流量计的转子与差动变压器的铁芯连接起与差动变压器的铁芯连接起来，使转子随流量变化的运来，使转子随流量变化的运动带动铁芯一起运动，那么，动带动铁芯一起运动，那么，就可以将流量的大小转换成就可以将流量的大小转换成输出感应电势的大小。输出感应电势的大小。40第三节 流量

18、检测及仪表图3-28 LTD系列电远传转子流量计41第三节 流量检测及仪表AgVhQwwt20 转子流量计的流量标尺上的刻度值，对用于测量液体来讲是代表20时水的流量值，对用于测量气体来讲则是代表20，0.10133MPa压力下空气的流量值。所以，在实际使用时，要根据具体体情况进行修正。 （3-233-23）42第三节 流量检测及仪表AgVhQfftf2fQfwftfwtQKQQ0如果被测介质的黏度与水的黏度相差不大，可近似认为是常数，则有 （3-243-24）整理后得wftfwtQK（3-263-26）（3-253-25）43第三节 流量检测及仪表fMfwfwtwfMKMQ0wfftwtMK

19、ffQK9 . 79 . 6ffMK9 . 79 . 6同理可导得质量流量的修正公式为当采用耐酸不锈钢作为转子材料时，t7.9g/cm3，水的密度w1g/cm3，代入（3-27）与式（3-28）得 （3-273-27）（3-283-28）（3-293-29）（3-303-30）44第三节 流量检测及仪表f tKQKMtKQKM tKQKM0.400.6701.516 0.950.9711.022 1.501.2720.8470.450.6461.435 1.001.0001.000 1.551.2970.8370.500.6831.365 1.051.0280.979 1.600.3230.8

20、270.550.7191.307 1.101.0560.960 1.651.3510.8180.600.7541.256 1.151.0840.943 1.701.3760.8090.650.7871.211 1.201.1110.927 1.751.4010.8000.700.8191.170 1.251.1390.911 1.801.4270.7920.750.8511.134 1.301.1650.897 1.851.4530.7850.800.8821.102 1.351.1930.884 1.901.4770.7780.850.9121.073 1.401.2200.872 1.95

21、1.5040.7710.900.9441.046 1.451.2450.859 2.001.5290.764表3-3 密度修正系数表45第三节 流量检测及仪表9 . 0QK例例4 4现用一只以水标定的转子流量计来测量苯的流现用一只以水标定的转子流量计来测量苯的流量，已知转子材料为不锈钢，量，已知转子材料为不锈钢，t7.9g/cm7.9g/cm3 3，苯的密，苯的密度为度为f0.83g/cm0.83g/cm3 3。试问流量计读数为。试问流量计读数为3.6L/s3.6L/s时，苯时，苯的实际流量是多少？的实际流量是多少？ sLQKQQf/46 . 39 . 0110解解由式（3-29）计算或由表3

22、-3可查得 将此值代入式（3-25），得 即苯的实际流量为4L/s。46第三节 流量检测及仪表（2 2）气体流量测定时的修正）气体流量测定时的修正对被测介质的密度、工作压力和温度均需进行修正。 当已知仪表显示刻度Q0，要计算实际的工作介质流量时，可按下式修正。001001101111QKKKQTTppQTP上式计算得到的上式计算得到的Q是被测介质在单位时间（小时）是被测介质在单位时间（小时）内流过转子流量计的标准状态下的容积数（标准立方米），内流过转子流量计的标准状态下的容积数（标准立方米），而不是被测介质在实际工作状态下的容积流量。而不是被测介质在实际工作状态下的容积流量。 47第三节 流量

23、检测及仪表例例5 某厂用转子流量计来测量温度为某厂用转子流量计来测量温度为27，表压为，表压为0.16MPa的空气流量，问转子流量计读数为的空气流量，问转子流量计读数为38Nm3/h时，空气的实际流量是多少？时，空气的实际流量是多少？ 解解已知Q038Nm3/h，p10.160.101330.26133MPa， T127273300K，T0293K，p00.10133MPa， 101.293Kg/Nm3。 将上列数据代入上式，便可得 即这时空气的流量为60.3Nm3/h。 hNmQ/3 .603830029310133. 026133. 0293. 1293. 13148第三节 流量检测及仪表

24、ffffwfftwtMMQ10009 . 719 . 70tf（3 3）蒸汽流量测量时的换算）蒸汽流量测量时的换算ffMQ156.290 转子流量计用来测量水蒸气流量时，若将蒸汽流量换算为水流量，可按式（3-27）计算。 若转子材料为不锈钢， 7.9g/cm3，则有 当时49第三节 流量检测及仪表 若已知某饱和蒸汽（温度不超过若已知某饱和蒸汽（温度不超过200200）流）流量值时，可从上式换算成相应的水流量值，然后量值时，可从上式换算成相应的水流量值，然后按转子流量计规格选择合适口径的仪表。按转子流量计规格选择合适口径的仪表。 50第三节 流量检测及仪表n 四、椭圆齿轮流量计 p59图3-30

25、 椭圆齿轮流量计结构原理通过椭圆齿轮流量计的体积流量04nVQ 适用于高黏度介质的流量测量。 测量精度较高，压力损失较小，安装使用也较方便。 椭圆齿轮流量计的入口端必须加装过滤器。 椭圆齿轮流量计的使用温度有一定范围。 椭圆齿轮流量计的结构复杂，加工成本较高。 51体积流量检测方法n (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。52体积流量检测方法两个椭圆齿轮 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。在转动过程中连续不断地将充满在齿轮与壳体之间的固定容积内的流体一份份地排出。齿轮的转数可以通过机械的或其他的方

26、式测出，从而可以得知流体总流量。两个齿轮每转动一圈，流量计将排出 4 个半月形容积的流体。通过椭圆齿轮流量计的流体总量可表示为： Q = 4nV053体积流量检测方法n 椭圆齿轮流量计适用于高粘度液体的测量。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。54问题？n 试指出图中四 种情况椭圆齿轮A和B的转动方向，以及何者是主动轮，何者是从动轮。55第三节 流量检测及仪表n 五、电磁流量计能够测量酸、碱、盐溶液以及含有固体颗粒（例如泥浆）或纤维液体的流量。 图3-30 电磁流量计原理图BDv

27、KEXvDQ241KDDBDKEX4感应电势的方向由右手定则判断，大小由下式决定 （3-43）而（3-44）将式（4-44）代入式（4-43），得566.2 体积流量检测方法n (3)电磁流量计对于具有导电性的液体介质，可以用电磁流量计测量流量。电磁流量计基于电磁感应原理，导电流体在磁场中垂直于磁力线方向流过，在流通管道两侧的电极上将产生感应电势，感应电势的大小与流体速度有关，通过测量此电势可求得流体流量。576.2 体积流量检测方法n 电磁流量计的特点：测量导管中无阻力件，压力损失极小；其流速测量范围宽，为0.510m/s；范围度可达10:1；流量计的口径可从几毫米到几米以上；流量计的精度

28、0.51.5级；仪表反应快，流动状态对示值影响小，可以测量脉动流和两相流，如泥浆和纸浆的流量。对测量导电流体的电导率有要求，不能测量气体、蒸汽和电导率低的石油流量。58第三节 流量检测及仪表 只能用来测量导电液体的流量，且导电率要求不小于水的导电率，不能测量气体、蒸汽及石油制品等的流量。要引入高放大倍数的放大器，会造成测量系统很复杂、成本高，并且易受外界电磁场的干扰。使用中要注意维护，防止电极与管道间绝缘的破坏。安装时要远离一切磁源。不能有振动。 59第三节 流量检测及仪表n 六、漩涡流量计 特点：精度高、测量范围宽、没有运动部件、无机械磨损、维护方便、压力损失小、节能效果明显。 图3-31

29、卡曼涡街 漩涡流量计是利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体漩涡流量计是利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体流量的仪表。流量的仪表。60第三节 流量检测及仪表 热敏检测法热敏检测法 电容检测法电容检测法 应力检测法应力检测法 超声检测法超声检测法漩涡频率的检测方法漩涡频率的检测方法图3-32 圆柱检出器原理图1空腔；2圆柱棒；3导压孔；4铂电阻丝；5隔墙满足hL0.281时，则所产生的涡街是稳定的。由圆柱体形成的卡曼漩涡，其单侧漩涡产生的频率为dvStf61第三节 流量检测及仪表n 七、质量流量计图3-35 科氏力流量计测量原理科氏力流量计的测量原理是基于流体在振动管中流动时，将产生与质量流量成正比

30、的科里奥利力。 rKMS4质量流量626.3 质量流量检测方法简介n 科里奥利质量流量计 (目前使用比较广泛)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里奥利力的测量原理。科氏力流量计由检测科里奥利力的传感器与转换器组成。636.3 质量流量检测方法简介 传感器测量主体为一根U形管，U形管的两个开口端固定，流体由此流入和流出。在U形管顶端装有电磁装置，用于激发U形管，使其以O-O为轴，按固有的自振频率振动，振动方向垂直于U形管所在平面。U形管中的流体在沿管道流动的同时又随管道作垂直运动，此时流体将产生一科里奥利加速度，并以科里奥利力反作用于U形管。由于流体在U形管两

31、侧的流动方向相反，所以作用于U形管两侧的科氏力大小相等方向相反，从而形成一个作用力矩。U形管在此力矩作用下将发生扭曲，U形管的扭角与通过的流体质量流量相关。U形管两侧通过中心平面的时间差也与流体质量流量相关。646.3 质量流量检测方法简介n 流量计结构示意图656.3 质量流量检测方法简介n 科氏力质量流量计的特点可直接测得质量流量信号，不受被测介质物理参数的影响，精度较高；可以测量多种液体和浆液，也可以用于多相流测量；不受管内流态影响，因此对流量计前后直管段要求不高；其范围度可达100:1。但是它的阻力损失较大，存在零点漂移，管路的振动会影响其测量精度。66第三节 流量检测及仪表 能够直接

32、测量质量流量，不受流体物性（密度、黏度等）的影响，测量精度高； 测量值不受管道内流场影响，没有上、下游直管段长度的要求； 可测各种非牛顿流体以及黏滞和含微粒的浆液。 它的阻力损失较大； 零点不稳定； 管路振动会影响测量精度。67第三节 流量检测及仪表QKxyQKxy106（1）测量体积流量Q的仪表与密度计配合图3-36 涡轮流量计与密度计配合（2）测量Q2的仪表与密度计配合图3-37 差压流量计与密度计配合68第三节 流量检测及仪表（3）测量Q2的仪表与测量Q的仪表配合图3-38 差压流量计与涡轮流量计配合QKQQKyx269八、流量测量仪表的选型n 特性1：流量范围及范围度流量计的流量范围指

33、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。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。70n 特性2：测量精确度和误差流量计的精确度用误差表示。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。八、流量测量仪表的选型71n 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。八、流