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1、化工仪表及自动化,第三章 检测仪表与传感器第三节 流量检测及仪表,内容提要,差压式流量计节流现象与流量基本方程式标准节流装置差压式流量计的测量误差转子流量计工作原理电远传式转子流量计,内容提要,质量流量计直接式质量流量计补偿式质量流量计其他流量计靶式流量计椭圆齿轮流量计涡轮流量计电磁流量计,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,概述,质量流量M,体积流量Q,如以 t 表示时间，则流量和总量
2、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。,概述,分类,二 差压式流量计,差压式流量计也称为节流式流量计，它是目前工业生产过程中流量测量最成熟、最常用的方法之一。如果在管道中安置一个固定的阻力件，它的中间开一个比管道截面小的孔，当流体流过该阻力件时，由于流体流束的收缩而使流速加快、静压力降低，其结果是在阻力件前后产生一个较大的压差。压差的大小与流体流速的大小有关，流速愈大，差压也愈大，因此只要测出差压就可以推算出流速，进而可以计算出流体的流量。,二 差压式流量计,差压式（也称节流式）流量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
3、。,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。,二 差压式流量计,一、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。,节流装置就是在管道中放置的一个局部收缩元件,应用最广泛的是孔板,其次是喷嘴、文丘里管。,把流体流过阻力件使流束收缩造成压力变化的过程称节流过程，其中的阻力件称为节流元件。什么是节流元件？改变管道中流体流通面积的元件。作为流量检测用的节流件有标准的和特殊的两种。标准节流件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管。,(a)标准孔板
4、,(b)喷嘴,(c)文丘里管,孔板 喷嘴 文丘里管,标准化的节流件：在设计计算时都有统一标准的规定、要求和计算所需的有关数据及程序，可直接按照标准制造；安装和使用时不必进行标定。特殊节流件：主要用于特殊介质或特殊工况条件的流量检测，它必须用实验方法单独标定。相比而言，标准孔板制作最简单使用也最广泛，以下只介绍标准孔板,节流原理,流动流体的能量有两种形式：静压能和动能。流体由于有压力而具有静压能，又由于有流动速度而具有动能，这两种形式的能量在一定条件下是可以相互转化的。,截面I：流速v1，静压为 p1。管壁处流体受到阻挡作用最大，一部分动能转化为静压能，静压力上升且大于中心处压力，产生径向压差，
5、流体收缩。根据流体流动连续性方程，流束中心流速增加，而静压力逐渐减小。,图3-17 孔板装置及压力、流速分布图,截面II：流速v2，静压为p2。由于运动惯性，流体最小收缩面积处于截面II处，v2最大，静压为p2 最小。截面III：流速v3，静压为p3。流体流速逐渐恢复，但此处由于克服阻力，p3 p2。,图3-17 孔板装置及压力、流速分布图,二 差压式流量计,图3-17 孔板装置及压力、流速分布图,二 差压式流量计,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。,流量系数 可膨胀性系数F0节流件的开孔面
6、积 节流装置前的流体密度P节流装置前后实际测得的压差,可以看出,主要与节流装置的型式、取压方式、流体的流动状态（如雷诺数）和管道条件等因素有关。因此，是一个影响因素复杂的综合性参数，也是节流式流量计能否准确测量流量的关键所在，雷诺数大于某一数值（界限雷诺数）时，值可认为是一常数。对于标准节流装置，可以从有关手册中查出；对于非标准节流装置，其值要由实验方法确定。,二 差压式流量计,二、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。,二 差压式流量计,1.节流装
7、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。,二 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。,标准节流件(孔板),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,标准孔板，要求：d/D 应在0.20.75之间 d
8、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应在小于0.05D 圆锥面的斜角应在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,标准取压方式,国家规定标准的取压方式有角接取压、法兰取压和径距取压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端面与管壁的夹角处，取压口可以是环室取压口和单独钻孔取压口。,环室取压利用左右对称的两个环室把孔板夹在中间，通常要求环室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
9、出。,环室宽度和单独钻孔取压口的直径 a 通常在410mm之间 显然，环室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。,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,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上、下端面均为25.4mm（1英寸）,径距取压 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）,二 差压式流量计,2.节流装置的安装使用,必须保证节流装置的开孔和
10、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。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。,二 差压式流量计,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，应当清洁，充满全部管道，不发生相变。,二 差压式流量计,三、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1
11、020。,二 差压式流量计,误差产生的原因,被测流体工作状态的变动。例如：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。在安装时，特别要注意节流装置的安装方向。孔板入口边缘的磨损，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。差压计安装或使用不正确。,二 差压式流量计,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3-20 测量液体流量时的取压点位置,取压
12、点应该位于节流装置的下半部，与水平线夹角为045。,（1）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。,二 差压式流量计,在引压导管的管路中，应有排气装置。如果差压计必须装在节流装置之上时，必须加装贮气罐。,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。,二 差压式流量计,（2）测量气体流量时，上述的这些基本原则仍然适用。但引压管连接方式有些不同。,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
13、贮液罐和排放阀，如图3-22所示。,二 差压式流量计,（3）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精度的影响。常见的接法见图3-23所示。,二 差压式流量计,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3-24所示。避免单向受压。,二 差压式流量计,图3-25 隔离罐的两种形式,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3-25所示。用某种与被测介质不互溶且不起化学变化的中性液体作为隔离液，同时起到
14、传压的作用。,三 转子流量计,一、工作原理,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,在工业生产中经常遇到小流量的测量，因其流体的流速低，这就要求测量仪表有较高的灵敏度，才能保证一定的精度。转子流量计特别适宜于测量管径50mm以下管道的流量，测量的流量可小到每小时几升。,转子流量计主要由两个部分组成：一是由下往上逐渐扩大的锥形管（通常用透明玻璃制成）二是放在锥形管内可自由运动的转子。被测流体由锥形管下端进入，流经转子与锥形管之间的环隙，再从上端流出。,孔板流量计：,节流面积不变,流量变化,压差发生变化,转子流量计：,压差不变,流量变化,节流面积发
15、生变化,当流体流过的时候，位于锥形管中的转子受到向上的一个力，使其浮起。当这个力正好等于转子重量减去流体对转子的浮力，此时转子就停浮在一定的高度上。,三 转子流量计,若流体流量突然由小变大时，作用在转子上的向上的力就加大，转子上升，环隙增大，即流通面积增大。随着环隙的增大，使流体流速变慢，流体作用在转子上的向上力也就变小。这样，转子在一个新的高度上重新平衡。这样，转子在锥形管中平衡位置的高低h与被测介质的流量大小相对应。,三 转子流量计,流量修正,由于转子流量计在生产的时候，是在工业基准状态（20，0.10133Mpa（绝压）下用水或空气进行刻度的。如果工作状态不同，必须对流量指示值按照实际被
16、测介质的密度、温度、压力等参数的具体情况进行修正。,液体流量测量时的修正,如果某转子流量计的转子高度为h，如果介质为20的水，则流量Q0与h的关系满足：,式中：Q0为用水标定时的流量刻度,w为水的密度,Q0,如果介质不是20的水，则流量Qf与h的关系满足：,Qf和f分别为被测介质的实际流量和密度,如果被测介质的粘度和水的粘度相差不大，可以近似认为是常数，则有,刻度流量,实际流量,修正系数,Qf,例：现有一只以水标定的转子流量计用来测量苯的流量，已知转子的材料为不锈钢（密度7.9g/cm3），苯的密度为0.83g/cm3，请问流量计读数为3.6L/s时，苯的实际流量是多少？,解：,修正公式,因此
17、,质量流量的修正公式,Qf,假设实际被测气体的密度为f，因此被测流体流量Qf与指示值Q0的关系是：,通常，气体流量需要把它转化成工业基准状态（T020293K，P01.0133105Pa）,记被测时的压力和温度分别为：Pf、Tf，所以被测流体对应标准状态的体积流量为：,气体流量测量时的修正,此时的密度f还是实际密度，由于测量的困难，需要把它转化成标态下的密度更为方便：,于是有修正公式,温度单位是绝对温标，压力为绝对压力。（P0=1.0133*105Pa，T0=273K）0 空气标准状态密度（1.293kg/m3）f0 被测介质标准状态密度 Q0 显示流量 Qf0 实际流量（标准状态）,转子流量
18、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;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。,四、椭圆齿轮流量计,1.工作原理,图3-29 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。,测量不含固体杂质的高粘度液体，例如油类、冷凝液、树脂
19、和液态食品等粘稠流体的流量。测量部分：两个相互啮合的椭圆齿轮A和B，以及轴、壳体。,转子每旋转一周，就排出四个由椭圆齿轮与外壳围成的半月形空腔的流体体积(4V)。在V一定的情况下，只要测出流量计的转速n就可以计算出被测流体的流量。,通过椭圆齿轮流量计的体积流量,图3-29 椭圆齿轮流量计结构原理,五、涡轮流量计,原理：当流体通过叶轮时，流体的动能是叶轮旋转。流速越高，动能越大，叶轮转速就越高。在规定的流量范围和一定的流体黏度下，转速与流速成线性关系。应用：常用的某些自来水表、油量计等,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,
20、一般应加过滤器。安装时，前后要有一定的直管段。,电磁流量计测量原理,六、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,将式（4-24）代入式（4-23），得,例题分析,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,例题分析,由此得,代入上述数据,得,该例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
21、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。,例题分析,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。,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
22、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。,物位计的分类,直读式物位计浮力式物位计压差式物位计电磁式物位计核辐射式物位计超声波物位计光电式物位计,一、直读式物位计,用带有刻度的透明物质（如玻璃、有机玻璃）作为容器壁的一部分或连通管，可以直接显示容器内液位的高低。,二、浮力式物位计,利用浮子高度随液面或液体界面变化而变化的原理工作。,三、压差式物位计,利用物料内静压力与物料深度或堆积高度成正比的关系进行测量。,液体密闭容器,液体敞开容器,固体称重仓,四、电
23、容式物位计,圆柱形电容器的电容量的表达式为：电极间充入高度为H的介质前后电容量的变化值为：由此可见，电容量的变化量与充料高度成正比。测量电容量变化即可知料位的变化。,四、电容式物位计,电容式液位计,电容（绳）式料位计,主要用于测量不导电流体,五、电极式物位计,利用物料的导电性能测量高低液位。也可以用于导电性较弱的液体和潮湿固体。,六、核辐射式物位计,放射线通过介质时，其强度衰减与物质的吸收系数和介质层厚度有关：目前，工业上使用的放射线物位计有连续式和间断式两种。,七、超声波物位计,利用声波在空气中传播速度不变的原理，通过检测声波发射和反射全过程的时间间隔可以计算出物料界面到探头的距离，从而得到物位的高低。注意事项：确保反射波能回到探头；防止物料对声波的吸收（如表面泡沫漂浮）。,END,
