化工仪表及自动化化工仪表及自动化第三章第三章 流量检测流量检测 内容提要内容提要n差压式流量计差压式流量计n节流现象与流量基本方程式节流现象与流量基本方程式n标准节流装置标准节流装置n力矩平衡式差压变送器力矩平衡式差压变送器n差压式流量计的测量误差差压式流量计的测量误差n转子流量计转子流量计n工作原理工作原理n电远传式转子流量计电远传式转子流量计n漩涡流量计漩涡流量计1内容提要内容提要n质量流量计质量流量计n直接式质量流量计直接式质量流量计n补偿式质量流量计补偿式质量流量计n其他流量计其他流量计n靶式流量计靶式流量计n椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计n涡轮流量计涡轮流量计n电磁流量计电磁流量计2概述概述 介介介介质质质质流流流流量量量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。 流量大小流量大小流量大小流量大小：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。 总量总量总量总量：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。定义定义定义定义3概述概述质量流量质量流量质量流量质量流量MM体积流量体积流量体积流量体积流量Q Q如以 t 表示时间，则流量和总量之间的关系是 流量计流量计流量计流量计：测量流体流量的仪表。计量表计量表计量表计量表：测量流体总量的仪表。 4概述概述1.1.1.1.速度式流量计速度式流量计速度式流量计速度式流量计 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。 2.2.2.2.容积式流量计容积式流量计容积式流量计容积式流量计 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。 3.3.3.3.质量流量计质量流量计质量流量计质量流量计 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。 5分类第一节第一节 差压式流量计差压式流量计 差差差差压压压压式式式式（也也也也称称称称节节节节流流流流式式式式）流流流流量量量量计计计计是基于流体流动的节流原理，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。 6第一节第一节 差压式流量计差压式流量计n 一、节流现象与流量基本方程式一、节流现象与流量基本方程式1.1.1.1.节流现象节流现象节流现象节流现象 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节流流现现象象。 节节流流装装置置就就是是在在管管道道中中放放置置的的一一个个局局部部收收缩缩元元件件, ,应用最广泛的是孔板应用最广泛的是孔板, ,其次是喷嘴、文丘里管。其次是喷嘴、文丘里管。 7第一节第一节 差压式流量计差压式流量计图3-1 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。注意注意注意注意8第一节第一节 差压式流量计差压式流量计2.2.2.2.节流基本方程式节流基本方程式节流基本方程式节流基本方程式 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。 可以看出可以看出可以看出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。 9第一节第一节 差压式流量计差压式流量计n 二、二、二、二、标准节流装置标准节流装置标准节流装置标准节流装置 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”。 采用标准节流装置进行设计计算时都有统一标准的规定、要求和计算所需要的通用化实验数据资料。 10第一节第一节 差压式流量计差压式流量计 1. 1. 1. 1.节流装置的选用节流装置的选用节流装置的选用节流装置的选用在加工制造和安装方面,以孔板为最简单,喷嘴次之,文丘里管最复杂。造价高低也与此相对应。实际上,在一般场合下,以采用孔板为最多。当要求压力损失较小时,可采用喷嘴、文丘里管等。11第一节第一节 差压式流量计差压式流量计在测量某些易使节流装置腐蚀、沾污、磨损、变形的介质流量时,采用喷嘴较采用孔板为好。在流量值与压差值都相同的条件下,使用喷嘴有较高的测量精度,而且所需的直管长度也较短。如被测介质是高温、高压的,则可选用孔板和喷嘴。文丘里管只适用于低压的流体介质。 12第一节第一节 差压式流量计差压式流量计 2.2.2.2.节流装置的安装使用节流装置的安装使用节流装置的安装使用节流装置的安装使用 必须保证节流装置的开孔和管道的轴线同心,并使节流装置端面与管道的轴线垂直。 在节流装置前后长度为两倍于管径(2D)的一段管道内壁上,不应有凸出物和明显的粗糙或不平现象。 13第一节第一节 差压式流量计差压式流量计 任何局部阻力 (如弯管、三通管、闸阀等)均会引起流速在截面上重新分布,引起流量系数变化。所以在节流装置的上、下游必须配置一定长度的直管。 标准节流装置 (孔板、喷嘴) ,一般都用于直径D50mm的管道中。 被测介质应充满全部管道并且连续流动。 管道内的流束 (流动状态)应该是稳定的。 被测介质在通过节流装置时应不发生相变。 14第一节第一节 差压式流量计差压式流量计n三、力矩平衡式差压变送器三、力矩平衡式差压变送器 变送器是单元组合式仪表中不可缺少的基本单元变送器是单元组合式仪表中不可缺少的基本单元之一。之一。 所谓所谓单元组合式仪表单元组合式仪表单元组合式仪表单元组合式仪表, ,这是将对参数的检测及其变这是将对参数的检测及其变送、显示、控制等各部分送、显示、控制等各部分, ,分别做成只完成某一种功能分别做成只完成某一种功能而又能各自独立工作的单元仪表而又能各自独立工作的单元仪表 ( (简称单元简称单元, ,例如变送例如变送单元、显示单元、控制单元等单元、显示单元、控制单元等) )。 15第一节第一节 差压式流量计差压式流量计分类 按使用的能源使用的能源不同,单元组合式仪表有气动单元组合式仪表(QDZ型)和电动单元组合式仪表(DDZ型)。 差压变送器差压变送器可以将差压信号p转换为统一标准的气压信号或电流信号,可以连续地测量差压、液位、分界面等工艺参数。当它与节流装置配合时,可以用来连续测量液体、蒸汽和气体的流量。 16第一节第一节 差压式流量计差压式流量计 力矩平衡式差压变送器是一种典型的自平衡检测仪表，它利用负反馈负反馈负反馈负反馈的工作原理克服元件材料、加工工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量准确度 (一般为0.5级)、工作稳定、可靠、线性好、不灵敏区小、温度误差小等一系列优点。17举例举例举例举例以以DDZ-DDZ-型压力变送器为例型压力变送器为例 第一节第一节 差压式流量计差压式流量计 在差压p作用下，产生一个测试力，即 f为膜片的有效面积。 （3-5）1 18 8图3-2 DDZ-型差压变送器示意图1测量气室 ; 2测量膜片 ; 3支点 ; 4主杠杆 ; 5推板 ; 6矢量板 ; 7拉杆 ; 8支撑簧片 ; 9动铁心 ; 10差动变送器 ; 11副杠杆 ; 12放大器 ; 13永久磁钢 ; 14可动线圈 ; 15调零弹簧 DDZ-型差压变送器将差压信号转换为420mA的直流电流信号。 第一节第一节 差压式流量计差压式流量计 该变送器是按力力矩矩平平衡衡原原理理工作的。根据主、副杠杆的平衡条件可以推导出被测压力p与输出信号I0的关系。 当主杠杆平衡时，应有当主杠杆平衡时，应有 （3-6）式中， 、 分别为F测、F1离支点O1的距离。将式（3-5）代入式（3-6），有（3-7）式中, 为一比例系数。19第一节第一节 差压式流量计差压式流量计将式（3-10）代入式（3-9），得（3-10） 、 分别为F2及电磁力 离副杠杆十字支撑簧片的距离。（3-9）（3-11）而（3-8）联立式（3-8）与（3-11），得（3-20）式中， 为转换比例系数。20第一节第一节 差压式流量计差压式流量计n 四、差压式流量计的测量误差四、差压式流量计的测量误差四、差压式流量计的测量误差四、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。 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。证差压式流量计有足够的实际测量精度。 注意注意注意注意21第一节第一节 差压式流量计差压式流量计误差产生的原因误差产生的原因误差产生的原因误差产生的原因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到到2323页页到到2727页页22第一节第一节 差压式流量计差压式流量计23 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3-3 测量液体流量时的取压点位置 图3-4 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切断阀第一节第一节 差压式流量计差压式流量计取压点应该位于节流装置的下半部，与水平线夹角为045。 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。 在引压导管的管路中，应有排气的装置。 （1 1 1 1）测量液体的流量时，应该使两根导压管内都充满同样）测量液体的流量时，应该使两根导压管内都充满同样）测量液体的流量时，应该使两根导压管内都充满同样）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。的液体而无气泡，以使两根导压管内的液体密度相等。的液体而无气泡，以使两根导压管内的液体密度相等。的液体而无气泡，以使两根导压管内的液体密度相等。24第一节第一节 差压式流量计差压式流量计25（2 2 2 2）测量气体流量时，上述的这些基本原则仍然适用。）测量气体流量时，上述的这些基本原则仍然适用。）测量气体流量时，上述的这些基本原则仍然适用。）测量气体流量时，上述的这些基本原则仍然适用。 取压点应在节流装置的上半部。 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。 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3-5所示。 （3 3 3 3）测量蒸汽的流量时，要实现上述的基本原则，必须解决）测量蒸汽的流量时，要实现上述的基本原则，必须解决）测量蒸汽的流量时，要实现上述的基本原则，必须解决）测量蒸汽的流量时，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。常见的接法见图精度的影响。常见的接法见图精度的影响。常见的接法见图精度的影响。常见的接法见图3-63-63-63-6所示。所示。所示。所示。第一节第一节 差压式流量计差压式流量计图3-5 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3-6 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26第一节第一节 差压式流量计差压式流量计27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。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，如图3-7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3-8所示。 第一节第一节 差压式流量计差压式流量计图3-7 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28第二节第二节 转子流量计转子流量计n一、工作原理一、工作原理29 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3-9 转子流量计的工作原理图第二节第二节 转子流量计转子流量计转子流量计中转子的平衡条件是（3-133-13）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，得或由式（3-25）可得（3-143-14）30第二节第二节 转子流量计转子流量计31n 二、二、二、二、电远传式转子流量计电远传式转子流量计电远传式转子流量计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。 1.1.1.1.流量变送部分流量变送部分流量变送部分流量变送部分 图3-10 差动变压器结构第二节第二节 转子流量计转子流量计转换原理转换原理 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。32第二节第二节 转子流量计转子流量计332.2.2.2.电动显示部分电动显示部分电动显示部分电动显示部分图3-11 LTD系列电远传转子流量计第三节第三节 漩涡流量计漩涡流量计 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。 34 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。图3-12 卡门涡列 (a)圆柱涡列； (b)三角柱涡列第三节第三节 漩涡流量计漩涡流量计 热学法热学法 电容法电容法 压差法压差法漩涡频率的检测方法漩涡频率的检测方法图3-13 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35第四节第四节 质量流量计质量流量计定义定义直接测量单位时间内所流过的介质的质量,即质量流量M。 优点优点 质量流量计的最后输出信号只与介质的质量流量M成比例,这就能从根本上提高流量测量的精度,省去了烦琐的换算和修正。 质量流量的基本方程式为质量流量的基本方程式为质量流量的基本方程式为质量流量的基本方程式为36第四节第四节 质量流量计质量流量计n一、直接式质量流量计一、直接式质量流量计图3-14 双孔板差压式质量流量测量示意图（3-183-18）（3-193-19）将式(3-19)减去式(3-18),可得即37第四节第四节 质量流量计质量流量计38n 二、补偿式质量流量计二、补偿式质量流量计1.流速-密度补偿法图3-15 流速-密度补偿法质量流量质量流量质量流量质量流量 2.压差-密度法图3-16 压差-密度补偿法第四节第四节 质量流量计质量流量计 3.压差-流速补偿法图3-17 压差-流速补偿法39（3-203-203-203-20）又由于（3-213-213-213-21）将式 (3-21)代入式 (3-20)，得第五节第五节 其他流量计其他流量计n一、靶式流量计一、靶式流量计便于某些黏度较高或含有悬浮物介质的流量检测。图3-18 半导体应变片式靶式流量变送器 1靶；2输出力杠杆； 3推杆； 4悬臂块；R1R4半导体应变片40第五节第五节 其他流量计其他流量计n二、椭圆齿轮流量计二、椭圆齿轮流量计411.1.1.1.工作原理工作原理工作原理工作原理图3-19 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2.2.2.2.使用特点使用特点使用特点使用特点 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。 第五节第五节 其他流量计其他流量计n三、涡轮流量计三、涡轮流量计42图3-20 涡轮流量计1涡轮；2导流器；3磁电感应转换器；4外壳；5前置放大器优点优点优点优点 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。 缺点缺点缺点缺点 一般应加过滤器。 安装时，前后要有一定的直管段。 第五节第五节 其他流量计其他流量计n四、电磁流量计四、电磁流量计43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3-21 电磁流量计原理感应电势的方向由右手定则判断，大小由下式决定 （3-23）而（3-24）将式（4-24）代入式（4-23），得第五节第五节 其他流量计其他流量计注意注意注意注意 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。 44例题分析例题分析举例举例举例举例 1.1.某差压式流量计的流量刻度上限为某差压式流量计的流量刻度上限为320320m3/h , ,差压差压上限上限25002500Pa。当仪表指针指在。当仪表指针指在160160m3/h时时, ,求相应的求相应的差压是多少差压是多少 ( (流量计不带开方器流量计不带开方器)?)? 解解：由流量基本方程式可知 流量是与差压的平方根成正比的。当测量的所有条件都不变时,可以认为式中的、F0、1均为不变的数。如果假定上题中的 Q1 = 320m3/h ;p1 = 2500Pa ; Q2 = 160m3/h ;所求的差压为p2 ,则存在下述关系45例题分析例题分析由此得代入上述数据,得 该例说明了说明了差压式流量计的标尺如以差压刻度,则是均匀的,但以流量刻度时,如果不加开方器,则流量标尺刻度是不均匀的。当流量值是满刻度的1/2时,指针却指在标尺满刻度的1/4处。 46例题分析例题分析举例举例举例举例 2.2.通常认为差压式流量计是属于定节流面积变压降通常认为差压式流量计是属于定节流面积变压降式流量计式流量计, ,而转子流量计是属于变节流面积定压降式而转子流量计是属于变节流面积定压降式流量计流量计, ,为什么为什么? ? 解：解：解：解：这可以从它们的工作原理上来分析。 差压式流量计在工作过程中,只要节流元件结构已定,则其尺寸是不变的,因此它是属于定节流面积的。当流量变化时,在节流元件两侧的压降也随之而改变,差压式流量计就是根据这个压降的变化来测量流量的,因此是属于变压降式的。 47例题分析例题分析 转子流量计在工作过程中转子是随着流量变化而上下移动的,由于锥形管上部的直径较下部的大,所以转子在锥形管内上下移动时,转子与锥形管间的环隙是变化的,即流体流通面积是变化的,因此它是属于变节流面积的。 由于转子在工作过程中截面积不变,重力也不变,而转子两端的静压差作用于转子上的力恒等于转子的重力,转子才能平衡在一定的高度上,所以在工作过程中,尽管转子随着流量的变化上下移动,但作用在转子两侧的静压差却是恒定不变的,所以它是属于定压降式流量计。 48