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1、第四章 流量检测,内容提要,概述节流式差压流量计转子流量计电磁流量计容积式流量计其他流量计,第一节 概述,一、流量检测意义 是工业生产过程操作和管理的重要依据（通过流量测量，进行生产过程中的物料和能量核算，实现最优控制。）,二、流量含义、单位 含义 瞬时流量：工程上所说的流量。单位时间内通过管道某截面的流体的数量。-流量计 累计流量（或总量）：某一段时间内流过管道的流体总和。-计量表,单位 表示法：体积流量 单位有：m3/s，m3/min，m3/h，l/s，l/min，l/h。质量流量单位有kg/s，kg/min，kg/h，t/s，t/min，t/h。两者的关系：-流体密度。,三、流量检测方法
2、,流量检测方法很多，测量原理各不相同，分类方法也很多。体积流量 直接法（容积法）直接测出 在单位时间内以标准固定体积对流动介质连续不断地进行度量，以排出流体固定容积数来计算流量。椭圆齿轮 腰轮 刮板 旋转活塞,精度较高,间接法（速度法）测量平均流速节流式 力学转子 力学涡轮 力学电磁 电学超声波 声学涡街 力学热线风速 热学激光多普勒 光学,质量流量直接式：涡轮转矩式质量流量计 科里奥利质量流量计间接式：差压流量计与密度计组合 差压流量计与速度流量计组合 靶式流量计与速度流量计组合补偿：用压力、温度补偿,RETURN,第二节 节流式差压流量计,最成熟、最常用的一种流量计。优点：应用广泛（工业流
3、量计总数的一半以上），能测量各种气体、液体、蒸汽的流量。结构简单。标准化程度高（常用的节流装置都是标准化件）。资料比较齐全，（使用历史长久）为设计、制造带来方便。缺点：精度不高；安装要求高；量程比小（可测最大流量与最小流量之比）。,一、测量原理-节流现象 当流体通过装有节流装置的管道时，会发生流体流束的局部收缩，同时流体在节流装置前后的管壁产生的静压力不同。这种现象称为节流现象。该静压力差的平方根与流量（流速）成正比。作为流量测量的节流元件有标准节流元件和特殊节流元件，其中标准节流元件有标准孔板、标准喷嘴、标准文丘里管等。,演示,检测原理（主要讨论标准孔板的原理）设流体在水平管中沿轴线方向稳定
4、流动，流体不对外作功，和外界没有热量交换，流体本身也没有稳定变化。对于不可压缩理想流体，则根据伯努利方程：以及流体的连续性方程：求得流束截面最小处的流速为：,经推导，可知：,流体流量为：-流量系数，与节流元件形式（m）、取压方式、雷诺数Re、直径比、管道情况等有关，要由实验获得。-膨胀校正系数，。流体密度在通过节流件时因为压力变化而发生变化，所以必须加以修正。-节流装置的开孔截面积。-节流装置前的流体密度。-节流装置前后实际测量得到的静压力差。节流装置形状、大小一定；取压点一定；流体参数和其它工艺条件一定。否则，流量与静压力差的关系要进行必要的修正。,取压方式 取压方式(即取压点的位置)不同,
5、流量系数不同，目前主要的取压方式有：角接取压、法兰取压、径距取压法、理论取压法、管接取压法等五种。标准件的取压方式：孔板-角接取压、法兰取压、径距取压；喷嘴-角接取压。雷诺数Re 表示流体的流动状态，对于给定的流体和流动条件，它反映流体的流动速度。,二、组成由节流装置、信号管路、差压计等组成。节流装置：包括节流件、取压装置和符合要求的前、后直管段。信号管路：引压管、导压管。作用：压差信号传输到差压计或差压变送器。差压计（或差压变送器）：把压差信号转换为标准电信号或气信号（与流量对应）。测压差，并显示出流量值。,三、仪表安装、使用要求应用广泛，但现场应用时的测量误差很大，最大可达10%20%。原
6、因：使用不当，并非仪表本身的测量误差。所以，要正确安装、维护、符合使用条件。被测流体的工作状态变动时，要重新设计计算，或对所测值进行修正。当温度、压力、湿度、流体密度、粘度等参数数值与设计计算时不同。节流装置安装使用要求 保证节流装置前、后要有足够长度的直管段。目的：使流体处于一个稳定流动状态。节流装置的中心与管道中心同轴心。节流装置方向与流体流动速度方向一致。如孔板，流体应从孔板“+”号一侧流入。节流装置的前后2D（D：管道直径）范围内，管道内壁应光滑平整，没有毛刺凸出。用孔板来测量流量时，管径不能小于50mm。管道内要充满流体，无相变（单相的，流过节流装置时不发生相变）。不能测量脉动流量。
7、使用久了，因节流装置几何形状和尺寸变化，会引起测量值偏低，故注意检查、维修、更换。,信号管路的安装 保证两根引压管相同：充满相同流体而无夹杂物。要有防堵（塞）、防渗漏、防腐蚀、防冻等措施。在引压管路上，根据被测介质不同（气、蒸汽、液体等），加装一些收集器（如：贮液罐、贮气罐、凝液罐等）、阀门（如：排放阀、放空阀、平衡阀、切断阀等），以排除导压管中可能而不应该有的液滴、气泡、固体颗粒等。取压点选择、阀门选择、具体引压管路的铺设位置、取压点位置等见下面例子。差压计的安装 水平安装，要牢固无振动，且便于维修。注意安装环境：温度、湿度等。安装、使用实例,例1、测液体流量,切断阀：便于差压计的维修等。平
8、衡阀：防止两个切断阀不同时开启时流体对差压计产生很大的单向静压力而损坏仪表。冲洗阀：去除引压管路中的固体杂质。注意：取压点在节流装置下半部00450；引压管垂直或向下倾斜；取压点避免选在450900底部，以防液体中夹杂的固体堵塞引压管路；差压计等安装在节流装置之下。-目的：排除液体中的气泡、固体颗粒。,若管道在地上，在节流装置之上时，要加装贮气罐和放空阀。,注意：取压点在节流装置上半部；引压管垂直向上或向上倾斜一定角度；差压计在节流装置之上。-目的：使引压管路中不滞留液体。,例2、测气体流量,若管道在上方，差压计在节流装置之下时，要加装贮液罐、排放阀。,蒸汽引出来后先经过凝液罐，然后接法与测量
9、液体流量相同。,例3、测蒸汽流量,图中的甘油为隔离液。隔离液的作用：传递压力、与被测介质不互溶、不发生物理化学作用的中性介质。工业用隔离液有：水、甲基硅油、苯、煤油、乙醇等等。,例4、测腐蚀性流体的流量,RETURN,第三节 转子流量计,一、测量原理及结构 1、结构 左图中：锥形管为下小上大垂直安装的玻璃管。转子是可在锥形管中上下自由运动的物体。在锥形管外有自下而上的均匀刻度。2、检测原理 流体在锥形管中自下而上流动，当流量稳定时，其中的浮子（转子）将稳定在某一个位置。,锥管,流体由下而上流过转子与锥形管间的环隙，流过转子时，转子受到向上的力F（该力使转子浮起。这是由于阻力件转子前后压力不同产
10、生的力。）。同时转子还受到流体对转子的浮力F浮、重力G。,当 时，转子停下来不动（此时对应一定高度）；当 时，转子上升；当 时，转子下沉。,分析：初始状态：，转子对应一定高度。,若突然流体流量Q（）变大（或变小），此刻 变大（根据 关系），变大，有，转子上升，环形截面积 变大，则流体流速 变小。因，则F变小，至再次，转子又稳定在一个新高度上。,根据转子平衡位置的高度可判断流量的大小，因此由转子平衡位置h可读出流量值Q。两者的关系是：。式中：-流量系数；d0-转子所在处的锥管的内径；df-转子的最大直径；vt-转子体积；At-转子的最大横截面积；-转子材料的密度；-水的密度。,3、测量原理的比较
11、 转子流量计：利用节流面积的变化测量流量，又称变截面积恒差压的流量计。适用于中小流量。差压式流量计：利用压差测量流量，又称变压差恒节流面积的流量计。适用于大流量。,4、根据显示方式的不同可分为两类：直接指示型的转子流量计电远传型转子流量计,转子流量计,二、使用特点,垂直安装，流体由下而上，且为透明的被测介质；压力损失小，转子对流量变化敏感，位置变化快；主要适用于中小管径、较低雷诺数的中小流量的检测（小至几升/小时）；测量各种流体的流量；结构简单、直观，使用方便，工作可靠，仪表前直管段长度要求不高；精度不高，基本误差约为仪表量程的12%，量程比可达101；易受工作介质密度，粘度，纯净度等影响。,
12、三、流量指示值的修正,转子流量计（在出厂前的）刻度标定：标准状态（20、0.10133MPa）下用水或空气进行刻度标定。刻度特性与被测流体的工作状况（流体的粘度、密度、温度、压力等）有密切关系。所以，流量标尺上的刻度值代表：20时的水流量值，或者20、0.10133MPa压力下的空气的流量值。而被测介质是各种各样的，其温度、压力也不是定值，此时要根据实际情况对流量指示值进行修正。,1、测液体流量 温度、压力改变时对被测介质密度影响不大，对流量影响不大，故不必考虑温度、压力的影响，只需考虑流体密度对读数的影响。,流量与转子高度的近似关系：,-被测液体的密度；-体积流量密度修正系数；-质量流量密度
13、修正系数；-被测液体的实际质量流量。当介质密度变化时，密度修正系数的数值可查表。,则修正公式为：,2、测气体流量,当被测气体密度、压力、温度变化时对流量的影响都很显著，因此都要进行修正。其修正公式如下：,式中：Q1-被测气体在标态下的实际流量；Q0-标态下的指示流量值；、-空气、被测气体在标态下的密度；p0、T0-标态下的绝对压力和绝对温度：0.10133MPa、293K（20）；p1、T1-被测气体在工作状态下的绝对压力和绝对温度。、-密度、压力、温度的修正系数。,RETURN,第四节 电磁流量计,一、结构、原理 1、结构 由传感器和转换器等组成。传感器：根据电磁感应原理，把被测介质的流量变
14、换成感应电势e；转换器：流体流动产生的感应电势十分微弱，而且各种干扰因素的影响也很大，转换电路的目的是将感应电势放大并能抑制主要的干扰信号。传感器由磁路系统、测量管、电极、衬里、外壳等部分组成。磁路系统：直流磁场简单，但会使管道中的导电液体电解、电极极化，故常采用交流BBmsint交变磁场。按励磁绕组不同主要有两种结构：集中绕组；分组绕组式。测量管：不导磁、低导电率、低导热率、具有一定强度、让被测流体通过，有不锈钢、玻璃钢、高强度塑料等材料。电极：测量感应电势。衬里：直接接触被测介质，主要作用是增加测量管的耐磨与耐蚀性，防止感应电势被金属测量管管壁短路。外壳：一般用铁磁材料制成，它是保护励磁线
15、圈的外罩，并可隔离外磁场的干扰。,当导电流体（相当于导体）在磁场中作垂直于磁场方向流动而切割磁力线时，在两电极上会产生感应电势，其方向由右手定则判断，其大小为：。因为，则。,2、检测原理：基于电磁感应定律,式中：B-磁感应强度；D-垂直切割磁力线的导体长度，即管道内径；v-导体垂直切割磁场的运动速度。K-仪表常数,测量流量：在B、D确定不变后，K为常数，则，测E可得Q。,演示,3、电磁流量计的转换电路 主要由前置放大、差动交流放大、高通滤波、采样电路和差动直流放大等部分组成。,二、电磁流量计的特点优点 测量各种导电液体的流量，如：酸、碱、盐溶液，含固体颗粒、悬浮物的液体流量。采用防腐衬里，可以
16、测量各种腐蚀性液体的流量。测量导管中无可动部件或凸出于管道内的部件，压力损失小，不易堵塞。不受液体的性质（温度、压力、黏度、密度等）的影响，一般流量计达不到这一点。测量范围（量程范围）宽（可达1：100）；精度范围12.5。反应迅速，可测脉动流量。缺点 不能测量气体、蒸汽、石油制品等非导电流体的流量。远离磁源，不能有振动。因感应电势e很小，要引入高放大倍数的放大器，从而造成测量系统很复杂，成本高。在流量计前后要有足够长度的直管段。,电磁流量计,RETURN,容积式流量计：在单位时间内以标准固定体积对流动介质连续不断地进行度量，以排出流体固定容积数来计算流量。,第五节 容积式流量计,常见的容积式
17、流量计有：椭圆齿轮流量计、腰轮(罗茨)流量计、刮板流量计、旋转活塞式流量计、湿式流量计及皮囊式流量计等。,椭圆齿轮流量计刮板流量计,演示,检测原理流量计内部有12个转子，在流入口流体压力作用下使转子转动，随着转子的转动，使流体从流入口流向流出口。设转子与流量计壳体之间的容积已知，则通过测量转子的转速，就可得知流体流经流量计的流量；如果测出转子转过的次数，就可获得流体的总体积。,模型演示,流体流量：,式中：V0为半月形测量室的容积，n为转子的转速。式中V0一定，只要测得转速n，即可求出体积流量Q。,容积式流量计的工作特性 容积式流量计的工作特性与流体的粘度、密度以及工作温度、压力等因素有关，相对
18、来说，粘度的影响要大一些。信号转换 就地显示 远传显示,容积式流量计的工作特点：被测流体要求清洁，不能用于测量含固体颗粒的流体，或加装过滤器，否则易堵或磨损。测量不含固体杂质的液体、油、冷凝液、气体等的体积流量，尤其是高粘度液体的体积流量，如：重油、树脂、聚乙烯醇。精度高，可达0.20.5%。小流量时泄漏大，使读数偏低。使用过久，易发生泄漏，会带来较大的测量误差。对直管段无要求。量程比10：1。,RETURN,第六节 其他流量计,一、超声波流量计声波在静止液体中的传播速度与流体中的传播速度不同。超声波的接收和发射器称换能器，换能器既可兼作声波的接收和发射，也可以分开进行。,实际应用如下几种形式
19、。时间差法通过测量超声波脉冲顺流和逆流时传播的时间差来得到流体的流速。当超声波传播方向与管道轴线成角时，可以得到流速v与时差t之间的关系为：式中D-为发射探头和接收探头间的距离存在问题：声波在静止液体中的传播速度c受流体温度影响大，要采用补偿措施来修正声速C。t数量级小，要求电子精度高，限制了测量下限。,相位差法换能器发射连续超声脉冲或者周期较长的脉冲波列，测量顺流和逆流发射时所接收到信号之间的相位差，利用时间差与相位差的关系来求时间差，进而求流速和流量。相位差 较大，避免了t过小对测量精度的影响，有利于提高测量精度，但声速c的影响仍较大。频率差法通过测量顺流和逆流时超声脉冲的重复频率来测量流
20、量。,发射器T发出一个超声脉冲，经过流体由接收器R接收此信号，进行放大后再送到发射器T产生第二个脉冲，这样反复来往，其频率为：虽然fv关系式中包含了c，则由于csin/D1，故与前两种方法比较，声速变化所产生的误差影响小。,特点非接触测量，无压力损失，而本身耗能很小，是较理想的节能仪表。可测高粘度的液体、非导电流体。可测含大量杂质和气泡的液体介质，优于其他流量计。能测强腐蚀、易燃和放射性介质，且不受液体压力、温度、黏度、密度的影响。流速沿管道分布的影响，与雷诺数Re有关。大口径、小口径管道内的液体、气体流量都可测量，且造价和质量几乎不与管径相关。不干扰流场。（探头安装在管道外面，因超声波能穿透
21、金属管壁，不影响流体流动状态。）,二、涡轮流量计 涡轮流量计是从叶轮流量计（水表）基础上发展起来的。当流体流经涡轮时，由于流体的冲击作用，将使涡轮发生旋转，转动的频率与流量等相关。涡轮流量计主要由涡轮、导流器、磁电感应转换器、放大与信号变换电路等组成。磁电感应转换器是将涡轮转速转换成电脉冲数，这是涡轮流量计的关键部分。,检测原理-涡轮用高导磁的不锈钢做成，管道外装上传感器，它由磁钢和线圈组成。当叶片转动时，周期地改变检测器中磁路的磁阻，使通过感应线圈的磁通量随之变化。这样，在线圈的两端即感应出脉冲信号。,特点：精度较高0.5级，常作标准表。结构简单，安装方便。由于基于磁电感应转换原理，反应迅速
22、，可测脉动流量。耐高压，易远传（电频率输出信号），不受干扰。量程比较大10：1。涡轮易磨损，流体中不应带机械杂质。适用于清洁介质（一般要装过滤器）。周围不能有强磁场。介质的密度、粘度变化对测量结果有影响。要保证前后有一定长度的直管段，目的：流体流向稳定。,三、涡街流量计 涡街流量计也称漩涡流量计漩涡流量计有两种：一种是应用自然振荡的卡门漩涡列原理而制成的，称为卡门漩涡流量计；另一种是应用强迫振荡的漩涡旋进原理而制成的，称为旋进式漩涡流量计。,检测原理（卡门漩涡流量计）若在流体中垂直于流向放置一个圆柱体或棱柱体，在它下游两侧就会交替出现漩涡，两侧漩涡的旋转方向相反，并轮流地从柱体上分离出来，这两
23、排平行的非对称的漩涡列称为卡门涡街。漩涡发生体是漩涡流量计的核心。漩涡发生体的形状主要有圆柱体、方柱体和三角柱体，也有组合式的。,漩涡频率的检测 漩涡频率的检测有很多，一般与漩涡发生体形状有关。热电丝圆柱体热敏电阻三角柱压电元件组合式超声波检测元件三角柱,涡街流量计的特点 精度高，可达0.21.0%。可以测液体、气体、蒸汽的流量。没有运动部件，无机械磨损，寿命长，阻力小，节能效果非常明显。频率输出，便于数字化测量。输出信号f与流量成正比，而与流体性质无关，尤对大口径管道的流量测量更有利。量程比大100：120：1。作为速度式测量仪表，管道内速度分布规律变化对精度影响大，故要求检测器前有15D、
24、后有5D的直管段，且直管内部光滑。,涡街和旋进流量计,四、质量流量计 质量流量的检测方法主要有三大类：直接式间接式补偿式,直接式质量流量计 直接式质量流量检测方法有许多种，如由孔板和定量泵组合实现的差压式方法；由两个用弹簧连接的涡轮构成的涡轮转矩式方法；应用麦纳斯效应的检测方法和基于科里奥利力的检测方法等。,间接式质量流量计 间接式质量流量计实际上就是组合式质量流量计，它是在管道上串联多个(常见的是两个)检测元件(或仪表)，建立各自的输出信号与流体的体积流量、密度等之间的关系，通过组合，联立求解方程组，间接推导出流体的质量流量。,主要的组合方式有：差压式流量计与密度计组合方式；体积式流量计与密
25、度计组合方式；差压式流量计或靶式流量计与体积式流量计或速度式流量计组合方式。,补偿式质量流量计 同时检测体积流量、温度、压力。由温度、压力与密度的关系，算出流体的密度，再求出M。该方法使用条件：温度、压力变化较小；液体的密度-温度满足线性关系；服从理想气体定律的气体；流体组成确定。,要 求,了解各种流量计的测量原理和特点。重点是差压式流量计、转子流量计和电磁流量计。,思考题,什么是节流现象?流体经节流装置时为什么会产生静压差？什么叫标准节流装置？标准的节流装置有哪几种?应用最广泛的是哪种?造成差压式流量计测量误差的原因有哪些？怎样提高测量精度？原来测量水的差压式流量计，现在用来测量相同测量范围
26、的油的流量，读数是否正确？为什么？用转子流量计测量流体流量时为什么要进行流量值的修正？怎么修正？为什么说转子流量计是定压降流量计，而差压式流量计是变压降式流量计？,某发酵生产过程采用转子流量计测量温度为30、表压力为50KPa的无菌空气的流量，若转子流量计的读数为100m/h，试问被测空气的实际流量是多少？,作 业,答案：Q0=100m3/h，0=1=1.293kg/m3，P0=0.10133MPa，P1=0.05+0.10133=0.15133(MPa)，T0=273+20=293(K)，T1=273+30=303(K),被测空气的实际流量是：,用水刻度的流量计，测量范围为010L/min，转子用密度为7920kg/m3的不锈钢制成，若用来测量密度为0.831kg/L苯的流量，问体积流量密度校正系数是多少？测量范围为多少？若这时转子材料改为由密度为2750kg/m3的铝制成，问这时用来测量水的流量及苯的流量，其测量范围各为多少？,答案：体积流量密度校正系数为：,所以苯的测量范围为：011.11L/min。,若转子材料改变，测水流量的范围为：,测量苯流量的范围为：,所以苯的测量范围变为：05.78L/min。,所以水的测量范围变为：05.03L/min。,
