计量技术-流量计原理及选用.ppt

1、2020/8/6,1,计量技术,流量计原理及选用 李自力 中国石油大学（华东）储运系 2006年3月,2020/8/6,2,一、精密度、正确度、精确度,2020/8/6,3,1精密度 计量的精密度(precision of measurement)，系指在相同条件下，对被测量进行多次反复测量，测得值之间的一致(符合)程度。从测量误差的角度来说，精密度所反映的是测得值的随机误差。精密度高，不一定正确度(见下图)高。也就是说，测得值的随机误差小，不一定其系统误差亦小。,2020/8/6,4,2正确度计量的正确度(correctness of measurement)，系指被测量的测得值与其“真值”

2、的接近程度。从测量误差的角度来说，正确度所反映的是测得值的系统误差。正确度高，不一定精密度高。也就是说，测得值的系统误差小，不一定其随机误差亦小。,2020/8/6,5,3精确度计量的精确度亦称准确度(accuracy of measurement)，系指被测量的测得值之间的一致程度以及与其“真值”的接近程度，即是精密度和正确度的综合概念。从测量误差的角度来说，精确度(准确度)是测得值的随机误差和系统误差的综合反映。,2020/8/6,6,设图中的圆心O为被测量的“真值”，黑点为其测得值，则图(a)：正确度较高、精密度较差；图(b)：精密度较高、正确度较差；图(c)：精确度(准确度)较高，即精

3、密度和正确度都较高。,2020/8/6,7,二、流量测量方法和仪表的选用,2020/8/6,8,（一） 容积式流量计 容积式流量计又称排量流量计（positive displacement flowmeter），简称PD流量计或PDF，在流量仪表中是精度较高的一类。 它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。PD流量计一般不具有时间基准，为得到瞬时流量值需要另外附加测量时间的装置。定排量测量方法可追溯到18世纪，20世纪30年代进入普遍商业应用。,2020/8/6,9,1、 原理 典型的PDF（椭圆齿轮式

4、）的工作原理如图1所示。两个椭圆齿轮具有相互滚动进行接触旋转的特殊形状。P1和p2分别表示入口压力和出口压力，显然p1p2，图1（a）下方齿轮在两侧压力差的作用下，产生逆时针方向旋转，为主动轮；上方齿轮因两侧压力相等，不产生旋转力矩，是从动轮，由下方齿轮带动，顺时针方向旋转。在图1(b)位置时，两个齿轮均在差压作用下产生旋转力矩，继续旋转。选装到图1(c)位置时，上方齿轮变为主动轮，下方齿轮则成为从动轮，继续旋转到与图1(a)相同位置，完成一个循环。一次循环动作排出四个由齿轮与壳壁间围成的新月形空腔的流体体积，该体积称作流量计的循环体积。,2020/8/6,10,2020/8/6,11,设流量

5、计“循环体积”为，一定时间内齿轮转动次数为N，则在该时间内流过流量计的流体体积为V， 则 VN （1） 椭圆齿轮的转动通过磁性密封联轴器及传动减速机构传递给计数器直接指示出流经流量计的总量。若附加发信装置后，再配以电显示仪表可实现远传指示瞬时流量或累积流量。 PDF产生误差的主要原因是分割单个流体体积的活动测量件和静止测量室之间的缝隙泄漏量所形成。产生泄漏的原因之一是为克服活动件摩阻力；之二是受仪表水力学阻力形成压力降的作用。,2020/8/6,12,2、结构 PDF品种繁多，结构形式亦多种多样，但其主要部件组成大同小异，现举腰轮流量计作为范例说明。 腰轮流量计的构造框图如图2所示。,2020

6、/8/6,13,2020/8/6,14,2020/8/6,15,1） 计量室 腰轮流量计由一对腰轮和壳体构成，两腰轮是有互为共轭曲线的转子，即罗茨（Roots）轮，与腰轮同轴装有驱动齿轮，被测流量推动转子旋转，转子间由驱动齿轮相互驱动。腰轮、计量室壳体一般由铸铁、铸钢或不锈钢制成，要根据流体腐蚀性及其工作压力、温度选用。计量室也有单独制成，与仪表外壳分离，这样计量室就不承受静压，没有静压引起变形的附加误差。,2020/8/6,16,2） 传动机构 传动机构包括磁性联轴器（或机械密封装置）和减速变速机构。变速调整机构由齿轮对组合而成。3） 积算器和指示表头 类型较多，有指针式指示和数字式指示；有

7、不带复位计数器和带复位计数器；也由带瞬时流量指示，带打印机，带设定部，等等。4） 自动温度补偿器 对被测介质温度变化影响进行连续自动补偿，有机械式、也有电气电子式。5） 自动压力补偿器 对被测介质静压变化影响作自动修正。6） 发信器 发信器有多种形式，有接触式和非接触式。,2020/8/6,17,3、优点 PDF计量精度高，基本误差一般为0.5，特殊的可达0.2或更高。通常在昂贵介质或需要精确计量的场合使用。 PDF在旋转流和管道阻流件流速场畸变时对计量精确度没有影响，没有前置直管段要求。这一点在现场使用中有重要的意义。,2020/8/6,18,PDF可用于高粘度流体的测量。范围度宽，一般为1

8、0:1到5:1，特殊的可达30:1或更大。 PDF是直读式仪表，无需外部能源，可直接获得累计总量，清晰明了，操作简便。 在以体积流量计组合的间接法质量流量测量中，PDF与速度式等推导体积流量计相比，所得体积是直接几何量，体积量的影响因素要单纯些。,2020/8/6,19,4、缺点 PDF结构复杂，体积大，笨重，尤其较大口径PDF体积庞大，故一般只适用于中小口径。与其他几类通用流量计（如差压式、浮子式、电磁式）相比，PDF的被测介质种类、介质工况（温度、压力）、口径局限性较大，适应范围窄。 由于高温下零件热膨胀、变形，低温下材质变脆等问题，PDF一般不适用于高低温场合。目前可使用温度范围大致在-

9、30+160，压力最高为10MPa。 大部分PDF仪表只适用洁净单相流体，含有颗粒、脏污物时上游需装过滤器，既增加压损，又增加维护工作；如测量含有气体的液体必须装设气体分离器。,2020/8/6,20,PDF安全性差，如检测活动件卡死，流体就无法通过，断流管系就不能应用。但有些结构设计（如Instromet公司腰轮流量计）在壳体内置一旁路，当检测活动元件卡死，流体可从旁路通过。 部分形式PDF仪表（如椭圆齿轮式、腰轮式、旋转活塞式等）在测量过程中会给流动带来脉动，较大口径仪表还会产生噪声，甚至是管道产生振动。,2020/8/6,21,5、 分类 PDF品种繁多，可按不同原则分类。按测量元件结构

10、分类有如下型式：1） 转子式2） 刮板式3） 旋转活塞式4） 膜式等,2020/8/6,22,1液体入口； 2隔板； 3液体出口； 4活塞轴； 5计量室轴； 6计量室； 7旋转活塞,2020/8/6,23,6、选用考虑要点 1） 选用考虑因素 根据PDF的特点，应着重考虑以下因素。（1） 使用目的是流程控制工程管理还是储运交接财贸核算？（2） 操作是连续测量还是间歇测量？使用的最高流量、常用流量、最小流量各位多少？（3） 最高、常用、最小工作温度和压力，允许的压损各位多少？（4） 被测介质的种类和特点，包括粘度、腐蚀性、夹带物的量和粒度尺寸。（5） 对流量计进行校准方法，离线校准还是现场校准？

11、（6） 管线泵送种类，能力，有无脉动？（7） 安装场所可用空间情况。,2020/8/6,24,3） 流量范围、范围度、精确度、重复性 各制造厂通常按被测介质种类（主要区别是粘度）、使用特点（连续使用或间歇使用）及测量精度规定流量范围。为了保持仪表良好的性能和较长的使用寿命，连续使用时的最大流量建议选在仪表最高（上限）流量的80为宜。,2020/8/6,25,若制造厂未按介质类别和使用特点明确规定适宜的流量范围，则可参照下述原则选定： 以用于中等粘度、有润滑性油品的仪表上限流量为100，用于无润滑性低粘度液体（如汽油、液化石油气）时上限流量降为70-80，用于100左右水时则为40-60， 高粘

12、度液体为75-85；间歇使用时的最大流量可为上限流量的100；连续使用时的最大流量、中等粘度液体为上限流量的80，低粘度液体为50-60，高粘度液体亦为5060。,2020/8/6,26,大部分结构型号的液体仪表基本误差为0.5; 较高精度仪表的基本误差为(0.10.2)%, （如椭圆齿轮式），个别制造厂声称可达到0.05（如Dresser Wayne公司的刮板式）； 较低精度仪表的基本误差为（11.5）（如弹性刮板式）。 气体仪表的精度略低些，大部分结构型号为（11.5）（如腰轮式、CVM式），较高者为0.5R（如转同式），较低者为（22.5）。 重复性误差一般为基本误差的1512。,202

13、0/8/6,27,流量范围度在（5:1）（100:1）之间，大部分（10:1）（20:1）。 同一台仪表额定较高精度等级时所得范围度较低，欲得较大范围度则要降低精度等级，例如各类转子式液体仪表范围度为5:1时，基本误差为0.2; 范围度为10:1时，则降为0.5。,2020/8/6,28,4） 压力损失 PDF要靠流体能量推动测量元件，因此带来相当高的压力损失。PDF的压力损失要比同样口径和流量的涡轮式或其它又阻碍流量计大。液体用仪表在最大流量时粘度为15mPa.s,液体的压力损失在20100kPa之间；低气压用仪表，腰轮式为200500Pa，膜式为130400Pa。 要正确选择仪表勿使其达到

14、不能接受的压力损失，尤其在测量高蒸气压的液体，过度的压降会导致气蚀。若气蚀持续存在会损坏元件，某些允许短时超流到测量上限120的仪表更应注意这一问题。,2020/8/6,29,5）液体粘度对仪表性能影响 各种气体的粘度相接近，变化不大，对仪表性能可以说没有影响；若液体粘度相差较多，则对仪表性能带来一定影响。 有些PDF为适应粘度高达500mPa.s的液体，生产具有较大间隙等设计措施的专用品种，PDF在流量仪表中具有较多应用于高粘度液体的经验。PDF虽然受一些液体粘度影响，但与差压式、浮子式、涡轮式等流量计相比，影响量要小得多。,2020/8/6,30,粘度对PDF性能有三个方面影响，即测量误差

15、、压力损失和流量范围。 （1） 测量误差影响 PDF有一个与许多其它流量计流量受粘度增加而测量误差增加的不同特性，因粘度增加间隙泄漏量减少而改善性能。,2020/8/6,31,（2） 压力损失影响 若液体粘度增加，PDF的压力损失随着增加。 压力损失p与流量q之间的关系式： pkqn表示（其中k为系数，n为指数）。 粘度在0.005Pa.s（5mPa.s）以下时n=2；在0.5Pa.s（500mPa.s）以上n=1；在二者之间n=1.91.1。,2020/8/6,32,（3） 流量范围影响 压力损失因粘度增加而增加，对于使用压力损失有限制的场所，则必须降低流量上限值，即缩小流量范围。流量下限随

16、着粘度增加而下降，是扩大了流量范围；作为一个粗略估计，粘度增加10倍，流量下限值降到原值的11013。,2020/8/6,33,6） 压力与温度 所有仪表均规定了工作温度范围和最大工作压力。 最大工作压力是指常温和冲击压力下承受的压力。当用于较高温度时必须降低最大工作压力等级，有些产品使用说明书对此未作说明。 急剧关闭或急剧开启阀门会产生水锤效应等冲压力，冲击压力可能超过工作压力，冲击压力还有可能引起虚假读数，必要时安装缓冲罐减少这类缺陷影响。,2020/8/6,34,温度影响仪表受压强度外，还因仪表测量元件受热膨胀改变测量室和间隙尺寸，影响测量精度，间隙减小甚至使运动件卡住。因此用于较高温度

17、时要预留特殊尺寸间隙来补偿，特别是不同材料组合使用时更要注意热胀系数的差异。,2020/8/6,35,温度变化还会改变液体粘度而引起流量示值变化。温度引起的测量元件尺寸变动改变测量腔室体积，例如椭圆齿轮流量计计量室和齿轮均为铸铁时，测量值变化+0.33%10；计量室为铸铁，齿轮为铸铝时则为+0.14%10。 可以考虑采用自动温度补偿把计量室体积变化修正到一个认定的标准温度(如20)，例如用一个输出传动比可作调整的装置来修正。,2020/8/6,36,高温流体进入冷的流量计，在未达到热平衡前就启动，可能因间隙大而增加测量误差；温度超过规定值则运动测量元件可能被卡住。因此使用前要有适合的预热时间，

18、并观察是否能正常运转。,2020/8/6,37,7、 安装注意事项 1）安装场所 流量计安装应选择合适的场所，需注意以下各 点：(1) 周围温度和湿度应符合制造厂规定，一般温度为-10(-15)40（50），湿度为10%90%。(2) 日光直射在夏季会使温度升高，接近辐射热的场所，亦会使温度升高 。这种场所应采取遮阳或隔热措施。(3) 非防尘、防浸水型仪表应避开有腐蚀性气氛或潮湿场所，因为积算器减速齿轮等零部件会被腐蚀气体和昼夜温差结露所损坏 。如无法避免，可采取内腔用洁净空气吹气方式保持微正压。(4) 避开振动和冲击的场所。(5) 要有足够空间便于安装和日常维护。,2020/8/6,38,2

19、）仪表姿势 、流动方向、与管道连接 PDF的安装姿势必须做到横平竖直，转子型尽量做到其转子轴与地面平行(垂直结构转子轴设计例外)其他型号按使用说明书规定要求，一般为水平安装。垂直安装为防止垢屑等从管道上方落入流量计，将其装在旁路管。 实际流动方向应与仪表壳体一表明方向一致。PDF一般只能作单方向测量，必要时在其下游装止逆阀，以免损坏仪表。,2020/8/6,39,8、 使用注意事项 1) 清洗管线 新投管线运行前要清扫，往往随后还要用实流冲洗，以去除残留焊屑垢皮等。此时先应关闭仪表前后截止阀，让液流从旁路管流过；若无旁路管，仪表位置应装短管代替。2) 排尽气体 通常实液扫线后，管道内还残留较多

20、空气，随着加压运行，空气以较高流速流过PDF，活动测量元件可能过速运转，损伤轴和轴承。因此开始时要缓慢增加流量，使空气渐渐外逸。,2020/8/6,40,3) 旁路管切换顺序 液流从旁路管转入仪表时，启闭要缓慢，特别在高温高压管线上更应注意。启用时第1步徐徐开启A阀，液体先在旁路管流动一段时间；第2步徐徐开启B阀；第3步徐徐开启C阀；第4步徐徐关闭A阀。关闭时按上述逆顺序动作操作。,A,C,B,2020/8/6,41,启动后通过最低位指针或字轮和秒表，确认未达过度流动，最佳流量应控制在(7080)%最大流量，以保证仪表使用寿命。 4) 监查过滤器 新线启动过滤器网最易被打破，试运行后要及时检查

21、网是否完好。同时在过滤网清洁无污物时，记录下常用流量下的压力损失这个参数，今后不必卸下检查网堵塞状况，即以压力损失增加程度判断是是否要清洗。,2020/8/6,42,5) 测量高粘度液体 用于高粘度液体，一般均加热后使之流动。当仪表停用后，其内部液体冷却而变稠，再启用时必须先加热，待液体粘度降低后才让液体流过仪表，否则会咬住活动测量元件使仪表损坏。 6) 加润滑油 气体用等PDF启用前必须加润滑油，日常运行也经常检查润滑油存量的液位计。,2020/8/6,43,7) 避免急剧流量变化 使用气体腰轮流量计时，应注意不能有急剧的流量变化(如使用快开阀)，因腰轮的惯性作用，急剧流量变化将产生较大附加

22、惯性力，使转子损坏。用作控制系统的检测仪表时，若下游控制突然截止流动，转子一时停不下来，产生压气机效应，下游压力升高，然后倒流，发出错误信号。8) 冲洗管道用蒸汽，禁止通过PDF。,2020/8/6,44,（二）涡轮流量计 涡轮流量计（以下简称TUF）是叶轮式流量（流速）计的主要品种，叶轮式流量计还有风速计、水表等。 在各种流量计中TUF、容积式流量计和科氏质量流量计是三类重复性、精确度最佳的产品，而TUF又具有自己的特点，如结构简单、加工零部件少、重量轻、维修方便、流通能力大（同样口径可通过的流量大）和可适应高参数（高温、高压和低温）等。至今，这类流量计产品可达技术参数：口径4-750mm，

23、压力达250MPa，温度为-240700，像这样的技术参数其他两类流量计则是难以达到的。,2020/8/6,45,TUF广泛应用于以下一些测量对象：石油、有机液体、无机液、液化气、天然气、煤气和低温流体等。 在国外液化石油气、成品油和轻质原油等的转运及集输站，大型原油输送管线的首末站都大量采用它进行贸易结算。在欧洲和美国TUF是仅次于孔板流量计的天然气计量仪表，仅荷兰在天然气管线上就采用了2600多台各种尺寸，压力从0.8MPa到6.5MPa的气体TUF，他们已成为优良的天然气流量计。,2020/8/6,46,1、 工作原理,图1所示为TUF传感器结构图。当被测流体流过传感器时，在流体作用下，

24、叶轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，叶轮的转动周期地改变磁电转换器的磁阻值。检测线圈中磁通随之发生周期性变化，产生周期性的感应电势，即电脉冲信号，经放大器放大后，送至显示仪表显示。,2020/8/6,47,2020/8/6,48,TUF的实用流量方程为 qv=f/K f流量计输出信号的频率，Hz；K流量计的仪表系数，P/m3。 流量计的仪表系数与流量（或管道雷诺数）的关系曲线如图2所示。,2020/8/6,49,仪表系数可分为二段，即线性段和非线性段。线性段约为工作段的三分之二，其特性与传感器结构尺寸及流体粘性有关。在非线性段，特性受轴承摩擦力，流体粘性阻力影响较大。当流量低于传感器流量

25、下限时，仪表系数随着流量迅速变化。当流量超过流量上限时要注意防止空穴现象（汽蚀现象）。,2020/8/6,50,传感器的仪表系数由流量校验装置校验得出，它完全不管传感器内部流体的流动机理，把传感器作为一个黑匣子，根据输入（流量）和输出（频率脉冲信号）确定其转换系数，它便于实际应用。但要注意，此转换系数（仪表系数）是有条件的，其校验条件是参考条件，如果使用时偏离此条件，系数将发生变化，变化的情况视传感器类型，管道安装条件和流体物性参数的情况而定。,2020/8/6,51,2、主要特点 1） 高精确度，对于液体一般误差为0.250.5，高精度型可达0.15；而介质为气体，一般为11.5，特殊专用型

26、为0.51。在所有流量计中，它属于较精确的。2） 重复性好，短期重复性可达0.05-0.2，正是由于具有良好的重复性，如经常校准或在线校准可得极高的精确度，在贸易结算中是优先选用的流量计。,2020/8/6,52,3） 输出脉冲频率信号，适于总量计量及与计算机连接，无零点漂移，抗干扰能力强。4） 可获得很高的频率信号（3-4kHz），信号分辨力强。5） 范围度宽，中大口径可达40:110:1，小口径为6:1或5:1。6） 结构紧凑轻巧，安装维护方便，流通能力大。7） 适用高压测量，仪表表体上不必开孔，易制成高压型仪表。,2020/8/6,53,8） 专用型传感器类型多，可根据用户特殊需要设计为

27、各类专用型传感器，例如低温型、双向型、井下型、混砂专用型等。9） 可制成插入型，适用于大口径测量，压力损失小，价格低，可不断流取出，安装维护方便。,2020/8/6,54,10） 难以长期保持校准特性，需要定期校验。对于无润滑性的液体，液体中含有悬浮物或磨蚀性，造成轴承磨损及卡住等问题，限制了其适用范围，采用耐磨硬质合金轴和轴承后情况有所改进。对于贸易储运和高精度测量要求的，最好配备现场校验设备，可定期校准以保持其特性。11） 一般液体TUF不适用于较高粘度介质（高粘度型除外），随着粘度的增大，流量计测量下线值提高，范围度缩小，线性度变差。,2020/8/6,55,12） 流体物性（密度、粘度

28、）对仪表特性有较大影响。气体流量计易受密度影响，而液体流量计对粘度变化反应敏感。由于密度和粘度与温度、压力关系密切，在现场温度、压力波动是难免的，要根据它们对精确度影响的程度采取补偿措施，才能保持高的计量精度。,2020/8/6,56,13） 流量计受来流流速分布畸变和旋转流的影响较大，传感器上下游侧需设置较长的直管段，如安装空间有限制，可加装流动调整器（整流器）以缩短直管段长度。14） 不适于脉动流和混相流的测量。15） 对被测介质的清洁度要求较高，限制了其适用领域，虽可安装过滤器以适应脏污介质，但亦带来压损增大、维护量增加等副作用。16） 小口径（DN50以下）仪表的流量特性受物性影响严重

29、，故小口径TUF的仪表性能难以提高。,2020/8/6,57,3、分类与传感器结构 1）感器分类（1）轴向型（普通型） 叶轮轴中心与管道轴线重合，是TUF的主导产品，有全系列产品（DN10DN600）。（2）切向型 叶轮轴与管道轴线垂直，流体流向叶片平面的冲角约90度，适用于小口径微流量产品。（3）机械型 叶轮的转动直接或经磁耦合带动机械计数机构，指示积算总量，测量精度比电信号检测的传感器稍低，其传感器与显示装置组成一体式，受到用户欢迎。,2020/8/6,58,（4）井下专用型 适用于石油开采井下作业及采输用，测量介质有泥浆及油气流等，传感器体积受限制，需耐高压、高温及流体冲击等。（5）自校

30、正双涡轮型 可用于天然气等气体流量测量，传感器由主、辅双叶轮组成，可由二叶轮的转速差自动校正流量特性的变化。（6）广粘度型 在波特型浮动转子压力平衡结构基础上扩大上锥体与下锥体的直径，增加粘度补偿翼及承压叶片等结构措施，使传感器适用于高粘度液体，如重油，粘度可达30mm2/s。,2020/8/6,59,传感器结构 TUF传感器由表体、导向体（导流器）、叶轮、轴、轴承及信号检测器组成（见图1）。1） 表体 表体是传感器的主体部件，它起到承受被测流体的压力，固定安装检测部件，连接管道的作用。表体采用不导磁不锈钢或硬铝合金制造。对于大口径传感器已可用碳钢与不锈钢组合的镶嵌结构，表体外壁装信号检测器。

31、2） 导向体 在传感器进出口装有导向体，他对流体起导向整流以及支撑叶轮的作用，通常选用不导磁不锈钢或硬铝材料制作。反推式涡轮流量传感器的后导流件还要求能产生足够的反推力，其结构形式很多。前导流器有专利产品可以抗流体流动的严重干扰。,2020/8/6,60,3） 涡轮 亦称叶轮，是传感器的检测元件，它由高导磁性材料制成。叶轮有直板叶片、螺旋叶片和丁字形叶片等几种，也可用嵌有许多导磁体的多孔护罩环来增加一定数量叶片涡轮旋转的频率，叶轮由支架中轴承支撑，与表体同轴，其叶片数视口径大小而定。叶轮几何形状及尺寸对传感器性能有较大影响，要根据流体性质、流量范围、使用要求等设计，叶轮的动平衡很重要，直接影响

32、仪表性能和使用寿命。4） 轴与轴承 它支撑叶轮旋转，需有足够的刚度、强度和硬度、耐磨性、耐腐蚀性等。它决定着传感器的可靠性和使用期限。传感器失效通常是由轴与轴承引起的，因此它的结构与材料的选用以及维护是很重要的。,2020/8/6,61,5） 信号检测器 国内常用变磁阻式，如图1上半部分所示。由永久磁钢、导磁棒（铁芯）、线圈等组成。永久磁钢对叶片有吸引力，产生磁阻力矩，小口径传感器在小流量时，磁阻力矩在诸阻力矩中成为主要项，为此将永久磁钢分为大小两种规格，小口径配小规格以降低磁阻力矩。输出信号有效值在10mV以上的可直接配用流量计算机，配上放大器则输出伏级频率信号。,2020/8/6,62,2

33、020/8/6,63,4、选用考虑要点 （1） 精确度 一般说来，选用TUF主要是看中其高精确度。目前TUF的精确度大致为液体：国际市场为0.15， 0.2， 0.5和1，国内定型产品为0.5和1；气体：国际市场为 0.5和1，国内为1和1.5，以上精确度指范围度为6：1或10：1。,2020/8/6,64,流量计精确度愈高，对现场使用条件的变化就越敏感，要想保持其高精度，需要对仪表系数特别的处理。一种处理方法就是所谓仪表系数浮动处理法。即由现场以下条件实时进行处理：a）粘度受温度的影响；b）密度受压力、温度的影响；c）传感器信号冗余（一台传感器输出二个信号，监视其比值；d）系数的长期稳定性（

34、采取控制图确定）等。 对于贸易储运交接计量，常配备在线校验装置，以便定期进行校验。 生产厂使用说明书列举的仪表精确度为基本误差，现场应估算附加误差，现场误差应为两者的合成。,2020/8/6,65,（2） 流量范围的选择 TUF的流量范围的选择对其精确度及使用期限有较大的影响。 一般在工作时最大流量相应的转速不宜过高。 使用状况分连续工作和间歇工作两种，连续工作是指每天工作时间超过8小时，间歇工作是每天工作时间少于8小时。对于连续工作最大流量应选在仪表上限流量的较低处，而间歇工作可选在较高处。一般连续工作是将实际最大流量乘以1.4作为流量范围的上限流量，而间歇工作则乘以1.3。,2020/8/

35、6,66,如果仪表口径与工艺管道通径不一致时，则应以异径管和等径直管改装管道。 对于流速偏低的工艺管道，最小流量成为选择仪表口径首先要考虑的问题，通常以实际最小流量乘以0.8作为流量范围的下限流量，使其留有一定的裕量。若配有分段线性化功能的显示仪，在传感器流量下限值不能满足实际最小流量时，应要求生产厂在实际最小流量及其附近进行流量校验，将测得的仪表系数输入显示仪，这样就能既降低仪表的流量下限值，还能保持测量的精确度。,2020/8/6,67,（3） 精确度等级 对于仪表精确度等级的要求要慎重，应该从经济角度来考虑，例如大口径输油（输气）管线的贸易结算仪表，经济上关系重大，在仪表上多投入是合算的

36、。至于输送量不大或作为过程控制用只需中等精度水平即可，切忌盲目追求高精度。,2020/8/6,68,TUF显示仪现已由以微处理器为基础可与上位计算机进行通信的流量计计算机所包括，该仪表在仪表功能及使用范围等都远超过老式涡轮流量显示仪。目前作为贸易计量的各类型流量计都趋向于配有直读式显示装置（如图6所示）。不但有总量计量的显示，还可附加补偿器（一台功能齐全的流量计算机）输出远传信号。,2020/8/6,69,(4) 对流体的要求 TUF对流体的要求为洁净(或基本洁净)、单相或低粘度的，常用流体举例如下：一般流体，包括水、空气、氧气、高压氢气、牛奶、咖啡等；石油化工类：汽油、轻油、喷气燃料、轻柴油

37、、石脑油、乙烯、聚乙烯、苯乙烯、液化气、二氧化碳及天然气；化学溶液类：氨水、甲醇、盐水等；有机液体：酒精、乙醚、苯、甲苯、二甲苯、丁二烯、四氯化碳、甲基胺、丙烯腈等；无机液：甲醛、酢酸、苛性钠、二硫化碳等。对于腐蚀性介质，使用材质选择要注意，含杂质多及磨蚀性介质不推荐使用。,2020/8/6,70,对于液体, 通常用水校验传感器。当精度为0.5级时, 可在510-6mm2/s以下的液体而不必考虑粘度的影响。当流体粘度高于510-6mm2/s时，可用相当粘度的液体校验而不必作粘度修正。此外也可采取一些措施来补偿粘度的影响。如缩小使用范围度，提高流量下限值或仪表系数乘以雷诺数修正系数等。 粘度对仪

38、表系数的影响与传感器结构类型及参数口径大小等有关。 粘度对仪表系数影响的表示方法：仪表系数与雷诺数的关系，在几种粘度下，仪表系数与输出频率的关系和仪表系数与输出频率除以运动粘度的比值的关系等等。这些资料有的生产厂准备有，但并非所有的生产厂都有这些资料。,2020/8/6,71,（5）不宜选用TUF的场所 含杂质多的流体，如循环冷却水、河水、排污水、燃油等； 流量急剧变化的场所，如锅炉供水系统、有空气锤的供气系统等； 测量液体时，管道压力不高而流量又较大，仪表下游侧压力可能接近饱和蒸汽压，有产生气穴的危险，如液氨从高位槽靠位能自由流出，在排放口处就不宜安装； 电焊机、电动机、有触点的继电器等的附

39、近，存在严重电磁干扰的场所； 上下游直管段长度严重不足，如轮船的机舱内； 锅炉自动供水系统如频繁地起泵和停泵，对叶轮造成冲击，使传感器很快损坏； 有腐蚀性或磨蚀性介质选型时应慎重，宜与制造厂联系咨询。,2020/8/6,72,（6） 选用步骤1）确认可用的测量对象，如前所述。2）选择型式。按流体物性选择，气体和液体分别用气体型和液体型，不能通用。在工作状态下液体粘度超过5mPa.s应选用高粘度型（国内尚无定型产品）。酸性腐蚀性液体选用耐酸型（国内尚无定型产品）。 3） 选择规格。按现场使用条件，如流量范围、管径、流体压力和温度、安装位置等和性能要求，如精确度、重复性、显示方式等参照制造厂选型样

40、本或使用说明书选定具体规格型号，也有可能找不到合适的，只好另选其它流量计。 由于TUF类型规格繁多，特别是不同制造厂产品质量有差别，必须尽量搜集制造厂及有关标准等资料进行反复调查比较后再决定取舍。,2020/8/6,73,安装注意事项,传感器应安装在便于维修，管道无振动、无强电磁干扰与热辐射影响的场所。液体TUF的典型安装管路系统如图7所示。图中各部分的配置可视被测对象情况而定，并不一定全部都需要。 TUF对管道内流速分布畸变及旋转流是敏感的，进入传感器应为充分发展管流，因此要根据传感器上游侧阻流件类型配备必要的直管段或流动调整器，如表2所示。若上游侧阻流件情况不明确，一般推荐上游直管段长度不

41、小于20D，下游直管段长度不小于5D，如安装空间不能满足上述要求，可在阻流件与传感器之间安装流动调整器。传感器安装在室外时，应有避直射阳光和防雨淋的措施。,2020/8/6,74,2020/8/6,75,表2 涡轮流量计所要求的最短直管段长度,表2 涡轮流量计所要求的最短直管段长度,2020/8/6,76,（三）涡街流量计 1、简介： 在特定的流动条件下，一部分流体动能转化为流体振动，其振动频率与流速（流量）有确定的比例关系，依据这种原理工作的流量计称为流体振动流量计。目前流体振动流量计有三类：涡街流量计、旋进（旋涡进动）流量计和射流流量计。,2020/8/6,77,流体振动流量计具有以下一些

42、特点： 1）输出为脉冲频率，其频率与被测流体的实际体积流量成正比，它不受流体组分、密度、压力、温度的影响；2）测量范围宽，一般范围度可达10：1以上；3）精确度为中上水平；4）无可动部件，可靠性高；5）结构简单牢固，安装方便，维护费较低； 6）应用范围广泛，可适用液体、气体和蒸气。,2020/8/6,78,2、工作原理与结构 在流体中设置旋涡发生体（阻流体），从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街，如图1所示。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。 设旋涡的发生频率为f，被测介质来流的平均速度为U，旋涡发生体迎面宽度为d，表体通径为D，根据卡曼涡街原理，有如下关系式 f=S

43、rU1/d=SrU/md （1） 式中U1-旋涡发生体两侧平均流速，m/s；Sr-斯特劳哈尔数；m-旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比,2020/8/6,79,流量： 管道内体积流量qv为： qv=D2U/4=D2mdf/4Sr (2)k=f/qv=D2md/4Sr-1 (3) 式中 k-流量计的仪表系数，脉冲数/m3（P/m3）。,2020/8/6,80,k除与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外，还与斯特劳哈尔数有关。斯特劳哈尔数为无量纲参数，它与旋涡发生体形状及雷诺数有关，图2所示为圆柱状旋涡发生体的斯特劳哈尔数与管道雷诺数的关系图。 由图可见，在ReD=21047106范围内，Sr

44、可视为常数，这是仪表正常工作范围。,2020/8/6,81,2020/8/6,82,形成的涡列称为涡街。(Vortex Street),漩涡发生体,2020/8/6,83,云层形成的涡街,2020/8/6,84,结构 VSF由传感器和转换器两部分组成，如图3所示。传感器包括旋涡发生体（阻流体）、检测元件、仪表表体等；转换器包括前置放大器、滤波整形电路、DA转换电路、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。 近年来智能式流量计还把微处理器、显示通讯及其他功能模块亦装在转换器内。,2020/8/6,85,2020/8/6,86,（1）旋涡发生体旋涡发生体是检测器的主要部件，它与仪表的流量特性（仪表系数

45、、线性度、范围度等）和阻力特性（压力损失）密切相关，对它的要求如下。1） 能控制旋涡在旋涡发生体轴线方向上同步分离；2） 在较宽的雷诺数范围内，有稳定的旋涡分离点，保持恒定的斯特劳哈尔数；3） 能产生强烈的涡街，信号的信噪比高； 4） 形状和结构简单，便于加工和几何参数标准化，以及各种检测元件的安装和组合；5） 材质应满足流体性质的要求，耐腐蚀，耐磨蚀，耐温度变化；6） 固有频率在涡街信号的频带外。,2020/8/6,87,已经开发出形状繁多的旋涡发生体，它可分为单旋涡发生体和多旋涡发生体两类。单旋涡发生体的基本形有圆柱、矩形柱和三角柱，其他形状皆为这些基本形的变形。三角柱形旋涡发生体是应用最

46、广泛的一种。为提高涡街强度和稳定性，可采用多旋涡发生体，不过它的应用并不普遍。,2020/8/6,88,（a）单旋涡发生体,（b）双、多旋涡发生体图4 旋涡发生体,2020/8/6,89,当交替旋涡出现在柱状物的两侧时，产生漩涡一侧柱状物表面产生环流，该侧表面静压增大。此时在发生体另一侧，表面流体流速则较大，因而此侧表面静压较低。随着发生体两侧的旋涡交替出现，其压差也交替变化。若采用敏感元件来检测该压差便可反映旋涡的数量和出现的频率。进而由频率与流速的关系得出流量值。,2020/8/6,90,涡频率可采用热敏元件、力敏元件、压电晶体等检测。,2020/8/6,91, 检测元件流量计检测旋涡信号

47、有5种方式。1） 用设置在旋涡发生体内的检测元件直接检测发生体两侧差压；2） 旋涡发生体上开设导压孔，在导压孔中安装检测元件检测发生体两侧差压；3） 检测旋涡发生体周围交变环流；4） 检测旋涡发生体背面交变差压；5） 检测尾流中旋涡列。根据这5种检测方式，采用不同的检测技术（热敏、超声、应力、应变、电容、电磁、光电、光纤等）可以构成不同类型的VSF，如表1所示。,2020/8/6,92,表1 旋涡发生体和检测方式一览表,2020/8/6,93, 转换器检测元件把涡街信号转换成电信号，该信号既微弱又含有不同成分的噪声，必须进行放大、滤波、整形等处理才能得出与流量成比例的脉冲信号。不同检测方式应配

48、备不同特性的前置放大器，如表2所列。 表2 检测方式与前置放大器,2020/8/6,94,3、优点和局限性,1）. 优点 （1） VSF结构简单牢固，安装维护方便。 （2）适用流体种类多，如液体、气体、蒸气和部分混相流体。（3）精确度较高（与差压式，浮子式流量计比较），不确定度一般为测量值的（ 1%2%）。（4）范围宽度，可达10:1或20:1。（5）压损小（约为孔板流量计1/41/2）。（6） 输出与流量成正比的脉冲信号，适用于总量计量，无零点漂移；,2020/8/6,95,（7）在一定雷诺数范围内，输出频率信号不受流体物性（密度，粘度）和组分的影响，即仪表系数仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸

49、有关，只需在一种典型介质中校验而适用于各种介质。（下图所示） （8）可根据测量对象选择相应的检测方式，仪表的适应性强。（9）VSF在各种流量计中是一种较有可能成为仅需干式校验的流量计。,2020/8/6,96,不同测量介质的斯特劳哈尔数,2020/8/6,97,2） 局限性 （1） VSF不适用于低雷诺数测量（ReD2104），故在高粘度、低流速、小口径情况下应用受到限制。 （2）旋涡分离的稳定性受流速分布畸变及旋转流的影响，应根据上游侧不同形式的阻流件配置足够长的直管段或装设流动调整器（整流器），一般可借鉴节流式差压流量计的直管段长度要求安装。,2020/8/6,98,（3） 力敏检测法VS

50、F对管道机械振动较敏感，不宜用于强振动场所。 （4） 与涡轮流量计相比仪表系数较低，分辨率低，口径愈大愈低，一般满管式流量计用于DN300以下。 （5）仪表在脉动流、混相流中尚欠缺理论研究和实践经验。,2020/8/6,99,4、选用考虑要点 1.） 应用概况VSF自20世纪70年代在工业上应用以来，由于它具有一些突出的特点，受到用户欢迎，并得到迅速发展。像它这样开发只有20多年即已跻身通用流量计之列，在流量计中是少有的。,2020/8/6,100,由于应用时间短，无论理论研究或实践经验都比较薄弱，不免出现一些问题，这是不足为怪的。多年实践证明，VSF的选用（选型和使用）是用好流量计的关键环节

51、，因此仪表制造厂应加强售前服务，即帮助用户选型，并在安装投用上给予指导。只要抓住这一环节，该流量计不失为一种性能不错的流量计。,2020/8/6,101,20世纪90年代中后期世界范围内VSF在流量仪表总量中，台数约占3%5%，每年5万6万台，金额占4%6%；在我国销售台数约占流量仪表总量（不包括家用燃气表和水表及玻璃管浮子流量计）的6%8%，每年1.5万2万台。,2020/8/6,102,2） VSF的口径选择 VSF的仪表口径及规格选择很重要，它类似于差压流量计节流装置的设计计算，要遵循一些原则进行选择。仪表口径选择步骤如下。首先必须明确以下工作参数。1）流体名称，组分；2）工作状态的最大

52、、常用、最小流量；3）最高、常用、最低工作压力和工作温度； 4）工作状态介质的粘度。,2020/8/6,103,传感器口径选择主要是对流量下限值进行核算。它应该满足 两个条件：最小雷诺数不应低于界限雷诺数（ReC2104）和对于应力式VSF在下限流量时旋涡强度应大于传感器旋涡强度的允许值。对于液体 还应检查最小工作压力是否高于工作温度下的饱和蒸气压，即是否会产生气穴现象。 流量测量范围的确定还应检查是否处于仪表的最佳工作范围（即上限流量的1/22/3处）。,2020/8/6,104,3） VSF的精确度 VSF的精确度对于液体大致在0.5%2%，对于气体在l%2%，重复性一般为0.2%0.5%

53、。由于VSF的仪表系数较低，频率分辨率低，口径愈大愈低，故仪表口径不宜过大（DN300以下）。范围度宽是VSF的特点，但重要的是下限流量为多少。一般液体平均流速下限为0.5m/s，气体为45ms。VSF的正常流量最好在正常测量范围的1/22/3处。,2020/8/6,105,VSF的仪表系数不受测量介质物性的影响， 这是很大的优点，可以用一种典型介质校验而应用到其他介质去，对于解决校验设备问题提供便利。 但是应该看到由于液、气的流速范围差别很大，因此频率范围亦差别很大。处理涡街信号的放大器电路中，滤波器的通带不同，电路参数亦不同，因此，同一电路参数是不能用于不同测量介质的。介质改变，电路参数亦

54、应随之改变。,2020/8/6,106,另外，气体和液体的密度差别很大，旋涡分离时产生的信号强度与密度成正比。因此信号强度差别亦很大，液、气放大器电路的增益，触发灵敏度等皆不一样，压电电荷差别大， 电荷放大器的参数也不同。即使同为气体（或液体、蒸汽）随着介质压力、温度不同，密度不同，使用的流量范围不同，信号强度亦不同，电路参数同样要改变。因此一台VSF不经硬件或软件修改，改变使用介质或改变仪表口径是不可行的。,2020/8/6,107,4） 主要问题 VSF大量使用已有十余年，使用效果不理想，总结起来主要有以下几点原因。1）产品质量问题，设计原理或设计方案有严重缺陷，产品材料、工艺质量不良。尤

55、其近年来，一些生产厂片面追求利润，产品粗制滥造，败坏了VSF的声誉。2）仪表选型和使用问题，用户给定工艺参数不准确，使得选型不当；安装地点选择有问题，安装不符合规定要求。3）现场调整问题，现场投运缺乏调整或调整不当，正确的调整是用好的关键。,2020/8/6,108,5） 适用的情况 VSF不适用于测量低雷诺数ReD2104）流体。 低雷诺数时斯特劳哈尔数随着雷诺数而变，仪表线性度变差，流体粘度高会显著影响甚至阻碍旋涡的产生，选型的一个限制条件是不能使用于界限雷诺数之下。,2020/8/6,109,VSF适用的流体比较广泛，但对于流体的脏污性质要注意。含固体微粒的流体对旋涡发生体的冲刷会产生噪

56、声，磨损旋涡发生体。若含有的短纤维缠绕在旋涡发生体上将改变仪表系数。VSF在混相流体中的应用经验还少，一般可用于含分散、均匀的微小气泡，但容积含气率应小于7%10%的气、液两相流，若超出2%就应对仪表系数进行修正。可用于含分散、均匀的固体微粒，含量不大于2%的气固、液固两相流。可用于互不溶解的液液（如油和水）两组分流等。,2020/8/6,110,脉动流和旋转流会对VSF产生严重影响。如果脉动频率与涡街频率频带合拍可能引起谐振破坏正常工作和设备，使涡街信号产生锁定（1ock-in）现象，这时信号固定于某一频率。锁定与脉动幅值、旋涡发生体形状等有关。,2020/8/6,111,6） 经济性在众多

57、的流量计中，VSF的经济性较好，是一种经济实惠的流量计。 VSF的基本性能处于中等偏上水平，购置费低于质量式、电磁式、容积式等，而安装、运行、维护费低于节流式、容积式、涡轮式等，如仅作为控制系统检测仪表可采用干校方式节省周期校验费用。,2020/8/6,112,（四） 科里奥利质量流量计 1、概 论 科里奥利质量流量计（简称CMF）（Coriolis Mass Flowmeter）是利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。,2020/8/6,113,基于科里奥利原理的流量仪表的开发始于20世纪50年代初，但直到70年代中期，由美

58、国的 MicroMotion 公司首先推向市场。到80年代中后期各国仪表厂相继开发，迄1995年世界已有40家以上仪表制造厂推出各种结构的CMF。到1995年世界范围CMF装用量估计在18万20万台之间，1995年销售量估计在4万4.5万台之间。,2020/8/6,114,我国CMF的应用起步较晚，从80年代中期引进成套装置附带进口少量仪表开始，到技术改造之需单台进口一定数量流量计，迄1997年估计装用量在35004500台之间。1997年我国已有4家制造厂自行开发CMF供应社会，如太行仪表厂已有完整的系列；还有几家制造厂组建合资企业或引进国外技术生产系列仪表。 （太行仪表厂建于1951年，是

59、中国航空工业总公司所属的以生产动静压航行仪器仪表为主的大中型骨干企业。现已形成航空仪表、电子衡器、质量流量计、计量测试仪器、敏感元件、自动控制设备及零部件、中小型精密机械等6大类数百个品种和规格产品的生产能力。 ）,2020/8/6,115,2、原理和结构,图1 科利奥利力,2020/8/6,116,如图1所示，当质量为m的质点以速度在对p轴作角速度旋转的管道内移动时，质点受到两个分量的加速度及其力。1)、法向加速度 ，即向心力加速度r，其量值等于2r，方向朝向P轴；2）、切向加速度t， 即科里奥利加速度，其量值等于2，方向与r垂直。由于复合运动，在t方向上流体质点受到切向作用力科里奥利力（科氏力）Fc=2m。管道受到反向力-Fc=