化工测量及仪表第5章ppt

流量测量化学工业出版社节流件和取压系统(孔板、法兰、导压管）孔板流量计（孔板、取压系统、差压变送器）1流量的定义和流体流动状态1.1流量的定义

1.2流动状态与流量测量

1.3流体流动中的能量状态转换

定义：单位时间内通过管道有效截面的流体的量值。1.1流量的定义

按单位分类（1）体积流量：（2）质量流量：如果流体密度为ρ，根据体积流量可导出质量流量的表达式：

式中A为管道的截面积。流速u是指管道的截面平均流速(在本章中，如无特殊说明，均指平均流速)。体积流量单位一般用m3／h表示。质量流量单位一般用kg/h表示。按时间分类1.1流量的定义（1）瞬时流量：强调测量值在一个较短时间内的变化情况，在测量单位中都包含有时间单位这样的流量定义称为瞬时流量。本章介绍的绝大多数流量计都是测量瞬时流量的。（2）累计流量：统计在一个较长时间范围内的通过管道截面流量的总和总量的单位为千克(kg)或吨(T)，在单位表示中不再引入时间单位。1.2流动状态与流量测量

当流体充满水平管道并水平流动时，流动状态可分为层流、紊流。（1）层流层流是流体的一种流动状态。流体在管内流动，当流速很小时，流体分层流动，互不混合，流体质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动，亦有称为直线流动的。层流状态下，流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。这种流动状态各点的流速相差较大，在测量中，如果仅用某个局部的流速代表整个截面流速，会产生较大的测量误差。（2）紊流随着流速的增加，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，此时的水流在沿管轴方向向前运动的过程中，各层或各微小流束上的质点形成涡体彼此混掺，从每个质点的轨迹看，都是曲折错综的，没有确定的规律性，但是从整个管道截面来看，流体每个质点的运动速度接近一致。这种流动状态称为紊流，又称为乱流、扰流或湍流。1.2流动状态与流量测量（b）振荡摇摆的波形色线（c）色线破裂扩散（a）平稳而鲜明的细色线层流过渡流紊流流速和流动状态的试验效果1.3流体流动中的能量状态转换静压能和动压能

静压是由于流体分子不规则运动与物体表面摩擦接触产生的，静压对任何方向均有作用。流动时上游侧流体作一定的功以克服静压力的作用，我们就把与这部分功相当的能量称为静压能。动压指流体流动时产生的压力，只要管道内流体流动就具有一定的动压，其作用方向为流体的流动方向。动压是截面上流体运动具备的能量，故也称动压能。1.3流体流动中的能量状态转换帕努利方程

帕努利方程说明了流体流过任一截面的总能量不变，同时也反映出流动过程中各种机械能相互转化的规律。这一规律被许多以流速测量来确定流量的测量方案采用。

如果流体在流动过程中的密度不会随压力变化而发生改变，则称这种流体为理想流体。理想流体在水平管道任意截面上的静压能和动压能存在一种守恒关系，可表示为为单位重量流体具有的静压能为单位重量流体具有的动压能2节流式流量计2.1测量原理2.2标准节流装置2.3流量公式和参数的确定2.4节流装置流量测量不确定度的估算2.5标准节流装置的设计计算

2.6节流装置的安装2节流式流量计

节流件和取压系统(孔板、法兰、导压管）孔板流量计（孔板、取压系统、差压变送器）

流体在流动过程中，在一定条件下，流体的动能和静压能可以互相转换，并可以利用这种转换关系来测量流体的流量。例如在管道中安装阻力件，在阻力件前后出现压力差（简称差压）。可以通过测量此差压的大小按一定的函数关系测出流量值。在流量仪表中，一般称此阻力件为节流件，并称节流件与取出差压的整个装置为节流装置。这种类型的流量计被称为节流式流量计。由于是通过差压信号来测量流量，这种类型的流量计也被称为差压式流量计。2.1测量原理

图示为流体在水平管道中经过节孔板的流动情况示意图，在距孔板前大约（0.5~2）D（管道内径）处，流束开始收缩，即靠近管壁处的流体开始向管道的中心处加速，管道中心处流体的动压力开始下降，靠近管壁处有涡流形成，静压力也略有增加。流束经过孔板后，由于惯性作用而继续收缩．大约在孔板后的（0.3~0.5）D处流束的截面积最小，流速最快、动压力最大、静压力最低。在这以后，流束开始扩展，流速逐渐恢复到原来的速度，静压力也逐渐恢复到最大。节流件前后的静压力差与流量有函数关系。流动状态变化和静压、流速变化示意图理想不可压缩流体的流量方程

2.1测量原理假定管道的直径为D(A=πD2／4)，节流件的开孔直径为d(a=πd2／4)，由上述两个公式可求得流经节流件的流速为

由于不可压缩流体的密度可以认为是不变的，根据帕努利方程可得式中p1、p2——A、B截面上流体的静压；

ρ——

流体密度；

g—

重力加速度；u1、u2—A、B截面流体的流速

由于流动是稳定的，则从截面A流入的流体质量与从截面B流出的流体质量必然相等，所以有连续性方程式中A—截面A处的截面积；a—截面B处的截面积。2.1测量原理流过截面B的体积流量为qv=au2。令直径比β=d／D，差压Δp=p1－p2，体积流量的理论方程为根据质量流量的定义，qm=au2ρ，可写出质量流量的理论方程为由于流体通过孔板小孔的流速理想不可压缩流体的流量方程

理想可压缩流体的流量方程2.1测量原理质量流量

考虑到可压缩流体的密度受压力变化影响，流量方程引入系数ε（可膨胀性系数）以表示流体可压缩性的影响，0≤ε≤1。体积流量2.2标准节流装置常用节流装置类型孔板喷嘴文丘里管2.2标准节流装置标准孔板的结构形式和技术要求孔板的形状孔板的端面孔板和节流孔的厚度开孔的边缘节流孔的规格2.2标准节流装置喷嘴的结构形式和技术要求①总体形状②入口平面③收缩部分④喉部⑤保护槽⑥其他ISA1932喷嘴长径喷嘴

2.2标准节流装置

经典文丘里管由入口圆筒段A、圆锥收缩段B、圆筒形喉部C及圆锥扩散段E组成。

文丘里喷嘴由入口平面、收缩部、喉部和扩散段4个部分组成2.2标准节流装置取压方式(1)角接取压(2)法兰取压(3)D和D／2取压(4)理论取压

(5)管接取压

标准节流装置所采用的取压方式如下。

①孔板可以采用角接取压，法兰取压，D和D／2取压；

②ISA1932喷嘴和文丘里喷嘴上游采用角接取压，下游则各有不同；

③长径喷嘴，文丘里管的取压方式另有规定。2.2标准节流装置标准节流装置的管道、安装和使用条件(1)对流体和流动状态的要求 标准节流装置所测量的流体种类，可以是可压缩流体或者是不可压缩的液体。流体必须是牛顿流体，而且在物理学和热力学上是均匀的、单相的流体 流体要充满管道。管道内的流量应该不随时间变化，或实际上只随时间有微小和缓慢的变化。标准节流装置不适于脉动流量的测量。流体通过节流装置时，不能发生相变。流体是气体时，节流件前后的压力比应该符合要求：

p2／p1≥0.75。2.2标准节流装置标准节流装置的管道、安装和使用条件(2)管道条件 应该在紧邻节流装置上游，管道内流体流动状态接近典型的充分发展的紊流流动状态且无旋涡的位置上安装节流装置。 对节流装置前后的管段，应经目测是直的。节流件用的测量圆管的直径、粗糙度、节流装置前后直管段的长度需根据不同的节流装置和工作情况进行设计。

2.3流量公式和参数的确定由能量守恒定律和质量守恒定律所推导出理论流量方程式，指明了通过节件的流体的流量值与节流件上下游的差压值存在一定的函数关系。但是由于实际情况与理论的差异，实际测量中的一些问题在公式推导中并没有考虑在内，如果按理论流量方程式计算出流量值，则将远大于实际的流量。因此，只有对理论流量方程式进行修正后才能应用于实际的流量计算。2.3流量公式和参数的确定流出系数C式中称为渐进速度系数

质量流量体积流量假设理论流量与实际流量之间的关系为

将上式代入式理想流体流量公式，写成节流式流量计的实际流量公式为2.3流量公式和参数的确定C是无量纲的数，与节流件形状及尺寸、取压位置、管道及安装情况、流动状态等许多因素有关。在一定安装条件下，对于给定的节流装置，流出系数C只与雷诺数有关。如图为标准孔板的流出系数C与Red的关系曲线，从图中可以看出，当雷诺数Red大于某个数值(临界雷诺数)以后C值趋于稳定（即与Red无关），并且β值愈大C趋于定值的Red愈大。只有C为一常数时流量Q才能够与差压Δp之间呈现固定的函数关系，在实际测量中为保证测量的准确度，流量计的测量范围要选在大于临界雷诺数的区域内。

流出系数CC系数与雷诺数的关系2.3流量公式和参数的确定流出系数C

对于不同节流装置，只要节流装置几何相似，并且在相同的雷诺数条件下，则C是相同的，即C=f（Re，节流件类型，D，β）。目前C值皆是由实验确定，由各种实验流体(一般为水、空气、油、天然气等)在流量标准装置上先求得C的试验数据，积累大量试验数据(称为回归数据库)后，用数理统计的回归分析方法求得C的函数关系式。只要节流装置符合标准节流装置的要求，就可以直接引用标准所规定的C值，并可确定其误差范围。

ISO目前发布的孔板流量计的流出系数公式为：里德一哈利斯/加拉赫(Reader-Harris／Gallagher)公式2.3流量公式和参数的确定标准节流装置的流束膨胀系数ε

标准节流装置用于可压缩性流体时，其流束膨胀系数ε与节流件形式、取压方式、β值、p1/p2以及等熵指数k有关。对于喷嘴、文丘里管或具有廓型的节流件，它使气体膨胀沿轴向进行，可以用热力过程绝热膨胀方程计算，其计算式为

式中，ε为可膨胀性系数；k为等熵指数；τ为压力比，τ=p1/p2；p2为节流件下游侧压力，p1为节流件上游侧压力。一般气体的等熵指数k可由工程手册的相关图表直接查出。公式适用范围为：p1/p2≥0.75。2.3流量公式和参数的确定标准节流装置的流束膨胀系数ε

公式适用范围为：p1/p2≥0.75。

对于孔板，由于流体膨胀既是轴向又是径向的，不能采用上述公式，它由经验公式计算。2.3流量公式和参数的确定标准节流装置的压力损失

流体流经节流件时，由于涡流、撞击及摩擦等原因而造成压力损失。压力损失的大小因节流件的形式而异，并随口值的减少而增大，即随压差卸的增加而增加。标准孔板、ISA1932喷嘴和长径喷嘴的压力损失计算公式为

对于孔板，其压力损失也可用下式近似地计算2.3流量公式和参数的确定其他的辅助参数式中d

：工况下的节流件开孔直径；D

：工况下的管道内径；

d20

：20℃时的节流件开孔直径；D20：20℃时的管道内径；

λd

：节流件材料的热膨胀系数；λD

：管道材质的热膨胀系数；

t

：工作状态下的被测流体温度。工况下的直径比β

流量公式中的β值计算时采用的管道和节流件开孔直径，都是指流体流动的工作环境下的数值。但在设计加工时，都是在常温状态下进行各种尺寸测量，因此要进行换算，换算公式为：

式中

ρ

：

工作状态下液体的密度；ρ20：

20℃、一个标准大气压情况下的液体密度；μ

：液体在20~t

℃范围内的平均膨胀系数；

t1

：

工况下的液体温度。②气体的密度工况下的干气体密度可按下式计算2.3流量公式和参数的确定其他的辅助参数流体的密度ρ

流体在工况下的密度确定，对流量测量准确度的影响与差压处于同等重要的地位，因此必须对它进行精确的计算。

①液体密度 工况下的液体密度可按下式计算式中

ρ1

：

工作状态下气体的密度；

ρ0：

273.15K、一个标准大气压情况下的气体密度；

T0、T1

:

分别为273.15K和工作状态下的气体的绝对温度

；

p0、p1

:

分别为标准大气压和工作状态下的气体的绝对压力；

Z:

气体状态下，气体的压缩系数。2.3流量公式和参数的确定其他的辅助参数对比温度和对比压力的计算公式如下式中

pl、T1——

气体工作状态下的绝对压力和绝对温度；

pc、Tc——

气体临界绝对压力和绝对温度。流体的密度ρ③气体压缩系数Z

求取气体工况密度要使用气体压缩系数Z。一般气体的Z值可根据工况的温度和压力直接查阅工程手册或图表获取。如果没有相关气体的实验数据，可根据气体的对比温度和对比压力，在工程手册的图表中查出单一气体的Z值。

2.3流量公式和参数的确定其他的辅助参数粘度①液体的粘度液体的粘度主要与温度有关，压力影响可忽略不计，仅在接近临界温度时，才有较明显的影响。一般液体在常压下的粘度可由有关图表查出。如图为部分油品的粘度与温度的关系。混合液体的粘度不服从叠加规律，必要时应单独测定。2.3流量公式和参数的确定其他的辅助参数

式中

μ——

气体的动力粘度；Pa·s

Mr

——

气体的相对分子量；

pc

——

临界绝对压力；MPa

Tr

——

对比温度高压气体的粘度，应先求出常压下的粘度，然后乘以粘度的压力修正系数进行修正。粘度②气体的粘度

气体的动力粘度与温度有关，当气体不服从理想气体定律时，亦与压力有关。一般气体在常压下的粘度可由相关手册查得。若在查不到数据时，可按下式计算其近似值2.4节流装置流量测量不确定度的估算

不确定度计算公式如下：流出系数C的不确定度流量测量的不确定度节流件开孔直径的不确定度管道直径的不确定度节流件上下游静压力差的不确定度压缩系数的不确定度流体密度的不确定度2.5标准节流装置的设计计算

设计计算的任务和依据

在实际工作中，常常会遇到许多属于标准节流装置的设计计算问题，但主要的是两类命题形式：第一类命题是是已知管道内径、被测流体参数、预计的流量测量范围，以及其他必要条件，要求选择适当的差压上限，并确定节流件的形式及开孔直径，属于新设计标准节流装置。第二类命题已知节流件类型、取压方式、管道内径和节流件的开孔直径、被测流体参数，以及其他必要条件，要求计算出差压值所对应的流量值，属于管流计算。下面主要介绍设计新的标准节流装置的方法与步骤。2.5标准节流装置的设计计算设计计算的任务和依据

设计新的标准节流装置之前要弄清工艺要求，其中包括一般的原则和设计计算所需要的具体数据(原始数据)和要求。从工艺方面的愿望来看，可大致归纳为4点：

①测量的准确度尽可能高。

②在所要求的测量范围(最小流量~最大流量)内，流量系数具有平稳的数值，以便在测量范围内流量值和差压值之间是简单的对应关系。

③节流件前后所需要的直管段长度尽可能短。

④节流件的压力损失尽可能小，要注意降低能耗。2.5标准节流装置的设计计算设计计算程序

设计标准节流装置，计算主要是确定差压计的上限和节流件的开孔直径。一般是分成5个步骤进行。第一步是为了以后的计算需要，根据己知数据先补充或按工作条件换算出一些数据，即所谓辅助计算；第二步是确定差压计上限Δp；第三步是确定节流件的开孔直径；第四步是估算出所设计的节流装置的不确定度；最后是画出加工图纸。2.5标准节流装置的设计计算已知条件①被测介质名称。②被测介质流量；qmmax(或qvmax)，qmcom(或qvcom)，qmmin(或qvmin)。③节流件上游取压孔处是工作压力(绝对压力)p1，单位为kPa。④节流件上游取压孔处的工作温度t，。⑤20℃时的管道内径D20，单位为mm。⑥管道材料。⑦允许压力损失δp，单位为kPa。⑧管道内壁情况和上游局部阻力情况，直管段距离。⑨要求采用的节流件类型。2.5标准节流装置的设计计算辅助计算①确定工作状态下的流量标尺上限。国产差压式流量计标尺上限系列为(1、1.25、1.6、2.5、3.2、4、5、6.3、8)×10n，n为零或整数，单位为m3/h或kg/h。一般应根据工艺所给的流量进行选择，使工艺所给出的最大流量不得超过流量标尺上限。工艺给出的常用流量最好指示在流量标尺的80％左右，最小流量最好指示在30％左右的位置。②根据管道材质和节流件材质，确定线膨胀系数λD、λd。③根据D20和λD。计算工作温度t1下的管道内径D。

2.5标准节流装置的设计计算辅助计算④计算工作状态下的绝对压力p1。p1=pa+p表)⑤计算工作状态下的密度ρ1。

⑥求工作状态下粘度。

⑦求管道最小流量和常见流量下的雷诺数

⑧求K／D值，检查K／D是否合格根据管道材料情况查阅相关工程手册可得到K值，根据工况下的D值求K/D，要求K/D不大于对应节流装置的粗糙度上限标准（参见表5-2-2、表5-2-3、表5-2-4）。否则需扩大管径或另选管道材料。

2.5标准节流装置的设计计算确定差压计上限

差压上限的选择是标准节流装置设计计算中关键的一步。差压上限、流量标尺上限和节流件开孔直径比β是节流装置设计计算中3个相互关联的变量。差压上限值取得大，意味着β值取得小。β值小的优点是：流出系数开始呈现平稳时的雷诺数低，有助于测量范围的扩大；节流件上、下游所要求的直管段较短，有利于提高测量的准确度和灵敏度。其缺点是液体经过节流件时压力损失较大，增加了压力损耗；在测量静压力不大的气体和蒸汽时，Δp/p1的比值增大，意味着在测量范围内的流束膨胀性系数ε将因被测流量的不同而有明显的变化，不利于提高测量的准确度。由于差压上限与许多因素有关，并且有时相互间还存在矛盾，因此在确定差压上限时，要根据现场情况全面考虑。2.5标准节流装置的设计计算确定差压计上限如果对允许的压力损失、直管段长度等因素无特别规定时，可取β=0.5，C=0.60，按下式计算差压上限Δp

并将计算结果圆整到较其大、并接近它的系列值Δp。

被测流体为气体时，应验证所求得的差压值是否符合p2/p1≥0.75的要求，符合时，即可用；不符合时，应取稍大的β值，重新计算压差上限值，直到符合p2/p1≥0.75时为止。

如果仅仅对允许的压力损失有特别规定时，可按经验公式确定差压上限值。即孔板：Δp=(2～2.5)δp

长径喷嘴：Δp=(3～3.5)δp

式中Δp和δp应使用相同单位，并将计算结果调整到较其小、但接近它的系列值Δp。用经验公式计算的Δp，同样要经过验算，确定是否p2/p1≥0.75，如果不符合，可取较小的倍数值重新计算Δp，直到符合p2/p1≥0.75时为止。2.5标准节流装置的设计计算确定差压计上限

如果需要大量使用节流装置和差压显示仪表，为了便于管理和维护，应尽量减少差压显示仪表及备件的规格型号，应尽量减少所使用的差压上限值的种类，具体建议如下。

①被测流体的工作压力较高，允许的压力损失较大时，可选择差压上限为Δp=40kPa或Δp=60kPa。

②被测流体的工作压力中等，允许的压力损失亦属中等时，可选差压上限为Δp=16kPa或Δp=25kPa。

③被测流体的工作压力较低，允许的压力损失较小，可选差压上限为Δp=6kPa或Δp=10kPa。在确定差压上限后即可根据有关资料确定差压计的规格型号。

通过上述计算，已经确定出流量标尺上限和差压上限，并已知d=βD。则由流量公式可写出如下方程式：2.5标准节流装置的设计计算确定节流件开口直径或公式中未知数中C、ε与β有关，如果确定出β值，便可求出C与ε，进而求出d值。一般是采用迭代法求出β值，即首先把工作状态下的已知值代入上式的右边，计算出固定值A2，并将上式变化成以下公式进行迭代。2.5标准节流装置的设计计算确定节流件开口直径确定开孔直径d的设计计算程序为：①根据常用流量q、常用差压、D、ρ1计算出A2；②根据节流件不同，将A2代入相关的β0公式，求出β0。各种节流件求β0的公式如表4-9所示。③按β公式进行迭代计算，求βn。可以用误差E来控制迭代的次数，即当满足：

βn

-βn-1<E=0.0001时迭代结束。③按β公式进行迭代计算，求βn

。各种节流件求β0的公式如表4-9所示。④求d值d=βnD⑤验算流量，当时，即认为上述计算合格。⑥求d20和加工公差Δd202.5标准节流装置的设计计算验证计算求压损δp确定最小直管段长度11、22。估计流量测量的不确定度。2.6节流装置的安装

节流式流量计的安装包括节流装置、差压信号管路和差压计(或差压变送器)3个部分的安装。需要提及的是，流量和压差间为平方关系，传统的差压计标尺上的流量分度是不均匀的，愈接近标尺上限代表的流量愈大，它的输出信号必须通过附加的开方器进行开方，才能代表流量。随着微处理器的普及，带微处理器的灵巧式差压计本身就能实现开方、乘系数、工程单位换算等功能。数字式调节器或计算机控制系统本身也可对差压信号进行开方运算，从而获得流量信号，而不必额外配用开方器。2.6节流装置的安装节流装置的安装

节流装置应安装在两段具有恒定横截面积的水平圆型直管道之间。要求节流装置上游管道内流体流动状态接近典型的充分发展的紊流流动状态，且流动无漩涡。要求用目测检查表明管道是直的，上、下游侧都应有直管段，其长度因节流装置的形式不同而要求不同，要根据实验资料确定，其中标准节流装置的要求是最严格的。管道内可设置放气孔或排泄孔，用于排放气体或者固体沉积物，但在流量测量期间，不可使用放气孔或排泄孔排放流体。一般情况下放气孔或排泄孔的位置不要设计在节流件附近，其孔径应小于0.08D。2.6节流装置的安装导压管路的安装

(1)取压口取压口一般设在法兰、环室或夹紧环上。位于测量气体流量的水平管的取压口，应设在管道垂直截面的上方，以防液体或脏污物进入。测量液体流量的水平管上的取压口，可设在下方，以防气体进入。具体位置的选择如图所示。测量蒸汽流量的取压口，可设在水平管截面的水平方向。至于垂直管道上的取压口，可在取压装置的平面上任意选择。（a）流体为液体时α≤45°（b）流体为气体时α≤45°取压口位置示意图（a）（b）2.6节流装置的安装导压管路的安装

(2)引压导管

为把节流件前后的压差传送至差压计，应设两条导压管。导压管应按最短的管路来敷设，最长不超过90m；管内径要根据导压管的长度来确定，一般不得小于6mm。两根导压管应尽量保持相同的温度。两导压管里流体温度不同时，将引起其中流体密度变化，引起差压计的零点漂移。因此，两根导压管应尽量靠近。导压管内应保证是单相的流体。严寒地区和高温地区应加防冻和防止汽化的措施。安装时必须考虑有排除管内积水或积气的管路，也应避免将导压管水平安装。导压管的倾斜度不得小于1：12，其顶部应设放气阀，凹部应设置放水阀。应切实保证导管内的液体不存留气泡，否则就不能传递压差。

(3)阀

为了在必要时将测量管与主管路完全切断，应设置截断阀；阀应设在离节流件很近的地方。(4)冷凝器

冷凝器的作用是使导压管中被测量的蒸汽冷凝，并使正负导压管中冷凝液具有相同的高度且保持恒定。冷凝器的容积应大于全量程内差压计或差压变送器工作空间的最大容积变化的3倍。2.6节流装置的安装导压管路的安装

(5)集气器和沉降器被测液体中产生的气体不得在导压管中积存，故在导压管的各最高点上应设置集气器或排气阀。由于被测流体中往往含有杂质，故在导压管的最低点设沉降器或排污阀是完全必要的，在测量蒸汽流量时对排除积存的水垢也是有效的。(6)隔离器和隔离液当被测量的流体有腐蚀性、易冻结、易析出固体或具有很高粘度时，应采用隔离器和隔离液，以免破坏差压计或差压变送器的工作性能。隔离液应选择沸点高、凝固点低、化学与物理性能稳定的液体，如甘油、乙醇等。(7)清洗装置为防止脏污液体或灰尘积存在导压管和差压计中，应定期进行清洗。其方法是：被测流体为气体或液体时，可用洁净的空气吹入主管道；如果被测流体是液体，也可用洁净的液体吹入主管道。

2.6节流装置的安装导压管路的安装示例——被测流体为清洁液体时，导压管路安装方式。

(a)差压仪表在水平管道下方(b)差压仪表在水平管道上方2.6节流装置的安装导压管路的安装示例——被测流体为干燥气体时，导压管路安装方式。

(a)差压仪表在管道上方(b)垂直管道差压仪表在管道下方2.6节流装置的安装导压管路的安装示例——被测流体为蒸汽时，导压管路安装方式。

(a)差压仪表在管道下方 (b)垂直管道，仪表在取压口下方2.6节流装置的安装导压管路的安装示例——被测流体为洁净湿气体时，导压管路安装方式。

(a)差压仪表在管道下方 (b)垂直管道仪表在取压口上方2.6节流装置的安装差压仪表的安装

差压仪表的安装主要是安装地点周围条件(例如：温度、湿度、腐蚀性、振动等)的选择，以及操作和维护是否方便。如果现场安装的周围条件与差压计（或差压变送器）使用时规定的条件有明显差别时，或者不利于操作和维护时，应采取相应的预防措施或者改变安装地点。其次，当测量流体流量时或引压导管中为液体介质时，应使两根导压管路的液体温度相同，以免由于两根导压管中密度差别而引起附加的测量误差。3动压式流量计3.1靶式流量计3.2挡板流量计3.3动压管流量计3.4皮托管和均压管

3动压式流量计基本原理式中u2ρ/2为动压力。而动压力与流速u有一定关系。如果迎着流体流动的方向安放阻力体或使管道弯曲，则由于流体流动受阻或迫使流束方向改变，流体必然要冲击此障碍物，失去动量并加在阻力体或弯曲管道上一个等于u2ρ/2的动压力。测出这个动压力或者作用在阻力体上的作用力，便可以知道流速，进而求出流量。这就是应用流体动压力测量流量的方法。

在本章第一节中已经介绍过，流体在水平管道中流动时，根据能量守恒定律，可写出伯努利方程式。并可写出如下关系式

3.1靶式流量计传感器工作原理

如图所示为靶式流量计的原理图，其中实现动压信号转换的敏感元件部分是管道中的靶。流体流动时，作用在靶上的力可以分为3部分：①流体对靶的直接冲击力，即流体的动压力；②由于靶对流体的节流作用，在靶前后两侧产生的静压力差；③流体对靶的粘滞摩擦力。

靶上所受的力主要取决于前两项。流体粘滞性所产生的摩擦力，在流量很大时，可以忽略不计。因此，流体作用在靶上的力，以动能形式表示时，可以写出如下形式

式中

F：流体作用在靶上的力；ζ：阻力系数；

Ad：垂直于流速的靶面积；ρ：

流体的密度；

u：

通过环形面积的流速。靶式流量计式中，称为流量系数。它的数值是由实验确定的。

以上两式为应用靶测量流量的基本方程式。

3.1靶式流量计传感器工作原理若管道的直径为D，靶的直径为d，则通过流体的环形面积为可求出体积流量与靶上受力的关系为

或3.1靶式流量计传感器工作原理

选择适当的数据单位，归并常数项，并令β=d/D，另外当测量工况下温度较常温偏高或偏低时，考虑靶体受热胀冷缩影响，在公式中还需引入修正系数Kt，所以最终的实用流量公式为

从上式可知，在被测流体的密度ρ，管道直径D、靶径d和流量系数α已知的情况下，只要测出靶上受到的作用力F，便可以求出通过流体的流量。3.1靶式流量计流量换算和压力损失

流量系数α与靶形、管径D、直径比β、雷诺数ReD，等因素有关，并且与靶和靶腔的同心度、加工精度有关。因此在没有完整的试验数据情况下，一般都是由流量试验求出它与ReD、D、β之间的关系曲线。

图示为一组流量系数α与β、ReD的试验曲线。从曲线可以看出，流量系数趋于平稳时的相应雷诺数值比前面已介绍的差压式要低，所以这种测量方法对于高粘度、低雷诺数的流体更显示出其优越性。

雷诺数较低时，流量系数随ReD值的变化而显著的变化，表明作用在靶上的粘滞摩擦力影响显著，因此在实际应用时，必须予以注意，只有在流量实际变化范围内，D值基本保持恒定，才能保证测量准确度。

3.1靶式流量计流量换算和压力损失

实际流体通过靶时产生摩擦力，在靶后产生旋涡，这些都将消耗流体一部分能量，造成压力损失。压力损失与流量计的口径、靶径比、流量大小及流体性质有关。在相同流体、相同流量和相同口径的情况下，靶径比越小，压力损失δp也越小。压力损失一般与D、β以及流量大小、流体性质有关，其特性曲线如图所示。3.1靶式流量计被测介质改变时流量的换算

靶式流量计出厂前是按水或空气进行标定的，如果使用时被测介质与标定时不同，将造成测量误差。测量气体时除介质不同可造成误差外，温度和压力与标定时不同也将造成测量误差。此时需要对示值进行修正换算。换算公式如下式中，qv0—

仪表显示的流量；

qv1—

被测流体的真实流量；

ρ0—

水或空气标准状态下的密度；

ρ1—

被测流体标准状态下的密度；

α0—仪表用水或空气标定时的流量系数；

α1—实际条件下的流量系数。3.1靶式流量计被测介质改变时流量的换算对于气体α0=α1，ρ0和ρ1均为标准状态下的值，所以

如果被测气体不是空气，而且温度和压力也与标定时不同，则应按下式换算：式中p0

—

标准状态(标定时)下的绝对压力，101.3kPa；p1

—

实际工作状态下的绝对压力；T0

—

标准状态下(标定时)的绝对温度，293.16K：T1—

实际工作状态下的绝对温度。3.1靶式流量计靶式流量计的特点与安装特点：

①可采用应变片测量靶上所受之力，无可动部件，结构牢固简单。

②可测量脏污的流体，如污水、原油、高温油渣等。

③可用于小口径(DNl5~DN50)、低雷诺数的流体，它弥补了标准节流装置难以应用的场合。

④可采用干式(挂重法)校验，给用户周期校验带来方便。高流速冲击靶板，其后产生涡街，输出信号会发生振荡，影响信号的稳定性，因此高流速测量对象慎用。安装应注意以下问题：

①靶前应有8D长的直管段，靶后应有5D长的直管段。

②应水平安装，并应有旁路管以便调整和校对仪表的零点，以及在维修仪表时不致影响生产。

③安装时必须保证靶的中心与管道轴线同心。3.2挡板流量计

如果在管道中放置的阻力体是可以回转的挡板的话，那么在管道中没有流体时，由于挡板本身的质量或外加的弹簧使挡板垂直向下，将管道封闭。当有流体通过时．由于挡板阻碍流体的流动因而有动压力作用在挡板上，挡板便要偏转一个角度，并且角度的大小与流速有关。因此，测出挡板的偏转角度便可以求出通过管道的流量。

如图所示，设挡板的面积为AK，挡板在流体中的重量为W；流体的密度和流速分别为ρ和u，则与应用靶的情况相类似，可求出流体对挡板作用力的法线方向分力为

式中，K为系数，它与挡板的型线和挡板偏转角度有关，因与偏转角度(即挡板开度)有关．所以K并非常数；θ为挡板与径向的夹角。

3.2挡板流量计

在挡板本身的质量(或还有外加的反作用弹簧)所形成的反作用力矩，与流体动压的作用力矩相等时，挡板便要停留于某个角度，维持平衡，而不再摆动。此时有如下平衡关系式中L/2为力臂。由上式可求得流动速度为如果管道截面积为A，可得用挡板测量时的体积流量方程式为式中的系数K要靠试验测得。3.3

动压管流量计

测量原理

流体在流动过程中，如果流动速度的大小和方向发生变化时，必定是有作用力作用在流体上，同时，流体也必将以大小相等、方向相反的力作用在使其速度改变的物体上。因此，流体通过弯曲管道时，由于流动方向被改变，必然要有流体的动压力作用在管道上，动压力的大小与通过的流量有关。

应用动压管测量流量的方法，是将管道弯成半圆形（180˚）弯管，通过测量流体对管道的作用力，以求出经过流体的流量值。3.3

动压管流量计

如图所示的弯曲管道，由于受流体冲击，管壁对流体产生反作用力F，在忽略粘度影响下，可分解成x、y两方向的分力，即 式中

ρ——

流体的密度；

qv——

流过管道的流量；

Fx——

管壁对流体的反作用力在x方向上的分力（设流入方向为x）；

Fy——

管壁对流体的反作用力在y方向上的分力（设流出方向为y）；

p1、ul、Al——

流体入口侧的压力、流速和截面积；

p2、u2、A2——

流体出口侧的压力、流速和截面积；θ一

流体流出方向和x轴的夹角。

测量原理3.3

动压管流量计由前式可知，在θ=π时，Fy=0，同时有

由于管道较短，并假设管道的内径相同，则可以认为A1=A2=A；p1=p2=p；u1=u2=u0，因而可写出如下形式

如果采取适当的方法消除静压的pA作用，则在x方向的作用力为即作用力F与流量qv的平方成比例。

测量原理3.3

动压管流量计测量装置示例

消除静压和测量作用力的方法如图所示。由于采用U形管道，在流体充满管道时静压被消除。流体作用在U形管的力被簧片应力所平衡，用差动变压器检测出U形管的位移。

这种测量方法，作用在检测器上的粘滞力由于采用180°的弯管面被消除，所以采用适当的位移检测方法可认为不受粘度影响。并且由于管道内无凸出部件，因而可用来测量含有悬浮物流体的流量。

假如在一个流体以流速。均匀流动的管道里，安置一个弯成90’的细管，仔细分析流体在细管端处的流动情况可知：紧靠管端前缘的流体因受到阻挡而向各方向分散以绕过此障碍物；而处于管端中心处的流体就完全变成静止状态。假设管端中心的压力为p0，而p是同一深度未受扰动流体的压力，并且那里的流速为u、密度为ρ，则由伯努利方程可得

3.4皮托管和均压管

皮托管测量原理并可改写成如下形式一般称p0为总压力。

静压p总压P03.4皮托管和均压管

皮托管测量原理

由于总压力p0是动压力u2ρ/2与静压力p之和，即把测量动压力归结为测量总压力与静压力之差，所以有时也将皮托管称为动压管，并由上式可导出流速与压力差之间的关系

为了通过上式关系求出流速，就要准确测出总压力p0和静压力p，而测定静压力p要比测定总压力困难得多。因为，当把测量静压的敏感元件放到要测量的那点时，那点的静压就受到了扰动。实际用来测量流速的总压力和静压力的开孔不可能合于一点，两个开孔实际上是在不同的点上，因此测量的结果，不能完全符合上式关系。静压p总压P03.4皮托管和均压管

皮托管测量原理

国际标准化组织ISO建议的动压测量管结构，称为基型动压测量管，如右图所示。由于动压测量管的直径与管道直径之比很小，故以动压测量管侧面开孔测出的绕流静压代替管端中心的静压力p，误差很小。动压测量管的制造精度、全压力和静压力测量孔的开孔直径、测得的全压力p0和静压力p与理论值的差别等均对示值有影响，因此实际计算公式必须引入一个系数ξ，于是流量公式可改为

上式为应用皮托管测量不可压缩性流体的基本方程式。3.4皮托管和均压管

均压管测量原理

必须指出，动压测量管测得的流速，是它所在那一点的流速，而不是平均流速，因此利用它来测量管道中流体的流量时必须按具体情况确定测点的位置。理论和实践均证明，在圆管内作层流流动的流体，距管中心0.707R（R为圆形管道的半径）处的流速，等于截面上的平均流速；如果圆管内达到充分发展的紊流流动，在直管段大于50倍管径的情况下，根据实验，距管中心0.762R处的流速近似等于平均流速。如果需要较高的测量精度，一般是把管道圆形截面积用同心圆方法分成n个相等的圆环面积，测出各环的面积中心速度为ui，再计算平均流速，在这种情况下，用皮托管测量流速并求出流量比较麻烦，需要测量多个点的流速才可以求出平均流速。并且很难实现自动测量平均流速。为了解决这一问题，20世纪60年代开始出现在皮托管的基础上直接测量平均流速的方法，即应用称为均压元件的测量方法。3.4皮托管和均压管

均压管测量原理测量原理

它的考虑方法是，把管道圆形截面积分成4个相等的部分(两个半环形和两个半圆形)，见图（a），选取合理的位置取出各个小面积范围的总压力的平均值，然后再取出它们的平均值即作为总压力的平均值。如图（b）所示，总压力取压管在面向流束方向开4个取压孔(小孔的位置由理论计算得出)，以测量4个小面积上的平均压力。在取压管中间插入一根取总压力平均值的导管，导管取压孔开在管道轴线位置。背着流束方向安置一根导管取静压力。由此测出的总压力与静压力之差，便可根据公式求出流量。

动压平均管又名笛形管、阿牛巴管，由均压元件组成的流量计称为均速管流量计，又称阿牛巴流量计。4浮子式流量计4.1传感器的结构和测量原理

4.2浮子流量计的工作特性

4.3刻度换算

4.4金属管转子流量计

4浮子式流量计

浮子式流量计也称转子流量计，常用于对较小管径的流量测量。转子流量计具有结构简单、工作可靠、压力损失小而且恒定、界限雷诺系数低、量程宽(10：1)、可测较小流量以及刻度线性等优点，广泛应用于各种气体、液体的流量测量和自动控制系统中。转子流量计分为玻璃管转子流量计和金属转子流量计两大类。金属管转子流量计除基型外还有特殊耐腐蚀型和保温型。4.1传感器的结构和测量原理

传感器的结构

浮子式流量计传感器结构如图所示。在一个上宽下窄的锥形管中，垂直地放置1个阻力件——浮子，当流体自下而上地流经锥形管时，由于受到流体的冲击，浮子便要向上运动。随着浮子的上升，浮子与锥形管间环形流通面积增大、流速减低，对浮子的冲击力也将减小，直到浮子的重力与流体作用在浮子上的力相平衡时，则浮子停留在某个高度，维持平衡。流量变化时，浮子将改变流通面积移到新的位置，继续保持平衡。因此，将锥形管的高度按流量值刻度，则从浮子最高边缘所处的位置便可以知道经过锥形管流体的流量值。

这种测量方法无论浮子处于哪个平衡位置，浮子前后的压力差是恒定的，是通过流通面积的变化，反映出流量的大小。

式中

Vf、Af、ρf分别为浮子的体积、最大截面积和浮子材料的密度；ρ、u为流体的密度和流速；ξ为阻力系数；g为重力加速度。当浮子处于平衡位置时

4.1传感器的结构和测量原理传感器转换原理

转子流量计的工作原理如图5-4-2所示。当流体自下而上地流经锥形管时，如果忽略流体的静压对浮子的作用，则作用在浮子上有3个力：即浮子本身垂直向下的重力F1；流体作用在浮子上的浮力F2；流体作用在浮子上的动压力F3。它们分别为4.1传感器的结构和测量原理传感器转换原理

由前式可求得流体通过环形面积的流速为

如果设环形流通面积为A0，可求得体积流量为式中α=α称为流量系数，是通过试验确定的。上式是变面积式流量计的基本流量方程式。可以看出，当锥形管、浮子形状和材质已定时，环形面积A0是随流量大小而变化的。

式中r和R分别为浮子在最低位置和测量位置对应的管道半径。由图可知4.1传感器的结构和测量原理传感器转换原理

而环形面积A0与高度h之间的关系为

式中φ为锥形管道与垂直面的夹角，其值小于5°。将上式的代入面积公式可得将A0的关系式代入流量公式，可得

由上式可见，qv与h之间并不是线性函数关系，只是由于φ角很小，h2tg2φ项可以忽略不计，故可将qv与h之间近似为线性函数关系。即4.2浮子流量计的工作特性流量系数与转子形状的关系

流量系数α因浮子的形状不同而有所不同．右图是4种不同形状的浮子的流量与直径比D／d的关系曲线。横坐标锥管直径与浮子直径之比D／d是表示浮子的位置，曲线的斜率越大，表明流量计的灵敏度越高。4.2浮子流量计的工作特性流量系数与雷诺数关系

图示为由几种不同形状的浮子构成的转子流量计的流量系数α与雷诺数的关系。从图中可以看出，当雷诺数较小时，流量系数α随雷诺数变化，当雷诺数达到一定值后，α基本上保持平稳。不同形状的浮子的流量系数与雷诺数的关系曲线也不同，4.2浮子流量计的工作特性粘度影响

当被测介质的粘度发生变化时，也将对流量计的示值产生影响。导致测量误差。实验表明，尤其对小口径的转子流量计，浮子沿流体流动方向的长度较长，粘度变化引起的测量误差不能忽略。

4.3刻度换算

在使用变面积式流量计时，必须事先知道流体的密度。仪表的刻度特性与被测流体的工况有密切关系。因此仪表直接以流景刻度时，必须标明被测介质的名称、密度、粘度、温度和压力。转子流量计出厂时是在标准状态（20℃，101325Pa）下。用水（对液体）或空气（对气体）介质标定刻度的。当被测介质或工况改变而粘度相差不大时，仪表刻度的修正或换算方法如下。4.3刻度换算液体介质

设标定状态下介质的密度、体积流量分别为ρ0和qv0，实际工作时介质的密度、体积流量分别为ρ和qv，忽略粘度变化影响时，可导出如下关系

设标定状态下的绝对温度为293K，绝对压力为101325Pa，气体的密度、压缩系数和体积流量分别为ρ0、Z0和qv0，实际工作时状态下的绝对温度为T，绝对压力为Z，气体的密度为ρ，体积流量为qv、，可导出两者的关系为

在常压状态下Z／Z0=1，对于湿气体的测量，除了考虑密度、温度和压力外，还必须考虑湿气体的饱和压力或相对湿度等因素。

气体介质4.4金属管转子流量计

金属管转子流量计耐压较高，除能够就地指示外还能远传发讯，给出统一的标准信号，可作为自动控制系统中的流量自动检测仪表，给出流量信号。近年来得到较快的发展。由于数字化和微机技术的应用，用户可将具体使用条件如被测介质的密度、工作时的压力、温度、粘度等参数事先设置在仪表中，经过微机运算后直接给出实际流量及与其相一致的远传信号，便于进行操作和控制。转子流量计的传感器部分不再使用锥形管，而浮子是锥形的（见下图），这样可以缩短浮子行程。无论浮子处于任何工作位置，均不突出法兰，使得各种不同口径的转子流量计的高度相同，给使用安装带来很大方便。5电磁式流量计

1测量原理2变送器的结构及特性

3变送器的信号处理

4电磁流量计的特点和注意事项

5电磁式流量计

在炼油、化工生产中，有些液体介质是具有导电性的，因而可以应用电磁感应的方法去测量流量。电磁流量计的特点是能够测量酸、碱、盐溶液以及含有固体颗粒(例如泥浆)或纤维液体的流量。电磁流量计通常由传感器、转换器和显示仪组成。

电磁流量变送器由传感器和转换器两部分组成。被测流体的流量经传感器变换成感应电势，然后再由转换器将感应电势转换成统一的直流标准信号作为输出，以便进行指示、记录或与计算机配套使用。电磁流量计的准确度等级为0.5~2.5级。1测量原理

由电磁感应定律可以知道，导体在磁场中运动而切割磁力线时，在导体中便会有感应电势产生，这就是发电机原理。同理，如图5-5-1所示，导电的流体介质在磁场中作垂直方向流动而切割磁力线时，也会在两电极上产生感应电势，感应电势的方向可以由右手定则判断，并存在如下关系。

式中

Ex——

感应电势；

B——

磁感应强度；

D——

管道直径，即导体垂直切割磁力线的长度；

u——

垂直于磁力线方向的液体速度。

体积流量qv（cm3／s）与流速u的关系为

1测量原理

将上两式合并，便得

式中

k称为仪表常数，在管道直径D已确定并维持磁感应强度B不变时，k就是一个常数。这时感应电势则与体积流量具有线性关系。因此，在管道两侧各插入一根电极，便可以引出感应电势，由仪表指出流量的大小。2变送器的结构及特性

电磁流量计的变送器主要由导管、绝缘衬里、电极、激磁线圈、磁轭、外壳及正交干扰调整电位器等构成，其具体结构随着测量管口径的大小而不同。如图所示为电磁流量计变送器的结构。1—外壳；2—励磁线圈；3—磁轭；4—内衬；5—电极；6—

绕组支持件2变送器的结构及特性

磁路系统

磁路系统的作用是产生均匀的直流或交流磁场。直流磁路用永久磁铁来实现，其优点是结构比较简单，受交流磁场的干扰较小；其缺点是电极上产生的直流电势将引起被测液体的电解，因而产生极化现象，破坏了原来的测量条件。当管道直径很大时，永久磁铁相应也很大，笨重且不经济，所以电磁流量计一般采用激磁线圈，利用交流电信号产生交变磁场激磁。电极

电极一般由非导磁的不锈钢材料制成。而用于测量腐蚀性流体时，电极材料多用铂铱合金、耐酸钨基合金或镍基合金等。要求电极与内衬齐平，以便流体通过时不受阻碍。电极安装的位置宜在管道水平方向，以防止沉淀物堆积在电极上而影响测量准确度。1—

电极；2—

螺母；3—

导电片；4—

垫圈；5—

绝缘套：6—

衬里

2变送器的结构及特性测量导管

由于测量导管处在磁场中，为了使磁力线通过测量导管时磁通量被分流或短路，测量导管必须是由非导磁、低电导率、低热导率和具有一定机械强度的材料制成，可选用不锈钢(1crl8Ni9Ti)、玻璃钢，也有用刚玉管的。

绝缘衬里

用不锈钢等导电材料做导管时，在测量导管内壁与电极之间必须有绝缘衬里，以防止感应电势被短路。为防止导管被腐蚀并使内壁光滑，常常在整个测量导管内壁涂上绝缘衬里，衬里材料视工作温度不同而不同，一般常用搪瓷或专门的橡胶、环氧树脂等材料。3变送器的信号处理励磁方式对测量的影响

变送器的磁场有3种励磁方式，即直流励磁，交流正弦波励磁和非正弦波交流励磁。直流励磁方式能产生一个恒定的均匀磁场。其优点是结构简单，受交流磁场干扰较小，可以忽略液体中的自感的影响，其缺点是电极上产生的直流电势将引起被测液体的电解，因而产生极化现象，破坏了原来的测量条件。所以直流励磁只用于非电解质液体的测量，例如液态金属钠或汞等的流量测量。交流正弦波励磁一般采用工业频率的交流电源，非正弦波交流励磁方式则采用低于工业频率的方波或三角波励磁，通过励磁线圈产生交变磁场，以克服直流励磁的极化现象。3变送器的信号处理交流正弦波励磁方式带来的各种干扰

使用交流正弦波产生励磁信号，可以克服直流励磁产生的极化干扰，但又会带来正交干扰和共模干扰。式中

Bm——

磁感应强度的最大幅值；

ω——

交变磁场的角频率。

采用交变磁场可以有效地消除极化现象，但是，也出现了新的矛盾。在电磁流量计工作时，管道内充满导电液体，因而交变磁通，不可避免地也要穿过由电极引线、被测液体和转换部分的输入阻抗Rf入构成的闭合回路，从而在该回路内产生一个干扰电势，干扰电势的大小为

（1）正交干扰的产生采用交变磁场时，磁感应强度B=Bsinωt，则感应电势的方程式为 3变送器的信号处理交流正弦波励磁方式带来的各种干扰

使用交流正弦波产生励磁信号，可以克服直流励磁产生的极化干扰，但又会带来正交干扰和共模干扰。（1）正交干扰的产生

可以看出，信号电势Ex与干扰电势et，的频率相同，而相位上相差90°，所以习惯上称此项干扰为正交干扰(或90°干扰)。严重时，正交干扰et可能与信号电势Ex相当，甚至超过Ex。

为减少正交干扰影响，一般在变送器部分的结构上注意使电极引线所形成的平面保持与磁力线平行，避免磁力线穿过此闭合回路，并设有机械调整装置，以减小干扰电势et。此外还设有调零电位器，如右图所示，从一根电极上引出二根导线，并分别绕过磁极形成两个回路，当有磁力线穿过此闭合回路，必然要在两个回路内产生方向相反的感应电势，通过调整调零电位器，使干扰电势相互抵消，以减小正交干扰电势，剩余部分的正交干扰将在转换器中利用相敏检波方法检出并消除。3变送器的信号处理交流正弦波励磁方式带来的各种干扰(2)共模干扰在两个电极上同时出现的、幅值和相位都相同的干扰，一般称为共模干扰，即两极对地共同产生一个电位变化。产生的原因为：①静电感应引起的共模干扰。在电磁流量计变送器的测量管上下各安装一个激磁绕组，在测量管的另一方向上安装一对电极。激磁绕组与电极之间是相互绝缘的，除有绝缘电阻Rm外还存在着分布电容Cf。激磁电压加在绝缘电阻与分布电容并联的阻抗及被测液体的电阻RS上，信号电极在这些电阻和阻抗之间，故其上必有一个分压，如图所示。由于两电极是对称的，所以两极共同对地产生一个电位差，这就是一个共模干扰。3变送器的信号处理交流正弦波励磁方式带来的各种干扰(2)共模干扰②地电流引起的共模干扰。变送器安装于工业管道上，这些管道又都是接地的，在管道及地中往往存在着杂散电流(各种用电设备漏电造成)，这些地电流在地电阻上产生电压降，因而在地的不同点电位不一样。变送器的电极是与被测液体接触的，被测液体是接地的，电磁流量计的转换器也接地。在变送器通过被测液体所接的地与转换器的地之间由地电流造成的电位差en将通过被测液体加到两极上，如图所示。这样电极A与B对转换器的地共同有一个电位差，这又是一个共模干扰。

抑制共模干扰的方法：对付静电感应引起的共模干扰，应对电极和激磁绕组进行严格的静电屏蔽，以降低激磁绕组与电极间的分布电容。降低激磁电压也降低共模干扰。更重要的是用一根导线将变送器的壳体、转换器的壳体、被测液体、管道等连在一起并良好接地，也就是使得它们“共地”，此时RD减至最小。此外转换器的前置放大器应选择抑制共模干扰能力强的线路。3变送器的信号处理交流正弦波励磁方式带来的各种干扰(3)激磁电压的幅值和频率变化引起的干扰当激磁电压的幅值发生变化时，激磁电流也将发生变化，从而造成磁感应强度B的变化。这时虽然被测液体的流速没有变化，感应电势却发生了变化，造成测量误差。另外激磁电压的频率一旦发生变化，由于激磁绕组是感性负载，阻抗也随之发生变化，同样造成激磁电流的变化，也引起测量误差。为了克服此项干扰，必须对信号电压Ex进行除以磁感应强度B的运算，一旦由于上述干扰引起B的增加（减少），造成Ex增加（减少），但Ex/B却没有变化，即可消除此项干扰。这种运算功能也是由转换器电路实现。3变送器的信号处理变换器结构及信号处理1—

前置放大器；2—

主放大器；3—相敏整流器；4—功率放大器；5—

正交干扰抑制器；6—

霍尔乘法器；7—

电源3变送器的信号处理变换器结构及信号处理

为了便于分析，将原理图简化成方框图，并设前置放大器的放大系数为A1，主放大器的放大系数为A2，相敏整流器的传递系数为A3，功率放大器的放大系数为A4。可得电磁流量计转换部分闭环传递函数的传递系数为

上式中由于前式中，

>>1，则上式可以改写成如下形式3变送器的信号处理变换器结构及信号处理将感应电势Ex与流量qv的关系代入上式，则得

可以看出，由于在电磁流量计的转换部分采用了负反馈系统，不仅提高了转换部分的稳定性，而且还利用反馈电路实现了Ex/B的运算，从而可以克服电源波动的影响。3变送器的信号处理方波励磁

鉴于采用交流正弦波励磁存在难以完全消除的90˚干扰电压，而完全采用直流磁场又有极化的弊端，因此目前电磁流量计广泛采用低频二态矩形波、三态矩形波及双频波励磁方式，

低频矩形波励磁电流的频率一般为工频的的1/4~1/32。双频波励磁方式是在低频二值矩形波6.25Hz频率的基础上，加上一个高频率75Hz的调制波。在矩形波的一个波内可以看成是直流激磁，因此前述之正交干扰几乎不存在，分布电容引起的共模干扰也没有，从而可大大提高零点稳定性和测量精度。从总体上看，磁场方向还是交变的，因此极化现象不存在。3变送器的信号处理方波励磁

由于矩形波上升和下降沿的磁场变化率远大于正弦信号，测量信号中包含各种干扰更严重，但可以通过控制采样时间，躲过干扰严重的过渡过程，等信号达到稳定时再对信号采样。采样宽度为工频的整数倍，可消除这种普遍存在的严重干扰，如右图所示。低频方波还可以节省激磁本身消耗的电能。缺点是动态响应慢，被测流量波动的频率要比激磁频率低得多才行。而采用双频波励磁方式除具有低频矩形波励磁方式的优点外，还具有动态响应好、噪声小的优点。4电磁流量计的特点和注意事项电磁流量计的特点电磁流量计具有如下优点：（1）测量导管内无可动部件或凸出于管道内的部件。因而压力损失很小，并可测量含有颗粒、悬浮物等流体的流量，例如纸浆、矿浆和煤粉浆的流量。这是电磁流量计的突出特点。由于电磁流量计的衬里和电极是防腐的，可以用来测量腐蚀性介质的流量。（2）电磁流量计输出电流与流量间具有线性关系，并且不受液体的物理性质（温度、压力、粘度）的影响。特别是不受粘度的影响，这是一般流量计所达不到的。（3）电磁流量计的测量范围很宽，对于同一台电磁流量计，可达1：100。它的口径可以从直径1mm做到2m以上。（4）电磁流量计反应迅速，可以测量脉动流量。4电磁流量计的特点和注意事项电磁流量计的特点但是，事物都是一分为二的，电磁流量计也有局限性和不足之处。（1）工作温度和工作压力电磁流量计的最高工作温度，取决于管道及衬里的材料发生膨胀、形变和质变的温度。因具体仪表而有所不同，一般低于120℃。最高工作压力取决于管道强度、电极部分的密封情况，以及法兰的规格，一般不超过4MPa。（2）被测流体的导电率电磁流量计不能测量气体、蒸汽和石油制品等非导电流体的流量。对于导电介质，从理论上讲，凡是相对于磁场流动时，都会产生感应电势，实际上，电极间内阻的增加，要受到传输线的分布电容，放大器输入阻抗，以及测量准确度的限制。（3）流速和流速分布电磁流量计也是速度式仪表，感应电势是与平均流速成比例。而这个平均流速是以各点流速对称于管道中心的条件下求出的。因此流体在管道中流动时，截面上各点流速分布情况对仪表示值有很大的影响。对一般工业上常用的圆形管道点电极的变送器来说，如果破坏了流速相对于导管中心轴线的对称分布，电磁流量计就不能正常工作。因此在电磁流量计的前后，必须有足够的直管段长度，以消除各种局部阻力对流速分布对称性的影响。流速的下限一般为50cm/s。由于存在零点漂移，在流速为零时，并不一定没有输出电流，因此在低流速工作时应注意检查仪表的零点。由于电磁流量的总增益是有一定限度的，因而为了得到一定的输出信号，流速下限是有一定限度的。4电磁流量计的特点和注意事项使用电磁流量计应注意的问题（1）变送器的安装位置，要选择在任何时候测量导管内都能充满液体，以防止由于测量导管内设有液体而指针不在零点所引起的错觉。最好是垂直安装，以便减少由于液体流过在电极上出现气泡造成误差。（2）电磁流量计的信号比较微弱，在满量程时只有2.5~8mV，流量很小时，输出仅有几微伏，外界略有干扰就能影响测量的准确度。因此，变送器的外壳、屏蔽线、测量导管，以及变送器两端的管道都要接地。并且要求单独设置接地点，绝对不要连接在电机、电器等的公用地线或上下水道上。转换器已通过电缆线接地，且勿再行接地，以免因地电位的不同而引入干扰。（3）变送器的安装地点要远离一切磁源(例如大功率电机、变压器等)，不能有振动。（4）变送器和二次仪表必须使用电源中的同一相线，否则由于检测信号和反馈信号相位差120˚，使仪表不能正常工作。6离心式流量计6.1测量原理6.2弯管流量计的特性

6离心式流量计

流体在弯曲管道中流动时，由于在做圆周运动而受到离心力的作用，其离心力的大小与管道的曲率半径、流体的密度以及流体的流动速度等因素有关，并且可以通过弯管内的内侧壁和外侧壁处的压力差反映出来。因此，当弯管的形状和被测流体的性质已经确定时。便可以通过测量弯管内外侧管壁处的差压值而求出流经弯管流体的流量值。一般将这种应用离心力原理，以弯管作为流量测量元件的流量计称为弯管流量计或弯头流量计。作为测量元件的弯管常用的有90°、180°、360°三种，本节以90°为例对离心流量计进行简要的介绍。弯管流量计特点是作为测量元件的弯管压损很低，它不要求管路提供很大的压头以满足流量测量的要求。如果是利用管路中已有弯头作为测量元件，则不会因为测量流量而带来附加的能耗。这对于低压头的流量测量和流量测量中的节能是非常有用的。弯管流量计可以测量双向流的流量，脏污介质的流量，也可以用于气体流量测量。弯管的结构简单，价格低，寿命长。弯管流量计的应用有两种