儀表專業(yè)基礎知識

第五節(jié)壓力開關

一、壓力開關的作用

海上油田所用的壓力開關，它多安裝于管線或者容器上，對流體、容器的壓力進行監(jiān)控,

當壓力信號達到開關的設定值時，開關就會進行報警、關斷。

壓力開關為彈性膜片或膜盒的變形位置與被測量的原理大小成正比。壓力從下端引入,

有膜片彈性元件，上邊有調節(jié)裝置，用它來調節(jié)壓力設定值的大小。上端為微動開關，通過

電纜將信號傳至中控房進行壓力高低報警或關斷，中控房接收所有壓力開關信號。正常時為

長閉狀態(tài)，異常報警時為斷開狀態(tài)，這點在校正壓力開關時應引起注意。

二、結構組成

壓力開關主要由彈性元件和開關元件組成。如圖1—31所示：

開關信號輸出------------------------------------

_____________________________________________________|-----連接導線

調節(jié)部分

（調節(jié)蟠釘）

傳出部分

（感壓膜盒）

圖1-31壓力開關示意圖

三,工作原理

傳感部分傳導壓力信號，當被測壓力超過調節(jié)部分的壓力設定值，彈性元件的自由端產

生位移直接或者經過比較后推動開關元件，使得開關元件的通斷狀態(tài)得到改變，從而達到控

制報警、關斷的目的。

四、壓力開關的安裝

如圖1-32

1.壓力開關不應直接安裝在很可能存在振動或過熱的管線上。

2.壓力開關應垂直安裝。

3.連接在管線上應配有隔離閥和放空閥。

五、壓力開關的調校（帶電調校）

現場校正壓力開關時，對于一些關停信號，首先要在中控房進行旁通，利用手動泵向壓

力開關下端（引壓端）打壓。對于壓力高報警開關，當輸入壓力達到設定值時，用萬用電表

測量微動開關是否動作，如設點不對，請調整調節(jié)螺絲，直到設點動作為止。對于壓力低報

警開關，當輸入壓力高于設定值直到微動開關復位，然后在慢慢降壓至設定值，用萬用表測

量微動開關是否動作，如設點不對，請調整調節(jié)螺絲直到設點正確動作為止。

1.調校所需工具：萬用表、壓力源和標準指示表、扳手、螺絲刀等。

2.調校步驟：

1）將壓力開關與壓力源及標準表連接好，萬用表表筆與輸出導線的觸點相連。

2）用螺絲刀將壓力開關的蓋子打開。

3）用壓力源打壓，察看標準表的指示值，當達到開關設定值時，觀看萬用表指示（開

關帶電調校時，萬用表直流電壓檔，電源是24伏），正常時候，當壓力開關動作時，電壓

應由0伏變?yōu)?4伏。

4）如果壓力值達到而壓力開關沒有動作，則可用扳手調節(jié)開關的調節(jié)螺釘直到開關動

作報警。

壓

力

開

關

放空閥

隔離閥

容器或管線

圖1-32壓力開關安裝圖

六、維護與檢修

1.報警傳輸部分

（1）檢查開關觸點動作是否正常。

（2）檢查連線有無損壞，端子連接有無松動。

（3）傳動桿有無變形或損壞。

2.彈性元件部分

（1）檢查彈性元件膜盒有無松動。

（2）螺絲有無松動。

如果發(fā)現任何問題就要使之恢復正常，要清理污垢，將螺絲擰緊，置換受損部件等，各

部件必須處在正確位置上，不應有位移。

第六節(jié)壓力表的選擇與校驗

一、壓力表的選擇

正確選用壓力測量儀表，是保證壓力表在鉆井、采油生產過程中發(fā)揮應有作用的重要一環(huán)。

壓力測量儀表的選用應根據鉆采過程對壓力測量的要求，結合其他方面的情況，加以全

面的考慮和具體分析。在壓力表的選擇中，一般應考慮以下幾個方面的問題。

1.儀表類型的選用

儀表類型的選用必須滿足鉆采生產過程的要求，例如是否需要遠傳變送、自動記錄或報

警等；同時還應考慮被測介質的物理化學性質（如溫度高低、粘度大小、腐蝕性、污臟程度,

是否易燃易爆等），對測量儀表提出的特殊要求；現場環(huán)境條件（如高溫、腐蝕、潮濕、振

動、電磁場等）對儀表類型有無特殊要求等等?？傊_選擇儀表類型是保證儀表正常工

作和安全生產的重要前提。

2.儀表的量程范圍

儀表的量程范圍，即儀表刻度的上、下限值，是根據被測量參數的大小來確定的。在測

量壓力時，為避免壓力表超負荷而遭到破壞，壓力表的上限值應高于被測壓力的最大值。一

般在被測壓力較穩(wěn)定的情況下，正常壓力應在測量范圍的50?70%。最大不應超過80%,對

于脈動壓力，正常壓力應在測量范圍的30?50%,最大不應超過60%。對于儀表下限值的要

求，主要是為了保證測量精度，其被測參數的最小值不應低于全量程的1/3。

3.儀表精度級的選取

儀表精度級是根據測量過程中所允許的最大誤差來確定的。一般地說，儀表愈精密，測

量結果愈準確可靠，但絕不能

認為選用的儀表精度級越高越

好，因為越精密的儀表一般價

格越貴，操作和維修要求也愈

高。因此，應在滿足生產要求

的前提下，本著節(jié)約的原則，

正確的選用儀表精度等級。

二、壓力表的校驗

壓力表經過長期使用，會

由于彈簧管的彈性衰退而產生

緩變誤差；或是因彈性元件的

彈性滯后和傳動機構的磨損而

圖1-33活塞式壓力計

產生變差；還會因為使用溫度1一測量活塞；2—祛碼；3—活塞柱；4—螺旋壓力發(fā)生器；

5—工作液；6—壓力表；7一手輪：8一絲桿；9一工作活塞;

較高引起彈性模數下降而產生

10一油杯；11一進油閥；a、b、c一切斷閥；d一進油閥

示值誤差。所有，在使用一斷

時間后，必須定期對壓力表進行校驗。

所謂校驗，就是將被校壓力表和標準壓力表通以相同的壓力，比較它們的指示值，以校

驗、調校壓力表的性能。所選擇的標準壓力表的示值是用來代表被測壓力真實值的，標準壓

力表的最大允許絕對誤差一般應小于被校壓力表最大允許絕對誤差的1/3,因而可以忽略它

的誤差。如果被校表對于標準表的讀數誤差，不大于被校表規(guī)定的最大允許絕對誤差，且變

差又小于精度，則認為被校表是合格的。

常用的校驗儀器是活塞式壓力計，其結構原理如圖1-33所示，由壓力發(fā)生部分和測量

部分組成。

壓力發(fā)生部分——螺旋壓力發(fā)生器4,通過手輪7旋轉絲桿8,推動活塞9擠壓工作液。由

于工作液的不可壓縮性，將生產一定的壓力，此壓力經工作液向各處傳遞。工作液一般采用

潔凈的變壓器油或薄麻油等。

測量部分——測量活塞1上端的托盤上放有荷重祛碼2,磁1插在活塞筒3內，下端承受

螺旋壓力發(fā)生器擠壓工作液而產生的壓力P的作用。當活塞1下端面因壓力P作用所產生的向

上的頂力與活塞本身的托盤以及祛碼2的重力相等時，活塞1將被頂起而穩(wěn)定在活塞筒3內的

任一平衡位置上。這時力的平衡關系為：

PA-(/n+mQ)g(1—25)

(m+m)s

p=----------—n(1-26)

A

式中4——活塞1的橫截面積；

m,mo---祛碼和測量活塞(包括托盤)的質量；

P——被測壓力。

一般A=lcn?或0.1cm)。因此可以方便而準確地由平衡時所加的祛碼確定被測壓力值。

如果把被校表6上的指示壓力P和這一準確的標準壓力P相比較，便可知道被校壓力表誤差大

小。也可在閥b上接標準壓力表，關閉閥a,由壓力發(fā)生器改變工作液壓力，比較被校表和標

準表上的指示值進行校驗。

活塞式壓力計的使用操作：

(1)活塞式壓力計應放在環(huán)境溫度為20±10°C,相對濕度為80%以下，周圍空氣不含腐

蝕性氣體的環(huán)境中，工作臺要堅固，平穩(wěn)，無振動，便于操作；

(2)活塞式壓力計處于水平位置，可旋轉底座下的可調螺釘，用氣泡水平器進行水平校準;

(3)每次使用時，應用汽油將活塞式壓力計各部件清洗干凈，然后將油杯中加注足量

的工作液，先打開a閥，通過螺旋壓力發(fā)生器的擠壓，將管路內的空氣排出，再關a閥，打開

進油閥d,旋轉手輪7,使工作活塞9退出，吸入工作液，直到數量足夠為止。關閉d閥，然后

才能投入使用；

(4)校表時，裝上被校的壓力表，并打開針形閥。然后旋轉手輪，使之產生初壓，使

承重托盤上升至定位指示筒(板)上的刻度相齊為至；

(5)逐漸增加祛碼重量，以產生所需的校驗壓力值。增加祛碼時，需旋轉手輪，使承

重托盤不下降，同時必須使托盤和祛碼一起按順時針方向旋轉，克服摩擦阻力的影響。旋轉

速度保持在30?120轉/分；

(6)與校驗壓力達到所需的最大壓力后需減壓時，可反向旋轉手輪，工作活塞退出，

使壓力下降后，再將祛碼減至一定的壓力值；

(7)校驗完畢，旋轉手輪，退出工作活塞，逐步卸去祛碼，打開油杯閥門使壓力壓力

降至零，然后關閉活塞柱與被校表接頭下的針形閥，旋轉手輪，擠壓工作液，使其全部進入

油杯中。然后關閉油閥d,擦洗干凈，罩上罩布。

第二章流量測量

一、流量測量基本概念

在海上采油平臺，為了有效地進行生產操作和控制，經常需要測量生產過程中各種介質

（液體、氣體和泥漿等）的流量，以便為生產操作和控制提供依據。同時，為了進行經濟核

算，經常需要知道在一段時間（如一班、一天等）內流過的介質總量。所以，介質流量是使

生產過程達到優(yōu)質高產和安全生產以及進行經濟核算所必需的一個重要參數。

一般所講的流量大小是指單位時間內流過管道某一截面的流體數量的大小，即瞬時流

量。而在某一段時間內流過管道的流體流量的總和，即瞬時流量在某一段時間內的累計值,

稱為總量。

流量和總量有的用重量表示，可以用質量表示，也可以用體積表示。單位時間內流過的

流體以質量表示的稱為質量流量，常用符號M表示。以體積表示的稱為體積流量，常用符

號Q表示。以重量表示的稱為重量流量，常用符號G表示。若流體的密度是p,則體積流

量與質量流量之間的關系是：

G=Qy或Q=—（2—1）

，/

M=Qp或Q=一（2-2）

P

如以t表示時間，則流量和總量之間的關系是：

（tt

Q=JQdt；M=jMdtG=JGdt；（2-3）

000

測量流體流量的儀表一般叫流量計或流量表；測量流體總量的儀表常稱為計量表。然而

兩者并不是截然劃分的，在流量計上配以累積機構，也可以讀出總量。

常用的流量單位有噸每小時（t/h）、千克每小時（kg/h）、千克每秒（kg/s）、立方米

每小時（n?/h）、升每小時（L/h）、升每分（L/min）等。

測量流量的方法很多，其測量原理和所應用的儀表結構形式各不相同。目前有許多流量

測量的分類方法，本書僅舉一種大致的分類法，簡介如下。

1.速度式流量計

這是一種以測量流體在管道內的流速作為測量依據來計算流量的儀表。例如差壓式流量

計、轉子流量計、電磁流量計、渦輪流量計、堰式流量計等。

2.容積式流量計

這是一種以單位時間內所排出的流體的固定容積數目作為測量依據來計算流量的儀表。

例如橢圓齒輪流量計、活塞式流量計等。

3,質量流量計

這是一種以測量流體流過的質量M為依據的流量計。質量流量計分直接式和間接式兩

種。直接式質量流量計直接測量質量流量。例如量熱式、角動量式、陀螺式和科里奧利力式

等質量流量計。間接式質量流量計是用密度與容積流量經過運算求得質量流量的。質量流量

計具有測量精度不受流體的溫度、壓力、粘度等變化影響的優(yōu)點，是一種發(fā)展中的流量測量

儀表。

第一節(jié)常用流量測量基本原理

1.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，利用流體流經節(jié)流裝置時產

生的壓力差而實現流量測量的。它是目前生產中測量流量最成熟，最常用的方法之一。通常

是由能將被測流量轉換成壓差信號的節(jié)流裝置和能將此壓差轉換成對應的流量值顯示出來

的差壓計以及顯示儀表所組成。在單元組合儀表中；由節(jié)流裝置產生的壓差信號，經常通過

差壓變送器轉換成相應的標準信號（電的或氣的），以供顯示、記錄或控制用。

(1)節(jié)流現象與流量基本方程式

節(jié)流現象流體在有節(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

產生差異的現象稱為節(jié)流現象。

節(jié)流裝置包括節(jié)流元件和取壓裝置，節(jié)流元件是能使管道中的流體產生局部收縮的元

件，應用最廣泛的是孔板，其次是噴嘴,文丘里管等。下面以孔板為例說明節(jié)流現象。

具有一定能量的流體，才可能在管道中形成流動狀態(tài)。流動流體的能量有兩種形式，即

靜壓能和動能。流體由于有壓力而具有靜壓能，又由于流體有流動速度而具有動能。這兩種

形式的能量在一定的條件下可以互相轉化。但是,根據能量守恒定律，流體所具有的靜壓能

和動能，再加上克服流動阻力的能量損失，在沒有外加能量的情況下，其總和是不變的。圖

2—1表示孔板前后流體的速度與壓力的分布情況。流體在管道截面I前，以一定的流速匕流

動。此時靜壓力為〃匕在接近節(jié)流裝置時，由于遇到節(jié)流裝置的阻擋，使靠近壁處的流體

受到節(jié)流裝置的阻擋作用最大，因而使一部分動能轉換為靜壓能，出現了節(jié)流裝置入口端面

靠近管壁處的流體靜壓力升高，并且比管道中心處的壓力要大，即在節(jié)流裝置入口端面處產

生一徑向壓差。這一徑向壓差使流體產生徑向附加速度，從而使近管壁處的流體質點的流向

就與管道中心軸線相傾斜，形成了流束的收縮運動。由于慣性作用，流束的最小截面并不在

孔板的孔處，而是經過孔板后仍繼續(xù)收縮，到截面n處達到最小，這時流速最大，達到之,

隨后流束又逐漸擴大，至截面n［后完全復原，流速便降低到原來的數值，即匕=匕。

由于節(jié)流裝置造成流束的局部收縮，使流體的流速發(fā)生變化，即動能發(fā)生變化。與此同

時，表征流體靜壓能的靜壓力也要變化。在I截面，流體具有靜壓力為。到達截面n,流速

增加到最大值，靜壓力就降低到最小值02。而后又隨著流束的恢復而逐漸恢復。由于在孔

板端面處，流通截面突然縮小與擴大，使流體形成局部渦流，要消耗一部分能量，同時流體

流經孔板時，要克服摩擦力，所以流體的靜壓力不能恢復到原來的數值0/,而產生了壓力

損失Pl"一

節(jié)流裝置前流體壓力較高，稱為正壓，常以“+”標志；節(jié)流裝置后流體壓力較低，稱為

負壓(注意不要與真空混淆)，常以“一”標志。節(jié)流裝置前后壓差的大小與流量有關。管中

流動的流體流量越大，在節(jié)流裝置前后產生的壓差也越大，我們只要測出孔板前后兩側壓差

的大小，即可表示流量的大小，這就是節(jié)流裝置測量流量的基本原理。

值得注意的是：要準確地測量出截面I與截面II處的壓力p/、P2/是有困難的，這是因

為產生最低靜壓力02"的截面II的位置隨著流速的不同會改變的，事先根本無法確定。因此

實際上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

化的。因而所測得的壓差與流量之間的關系，與測壓點及測壓方式的選擇是緊密相關的。

(2)流量基本方程式

流量基本方程式是闡明流量與壓差之間定量關系的基本流量公式。它是根據流體力學中

的伯努利方程和流體連續(xù)性方程式推導而得的，即：

M-asF0^2/7,AF(2—5)

式中二一流量系數，它與節(jié)流裝置的結構形式、取壓方式、孔口截面積與管道截面積

之比機、雷諾數&、孔口邊緣銳度、管壁粗糙度等因素有關；

￡——膨脹校正系數，它與孔板前后壓力的相對變化量、介質的等端指數、孔口截面

積與管道截面積之比等因素有關。應用時可查閱有關手冊而得。但對不可壓縮的液體來說,

常取￡=1；

Fo——節(jié)流裝置的開孔截面積；

\P——節(jié)流裝置前后實際測得的壓力差；

——節(jié)流裝置前的流體密度。

由流量基本方程式可以看出，要知道流量與壓差的確切關系，關鍵在于a的取值。a是

一個受許多因素影響的綜合性參數，對于標準節(jié)流裝置，其值可從在有關手冊中查出；對于

非標準節(jié)流裝置，其值要由實驗方法確定。所以，在進行

節(jié)流裝置的設計計算時，是針對特定條件，選擇一個值來

計算的。計算的結果只能應用在一定條件下。一旦條件改

變(例如節(jié)流裝置型式、尺寸、取壓方式、工藝條件等等

的改變)，就不能隨意套用，必須另行計算。例如，按小

負荷情況下計算的孔板，用來測量大負荷時流體的流量，

就會引起較大的誤差，必須加以必要的修正。

由流量基本方程式還可以看出，流量與壓力差如的

平方根成正比。所以，用這種流量計測量流量時，如果不

圖2—2孔板斷面示意圖

加開方器，流量標尺刻度是不均勻的。起始部分的刻度很密，后來逐漸變疏。因此，在用差

壓法測量流量時，被測流量值不應接近于儀表的下限值，否則誤差將會很大。

(3)標準節(jié)流裝置

差壓式流量計由于使用歷史長久，已經積累了豐富的實踐經驗和完整的實驗資料。因此,

國內外已把最常用的節(jié)流裝置、孔板、噴嘴、文丘里管等標準化，并稱為“標準節(jié)流裝置”。

標準化的具體內容包括節(jié)流裝置的結構、尺寸、加工要求、取壓方法、使用條件等。例如，

標準孔板對尺寸和公差、光潔度等都有詳細規(guī)定。如圖2—2所示，其中《應在0.2?0.8之間；

D

最小孔徑應不小于12.5mm；直孔部分的厚度力=(0.005?0.02)0；總厚度H<0.05。；錐

面的斜角0=30°?45°等等，需要時可參閱設計手冊。

由基本流量方程式可知，節(jié)流件前后的差壓P1-〃2是計算流量的關鍵數據，因此取壓

方法相當重要。我國國家規(guī)定的標準節(jié)流裝置取壓方法為兩種，即角接取壓法和法蘭取壓法。

標準孔板采用角接取壓法和法蘭取壓法，標準噴嘴為角接取壓法。所謂角接取壓法，就是在

孔板(或噴嘴)前后兩端面與管壁的夾角處取壓。角接取壓方法可以通過環(huán)室或單獨鉆孔結

構來實現。環(huán)室取壓結構如圖2—3(a)所示，它是在管道1的直線段處，利用左右對稱的環(huán)

室2將孔板3夾在中間，環(huán)室與孔板端面間留有狹窄的縫隙，再由導壓管將環(huán)室內的壓力？

和尸2引出。單獨鉆孔結構則是在前后夾緊環(huán)4上直接鉆孔將壓力引出，如圖2—3(b)所示。

對于孔板，環(huán)室取壓用在工作壓力即管道中流體的壓力為6.4MPa以下，管道直徑。在

50—520mm之間：而單獨鉆孔取壓用在工作壓力為2.5MPa以下，。在50—1000mm之間。

環(huán)室取壓法能得到較好的測量精度，但是加工制造和安裝要求嚴格，如果由于加工和現

場安裝條件的限制，達不到預定的要求時，其測量精度仍難保證。所以，在現場使用時，為

了加工和安裝方便，有時不用環(huán)室而用單獨鉆孔取壓，特別是對大口徑管道；標準孔板應用

廣泛，它具有結構簡單、安裝方便的特點，適用于大流量的測量。

1一管道法蘭；2一環(huán)室；3一孔板；4一夾緊環(huán)

孔板最大的缺點是流體經過孔板后壓力損失大，當工藝管道上不允許有較大的壓力損失

時，便不宜采用。標準噴嘴和標準文丘里管的壓力損失較孔板為小，但結構比較復雜，不易

加工。實際上，在一般場合下，仍以采用孔板為多。

標準節(jié)流裝置僅適用于測量管道直徑大于50mm,雷諾數在IO4?1()5以上的流體，而且

流體應當清潔，充滿全部管道，不發(fā)生相變。此外，為保證流體在節(jié)流裝置前后為穩(wěn)定的流

動狀態(tài)，在節(jié)流裝置的上、下游必須配置一定長度的直管段。

節(jié)流裝置將管道中流體流量的大小轉換為相應的差壓大小，但這個差壓信號還必須由導

壓管引出，并傳遞到相應的差壓計，以便顯示出流量的數值。差壓計有很多種型式，例如U

型管差壓計、雙波紋管差壓計、膜盒式差壓計等，但這些儀表均為就地指示型儀表。事實上

工業(yè)生產過程中的流量測量及控制多半是采用差壓變送器，將差壓信號轉換為統(tǒng)一的標準信

號，以利于遠傳，并與單元組合儀表中的其他單元相連接，這樣便于集中顯示及控制。

第二節(jié)靶式測量流量

在流體經過的管道中，垂直于流動方向安裝一圓盤形的靶(如圖2—4所示)，流體經過

時由于受阻必然要沖擊圓盤形的靶，靶上所受的作用力與流速之間存在一定關系。因此通過

力矩轉換的方式測出靶上所受的力或動壓，便可以求出流速和流量。

流體作用在靶上的力可以分為三部分：

1.流體對靶的直接沖擊力，即流體的動壓力；

圖2—4應用靶測流量示意圖

1一靶；2—輸出軸密封片；3一靶的輸出力杠杠

2.由于靶對流體的節(jié)流作用，在靶前后兩側產生的靜壓力差；

3.流體對靶的粘滯摩擦力；

靶上所受的力主要取決于前兩項。流體粘滯性所產生的摩擦力，在流量很大時，可以忽

略不計。因此，流體作用在靶上的力，以動能形式表示時，可以寫出如下形式：

w2

(2-6)

F=KA最

式中F——流體作用在靶上的力；

K——阻力系數；

Ad——垂直于流速的靶面積；

/——流體的重度；

v——通過環(huán)形面積的流速；

g----重力加速度。

假設管道的直徑為。，靶的直徑為則通過流體的環(huán)形面積為4由

式(2-6)可求出體積流量與靶上受力的關系為

式中K.稱為流量系數。它的數值由實驗確定的。

式（2-7）為應用靶測量流量的基本方程式。工程上，一般采用的單位為：。和d為

mm,0為m3/h,y為kg/n?。將常數合并，則可寫出實用流量公式為

(m3/h)(2-8)

3.14x9.813600

式中14.129=X

2--1000

以夕=4■代入時，則式（2—8）也可寫成如下形式

D

1F,

Q=14.129K,(m3/h)(2-9)

BV/

從式（2-9）可知，在被測流體的重度管道直徑。，靶徑d和流量系數K“已知的

情況下，只要測出靶上受到的作用力尸，便可以求出通過流體的流量。在油氣開采和鉆井

過程一般是通過轉換器將此力信號轉換成電或氣信號進行顯示。

第三節(jié)電磁流量計

在流量測量中，當被測介質是具有導電性的液體介質時，可以應用電磁感應的方法來測

量流量。電磁流量計的特點是能夠測量酸、堿、鹽溶液以及含有固體顆粒（例如泥漿）或纖

維液體的流量。

電磁流量計通常由變送器和轉換器兩部分組成。被測介質的流量經變送器變換成感應電

勢后，再經轉換器把電勢信號轉換成統(tǒng)一的0?10mA或4?20mA直流電流信號作為輸出，以

便進行指示、記錄或與電動單元組合儀表配套使用。

電磁流量計變送部分的原理圖如圖2—5示。在一段用非導磁材料制成的管道外面，安裝

有一對磁極N和S,用以產生磁場。當導電液體流過管道時，因流體切割磁力線而產生了感

應電勢（根據發(fā)電機原理）。此感應電勢由與磁極成垂直方向的兩個電極引出。當磁感應強

度不變，管道直徑一定時，這個感應電勢的大小僅與流體的流速有關，而與其他因素無關。

將這個感應電勢經過放大、轉換、傳送給顯示儀表，就能在顯示儀表上讀出流量來。

圖2—5電磁流量計變送部分的原理圖

感應電勢的方向由右手定則判斷，其大小由下式決定:

Ex=K'BDv(2-10)

式中Ex——磁感應強度；

K,——常數；

B——磁感應強度；

D——管道直徑，即垂直切割磁力線的導體長度;

v——垂直于磁力線方向的液體速度。

體積流量。與流速丫的關系為

1,

Q=-7lD2V(2-11)

4

將式(2-11)代入式(2-10),便得

(2-12)

x7tD

(2-13)

式中K——稱為儀表常數，在磁感應強度6、管道直徑。確定不變后，K就是一個

常數這時感應電勢的大小與體積流量之間具有線性關系，因而儀表具有均勻刻度。

為了避免磁力線被測量導管的管壁短路，并使測量導管在磁場中盡可能地降低渦流損

耗，測量導管應由非導磁的高阻材料制成。

電磁流量計的測量導管內無可動部件或突出于管內的部件，因而壓力損失很小。在采取

防腐襯里的條件下，可以用于測量各種腐蝕性液體(如泥漿)的流量，也可以用來測量含有

顆粒、懸浮物等液體的流量。止匕外，其輸出信號與流量之間的關系不受液體的物理性質(例

溫度、壓力、粘度等）變化和流動狀態(tài)的影響。對流量變化反應速度快，故可用來測量脈動

流量。

電磁流量計只能用來測量導電液體的流量，其導電率要求不小于106?105L/

（cm。），即不小于水的導電率。不能測量氣體、蒸汽及石油制品等的流量。由于液體中

所感應出的電勢數值很小，所以要引人高放大倍數的放大器，由此而造成測量系統(tǒng)很復雜、

成本高，并且很容易受外界電磁場干擾的影響，在使用不恰當時會大大地影響儀表的精度。

在使用中要注意維護，防止電極與管道間絕緣的破壞。安裝時要遠離一切磁源（例如大功率

電機、變壓器等）。不能有振動。

第四節(jié)轉子流量計

在工業(yè)生產中經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。節(jié)流裝置對管徑小于50mm、低雷諾數的流體的測量精度是

不高的。而轉子流量計則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、轉子流量計的結構及工作原理

轉子流量計與差壓式流量計在工作原理上是不相同的。差壓式流量計，是在節(jié)流面積（如

孔板流通面積）不變的條件下，以差壓變化來反映流量的大小。而轉子流量計，卻是以壓降

不變，利用節(jié)流面積的變化來測量流量的大小，即轉子流量計采用的是恒壓降、變節(jié)流面積

的流量測量方法。圖2—6是指示式轉子流量計的原理圖，它基本上由兩個部分組成，一個

是由下往上逐漸擴大的錐形管（通常用玻璃制成，錐度為40,?3。）；另一個是放在錐形管內可

自由運動的轉子。工作時，被測流體（氣體或液體）由錐形管下端進入，沿著錐形管向上運動，

流過轉子與錐形管之間的環(huán)隙，再從錐形管上端流出。當流體流過錐形管時，位于錐形管中

的轉子受到向上的一個力，使轉子浮起。當這個力正好等于浸沒在流體里的轉子重力（即等

于轉子重量減去流體對轉子的浮力）時，則作用在轉子上的上下兩個力達到平衡，此時轉子

就停浮在一定的高度上。假如被測流體的流量突然由小變大時，作用在轉子上的向上的力就

加大。因為轉子在流體中受的重力是不變的，即作用在轉子上的向下力是不變的，所以轉子

就上升。由于轉子在錐形管中位置的升高，造成轉子與錐形管間的環(huán)隙增大，即流通面積增

大。隨著環(huán)隙的增大，流過此環(huán)隙的流體流速變慢，因而，流體作用在轉子上的向上力也就

變小。當流體作用在轉子上的力再次等于轉子在流體中的重力時.，轉子又穩(wěn)定在一個新的高

度上。這樣，轉子在錐形管中的平衡位置的高低與被測介質的流量大小相對應。如果在錐形

管外，沿其高度刻上對應的流量值，那么根據轉子平衡位置的高低就可以直接讀出流量的大

小。這就是轉子流量計測量流量的基本原理。（0、P2為轉子前后的壓力）

圖2—6轉子流量計的工作原理圖

其體積流量計算公式為：

3一pR

Q(2-14)

PtA

式中小—儀表常數；

h——轉子浮起的高度；

P，――轉子材料的密度；

P)—被測流體的密度；

V—轉子的體積；

4—轉子的最大橫截面積；

g——重力加速度。

二'電遠傳轉子流量計

以上所講的指示式轉子流量計，只適用于就地指示。電遠傳式轉子流量計可以將反映流

量大小的轉子高度轉換為電信號，適合于遠傳，進行顯示或記錄。

LZD系列電遠傳式轉子流量計主要由流量變送及電動顯示兩部分組成。

圖2—7差動變壓器結構

1.流量變送部分LZD系列電遠傳式轉子流量計是用差動變壓器進行流量變送的。

差動變壓器的結構與原理如圖2—7所示。它由鐵心、線圈以及骨架組成。線圈骨架分

成長度相等的兩段，初級線圈均勻地密繞在骨架的內層，并使兩個線圈同相串聯相接；次級

線圈分別均勻地密繞在兩段骨架的外層，并將兩個線圈反相串聯相接。

當鐵心處在差動變壓器兩段線圈的中間位置時，初級激磁線圈激勵的磁力線穿過上、下

兩個次級線圈的數目相同，因而兩個匝數相等的次級線圈中產生的感應電勢5、e2相等。由

于兩個次級線圈系反相串聯，所以由、e2相互抵消，從而輸出端4、6之間總電勢為零。

當鐵心向上移動時，由于鐵心改變了兩段線圈中初、次級的耦合情況，使磁力線通過上

段線圈的數目增加，通過下段線圈的磁力線數目減少，因而上段次級線圈產生的感應電勢比

圖2—8LZD系列電遠傳轉子流量

下段次級線圈產生的感應電勢大，即s>e2,于是4、6兩端輸出的總電勢e1-e2>0。當鐵

心向下移動時，情況與上移正好相反，即輸出的總電勢e-e2<Oo無論哪種情況，都把這

個輸出的總電勢稱為不平衡電勢，它的大小和相位由鐵心相對于線圈中心移動的距離和方向來

決定。

若將轉子流量計的轉子與差動變壓器的鐵心連結起來，使轉子隨流量變化的運動帶動鐵

心一起運動，那么就可以將流量的大小轉換成輸出感應電勢的大小，這就是電遠傳轉子流量

計的轉換原理。

2.電動顯示部分圖2—8是LZD系列電遠傳轉子流量計的原理圖。當被測介質流量變

化時，引起轉子停浮的高度發(fā)生變化；轉子通過連桿帶動發(fā)送的差動變壓器T1中的鐵心上

下移動。當流量增加時，鐵心向上移動，變壓器T1的次級繞組輸出一不平衡電勢，進入電

子放大器。放大后的信號一方面通過可逆電機帶動顯示機構動作；另一方面通過凸輪帶動接

收的差動變壓器T2中的鐵心向上移動。使T2的次級繞組也產生一個不平衡電勢。由于「、

T2的次級繞組是反向串聯的，因此由T2產生的不平衡電勢去抵消T|產生的不平衡電勢，一

直到進入放大器的電壓為零后，T2中的鐵心便停留在相應的位置上，這時顯示機構的指示

值便可以表示被測流量的大小了。

三、轉子流量計指示值的修正

轉子流量計是一種非標準化儀表，在大多數情況下，可按照實際被測介質進行刻度。但

儀表廠為了便于成批生產是在工業(yè)基準狀態(tài)(2(TC,0.10133MPa)下用水或空氣進行刻度的，

即轉子流量計的流量標尺上的刻度值，對用于測量液體來講是代表20C時水的流量值，對

用于測量氣體來講則是代表2(TC,0.10133MPa壓力下空氣的流量值。所以，在實際使用時,

如果被測介質的密度和工作狀態(tài)不同，必須對流量指示值按照實際被測介質的密度、溫度、

壓力等參數的具體情況進行修正。

1.液體流量測量時的修正

測量液體的轉子流量計，由于制造廠是在常溫(20℃)下用水標定的，如果使用時被測介

質不是水，則由于密度的不同必須對流量刻度進行修正或重新標定。對一般液體介質來說，

當溫度和壓力改變時，對密度影響不大。如果被測介質的粘度與水的粘度相差不大(不超過

0.03Pa-s),可近似認為。是常數，則有以下的體積流量修正公式

Qo=七?Qf(2-15)

QO=KM2(2-16)

式中Q(—表示密度為小的被測介質實際體積流量；

M,^—―表示密度為力的被測介質實際質量流量；

Q?！盟畼硕〞r的刻度流量；

KQ一體積流量密度修正系數；

KM——質量流量密度修正系數。

2.氣體流量測定時的修正

對于氣體介質流量值的修正，除了被測介質的密度不同以外，被測介質的工作壓力和溫

度的影響也較顯著，因此對密度、工作壓力和溫度均需進行修正。

轉子流量計用來測量氣體時，制造廠是在工業(yè)基準狀態(tài)(293K,0.10133MPa絕對壓力)

下用空氣進行標定的。對于被測介質在不同于上述基準狀態(tài)下測量時，要進行校正。當已

知儀表顯示刻度Q。，要計算實際的工作介質流量時，可按下式修正。

Q1一仁kk?Q_17）

KpKT

式中Q；-----被測介質的流量，Nm3/h；

Qo—按標準狀態(tài)刻度的顯示流量值，Nm，h；

Kp一密度修正系數；

KP—壓力修正系數；

Ki——溫度修正系數。

值得注意的是由式（4—4）計算得到的Q/是被測介質在單位時間（小時）內流過轉子流量計

的標準狀態(tài)下的容積數（標準立方米），而不是被測介質在實際工作狀態(tài)下的容積流量。這是

因為氣體計量時，一般用標準立方米計，而不用實際工作狀態(tài)下的容積數來計。

第五節(jié)腰輪流量計

腰輪式流量計又稱為羅茨流量計，是應用容積法測量流體流量的流量計。它們主要是用

于流體累計流量，即總量的計量。由于其測量高粘原油具有很高的計量精度且可顯示累積流

量，因而腰輪式流量計是用于原油流量測量的首選儀表。在原油管道和油田各計量站、聯合

站及油庫等處得到了廣泛的應用。

一、腰輪式流量計的工作原理

腰輪流量計由測量主體、聯軸器和表頭三大部分組成。如圖一所示。

測量部分的殼體內，有一對截面呈“8”字形的柱狀轉子——腰輪，腰輪上下蓋以隔板。

腰輪與殼體及兩側隔板間形成的封閉空間就是“計量室”。與腰輪同軸的兩個驅動齒輪在隔板

外面相互嚙合，以保持兩腰輪反向轉動。腰輪在轉動過程中，兩腰輪之間，以及腰輪與殼體

和隔板之間，始終保持準接觸狀態(tài)。腰輪把進出口流體分隔開來，所形成的計量室隨腰輪轉

動而移動。因而，只有腰輪轉動時，才能把流體從進口排到出口去。腰輪流量計的工作過程

如圖2—9所示。

流體通過流量計時，受腰輪的阻擋，從而產生進出口壓力差P-P2。在此壓差作用下，

將對腰輪產生作用力矩，使之轉動，動作過程如下：

圖2-9腰輪流量計的組成

1—外殼；2一腰輪；3—減速齒輪系；4—磁性連軸器;

5—顯示部分；6—驅動齒輪；7—隔板

在圖2—10(a)位置，腰輪A兩側所受進出口壓力R、P2的作用力在其上對稱分布，產

生的力矩為零；腰輪B上，計量室一側，壓力產生的作用力對稱分布，不產生力矩。但與A

接觸的一側則不然，進口端受壓力P1作用，而出口端受壓力P2作用。由于P|>P2,兩邊作

用力對B產生一個順時針方向的合力矩。在此力矩作用下，腰輪B順時針轉動，并通過外

驅動齒輪帶動A逆時針轉動。

圖2—10腰輪流量計的工作過程

1—殼體：2—轉動軸：3—浜動齒輪：4一腰輪：5一計量

到圖2—11(b)位置時，腰輪A所受入口側壓力P］的受壓面積增大了一段，出口側受壓

力P2作用的面積則減小了相同一段。壓力差Pl-P2在這段面積上的作用力使A有一逆時針

轉向的力矩。腰輪B受力情況與A相似，其上仍有一順時針轉向力矩，只是比(a)位置有所

減小。在這兩個力矩作用下，A逆時針轉動，吸入一部分流體，B順時針轉動，開始把計量

室內流體排出。

到圖2—11(c)位置上時，腰輪A受力與(a)位置時腰輪B相似，逆時針轉向的力矩達到

最大，而B在此時與(a)位置時A相似，作用力矩減小為零。在A上力矩作用下，A逆時針

轉動，流體吸滿一計量室。通過驅動齒輪，使B仍順時針轉動，繼續(xù)排出液體。

到圖2—11(d)位置時，A上力矩減小仍有逆時針力矩作用，B上順時針力矩增大，不再

為零。A仍逆時針轉動，開始排出流體，B仍順時針轉動，開始吸入流體，下一步轉子又轉

動回(a)位置。

這樣，A、B兩腰輪交替產生作用力矩，相互推動著旋轉，周而復始，連續(xù)轉動下去，

同時把腰輪與外殼、隔板間形成的計量室內的流體，不斷地從入口吸入、分隔、排出到出口。

如上分析，從(a)到(d)再到(a)時，流量計排出兩個計量室體積的流體。因而腰輪每轉一周，

可將四個計量室體積的流體排出流量計。只要測出腰輪的轉數N就可以確定流過流量計體

積總量的大小，即

Q=4NV0(2-18)

式中，V。是計量室體積。轉數N經過傳動齒輪送到積算機構，就可由機械累加計數器

進行流體總量顯示。另外，測量腰輪轉速n,就可求得流體的瞬時流量q”即

q=4叫(2-19)

二、腰輪流量計的顯示部分

腰輪流量計的顯示部分(表頭)，主要用來顯示流體總量。在大型腰輪流量計中，有的還

有瞬時流量顯示、定量計量、容差調整、溫度補償、信號遠傳等裝置。

1.總量積算結構在腰輪流量計中，腰輪轉數N通過聯軸器傳遞到表頭。在表頭內，

具有一系列的傳動齒輪、調整齒輪與機械計數器。腰輪轉數通過傳動齒輪，取得一個恰當的

傳動比后，使機械計數器的數字輪轉動，顯示流過流量計的體積值。在這里傳動齒輪起到了

流量換算作用，即流量計通過單位體積流體，使腰輪轉No轉時，經傳動齒輪減速，使指針

轉一周，同時使機械計數器數字輪(個位)轉1/10圈，數字輪示數增加一字，以顯示出流體總

量增加一個單位體積。

例如，設腰輪流量計計量室容積為Vo=O.125xl(y2m3,當腰輪轉動No=2OO轉時，流量計

排出流體體積V=4NoVo=4x2OOxO125xl(y2=l(m3)。傳動積算機構中，傳動齒輪系的總傳動比

若為i=0.0005,那么，腰輪的轉動通過齒輪傳動后使計數器個位數字輪轉動0.1轉，數字輪

轉過一字，表明流體流過體積增加In?。一般地，腰輪流量計的累加計數器有5?7位，有

的有一指針和一百分刻度盤。指針轉一周，末位數字輪換一個字，指針刻度盤的單位為10

升。

流量積算機構中的機械計數器的數字輪上除有數字外，字輪兩側均有齒輪，以配合字輪

上方的進位齒輪實現進位功能。表頭中的傳動齒輪，最后只驅動末位數字輪轉動。其它高位

數字輪都是通過進位齒輪逐級向上驅動的。

2.瞬時流量顯示與信號遠傳瞬時流量可以通過兩種途徑得到，一是從指針轉一圈所代

表的流量及所用時間去推算，二是用瞬時流量顯示器直接指示瞬時流量值，如圖2—11。瞬

時流量顯示器是在表頭傳動齒輪中裝上一個小型發(fā)電機，發(fā)電機的轉速和流量成正比，所以

可將流量的大小轉換為電流的大小，并經整流后用直流電流表指示出來。為了實現流量的遠

距集中顯示和流量計標定需要，可以在表頭內設置發(fā)訊裝置。將腰輪轉數轉換成相應的電脈

沖數，遠傳后由顯示儀表對脈沖信號進行累積、計數處理，以顯示流體的流量與總量。

圖2-11就地指示表盤和指針

三、腰輪流量計的特性與應用

1.腰輪流量計的特性

腰輪流量計是采用直接累加流體體積的方法測量流體總量的，其測量精度較高。流量的

大小、流體的性質（密度、粘度）、工作狀態(tài)對其測量的精度影響較小。但是，由于腰輪和外

殼內壁之間總是存在一定的間隙，必然會引起流體泄漏，造成泄漏誤差。腰輪式流量計的泄

漏誤差，與流體的流量、溫度、粘度有關。在小流量下，流量計腰輪轉速較低，泄漏量相對

被測總量來說比較大，其相對誤差較大，尤其對于低粘度流體更為嚴重。隨著流量的增大，

泄漏誤差相對減小，在一定的流量范圍內，泄漏誤差變化也很小。這一流量范圍即為該流量

計的測量范圍。超過此范圍，流量太小時泄漏誤差較大；流量太大時，將加劇轉動部分的振

動與磨損，降低使用壽命。

流體的粘度對泄漏誤差的影響也較大。流體粘度越大，其泄漏量越小，泄漏誤差也越小。

所以，容積式流量計比較適合于測量高粘度介質。

通過采用雙（對）轉子方式，解決了腰輪流量計由于角加速度引起的振動問題。

另外，由于腰輪式流量計的腰輪是靠流量計前后的壓力差來驅動的，所以腰輪式流量計

的壓力損失是比較大的。壓力損失除了與流體流量有關外，還與流體的粘度有關，同一流量

下，流體粘度越大，其壓力損失越大。

2.腰輪流量計的使用

腰輪流量計在安裝和使用過程中應注意以下個下問題。

（1）應根據被測流體的瞬時流量、工作溫度、介質壓力、管道直徑、粘度大小及腐蝕

性，合理選擇流量計的規(guī)格和材料。

（2）安裝流量計之前必須徹底清洗上游管道以防止雜物進入流量計。

（3）流量計多以水平安裝，但必須有旁通管道和閥門，以便拆裝和維修。流體流向應

和流量計上箭頭標志所示方向相同，不得裝反。

（4）流量計前必須安裝過濾器，防止固體顆粒雜質進入流量計。當被測液體含有氣體

時則應在流量計前加裝氣體分離器，以保證測量精度。圖2—12表示一種典型的油品計量用

流量計安裝流程。

圖2-12流量計安裝

（5）被測流體的瞬時流量，應在流量計額定流量范圍內。流量太小，泄漏誤差較大；

流量太大，則會加劇轉動部件磨損。

（6）被測流體的溫度不準超過規(guī)定使用溫度，以免轉動部件熱膨脹造成流量計轉子卡

死現象。

（7）腰輪式流量計應定期檢驗標定，以保證流量計的測量精度。同時應對各轉動元件

定期注潤滑油。表前過濾器也應定期清洗。

（8）調節(jié)流量的閥門應安裝在流量計的下游，以便使被測介質總充滿流量計內部腔體。

并在流量計的下游有足夠背壓，以保證流經流量計的介質全部為液體狀態(tài)。

四、腰輪流量計的故障和檢修

腰輪流量計在使用過程中可能發(fā)生的故障及檢修方法可參照表2—I

表2-1腰輪流量計在使用過程中可能發(fā)生的故障及檢修方法

故障現象原因措施

1.過濾器堵塞1.清洗過濾器

轉子不轉動

2.雜質進入流量計，使轉子卡死2.檢查過濾網有無損壞和清洗流量計內部

1.卸下計數器，檢查各級變速器和計數器

轉子轉動正常而1.變速齒輪嚙合不良2.檢查磁性聯軸器，或機械密封聯軸器傳動情況（注

計數器不計數2.各連接部分脫鉀或銷子脫落意：不要使磁性聯軸器承受過大的轉矩，否則，會因

產生錯極而去磁）

機械密封聯軸1.壓蓋過松1.擰緊壓蓋

器泄露2.填料磨損2.更換密封填料，加添密封油

1.流量超出規(guī)定范圍1.使流量計在規(guī)定范圍內運行或換流量計規(guī)格

誤差變負（指示

2.介質粘度偏小2.粘度偏小，可重新標定。更換調整齒輪進行修正

值小于實際值）

3.轉子等轉動部分不靈活3.檢查轉子、軸承、驅動齒輪等，更換磨損零件

1.流量有大的脈動1.減少管路中流量的脈動

誤差變正（指示

2.介質內混入氣體2.加裝排氣器

值大于實際值）

3.介質粘度偏大3.重新標定，更換調整齒輪對進行修正

第六節(jié)渦輪流量計

渦輪流量計是一種速度式流量計。流體通過流量計時，使流量計殼體內的葉片式渦輪轉

子旋轉，旋轉的速度隨流量的大小而變化，在一定測量范圍內，渦輪轉速和流量成正比。由

于渦輪流量計具有精度高、反應快、體積小、可測脈動流量、耐高壓，使用溫度范圍寬、量

程寬、壓力損失小、抗干擾能力等優(yōu)點，目前已被廣泛用于石油、化工生產的測量中。

一、渦輪流量計的結構及工作原理

渦輪流量計由渦輪流量變送器和顯示儀表兩大部分組成

渦輪流量變送器主要由殼體、渦輪、導流器、支承葉輪的軸承、磁電感應轉換器和前置

放大器等部分組成。如圖2—13。

渦輪用高導磁系數的不銹鋼材料制成，葉輪芯上裝有數片螺旋葉片，流體作用于葉片上

使之旋轉。為了減小流體作用在渦輪上的軸向推力，通過渦輪前軸承處的節(jié)流作用，在前軸

承上造成一低壓區(qū)，以產生一個與軸向推力方向相反的靜壓差作用力作用在渦輪上，以抵消

流體的軸向推力。這樣可以減小渦輪軸對軸承的磨損和摩擦阻力，提高變送器的壽命和測量

精度。

導流器由導向片及導向座組成。流體通過導流器時被導直流向，以避免流體的自肇改變

流體與渦輪葉片的作用角度，穩(wěn)定流向，保證測量精度。導流器還起支承葉輪的作用。

圖2—13渦輪流量變送器

1—殼體；2—前導流器；3—前置放大器；

4一磁電轉換器；5—渦輪；6—后導流器；7—軸承

磁電感應轉換器由線圈和磁鋼組成。液體從流量計入口經過導流器整流，使流束平行軸

線流入渦輪。導流器上的導流方向與螺旋形葉片平行，經整流后的流束流入由螺旋形葉片組

成的渦輪，推動渦輪旋轉，從渦輪流出的流體再經過出口導流器將流體整流成與軸線平行的

流束，以減小壓力損失。在葉輪的上端，對著葉輪的部位，在非導磁材料制成的殼體上，裝

有一個感應線圈，線圈的中心裝有一塊永久磁鋼。當由導磁材料制成的螺旋形葉片邊緣通過

感應線圈下端時，周期地改變線圈磁路的磁阻，使通過線圈的磁通發(fā)生變化，在感應線圈內

部產生與流量成正比例的脈沖信號，該信號經過線圈引出線進入前置放大器放大，然后遠

傳至顯示儀表。

由于磁電轉換器無需齒輪傳動機構和密封裝置與渦輪聯系，使渦輪無額外負載，因而該

流量計測量精度高、反應快、耐壓高。

綜上所述，不難理解脈沖信號的頻率與被測流體的流量成正比，即

Q=4?/(2-20)

N

V=—(2-21)

彳

式