化工仪表及自动化第3章流量检测仪表

1、化工仪表及自动化,第三章 检测仪表与传感器,2,第三节 流量检测及仪表,一、概述,介质流量是控制生产过程达到优质高产和安全生产以及进行经济核算所必需的一个重要参数。,流量大小：单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小，即瞬时流量。,总量：在某一段时间内流过管道的流体流量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累计值。,定义,3,第三节 流量检测及仪表,质量流量M,体积流量Q,如以 t 表示时间，则流量和总量之间的关系是,流量计：测量流体流量的仪表。,计量表：测量流体总量的仪表。,4,标况即标准状况。 通常指温度为0（273.15K）和压力（或压强）为101.325千帕（1标准大气压，760毫米汞柱

2、）的情况。使在比较气体体积时有统一的标准。气体的密度，除了特别说明的以外，都是指在标准状况下说的。 标态是指各种参数量都在标准值的情况下：如标准大气压，标准温度，标准湿度等等。气体的标准状态一般是指20，一个标准大气压下的状态。所以标态跟标况是两个不同的概念,第三节 流量检测及仪表,5,流量检测的主要方法,流量检测方法有很多，就测量原理而言，可以分为直接测量法和间接测量法两类。 直接测量法可以直接测量出管道中的体积流量或质量流量 间接测量法则是通过测量出流体的(平均)流速，结合管道的截面积、流体的密度及工作状态等参数计算得出。,除了椭圆齿轮流量计直接测量体积流量、科里奥利力质量流量计之外，其它

3、均基于间接法来流量测量,第三节 流量检测及仪表,6,第三节 流量检测及仪表,1.速度式流量计,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。,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目作为测量依据来计算流量的仪表。,3.质量流量计,以测量流体流过的质量M为依据的流量计。质量流量计分直接式和间接式两种。,分 类,7,第三节 流量检测及仪表,差压流量计 转子流量计 速度式流量计 容积式流量计 靶式流量计 电磁流量计,漩涡流量计 超声波流量计 量热式流量计 质量流量计 其它流量计,按测量方法分类,8,第三节 流量检测及仪表,二、差压式流量计,差压式（也称节流式）流量计是基于流

4、体流动的节流原理，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。,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及显示仪表所组成。,9,第三节 流量检测及仪表,节流式流量计,10,第三节 流量检测及仪表,一体化差压式流量计,11,第三节 流量检测及仪表,节流孔板与节流装置,12,第三节 流量检测及仪表,1.节流现象与流量基本方程式,（1）节流现象,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象。,节流装置包括节流件和取压装置。,13,第三节 流量检测及仪表,孔板流量计示意图,14,第三节 流量检

5、测及仪表,图3-18 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,15,第三节 流量检测及仪表,（2）节流基本方程式,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。,可以看出,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。,16,节流装置,喷嘴,成套节流装置,G

6、D结构高压节流装置,第三节 流量检测及仪表,17,第三节 流量检测及仪表,简易可换孔板节流装置,普通可换孔板节流装置,18,第三节 流量检测及仪表,高级可换孔板节流装置,19,第三节 流量检测及仪表,文丘里管,20,LGWT-T文丘利式差压流量计,21,第三节 流量检测及仪表,2.标准节流装置,标准节流装置是指节流件、取压装置都标准化，前后直管段符合规定要求，可以直接投入使用 标准节流件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管。,标准孔板，要求： d/D 应在0.20.75之间 d不小于12.5mm 直孔厚度h应在0.005D到0.02D之间 孔板的总厚度H应在h和0.05D之间 圆锥面的斜角应在

7、3045之间 标准喷嘴和标准文丘里管的结构参数的规定也可以查阅相关的设计手册。,有手册可查，不要求记,22,第三节 流量检测及仪表,标准取压方式,国家规定标准的取压方式有角接取压、法兰取压 和DD/2取压。,角接取压,角接取压的两个取压口分别位于孔板前后两端面与管壁的夹角处 取压口可以是环隙取压口和单独钻孔取压口,环隙取压利用左右对称的两个环室把孔板夹在中间，通常要求环隙在整个圆周上穿通管道，或者每个夹持环应至少有四个开孔与管道内部连通，每个开孔的中心线彼此互成等角度，再利用导压管把孔板上下游的压力分别引出,当采用单独钻孔取压时，取压口的轴线应尽可能以90与管道轴线相交,环隙宽度和单独钻孔取压

8、口的直径 a 通常在410mm之间 显然，环隙取压由于环室的均压作用，便于测出孔板两端的平稳差压，能得到较好的测量精度，但是夹持环的加工制造和安装要求严格。当管径D500mm时，一般采用单独钻孔取压。,23,第三节 流量检测及仪表,法兰取压和DD/2取压,法兰取压装置是由一对带有取压口 的法兰组成 取压口轴线距离孔板前、后端面 均为25.4mm（1英寸）,DD/2取压装置是设有取压口的管段，上、下游取压口轴线与孔板上游端面的距离分为D和D/2（D为管道的直径）,24,第三节 流量检测及仪表,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

9、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。,25,节流式流量计的安装,在各种标准的节流装置中以标准孔板的应用最为广泛，它具有结构简单、安装使用方便的特点，适用于大流量的测量。孔板的最大缺点是流体流经节流件后压力损失较大，当工艺管路不允许有较大的压力损失时，一般不宜选用孔板流量计。标准喷嘴和标准文丘里管的压力损失较小，但结构比较复杂，不易加工。,第三节 流量检测及仪表,26,节流式流量计的使用特点和要求,标准孔板应用广泛，它具有结构简单、安装方便的特点，适用于大流量的测量。 孔板测量的压损

10、大，当不允许有较大的管道压损时，便不宜采用。在一般场合下，仍采用孔板为多。 标准喷嘴和标准文丘里管的压力损失较孔板为小，但结构比较复杂，不易加工。 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； 流体应当清洁，充满全部管道，不发生相变； 为保证流体在节流装置前后为稳定的流动状态，在节流装置的上、下游必须配置一定长度的直管段（与管径、节流件的开孔面积以及管路上的弯头数都有关系） 节流装置经过长时间的使用，会因物理磨损或者化学腐蚀，造成几何形状和尺寸的变化，从而引起测量误差，因此需要及时检查和维修，必要时更换新的节流装置,第三节 流量检测及仪表,27,第三节 流量检

11、测及仪表,3.差压式流量计的测量误差,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。,28,第三节 流量检测及仪表,节流式流量计误差产生的原因,实际工况与设计要求不符，如：温度、压力、湿度以及相应的流体重度、粘度、雷诺数等参数数值发生变化，则会造成较大的误差。为了消除这种误差，必须按新工艺重新设计计算，或加以必要的修正。 节流装置安装不正确节流装置安装不正确，在安装时，特别要注意节流装置的安装方向。 在使用中，要保持节流装置的清洁。如在节流装置处防止有沉淀、结焦、堵塞等现象。 节流装置的磨损，应注意日常检查、维修，必要时应换用新的孔板。 导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏现象

12、，,29,节流式流量计误差产生的原因,孔板本身原因：,30,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,31,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，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

13、。, 测量液体的流量时，应该使两根导压管内都充满同样的液体而无气泡，以使两根导压管内的液体密度相等。,d) 如果差压计必须装在节流装置之上，则需加装贮气罐和放空阀，如图3-22所示。,32,第三节 流量检测及仪表, 测量气体流量时，上述的这些基本原则仍然适用。,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。,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,33,第三节 流量检测及仪表, 测量蒸

14、汽的流量时，要实现上述的基本原则，必须解决蒸汽冷凝液的等液位问题，以消除冷凝液液位的高低对测量精度的影响。常见的接法见图3-24所示。,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,34,第三节 流量检测及仪表,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。,35,第三节 流量检测及仪表,图3-25 差压计阀组安装示意图,1

15、，2切断阀；3平衡阀,图3-26 隔离罐的两种形式,36,差压变送器的安装,三个方面的内容： 取压口的选择 引压管的安装 变送器本身的安装,37,差压变送器取压口的选择,液体、气体、蒸汽？,被测介质为液体时，取压口应位于管道下半部与管道水平线成045角内，目的是保证引压管内没有气泡，两根引压管内液柱产生的附加压力可以相互抵消； 问：能否从底部引出？为什么？,被测介质为气体时，取压口应位于管道上半部与管道垂直中心线成045角内，其目的时为了保证引压管中不积聚和滞留液体。,被测介质为蒸汽时，取压口应位于管道上半部与管道水平线成045角内。最常见的接法是从管道水平位置接出，并分别安装凝液罐，这样两根

16、引压管内部都充满冷凝液，而且液位高度相同。,38,差压变送器引压管的安装,引压管应按最短距离敷设，引压管的弯曲处应该是均匀的圆角，曲率半径一般不小于引压管外径的10倍。引压管的管路应保持垂直，或者与水平线之间不小于1:10的倾斜度，必要时要加装气体、凝液、微粒收集器等设备，并定期排除收集物。,引压管内径与引压管长度,39,在测量液体介质时，变送器只能安装在取样口之上时，在引压管的管路中应有排气装置，如图(a)所示，这样，即使有少量气泡，也不会对测量精度造成影响。 在测量气体介质时，如果差压变送器只能安装在取样口之下时，必须加装如图(b)所致的贮液罐和排放阀，克服因滞留液对测量精度产生影响。 测

17、量蒸汽时的引压管管路则如图(c)所示。,40,差压变送器本身的安装,差压变送器通常必须安装切断阀1、2和平衡阀3，构成三阀组,差压变送器是用来测量差压的，但如果正、负引压管上的两个切断阀不能同时打开或者关闭时，就会造成差压变送器单向受很大的静压力，有时会使仪表产生附加误差，严重时会使仪表损坏。 为防止差压计单向受很大的静压力，必须正确使用平衡阀。,41,第三节 流量检测及仪表,三、转子流量计,1.工作原理,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3-27 转子流量计的工作原理图,42,第三节 流量检测及仪表,转子流量计中转子的平

18、衡条件是,（3-25）,由式（3-25）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,将式（3-26）代入上两式，得,或,（3-26）,转子流量计一般只适用于就地指示。,43,第三节 流量检测及仪表,转子流量计,44,第三节 流量检测及仪表,玻璃转子流量计,45,第三节 流量检测及仪表,2.电远传式转子流量计,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。,（1）流量变送部分,图3-28 差动变压器结构,46,第三节 流量检测及仪表,47,第三节 流量检测及仪表,（2）电动显示部分,图3-

19、29 LTD系列电远传转子流量计,48,第三节 流量检测及仪表,3.转子流量计的指示值修正,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。,（1）液体流量测量时的修正,（3-31）,49,第三节 流量检测及仪表,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,（3-32）,整理后得,（3-34）,（3-33）,50,第三节 流量检测及仪表,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

20、/cm3，代入（3-34）与式（3-36）得,（3-35）,（3-36）,（3-37）,（3-38）,51,第三节 流量检测及仪表,当介质密度f变化时，密度修正系数KQ、KM的数值见下表。,表3-2 密度修正系数表,52,第三节 流量检测及仪表,举例,例4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，t7.9g/cm3，苯的密度为f0.83g/cm3。试问流量计读数为3.6L/s时，苯的实际流量是多少？,解由式（3-37）计算或由表3-2可查得 将此值代入式（3-33），得 即苯的实际流量为4L/s。,53,第三节 流量检测及仪表,（2）气体流量测定时的修正,对被测介质的密

21、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。,注意：上式计算得到的Q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），而不是被测介质在实际工作状态下的容积流量。,54,第三节 流量检测及仪表,举例,例5 某厂用转子流量计来测量温度为27，表压为0.16MPa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？,解已知Q038Nm3/h，p10.160.101330.26133MPa， T127273300K，T0293K，p00.10133MPa， 101.293Kg/Nm3。 将上列数据代

22、入上式，便可得 即这时空气的流量为60.3Nm3/h。,55,第三节 流量检测及仪表,（3）蒸汽流量测量时的换算,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（3-35）计算。,若转子材料为不锈钢，t 7.9g/cm3，则有,当,时,56,第三节 流量检测及仪表,57,转子流量计的特点,转子流量计主要适合于检测中小管径、较低雷诺数的中小流量； 流量计结构简单，使用方便，工作可靠，仪表前直管段长度要求不高； 流量计的基本误差约为仪表量程的土2，量程比可达10：1 流量计的测量精度易受被测介质密度、粘度、温度、压力、纯净度、安装质量等的影响。,第三节 流量检测及仪表,58,第三

23、节 流量检测及仪表,四、椭圆齿轮流量计,1.工作原理,图3-30 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,2.使用特点,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。,59,第三节 流量检测及仪表,五、涡轮流量计,图3-31 涡轮流量计,1涡轮；2导流器；3磁电感应转换器；4外壳；5前置放大器,优点,安装方便。 测量精度高，可耐高压。 反应快，可测脉动流量。 输出信号为电频率信号，便于远传，不受干扰。,缺点,一般应加过滤器。 安装时，前后要有一定的直管段。,60,涡轮流量计,第三节 流量检测及仪表,61,第三节 流量检