化工儀表自動化流量測量及變送

第四章流量(liúliàng)測量及變送概述差壓式流量計靶式流量計容積(róngjī)式流量計轉(zhuǎn)子流量計其他流量計質(zhì)量流量計小結(jié)精品資料第一節(jié)概述(ɡàishù)返回(fǎnhuí)

流量儀表的主要功用：(1)作為工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的檢測物料數(shù)量的總量表；(2)在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中只要有流體的系統(tǒng)，都需要進行流量的檢測和控制。(3)特別是在能源計量方面，無論是石油、天然氣等，還是二次能源成品油、煤氣、石油汽及蒸氣，含能工質(zhì)壓縮空氣、氧、氫和水等都使用著數(shù)量較大的流量計量儀表。流量計量儀表是能源管理和經(jīng)濟核算不可缺少的工具。對于儲運，流量的測量是交接雙方進行貿(mào)易結(jié)算的依據(jù)，流量測量的準確性就顯得尤其重要。

定義:

流量是指流經(jīng)某一截面的流體數(shù)量。這個量用流體的體積來表示稱為體積流量（Q），簡稱體積流量；這個量用流量的質(zhì)量來表示稱為質(zhì)量流量（M），簡稱質(zhì)量流量。隨著工藝要求的不同，它的測量可分為瞬時流量和累積流量。精品資料第一節(jié)概述(ɡàishù)一、瞬時(shùnshí)流量單位時間內(nèi)流過某一截面的流體數(shù)量。1.體積瞬時流量單位時間內(nèi)流經(jīng)某一有效截面的流體體積。常用單位：L/h，m3/h

等。2.質(zhì)量瞬時流量單位時間內(nèi)流經(jīng)某一有效截面的流體質(zhì)量。常用單位：t/h，kg/h

等?？刹捎皿w積或質(zhì)量流量來表示：

返回（4-1）

（4-2）

精品資料第一節(jié)概述(ɡàishù)二、累積流量(總量)某一段時間內(nèi)流經(jīng)某一有效截面(jiémiàn)的流體總和。1.體積累積流量某一段時間內(nèi)流經(jīng)某一有效截面的流體體積總和。常用單位：L，m3

等2.質(zhì)量累積流量某一段時間內(nèi)流經(jīng)某一有效截面的流體質(zhì)量總和。常用單位：t，kg

等

測量瞬時流量的儀表一般稱流量計，測量累計流量(總量)的儀表稱為計量表（總量表）。返回可以采用體積或質(zhì)量來表示：

（4-3）

（4-4）

精品資料第一節(jié)概述(ɡàishù)三、關(guān)于氣體體積流量(liúliàng)測量

氣體體積流量測量單位采用標準立方米。其換算公式為物理標準狀態(tài)：0℃，0.101325MPa工業(yè)標準狀態(tài)：20℃，0.101325MPa

Q0ρ0=Q20ρ20由理想氣體定律：Q0=0.9318Q20返回精品資料第一節(jié)概述(ɡàishù)四、流量儀表的分類(fēnlèi)返回流量測量的流體是多樣化的，如測量對象有氣體、液體、混合流體；流體的溫度、壓力、流量均有較大的差異，要求的測量準確度也各不相同。因此，根據(jù)工藝要求，考慮被測流體的特性（物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)、流動狀態(tài)）、安裝條件、環(huán)境條件等測量條件的不同，需采用不同類型的流量計。1速度式流量計

以測量流體在管道中的流速作為測量依據(jù)來計算流量的儀表。如差壓式、浮子式、靶式、電磁式、渦輪式、渦街式、超聲波式、激光測速式等。需要直管段。精品資料第一節(jié)概述(ɡàishù)返回(fǎnhuí)2容積式流量計3質(zhì)量式流量計

以單位時間內(nèi)所排出的流體固定容積的數(shù)目作為測量依據(jù)，如橢圓齒輪流量計、腰輪流量計、刮板式流量計和旋轉(zhuǎn)活塞或往復(fù)活塞式、雙轉(zhuǎn)子式、轉(zhuǎn)筒式等流量計。不需要直管段。

以測量流過流體的質(zhì)量M作為測量依據(jù)。如熱式、補償式、振動式等。特點：測量精度不受溫度、壓力、粘度等變化的影響。精品資料第一節(jié)概述(ɡàishù)五、流量儀表的輸出(shūchū)信號返回1模擬量輸出信號標準信號4-20mADC二線制或三線制2脈沖輸出信號精品資料第一節(jié)概述(ɡàishù)返回(fǎnhuí)3數(shù)字輸出信號(2)RS485,RS232,RS422(1)Hart精品資料一、概述(ɡàishù)由管道中節(jié)流元件產(chǎn)生的差壓和已知流體條件及節(jié)流元件與管道的幾何尺寸(chǐcun)進行流量測量。

第二節(jié)差壓式流量計差壓式流量計的組成:1.節(jié)流裝置(節(jié)流件和取壓裝置)

v→△P2.引壓管路與三閥組3.差壓計(差壓變送器)

△P→4～20mA信號輸出

將△P→差壓計，回零檢查及維修。返回精品資料二、節(jié)流原理及流量(liúliàng)方程1.節(jié)流(jiéliú)原理分析

第二節(jié)差壓式流量計動壓能與靜壓能轉(zhuǎn)換的原理。

流體流經(jīng)節(jié)流元件將Q→△P

，測量△P進行流量測量。節(jié)流原理節(jié)流元件：改變管道中流體流通面積的元件。返回精品資料

第二節(jié)差壓式流量計2.流量基本(jīběn)方程根據(jù)質(zhì)量守恒定律和能量(néngliàng)守恒定律得到：β—直徑比，β=d/D;C—流出系數(shù)；d—工作條件下節(jié)流件的孔徑；ρ1

—節(jié)流裝置上游流體密度；D—工作條件下上游管道內(nèi)徑；△P—節(jié)流裝置前后測得的差壓；A0—節(jié)流件的開孔截面積，ε—可膨脹性系數(shù)（液體ε=1；可壓縮流體ε

<1）；三、標準節(jié)流裝置它包括節(jié)流元件和取壓裝置。按國標設(shè)計、加工、制造和安裝的節(jié)流裝置。返回?zé)o需標定，可直接用于流量測量，其誤差不會超出規(guī)定的數(shù)值。精品資料

第二節(jié)差壓式流量計1.標準(biāozhǔn)孔板特點(tèdiǎn)：a.壓力損失較大；b.一般只適用于潔凈流體?？装迨且粔K上游具有銳利直角邊緣的同心圓形薄板。2.標準噴嘴特點：a.壓力損失略小于孔板；b.對帶有污垢的流體介質(zhì)較為適宜。ISAl932噴嘴和長徑噴嘴。（一）標準節(jié)流元件

由兩個圓弧曲面構(gòu)成的入口收縮部分及與之相接的圓筒形喉部組成。返回精品資料

第二節(jié)差壓式流量計3.標準(biāozhǔn)文丘利管上、下游取壓口做成單獨管壁取壓形式(xíngshì)，由均壓環(huán)將多個取壓口連接。返回精品資料

第二節(jié)差壓式流量計（二）標準(biāozhǔn)取壓方式1.角接取(jiēqǔ)壓

同一節(jié)流元件，相同流量下，取壓位置不同所得△P不同，故Q與△P關(guān)系不同。（1）環(huán)室：用于400mm以下管徑，精度高。（2）單獨鉆孔：安裝方便。緊靠節(jié)流件前后端面取壓。適于孔板、噴嘴。返回精品資料第二節(jié)差壓式流量計3.徑距取壓2.法蘭取壓距節(jié)流件前后端面(duānmiàn)1英寸(25.4mm)處取壓。僅適用于孔板。均距節(jié)流元件前端面1D、后端面D/2處取壓，適用(shìyòng)于孔板和噴嘴。返回精品資料

第二節(jié)差壓式流量計三種標準節(jié)流(jiéliú)元件的區(qū)別:壓力損失(sǔnshī):孔板>噴嘴>文丘利管加工安裝難度:

孔板<噴嘴<文丘利管成本:

孔板<噴嘴<文丘利管返回精品資料四、三閥組與差壓計

第二節(jié)差壓式流量計節(jié)流裝置僅產(chǎn)生(chǎnshēng)△P，由差壓計測量△P遠傳，用于顯示、記錄或控制。

1.差壓計

（1）差壓變送器（同前）（2）雙波紋管差壓計或U型管

不需電源(diànyuán)或氣源，用于就地顯示。返回△P→差壓計→I0或就地指示△P→I0→控制室線性等分→差壓百分數(shù)方根(非線性)→流量百分數(shù)差壓計顯示刻度：

精品資料2.三閥組第二節(jié)差壓式流量計三閥組作用(zuòyòng)：（1）防止差壓計啟動(qǐdòng)和停運時,因單向受壓損壞。啟動順序：①打開平衡閥2；②打開切斷閥1或3（先后無關(guān)）；③關(guān)閉平衡閥2;④打開切斷閥3或1（先后無關(guān)）關(guān)閉順序：①關(guān)閉切斷閥1、3（先后無關(guān)）；②打開平衡閥2。（2）差壓計回零檢查。返回精品資料

一體化差壓流量計返回(fǎnhuí)精品資料

第三節(jié)靶式流量計

一、工作(gōngzuò)原理K—比例常數(shù)，與靶形狀及雷諾數(shù)有關(guān)；Ad—垂直于流速的靶面積，ρ—流體密度；v—環(huán)形流通截面(jiémiàn)平均流速。測量部分：靶、杠桿、密封膜片、測量管路。轉(zhuǎn)換部分：原理同力平衡式差壓變送器。靶上作用力可分為三部分：（1）流體對靶的沖擊力，即流體動壓力。（2）靶節(jié)流作用，在前后側(cè)產(chǎn)生的壓差。（3）流體對靶的粘滯摩擦力。返回流體動壓原理。動壓→F精品資料第三節(jié)靶式流量計測得F，可知(kězhī)Q。—流量系數(shù)，與靶形、管徑、直徑(zhíjìng)比、雷諾數(shù)等有關(guān)。

設(shè)管徑為D，靶徑為d，則環(huán)形流通面積為:靶式流量計返回精品資料第三節(jié)靶式流量計二、特點(tèdiǎn)1.可測量含雜質(zhì)的臟污(zānɡwū)流體、高溫渣油、漿液、瀝青等。

2.用于小口徑(DN15～50)，高粘度，低雷諾數(shù)流體。3.可測壓力高達數(shù)十MPa，溫度達450℃。4.壓力損失較低，約為標準孔板的一半。返回精品資料第四節(jié)容積(róngjī)式流量計常用：橢圓(tuǒyuán)齒輪流量計、羅茨流量計(腰輪流量計)、刮板流量計、旋轉(zhuǎn)活塞流量計等。工作原理：

將流體連續(xù)地分割成固定體積的單元流體，測量元件的動作次數(shù)得到體積總量。即容積分界法。

V0—固定體積；N—測量元件的轉(zhuǎn)數(shù)；k—與流量計結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)。返回精品資料一、橢圓(tuǒyuán)齒輪流量計第四節(jié)容積(róngjī)式流量計適合于中、小流量，測量范圍：3L～540M3/h液體；

口徑：10～250mm；精度：0.2～0.5。圖a：P1

＞P2

，A為主動輪，B為從動輪；

圖b：A、B均為主動輪；圖c：B為主動輪，A為從動輪；

橢圓齒輪返回精品資料第四節(jié)容積(róngjī)式流量計允許微小顆粒(kēlì)通過，可測液體或氣體。缺點：體積大、笨重，維修不便，壓損較大，運行中有震動。精度：0.1～0.5，可作標準流量計。

口徑：16～500mm。

二、腰輪流量計返回精品資料第四節(jié)容積(róngjī)式流量計5.要求(yāoqiú)被測流潔凈，在流量計前加裝過濾器。6.壓損大。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積笨重，故適合于中、小口徑。

7.不適用于高溫或低溫場合。溫度范圍：-30～160℃，壓力<10MPa。三、特點

1.精度高，可達0.1級；

2.管道安裝條件對計量精度沒有影響，不要求直管段；

3.直讀式無需外部能源；

4.特別適合高粘度流體測量；返回精品資料第五節(jié)轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)流量計一、工作(gōngzuò)原理

轉(zhuǎn)子在垂直錐管中隨流量變化而升降，改變流通面積測量流量。轉(zhuǎn)子受力分析：轉(zhuǎn)子在某一位置平衡時：流體動壓力轉(zhuǎn)子重力浮力V—環(huán)形流通面積平均流速；C—轉(zhuǎn)子阻力系數(shù)；Ar—轉(zhuǎn)子迎流最大截面積；Vr—轉(zhuǎn)子體積；ρr—轉(zhuǎn)子密度；ρ—被測流體密度。

返回精品資料第五節(jié)轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)流量計二、分類(fēnlèi)1.玻璃管轉(zhuǎn)子流量計

用于就地指示，不適用高溫、高壓場合，不能遠傳，易碎。

2.金屬管浮子流量計

用于遠傳，高溫、高壓場合。

遠傳式轉(zhuǎn)子流量計返回精品資料三、轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)流量計示值修正第五節(jié)轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)流量計

流量計刻度在工業(yè)標準狀態(tài)(20℃，0.101325MPa)下，以水或空氣為介質(zhì)單獨標定所得。

1.液體流量的修正標定時：實測時：則修正公式為：Q0—水標定的刻度流量；ρw—水的密度

Q—密度ρ的實際流量。返回實用時，若介質(zhì)密度或工作狀態(tài)不同，須修正。工作狀態(tài)下

實際流量精品資料第五節(jié)轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)流量計2.氣體流量(liúliàng)的修正工作狀態(tài)下

實際流量需將工作狀態(tài)下流量換為工業(yè)標態(tài)下氣體流量：標定時：實測時：返回則修正公式為：將ρ和Q帶入得：精品資料例：用轉(zhuǎn)子流量(liúliàng)計測CO2氣體流量(liúliàng)。測量時被測氣體t=40℃，P=0.49×105Pa，若流量(liúliàng)計讀數(shù)為120Nm3／h，問CO2實際流量(liúliàng)是多少?解：已知Q0=120Nm3／h，T0=293.15K，P0=0.10133MPa

P=0.049＋0.10133=0.15033MPa，T=40＋273.15=313.15K由氣體(qìtǐ)性質(zhì)表查得：20℃，0.10133MPa條件下：ρ0＝1.205kg／m3，ρ'0＝1.842kg／m3。則帶入修正公式得：第五節(jié)轉(zhuǎn)子流量計返回精品資料第五節(jié)轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)流量計四、特點(tèdiǎn)1.適用于小管徑、小流量氣體或低粘度液體測量。常用儀表口徑：40～50mm以下，最小為1～4mm。玻璃管最大口徑100mm，金屬為150mm。4.只能用于自下向上垂直流動管道。3.受被測介質(zhì)密度、粘度、溫度、壓力等因素影響，

精度較低，最高1.0級左右。2.壓力損失較低，平衡時為恒壓降。返回精品資料第六節(jié)其他(qítā)流量計電磁(diàncí)流量計旋渦流量計渦輪流量計返回精品資料第六節(jié)其他(qítā)流量計1.測量(cèliáng)原理電磁感應(yīng)：B—磁感應(yīng)強度；D—管道內(nèi)徑；v—垂直于磁力線方向的流速；C—比例系數(shù)，單位換算系數(shù)。k—儀表常數(shù)，取決磁感應(yīng)強度、管徑。磁場勵磁方式：直流勵磁、交流勵磁或方波勵磁等。一、電磁流量計返回精品資料第六節(jié)其他(qítā)流量計2.特點(tèdiǎn)及使用

僅適用于導(dǎo)電液體。（1）壓損小,可測含固體顆粒、懸浮物或腐蝕性等介質(zhì)；（2）輸出線性,且不受介質(zhì)物理性質(zhì)影響；（3）測量范圍寬。量程比可達100:1，口徑1～2000mm，精度可達0.5級；（4）反應(yīng)速度快，可測脈動流和正、反兩向流。

缺點：使用溫度為0～200℃，壓力<6.4MPa；易受外界電磁場干擾影響，必須有良好的屏蔽措施。返回精品資料應(yīng)用(yìngyòng)流體振動原理。分為自然振動和強迫振動方式。1.渦街流量計St—斯特羅哈爾(Strouhal)系數(shù)(xìshù)；v—發(fā)生體兩側(cè)平均流速；d—旋渦發(fā)生體的迎流面最大寬度。

垂直于流體方向插入非流線形柱狀物，流速大于某值時，下游兩側(cè)交替產(chǎn)生方向相反的旋渦，稱渦街。

滿足h/l=0.281

時，渦街保持穩(wěn)定。單側(cè)漩渦頻率與流速的關(guān)系為：流體自然振動二、旋渦流量計第六節(jié)其他流量計返回精品資料第六節(jié)其他(qítā)流量計相似理論證明：幾何形狀相同的旋渦發(fā)生體，無論尺寸大小(dàxiǎo)，只要在相似流場中，則具有相同的斯特羅哈爾系數(shù)St。K—流量計系數(shù)，脈沖數(shù)/m3

當(dāng)管道和旋渦發(fā)生體尺寸一定，K為常數(shù)，測得旋渦頻率f

，即可知流量Q。返回精品資料第六節(jié)其他(qítā)流量計產(chǎn)生旋渦一側(cè)與無旋渦一側(cè)形成△P，引起空腔(kōnɡqiānɡ)內(nèi)流體移動，交替改變電阻值。測橋路輸出頻率→旋渦頻率f→流量Q頻率的檢測方法旋渦發(fā)生體返回電阻變化頻率與旋渦頻率相同。

精品資料第六節(jié)其他(qítā)流量計2.旋進(xuánjìn)漩渦流量計

旋進漩渦流量計工作示意圖Q=f/K

流體強迫振動流體流經(jīng)擴大管時，渦流產(chǎn)生進動現(xiàn)象：

由于渦流進動運動，旋渦偏心旋轉(zhuǎn)。管道截面切線方向的速度分量按進動頻率周期性的變化。

切線方向發(fā)出與進動頻率相同的脈沖，與流量成正比。返回渦流繞自身軸線旋轉(zhuǎn)；渦流軸線繞主流軸線旋轉(zhuǎn)運動。即：一種繞流動軸線旋轉(zhuǎn)的旋渦流。精品資料第六節(jié)其他(qítā)流量計3.特點(tèdiǎn)(1)輸出脈沖，頻率與流量成正比，不受流體性質(zhì)影響；(2)測量范圍寬，量程比可達（30:1～100:1）；

(4)壓損渦街較小，旋進漩渦較大（約為渦街的5~10倍）。

(5)特別適合大口徑（25～2700mm）、大流量、雷諾數(shù)

ReD>104流體測量。(6)因采用流體振動原理，安裝地點應(yīng)避免機械振動。

(3)精度較高，0.5～1.0，可適用液體、氣體和蒸氣；

返回精品資料第六節(jié)其他(qítā)流量計三、渦輪流量計1.結(jié)構(gòu)(jiégòu)渦輪：葉片由高導(dǎo)磁材料制成；導(dǎo)流器：對流體導(dǎo)流并支承渦輪；殼體：非導(dǎo)磁材料制成；前置放大器：放大轉(zhuǎn)換器輸出的

電信號。2.工作原理J—渦輪的轉(zhuǎn)動慣量；dω/dt—渦輪角加速度；T—推動轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)力矩；Ti—阻礙旋轉(zhuǎn)的各種阻力矩。渦輪運動方程為動量矩守恒返回磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器：產(chǎn)生與葉片轉(zhuǎn)速成正比的電信號；精品資料第六節(jié)其他(qítā)流量計阻力矩：①流體(liútǐ)阻力矩T1②機械摩擦阻力矩T2③電磁系統(tǒng)阻力矩T3流量恒定時:dω/dt=0，則T=T1+T2+T3渦輪以角速度ω作勻速旋轉(zhuǎn)。流量變化時:dω/dt≠0，渦輪作

加速或減速旋轉(zhuǎn)。經(jīng)一段時間達到新穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)方程流量與脈沖頻率的關(guān)系為：測量原理返回ξ—流量系數(shù)，一定范圍內(nèi)為常數(shù)。精品資料3.特點(tèdiǎn)(1)精度高，0.1～0.5%，可作準確計量(jìliàng)儀表。(2)反應(yīng)迅速，可測脈動流量，線性。(3)輸出頻率信號，抗干擾能力強。成本高、壽命短。(4)應(yīng)水平安裝，流量計前應(yīng)加過濾裝置。注意：各流量計ξ不得混淆。返回精品資料第七節(jié)質(zhì)量(zhìliàng)流量計直接(zhíjiē)式：直接(zhíjiē)檢測與M成比例的變量。間接式(推導(dǎo)式)：同時檢測Q和ρ，經(jīng)運算得M。

溫度、壓力補償式：同時檢測Q、t、p，計算修正ρ，

與Q運算得M。測量方法：返回精品資料第七節(jié)質(zhì)量(zhìliàng)流量計一、科里奧利質(zhì)量(zhìliàng)流量計利用科里奧利力制成的質(zhì)量流量計。1.科里奧利力在勻角速度轉(zhuǎn)動參照系中的運動物體，除附加慣性離心力作用外，所附加的另外一種慣性力。

科氏力的大小取決轉(zhuǎn)動角速度ω和物體的徑向速度v

。fc存在條件：運動速度v和轉(zhuǎn)動角速度ω必須同時存在。v與ω垂直fc最大；兩者平行fc=0。返回精品資料第七節(jié)質(zhì)量(zhìliàng)流量計(1)右手握起四指為旋轉(zhuǎn)角速度ω運動方向(fāngxiàng)，拇指垂直向上的方向(fāngxiàng)為ω法線方向(fāngxiàng)P；(2)四指由質(zhì)點運動(流速)方向，向≤90°

的ω法線方向P握起，拇指垂直向上

的方向即fc方向。fc方向由右手法則判定：扭曲方向總是出水側(cè)擺動領(lǐng)先于入水側(cè)，流速越大，出水側(cè)相位領(lǐng)先于入水側(cè)越多。m返回精品資料第七節(jié)質(zhì)量(zhìliàng)流量計2.科里奧利質(zhì)量(zhìliàng)流量計

流量測量管在電磁系統(tǒng)驅(qū)動下，以固有頻率作周期性振動，頻率80Hz，振幅約1mm。U型管流入、流出側(cè)流動方向相反，