化工儀表檢測技術(shù)第3章流量檢測

化工儀表及自動化第三章流量檢測內(nèi)容提要差壓式流量計節(jié)流現(xiàn)象與流量基本方程式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置差壓變送器差壓式流量計的測量誤差轉(zhuǎn)子流量計工作原理電遠(yuǎn)傳式轉(zhuǎn)子流量計漩渦流量計1內(nèi)容提要質(zhì)量流量計直接式質(zhì)量流量計補(bǔ)償式質(zhì)量流量計其他流量計靶式流量計橢圓齒輪流量計渦輪流量計電磁流量計2概述

介質(zhì)流量是控制生產(chǎn)過程達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和安全生產(chǎn)以及進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算所必需的一個重要參數(shù)。

流量大?。簡挝粫r間內(nèi)流過管道某一截面的流體數(shù)量的大小，即瞬時流量。

總量：在某一段時間內(nèi)流過管道的流體流量的總和，即瞬時流量在某一段時間內(nèi)的累計值。定義3質(zhì)量流量M體積流量Q如以t表示時間，則流量和總量之間的關(guān)系是

流量計：測量流體流量的儀表。計量表：測量流體總量的儀表。

4流量的表示方法5流量計的分類速度式流量計容積式流量計質(zhì)量流量計差壓式流量計轉(zhuǎn)子流量計

電磁流量計

渦輪流量計旋渦流量計靶式流量計橢圓齒輪流量計活塞式流量計慣性式質(zhì)量流量計補(bǔ)償式質(zhì)量流量計第一節(jié)差壓式流量計

差壓式（也稱節(jié)流式）流量計是基于流體流動的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時產(chǎn)生的壓力差而實現(xiàn)流量測量的。

差壓式流量計的組成：

節(jié)流裝置：

三閥組及引壓管壓差計（差壓變送器）6節(jié)流裝置引壓管差壓變送器顯示儀表/控制器一、節(jié)流現(xiàn)象與流量基本方程式1.節(jié)流現(xiàn)象

流體在有節(jié)流裝置的管道中流動時，在節(jié)流裝置前后的管壁處，流體的靜壓力產(chǎn)生差異的現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象。

節(jié)流裝置就是在管道中放置的一個局部收縮元件,應(yīng)用最廣泛的是孔板,其次是噴嘴、文丘里管。7孔板噴嘴文丘里管測量原理——節(jié)流原理

圖3-1孔板裝置及壓力、流速分布圖

在管道中流動的流體具有動壓能和靜壓能，在一定條件下這兩種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)換，但參加轉(zhuǎn)換的能量總和不變。用節(jié)流元件測量流量時，流體流過節(jié)流裝置前后產(chǎn)生壓力差Δp(Δp=p1-p2)，且流過的流量越大，節(jié)流裝置前后的壓差也越大，流量與壓差之間存在一定關(guān)系，這就是差壓式流量傳感器測量原理。

要準(zhǔn)確測量出截面Ⅰ、Ⅱ處的壓力有困難，因為產(chǎn)生最低靜壓力p2′的截面Ⅱ的位置隨著流速的不同會改變。因此是在孔板前后的管壁上選擇兩個固定的取壓點，來測量流體在節(jié)流裝置前后的壓力變化。因而所測得的壓差與流量之間的關(guān)系，與測壓點及測壓方式的選擇是緊密相關(guān)的。注意8節(jié)流基本方程式

流量基本方程式是闡明流量與壓差之間定量關(guān)系的基本流量公式。它是根據(jù)流體力學(xué)中的伯努利方程和流體連續(xù)性方程式推導(dǎo)而得的?？梢钥闯鲆懒髁颗c壓差的確切關(guān)系，關(guān)鍵在于α的取值。

流量與壓力差ΔP的平方根成正比。

9原理總結(jié)：流體在管道中正常流動（v、p）節(jié)流件使流體收束，流速增大，壓力降低節(jié)流件前后出現(xiàn)“壓差”“壓差”與流量有關(guān)再采用差壓變送器，將差壓信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號，便于顯示及控制標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置

國內(nèi)外把最常用的節(jié)流裝置、孔板、噴嘴、文丘里管等標(biāo)準(zhǔn)化，并稱為“標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置”。

采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置進(jìn)行設(shè)計計算時都有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定、要求和計算所需要的通用化實驗數(shù)據(jù)資料。需要時可查閱有關(guān)的手冊或資料。

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節(jié)流裝置的選用①在加工制造和安裝方面,以孔板為最簡單,噴嘴次之,文丘里管最復(fù)雜。造價高低也與此相對應(yīng)。實際上,在一般場合下,以采用孔板為最多。②當(dāng)要求壓力損失較小時,可采用噴嘴、文丘里管等。11③在測量某些易使節(jié)流裝置腐蝕、沾污、磨損、變形的介質(zhì)流量時,采用噴嘴較采用孔板為好。④在流量值與壓差值都相同的條件下,使用噴嘴有較高的測量精度,而且所需的直管長度也較短。⑤如被測介質(zhì)是高溫、高壓的,則可選用孔板和噴嘴。文丘里管只適用于低壓的流體介質(zhì)。節(jié)流裝置的安裝使用①必須保證節(jié)流裝置的開孔和管道的軸線同心,并使節(jié)流裝置端面與管道的軸線垂直。②在節(jié)流裝置前后長度為兩倍于管徑(2D)的一段管道內(nèi)壁上,不應(yīng)有凸出物和明顯的粗糙或不平現(xiàn)象。13③任何局部阻力(如彎管、三通管、閘閥等)均會引起流速在截面上重新分布,引起流量系數(shù)變化。所以在節(jié)流裝置的上、下游必須配置一定長度的直管。④標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置(孔板、噴嘴),一般都用于直D≥50mm的管道中。⑤被測介質(zhì)應(yīng)充滿全部管道并且連續(xù)流動。⑥管道內(nèi)的流束(流動狀態(tài))應(yīng)該是穩(wěn)定的。⑦被測介質(zhì)在通過節(jié)流裝置時應(yīng)不發(fā)生相變。

變送器是單元組合式儀表中不可缺少的基本單元之一。

所謂單元組合式儀表,這是將對參數(shù)的檢測及其變送、顯示、控制等各部分,分別做成只完成某一種功能而又能各自獨立工作的單元儀表(簡稱單元,例如變送單元、顯示單元、控制單元等)。15

差壓變送器分類

按使用的能源不同,單元組合式儀表有氣動單元組合式儀表(QDZ型)和電動單元組合式儀表(DDZ型)。

差壓變送器可以將差壓信號Δp轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的氣壓信號或電流信號,可以連續(xù)地測量差壓、液位、分界面等工藝參數(shù)。當(dāng)它與節(jié)流裝置配合時,可以用來連續(xù)測量液體、蒸汽和氣體的流量。16

在現(xiàn)場實際應(yīng)用時，往往具有比較大的測量誤差，有的甚至高達(dá)10％～20％。

不僅需要合理的選型、準(zhǔn)確的設(shè)計計算和加工制造，更要注意正確的安裝、維護(hù)和符合使用條件等，才能保證差壓式流量計有足夠的實際測量精度。注意21

差壓式流量計的測量誤差誤差產(chǎn)生的原因被測流體工作狀態(tài)的變動。節(jié)流裝置安裝不正確。在安裝時要注意節(jié)流裝置的安裝方向。孔板入口邊緣的磨損。導(dǎo)壓管安裝不正確，或有堵塞、滲漏現(xiàn)象差壓計安裝或使用不正確2223

導(dǎo)壓管要正確地安裝，防止堵塞與滲漏，否則會引起較大的測量誤差。對于不同的被測介質(zhì)，導(dǎo)壓管的安裝亦有不同的要求，下面分類討論。

導(dǎo)壓管的安裝測量液體介質(zhì)時：圖3-4測量液體流量時的連接圖1—節(jié)流裝置；2—引壓導(dǎo)管；3—放空閥；4—平衡閥；5—差壓變送器；6—貯氣罐；7—切斷閥（1）測量液體的流量時，應(yīng)該使兩根導(dǎo)壓管內(nèi)都充滿同樣的液體而無氣泡，以使兩根導(dǎo)壓管內(nèi)的液體密度相等。①取壓點應(yīng)該位于節(jié)流裝置的下半部，與水平線夾角α為0°～45°。②引壓導(dǎo)管最好垂直向下，如條件不許可，導(dǎo)壓管亦應(yīng)下傾一定坡度（至少1∶20～1∶10），使氣泡易于排出。③在引壓導(dǎo)管的管路中，應(yīng)有排氣的裝置。

24介質(zhì)為氣體時：差壓變送器應(yīng)裝在節(jié)流裝置的上面,防止導(dǎo)壓管內(nèi)積聚液滴，取壓點應(yīng)在工藝管道的上半部引出。25①取壓點應(yīng)在節(jié)流裝置的上半部。

②引壓導(dǎo)管最好垂直向上，至少亦應(yīng)向上傾斜一定的坡度，以使引壓導(dǎo)管中不滯留液體。

③如果差壓計必須裝在節(jié)流裝置之下，則需加裝貯液罐和排放閥，如圖3-5所示。

圖3-6測量蒸汽流量的連接圖1—節(jié)流裝置；2—凝液罐；3—引壓導(dǎo)管；4—排放閥；5—差壓變送器；6—平衡閥圖3-6測量蒸汽流量的連接圖1—節(jié)流裝置；2—凝液罐；3—引壓導(dǎo)管；4—排放閥；5—差壓變送器；6—平衡閥26介質(zhì)為蒸汽時：

應(yīng)使導(dǎo)壓管內(nèi)充滿冷凝液，因此在取壓點的出口處要裝設(shè)凝液罐，以消除冷凝液的液位高低對測量精度的影響。介質(zhì)具有腐蝕性時：

可在節(jié)流裝置和差壓變送器之間裝設(shè)隔離罐，內(nèi)放不與介質(zhì)有互溶的隔離液來傳遞壓力。

圖3-26隔離罐的兩種形式27差壓計或差壓變送器安裝或使用不正確也會引起測量誤差。

由引壓導(dǎo)管接至差壓計或變送器前，必須安裝切斷閥1、2和平衡閥3，如圖3-7所示。圖3-7差壓計閥組安裝示意圖1，2—切斷閥；3—平衡閥第二節(jié)轉(zhuǎn)子流量計29

在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到小流量的測量，因其流體的流速低，這就要求測量儀表有較高的靈敏度，才能保證一定的精度。轉(zhuǎn)子流量計特別適宜于測量管徑50mm以下管道的流量，測量的流量可小到每小時幾升。一.組成：一是由下往上逐漸擴(kuò)大的錐形管（通常用透明玻璃制成）二是放在錐形管內(nèi)可自由運動的轉(zhuǎn)子。被測流體由錐形管下端進(jìn)入，流經(jīng)轉(zhuǎn)子與錐形管之間的環(huán)隙，再從上端流出。二.測量原理第二節(jié)轉(zhuǎn)子流量計轉(zhuǎn)子流量計中轉(zhuǎn)子的平衡條件是（3-13）根據(jù)轉(zhuǎn)子浮起的高度就可以判斷被測介質(zhì)的流量大小或?qū)⑹剑?-13）代入上兩式，得或由式（3-13）可得（3-14）3031三、電遠(yuǎn)傳式轉(zhuǎn)子流量計

它可以將反映流量大小的轉(zhuǎn)子高度h轉(zhuǎn)換為電信號，適合于遠(yuǎn)傳，進(jìn)行顯示或記錄。

LZD系列電遠(yuǎn)傳式轉(zhuǎn)子流量計主要由流量變送及電動顯示兩部分組成。

1.流量變送部分

圖3-10差動變壓器結(jié)構(gòu)第二節(jié)轉(zhuǎn)子流量計轉(zhuǎn)換原理

若將轉(zhuǎn)子流量計的轉(zhuǎn)子與差動變壓器的鐵芯連接起來，使轉(zhuǎn)子隨流量變化的運動帶動鐵芯一起運動，那么，就可以將流量的大小轉(zhuǎn)換成輸出感應(yīng)電勢的大小。32第二節(jié)轉(zhuǎn)子流量計332.電動顯示部分圖3-11LTD系列電遠(yuǎn)傳轉(zhuǎn)子流量計第三節(jié)漩渦流量計34

2.工作原理：

漩渦流量計是利用有規(guī)則的漩渦剝離現(xiàn)象來測量流體流量的儀表。當(dāng)雷諾量達(dá)到一定數(shù)值時，漩渦的釋放頻率與流速成正比。圖3-12卡門渦列(a)圓柱渦列；(b)三角柱渦列1.結(jié)構(gòu)：在流體中垂直插入一個非流線形的柱狀物（圓柱或三角柱）作為漩渦發(fā)生體。第三節(jié)漩渦流量計

熱學(xué)法電容法壓差法漩渦頻率的檢測方法圖3-13圓柱檢出器原理圖1—空腔；2—圓柱棒；3—導(dǎo)壓孔；4—鉑電阻絲；5—隔墻

滿足h／L＝0.281時，則所產(chǎn)生的渦街是穩(wěn)定的。由圓柱體形成的卡門漩渦，其單側(cè)漩渦產(chǎn)生的頻率為35

精度高、測量范圍寬、沒有運動部件、無機(jī)械磨損、維護(hù)方便、壓力損失小、節(jié)能效果明顯。第四節(jié)質(zhì)量流量計定義直接測量單位時間內(nèi)所流過的介質(zhì)的質(zhì)量,即質(zhì)量流量M。

優(yōu)點

質(zhì)量流量計的最后輸出信號只與介質(zhì)的質(zhì)量流量M成比例,不受壓力、溫度、粘度、密度等因素的影響，這就能從根本上提高流量測量的精度,省去了煩瑣的換算和修正。質(zhì)量流量的基本方程式為36第四節(jié)質(zhì)量流量計一、直接式質(zhì)量流量計圖3-14雙孔板差壓式質(zhì)量流量測量示意圖（3-18）（3-19）將式(3-19)減去式(3-18),可得即37第四節(jié)質(zhì)量流量計38二、補(bǔ)償式質(zhì)量流量計1.流速-密度補(bǔ)償法

圖3-15流速-密度補(bǔ)償法質(zhì)量流量

2.壓差-密度法圖3-16壓差-密度補(bǔ)償法第四節(jié)質(zhì)量流量計

3.壓差-流速補(bǔ)償法

圖3-17壓差-流速補(bǔ)償法39（3-20）又由于（3-21）將式(3-21)代入式(3-20)，得第五節(jié)其他流量計一、靶式流量計組成：在管道中心垂直于流體流動方向安裝一圓盤形的靶作為節(jié)流元件。圖3-18半導(dǎo)體應(yīng)變片式靶式流量變送器

1—靶；2—輸出力杠桿；3—推桿；4—懸臂塊；R1～R4—半導(dǎo)體應(yīng)變片測量原理：流體流動中沖擊圓盤形的靶，流速越大，則靶上所受的力越大，只要通過力矩轉(zhuǎn)換方式來測出靶上所受的力F,便可求出通過流體的流量。轉(zhuǎn)換部分：采用半導(dǎo)體應(yīng)變片作為轉(zhuǎn)換元件。特點：便于某些黏度較高或含有懸浮物介質(zhì)的流量檢測。40二、橢圓齒輪流量計組成：兩個相互嚙合的橢圓齒輪A和B、軸及殼體組成。橢圓齒輪與殼體之間形成測量室。轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，就排出四個由橢圓齒輪與外殼圍成的半月形空腔的流體體積(4V)。在V一定的情況下，只要測出流量計的轉(zhuǎn)速n就可以計算出被測流體的流量。1.工作原理圖3-19橢圓齒輪流量計結(jié)構(gòu)原理二、橢圓齒輪流量計412.使用特點

適用于高黏度介質(zhì)的流量測量。測量精度較高，壓力損失較小，安裝使用也較方便。橢圓齒輪流量計的入口端必須加裝過濾器。橢圓齒輪流量計的使用溫度有一定范圍。橢圓齒輪流量計的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工成本較高。三、渦輪流量計42圖3-20渦輪流量計1—渦輪；2—導(dǎo)流器；3—磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器；4—外殼；5—前置放大器優(yōu)點

安裝方便。測量精度高，可耐高壓。反應(yīng)快，可測脈動流量。輸出信號為電頻率信號，便于遠(yuǎn)傳，不受干擾。缺點

一般應(yīng)加過濾器。安裝時，前后要有一定的直管段。

四、電磁流量計工作原理：電磁感應(yīng)原理圖3-21電磁流量計原理四、電磁流量計43能夠測量酸、堿、鹽溶液以及含有固體顆粒（例如泥漿）或纖維液體的流量。

圖3-21

電磁流量計原理感應(yīng)電勢的方向由右手定則判斷，大小由下式?jīng)Q定

（3-23）而（3-24）將式（4-24）代入式（4-23），得注意

只能用來測量導(dǎo)電液體的流量，且導(dǎo)電率要求不小于水的導(dǎo)電率，不能測量氣體、蒸汽及石油制品等的流量。要引入高放大倍數(shù)的放大器，會造成測量系統(tǒng)很復(fù)雜、成本高，并且易受外界電磁場的干擾。使用中要注意維護(hù)，防止電極與管道間絕緣的破壞。安裝時要遠(yuǎn)離一切磁源。不能有振動。44例題分析舉例

1.某差壓式流量計的流量刻度上限為320m3/h,差壓上限2500Pa。當(dāng)儀表指針指在160m3/h時,求相應(yīng)的差壓是多少(流量計不帶開方器)?

解：由流量基本方程式可知

流量是與差壓的平方根成正比的。當(dāng)測量的所有條件都不變時,可以認(rèn)為式中的α、ε、F0、ρ1均為不變的數(shù)。如果假定上題中的Q1=320m3/h