檢測(cè)儀表與傳感器-2

儀表及自動(dòng)化第三章檢測(cè)儀表與傳感器

教學(xué)要求了解各種流量計(jì)的測(cè)量原理掌握差壓力式流量計(jì)掌握轉(zhuǎn)子式流量計(jì)重點(diǎn)差壓力式流量計(jì)轉(zhuǎn)子式流量計(jì)第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表一、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(gè)重要參數(shù)。

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

總量：在某一段時(shí)間內(nèi)流過管道的流體流量的總和，即瞬時(shí)流量在某一段時(shí)間內(nèi)的累計(jì)值。定義第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表質(zhì)量流量M體積流量Q如以t表示時(shí)間，則流量和總量之間的關(guān)系是

流量計(jì)：測(cè)量流體流量的儀表。計(jì)量表：測(cè)量流體總量的儀表。

第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表(1)速度式流量計(jì)

以測(cè)量流體在管道內(nèi)的流速作為測(cè)量依據(jù)來計(jì)算流量的儀表。

(2)容積式流量計(jì)

以單位時(shí)間內(nèi)所排出的流體的固定容積的數(shù)目作為測(cè)量依據(jù)來計(jì)算流量的儀表。(3)質(zhì)量流量計(jì)

以測(cè)量流體流過的質(zhì)量（M）為依據(jù)的流量計(jì)。質(zhì)量流量計(jì)分直接式和間接式兩種。分類第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表二、差壓式流量計(jì)

差壓式（也稱節(jié)流式）流量計(jì)是基于流體流動(dòng)的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)產(chǎn)生的壓力差而實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的。

通常是由能將被測(cè)流量轉(zhuǎn)換成壓差信號(hào)的節(jié)流裝置和能將此壓差轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的流量值顯示出來的差壓計(jì)以及顯示儀表所組成。第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表1.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(dòng)時(shí)，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(gè)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。

第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表圖3-18孔板裝置及壓力、流速分布圖流體在管道中流動(dòng)，流經(jīng)管徑較小的節(jié)流裝置時(shí)，由于流通截面積突然縮小，流束必然要產(chǎn)生局部收縮，流速加快。根據(jù)流體機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換原理，動(dòng)能的增加必然導(dǎo)致靜壓能減低，因而在節(jié)流裝置上下游之間產(chǎn)生了靜壓差。如圖3-18所示。第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表

要準(zhǔn)確測(cè)量出截面Ⅰ、Ⅱ處的壓力有困難，因?yàn)楫a(chǎn)生最低靜壓力p2′的截面Ⅱ的位置隨著流速的不同會(huì)改變。實(shí)際上是在孔板前后的管壁上選擇兩個(gè)固定的取壓點(diǎn)，來測(cè)量流體在節(jié)流裝置前后的壓力變化。因而所測(cè)得的壓差與流量之間的關(guān)系，與測(cè)壓點(diǎn)及測(cè)壓方式的選擇是緊密相關(guān)的。注意第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表（2）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。可以看出要知道流量與壓差的確切關(guān)系，關(guān)鍵在于α的取值。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，其值可從有關(guān)手冊(cè)中查出；對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，其值要由實(shí)驗(yàn)方法確定。第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表2.標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置國(guó)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”。

標(biāo)準(zhǔn)化的具體內(nèi)容包括節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)、尺寸、加工要求、取壓方法、使用條件等。第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表圖3-19孔板斷面示意圖如左圖，標(biāo)準(zhǔn)孔板對(duì)尺寸和公差、粗糙度等都有詳細(xì)規(guī)定。舉例

其中d／D應(yīng)在0.2～0.8之間；最小孔徑應(yīng)不小于12.5mm；直孔部分的厚度h＝（0.005～0.02）D；總厚度H＜0.05D；錐面的斜角α＝30°～45°等等，需要時(shí)可參閱設(shè)計(jì)手冊(cè)。舉例第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表標(biāo)準(zhǔn)孔板采用角接取壓法和法蘭取壓法，標(biāo)準(zhǔn)噴嘴為角接取壓法。

我國(guó)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置取壓方法角接取壓法法蘭取壓法分為圖3-20環(huán)式取壓結(jié)構(gòu)1—管道法蘭；2—環(huán)室；3—孔板；4—夾緊環(huán)第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表

環(huán)室取壓法能得到較好的測(cè)量精度，但是加工制造和安裝要求嚴(yán)格，如果由于加工和現(xiàn)場(chǎng)安裝條件的限制，達(dá)不到預(yù)定的要求時(shí)，其測(cè)量精度仍難保證。

所以，在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，為了加工和安裝方便，有時(shí)不用環(huán)室而用單獨(dú)鉆孔取壓，特別是對(duì)大口徑管道。第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)孔板應(yīng)用廣泛，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，適用于大流量的測(cè)量流體經(jīng)過孔板后壓力損失大，當(dāng)工藝管道上不允許有較大的壓力損失時(shí)，便不宜采用。標(biāo)準(zhǔn)噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)文丘里管壓力損失較孔板小結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不易加工第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置僅適用于測(cè)量管道直徑大于50mm，雷諾數(shù)在104～105以上的流體，而且流體應(yīng)當(dāng)清潔，充滿全部管道，不發(fā)生相變。

節(jié)流裝置將管道中流體流量的大小轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的差壓大小，但這個(gè)差壓信號(hào)還必須由導(dǎo)壓管引出，并傳遞到相應(yīng)的差壓計(jì)，以便顯示出流量的數(shù)值。第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表3.差壓式流量計(jì)的測(cè)量誤差在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，往往具有比較大的測(cè)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(jì)計(jì)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(jì)有足夠的實(shí)際測(cè)量精度。注意第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表誤差產(chǎn)生的原因被測(cè)流體工作狀態(tài)的變動(dòng)。節(jié)流裝置安裝不正確。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)象第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表

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

圖3-21測(cè)量液體流量時(shí)的取壓點(diǎn)位置

圖3-22測(cè)量液體流量時(shí)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—切斷閥第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表a)取壓點(diǎn)應(yīng)該位于節(jié)流裝置的下半部，與水平線夾角α為0°～45°。

b)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。c)在引壓導(dǎo)管的管路中，應(yīng)有排氣的裝置。

①測(cè)量液體的流量時(shí)，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。第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表②測(cè)量氣體流量時(shí)，上述的這些基本原則仍然適用。

a)取壓點(diǎn)應(yīng)在節(jié)流裝置的上半部。

b)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。

c)如果差壓計(jì)必須裝在節(jié)流裝置之下，則需加裝貯液罐和排放閥，如圖3-23所示。

③測(cè)量蒸汽的流量時(shí)，要實(shí)現(xiàn)上述的基本原則，必須解決蒸汽冷凝液的等液位問題，以消除冷凝液液位的高低對(duì)測(cè)量精度的影響。常見的接法見圖3-24所示。第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表圖3-23測(cè)量氣體流量時(shí)的連接圖1—節(jié)流裝置；2—引壓導(dǎo)管；3—差壓變送器；4—貯液罐；5—排放閥圖3-24測(cè)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—平衡閥第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表差壓計(jì)或差壓變送器安裝或使用不正確也會(huì)引起測(cè)量誤差。

由引壓導(dǎo)管接至差壓計(jì)或變送器前，必須安裝切斷閥1、2和平衡閥3，構(gòu)成三閥組，如圖3-25所示。

測(cè)量腐蝕性（或因易凝固不適宜直接進(jìn)入差壓計(jì)）的介質(zhì)流量時(shí)，必須采取隔離措施。常用的兩種隔離罐形式如圖3-26所示。

第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表圖3-25差壓計(jì)閥組安裝示意圖1，2—切斷閥；3—平衡閥圖3-26隔離罐的兩種形式第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表三、轉(zhuǎn)子流量計(jì)1.工作原理

以壓降不變，利用節(jié)流面積的變化來測(cè)量流量的大小，即轉(zhuǎn)子流量計(jì)采用的是恒壓降、變節(jié)流面積的流量測(cè)量方法。圖3-27轉(zhuǎn)子流量計(jì)的工作原理圖玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表轉(zhuǎn)子流量計(jì)中轉(zhuǎn)子的平衡條件是（3-25）由式（3-25）可得根據(jù)轉(zhuǎn)子浮起的高度就可以判斷被測(cè)介質(zhì)的流量大小或?qū)⑹剑?-26）代入上兩式，得或（3-26）第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表2.電遠(yuǎn)傳式轉(zhuǎn)子流量計(jì)它可以將反映流量大小的轉(zhuǎn)子高度h轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，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(jì)主要由流量變送及電動(dòng)顯示兩部分組成。

（1）流量變送部分

圖3-28差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表轉(zhuǎn)換原理若將轉(zhuǎn)子流量計(jì)的轉(zhuǎn)子與差動(dòng)變壓器的鐵芯連接起來，使轉(zhuǎn)子隨流量變化的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)鐵芯一起運(yùn)動(dòng)，那么，就可以將流量的大小轉(zhuǎn)換成輸出感應(yīng)電勢(shì)的大小。第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表（2）電動(dòng)顯示部分圖3-29LTD系列電遠(yuǎn)傳轉(zhuǎn)子流量計(jì)3)轉(zhuǎn)子流量計(jì)的使用(1)使用特點(diǎn)a.轉(zhuǎn)子流量計(jì)用來測(cè)量中小流量。b.流量計(jì)應(yīng)安裝在環(huán)境溫度低于60℃，防震且便于操作的地方。c.儀表使用前，先開啟雙通閥，將管中殘留雜物沖洗干凈。d.轉(zhuǎn)于流量計(jì)在測(cè)量小流量時(shí)，對(duì)粘滯效應(yīng)很敏感，不適用于測(cè)量脈動(dòng)流量。(2)流量指示劑的修正

轉(zhuǎn)子流量計(jì)是一種非標(biāo)準(zhǔn)化儀表，在大多數(shù)情況下宜個(gè)別地按照實(shí)際被測(cè)介質(zhì)進(jìn)行刻度。第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表四、橢圓齒輪流量計(jì)1.工作原理圖3-30橢圓齒輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理通過橢圓齒輪流量計(jì)的體積流量2.使用特點(diǎn)

適用于高黏度介質(zhì)的流量測(cè)量。測(cè)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(jì)的入口端必須加裝過濾器。橢圓齒輪流量計(jì)的使用溫度有一定范圍。橢圓齒輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工成本較高。第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表五、渦輪流量計(jì)圖3-31渦輪流量計(jì)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(diǎn)

安裝方便。測(cè)量精度高，可耐高壓。反應(yīng)快，可測(cè)脈動(dòng)流量。輸出信號(hào)為電頻率信號(hào)，便于遠(yuǎn)傳，不受干擾。缺點(diǎn)

一般應(yīng)加過濾器。安裝時(shí)，前后要有一定的直管段。

第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表六、電磁流量計(jì)能夠測(cè)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3-32

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

（3-43）而（3-44）將式（4-44）代入式（4-43），得第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表注意

只能用來測(cè)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(cè)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(huì)造成測(cè)量系統(tǒng)很復(fù)雜、成本高，并且易受外界電磁場(chǎng)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(shí)要遠(yuǎn)離一切磁源。不能有振動(dòng)。第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表七、漩渦流量計(jì)精度高、測(cè)量范圍寬、沒有運(yùn)動(dòng)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。圖3-33卡曼渦街漩渦流量計(jì)是利用有規(guī)則的漩渦剝離現(xiàn)象來測(cè)量流體流量的儀表。第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表熱敏檢測(cè)法電容檢測(cè)法應(yīng)力檢測(cè)法超聲檢測(cè)法漩渦頻率的檢測(cè)方法圖3-34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(shí)，則所產(chǎn)生的渦街是穩(wěn)定的。由圓柱體形成的卡曼漩渦，其單側(cè)漩渦產(chǎn)生的頻率為第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表八、質(zhì)量流量計(jì)1.直接式質(zhì)量流量計(jì)圖3-35科氏力流量計(jì)測(cè)量原理科氏力流量計(jì)的測(cè)量原理是基于流體在振動(dòng)管中流動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力。質(zhì)量流量第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表優(yōu)點(diǎn)

能夠直接測(cè)量質(zhì)量流量，不受流體物性（密度、黏度等）的影響，測(cè)量精度高；測(cè)量值不受管道內(nèi)流場(chǎng)影響，沒有上、下游直管段長(zhǎng)度的要求；可測(cè)各種非牛頓流體以及黏滯和含微粒的漿液。

缺點(diǎn)

它的阻力損失較大；零點(diǎn)不穩(wěn)定；管路振動(dòng)會(huì)影響測(cè)量精度。第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表2.間接式質(zhì)量流量計(jì)（1）測(cè)量體積流量Q的儀表與密度計(jì)配合

圖3-36渦輪流量計(jì)與密度計(jì)配合質(zhì)量流量（2）測(cè)量ρQ2的儀表與密度計(jì)配合圖3-37差壓流量計(jì)與密度計(jì)配合第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表（3）測(cè)量ρQ2的儀表與測(cè)量Q的儀表配合

圖3-38差壓流量計(jì)與渦輪流量計(jì)配合液位、料位、相界面位置總稱為物位。用于對(duì)物位進(jìn)行測(cè)量、報(bào)警、控制的自動(dòng)化儀表稱為物位測(cè)量?jī)x表。(1)正確測(cè)知容器中貯藏物質(zhì)的容量或重量。(2)監(jiān)視容器內(nèi)物位，使之保持在一定高度，對(duì)物位允許的上下限發(fā)出報(bào)警。(3)連續(xù)監(jiān)視或調(diào)節(jié)容器中流入流出物料的平衡。物位測(cè)量的目的第四節(jié)物位檢測(cè)及儀表概論一.浮力式液位計(jì)1)

浮標(biāo)式液位計(jì)

2)

浮球式液位計(jì)

3)

遠(yuǎn)傳浮標(biāo)液位計(jì)

4)

浮筒液位計(jì)第四節(jié)物位檢測(cè)及儀表二、差壓式液位變送器41.工作原理圖3-39差壓液位變送器原理圖圖3-40壓力表式液位計(jì)第四節(jié)物位檢測(cè)及儀表將差壓變送器的一端接液相，另一端接氣相因此當(dāng)被測(cè)容器是敞口的，氣相壓力為大氣壓時(shí)，只需將差壓變送器的負(fù)壓室通大氣即可。若不需要遠(yuǎn)傳信號(hào)，也可以在容器底部安裝壓力表，如圖3-40所示。5第四節(jié)物位檢測(cè)及儀表62.零點(diǎn)遷移問題圖3-41負(fù)遷移示意圖在使用差壓變送器測(cè)量液位時(shí)，一般來說實(shí)際應(yīng)用中，正、負(fù)室壓力p1、p2分別為則第四節(jié)物位檢測(cè)及儀表遷移彈簧的作用

改變變送器的零點(diǎn)。遷移和調(diào)零

都是使變送器輸出的起始值與被測(cè)量起始點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，只不過零點(diǎn)調(diào)整量通常較小，而零點(diǎn)遷移量則比較大。遷移

同時(shí)改變了測(cè)量范圍的上、下限，相當(dāng)于測(cè)量范圍的平移，它不改變量程的大小。7第四節(jié)物位檢測(cè)及儀表圖3-42正負(fù)遷移示意圖圖3-43正遷移示意圖舉例某差壓變送器的測(cè)量范圍為0～5000Pa，當(dāng)壓差由0變化到5000Pa時(shí)，變送器的輸出將由4mA變化到20mA，這是無遷移的情況，如左圖中曲線a所示。負(fù)遷移如曲線b所示，正遷移如曲線c所示。

8第四節(jié)物位檢測(cè)及儀表3.用法蘭式差壓變送器測(cè)量液位圖3-44法蘭式差壓變送器測(cè)量液位示意圖1—法蘭式測(cè)量頭；2—毛細(xì)管；3—變送器

單法蘭式

雙法蘭式

法蘭式差壓變送器按其結(jié)構(gòu)形式9

為了解決測(cè)量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及黏度大、易凝固等液體液位時(shí)引壓管線被腐蝕、被堵塞的問題，應(yīng)使用在導(dǎo)壓管入口處加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器，如下圖所示。第四節(jié)物位檢測(cè)及儀表三、電容式物位傳感器1.測(cè)量原理圖3-45電容器的組成1—內(nèi)電極；2—外電極兩圓筒間的電容量C當(dāng)D和d一定時(shí)，電容量C的大小與極板的長(zhǎng)度L和介質(zhì)的介電常數(shù)ε的乘積成比例。10通過測(cè)量電容量的變化可以用來檢測(cè)液位、料位和兩種不同液體的分界面。

第四節(jié)物位檢測(cè)及儀表2.液位的檢測(cè)3-46非導(dǎo)電介質(zhì)的液位測(cè)量1—內(nèi)電極；2—外電極；3—絕緣套；4—流通小孔當(dāng)液位為零時(shí)，儀表調(diào)整零點(diǎn)，其零點(diǎn)的電容為

對(duì)非導(dǎo)電介質(zhì)液位測(cè)量的電容式液位傳感器原理如下圖所示。當(dāng)液位上升為H時(shí)，電容量變?yōu)殡娙萘康淖兓癁?1第四節(jié)物位檢測(cè)及儀表

電容量的變化與液位高度H成正比。該法是利用被測(cè)介質(zhì)的介電系數(shù)ε與空氣介電系數(shù)ε0不等的原理進(jìn)行工作，（ε-ε0）值越大，儀表越靈敏。電容器兩極間的距離越小，儀表越靈敏。結(jié)論12第四節(jié)物位檢測(cè)及儀表3.料位的檢