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1、3.8 流量的检测流量的检测 流量与温度、压力和物位一起统称为工业过程流量与温度、压力和物位一起统称为工业过程控制中的四大重要参数，人们通过这些参数对生产过控制中的四大重要参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。对流体流量进行正确测量和调节程进行监视与控制。对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。第三节第三节流量检测及仪表流量检测及仪表1 概述1.1 1.1 流量的概念流量的概念流量:是指流经管道或设备某一截面的流体数量
2、。1 1瞬时流量瞬时流量:单位时间内流经某一截面的流体数量称为瞬时流量。可以分别用体积流量和质量流量来表示。体积流量：单位时间内流过某一截面的流体体积，国际单位为m3/s，还常用m3/h、L/h等单位。体积流量可表示为 截面A上的平均流速。质量流量：是指单位时间内流经某一截面的流体质量，国际单位为kg/s，还常用t/h、kg/h等单位。2累计流量：是指一段时间内流经某截面的流体数量的总和，也称总量。可用体积和质量来表示o测量流体流量的仪表一般叫流量计；o测量流体总量的仪表常称为计量表。一、一、概述概述流量计的分类流量计的分类1速度式速度式流量计流量计测量流体在管道内的测量流体在管道内的流速流速
3、，用，用过流面积过流面积换算成流量换算成流量。例如差压式流量计、转子流量汁、电磁流量计、涡轮流量计等。例如差压式流量计、转子流量汁、电磁流量计、涡轮流量计等。2容积式容积式流量计流量计 以以单位时间内所单位时间内所排出的排出的流体的流体的固定容积固定容积的的数量数量作为测量依据。作为测量依据。例如椭圆齿轮流量计、活塞式流量计等。例如椭圆齿轮流量计、活塞式流量计等。3质量质量流量计流量计 以以测量流体流过的质量测量流体流过的质量为依据，分直接式和间接式两种。为依据，分直接式和间接式两种。直接式直接式质量流量计直接测量质量流量。例如量热式、角动量式、质量流量计直接测量质量流量。例如量热式、角动量式
4、、陀螺式和科里奥利力式等质量流量计。陀螺式和科里奥利力式等质量流量计。间接式间接式质量流量汁是用密度与容积流量经过运算求得质量流量的。质量流量汁是用密度与容积流量经过运算求得质量流量的。具有测量精度不受流体的温度、压力、粘度等变化影响的优点。具有测量精度不受流体的温度、压力、粘度等变化影响的优点。二、差压式（节流式）流量计二、差压式（节流式）流量计基于流体流动的基于流体流动的节流原理节流原理，利用流体流经节流装置，利用流体流经节流装置（流动阻力件流动阻力件）时产生的）时产生的压力差压力差而实现流量的测量而实现流量的测量。1-节流元件；2-导压管路；3-三阀组；4-差压计。节流装置用于产生压力差
5、；导压管节流装置用于产生压力差；导压管是连接节流装置与差压计的管线，是连接节流装置与差压计的管线，用来传导差压信号；差压计用来测用来传导差压信号；差压计用来测量压差信号，并把此压差转换成流量压差信号，并把此压差转换成流量指示记录下来量指示记录下来。1.节流装置的流量测量原理节流装置的流量测量原理流体所具有的静压能和动压能，连同克服流动阻力的能量损失，总和不变能量守恒。可以用伯努利方程表示n当流体流经管道内的节流件时，流束当流体流经管道内的节流件时，流束将在节流件处形成局部收缩，将在节流件处形成局部收缩，因此，流体流速增加、动压能增加，其静压能下降，在节流件前后便产生了压差。在节流件前后便产生了
6、压差。流量基本方程式流量基本方程式根据流体的连续性方程（质量守恒定律）和流体力学的伯努利方程（能量守恒定律），可以推导出流量与压差之间的流量方程式，即体积流量质量流量式中式中：流量系数；C 流出系数 节流元件开孔直径与工艺管道之比 流束膨胀系数；d节流装置的开孔直径，m2 流体密度，kg/m3 节流装置前后实际测得的压力差流量与压力差的流量与压力差的平方根平方根成正比成正比对于气体、蒸汽等可压缩流体，对于气体、蒸汽等可压缩流体，在经过节流装置时压力的变化，在经过节流装置时压力的变化，使流体膨胀，密度变小，用流速使流体膨胀，密度变小，用流速膨胀校正系数系数膨胀校正系数系数对上式进行对上式进行修正
7、修正对于实际流体，摩擦阻力对于实际流体，摩擦阻力损失及可压缩性的影响，损失及可压缩性的影响，用流出系数用流出系数c进行修正。进行修正。实用习惯单位：流量实用习惯单位：流量m3/h，开孔直径，开孔直径mm，其它量单位不变，实，其它量单位不变，实用流量公式：用流量公式：2、差压式流量计的组成差压式流量计的组成历史悠久、技术成熟、应用最广泛。结构简单、使用寿命长，适应能力强，几乎能测量各种工况下的流量。测量对象测量对象：流体方面，单相、混相、洁净、脏污；工作状态工作状态：常压、高压、真空、常温、高温、低温；管径方面管径方面：从几毫米到几米；流动条件流动条件：亚音速流、临界流、脉动流。显示仪表3.标准
8、节流装置标准节流装置o通常把ISO5167(GBT2624-93)中所列节流装置称为标准节流装置，其它节流装置称为非标准节流装置。采用标准节流装置，按标准设计的差压式流量计，可直接投入使用，而不必进行实验标定。o标准规定：标准节流元件为孔板、喷嘴和文丘里管；取压方式为角接取压、法兰取压、径距取压。适用条件：工艺管道公称直径在501000mm之间。o差压流量计节流装置图（a）孔板）孔板 （b）文丘利管）文丘利管 （c）喷嘴）喷嘴3、标准节流装置、标准节流装置标准孔板孔板孔板 是一块具有与管道同心是一块具有与管道同心圆形开孔的圆板，迎流一侧是圆形开孔的圆板，迎流一侧是有锐利直角入口边缘的圆筒形有锐
9、利直角入口边缘的圆筒形孔，顺流的出口呈扩散的锥形。孔，顺流的出口呈扩散的锥形。结构简单，加工方便，价格结构简单，加工方便，价格便宜。便宜。压力损失较大，测量精度较压力损失较大，测量精度较低，只适用于洁净流体介质，低，只适用于洁净流体介质，测量大管径高温高压介质时，测量大管径高温高压介质时，孔板易变形。孔板易变形。标准孔板 标准喷嘴 是一个以管道喉部开孔轴线为中心线的旋转对称体。可用于测量温度和压力较高的蒸汽、气体和带杂质的液体流量。测量精度较孔板高，加工难度大，价格高，压损略小于孔板。要求工艺管径D不超过500mm。(a)ISA 1932喷嘴 (b)长颈喷嘴图4.4 标准喷嘴3、标准节流装置、
10、标准节流装置标准喷嘴标准喷嘴标准文丘里管 压损较孔板和喷嘴都小，有较高的测量精度，对流体中的悬浮物不敏感，可测量有悬浮固体颗粒的液体，适合大流量气体流量测量。但尺寸大，制造困难、价格昂贵，不适用于200mm以下管径的流量测量，工业应用较少。图图4.5 4.5 经典文丘利管经典文丘利管3、标准节流装置、标准节流装置文丘里管4、节流装置的取压方式、节流装置的取压方式根据节流装置取压口位置可将取压方式分为理论根据节流装置取压口位置可将取压方式分为理论取压、取压、角接取压角接取压、法兰取压法兰取压、径距取压径距取压与损失取与损失取压等五种压等五种:角接取压角接取压取压点分别位于节流元取压点分别位于节流
11、元件前后端面处。适用于孔板和喷嘴件前后端面处。适用于孔板和喷嘴两种节流装置。它又分为环室取压两种节流装置。它又分为环室取压和单独钻孔取压两种方法。和单独钻孔取压两种方法。法兰取压法兰取压在距节流元件前后端在距节流元件前后端面各面各1英寸（英寸（25.4mm）的位置上）的位置上垂直钻孔取压，仅适用于孔板。垂直钻孔取压，仅适用于孔板。法兰取压法结构较简单，容易装法兰取压法结构较简单，容易装配，计算也方便，但精度较角接配，计算也方便，但精度较角接取压法低些。取压法低些。4、节流装置的取压方式、节流装置的取压方式 径距取压（D-D/2取压）在距节流元件前端面1D、后端面D/2处的管道上钻孔取压。适用于
12、孔板和喷嘴。4、节流装置的取压方式、节流装置的取压方式5 差压式流量计的安装差压式流量计的安装 o节流件上下游侧直管段长度的要求 安装节流元件的管道应该是直的，截面为圆形；管道内壁应洁净；节流安装节流元件的管道应该是直的，截面为圆形；管道内壁应洁净；节流元件前后要有元件前后要有足够长直管段长度足够长直管段长度，以使流体稳定流动，一般上游侧直，以使流体稳定流动，一般上游侧直管段在管段在10D-50D之间，下游侧直管段在之间，下游侧直管段在5D-8D之间。之间。o节流件的安装要求n安装节流件时必须注意它的安装节流件时必须注意它的方向性方向性，不能装反。，不能装反。n节流件安装在管道中时，要保证其节
13、流件安装在管道中时，要保证其前端面与管道轴线垂直前端面与管道轴线垂直，偏差不，偏差不超过超过1；还要保证；还要保证其孔中心轴与管道同轴其孔中心轴与管道同轴，不同心度不应超过，不同心度不应超过0.015D(1/-1)。6.差压式流量计的应用差压式流量计的应用差压式流量计具有结构简单、工作可靠、使用寿命长、测量范围广的特点。不足之处是测量精度不高，测量范围较窄（量程比3：14：1），要求直管段长，压力损失较大，刻度为非线性。使用时应注意的问题：应考虑流量计使用范围。被测流体的实际工作状态（温度、压力）和流体性质（重度、粘度、雷诺数等）应与设计时一致，否则会造成实际流量值与指示流量值间的误差使用中要
14、保持节流装置的清洁。节流装置尤其是孔板，其入口边缘会由于磨损和腐蚀而变钝，引起仪表示值偏低。故应及时检查。引压管路接至差压计之前，必须安装三阀组，以便差压计的回零检查及引压管路冲洗排污用。四、电磁流量计四、电磁流量计1 1、测量原理和结构测量原理和结构电磁流量计是基于法拉第电磁感应原理制成的一种流量计，用于测量导电液体（如工业污水、酸、碱、盐等腐蚀性介质）与浆液的体积流量。在磁感应强度为B的均匀磁场中，垂直于磁场方向放一个内径为D的不导磁管道，当导电液体在管道中以平均流速v流动时，导电流体就切割磁力线。B、D、v三者互相垂直，在两电极之间产生的感应电动势为四、电磁流量计四、电磁流量计1 1、测
15、量原理和结构测量原理和结构n基于电磁感应定律n稳恒磁场条件下，感应电势与流速成正比。而与流体的物性和工作状态无关。四、电磁流量计四、电磁流量计2.类型 电磁流量计按结构形式可分电磁流量计按结构形式可分一体式一体式和和分体式分体式两种，均由两种，均由传传感器感器和和转换器转换器两大部分组成。传感器安装在工艺管道上感受两大部分组成。传感器安装在工艺管道上感受流量信号。转换器用于将传感器输出的毫伏级电势信号进行流量信号。转换器用于将传感器输出的毫伏级电势信号进行处理与放大，并转换成与被测流体体积流量处理与放大，并转换成与被测流体体积流量成正比成正比的的标准标准模模拟电流信号、电压或频率信号输出。拟电
16、流信号、电压或频率信号输出。四、电磁流量计四、电磁流量计 分体式流量计的传感器和转换器分开安装，转换器可分体式流量计的传感器和转换器分开安装，转换器可远离远离恶劣的现场环境恶劣的现场环境。一体式电磁流量计，可就地显示、信号远。一体式电磁流量计，可就地显示、信号远传、无励磁电缆和信号电缆布线，接线简单、价格便宜。传、无励磁电缆和信号电缆布线，接线简单、价格便宜。现现场环境条件较好场环境条件较好时可选用一体式电磁流量计。时可选用一体式电磁流量计。(a)一体式一体式(夹装夹装)(b)分体式（法兰安装）分体式（法兰安装）(b)电磁流量计外形图电磁流量计外形图四、电磁流量计四、电磁流量计 3.电磁流量传
17、感器的结构 电磁流量传感器由电磁流量传感器由测量管组件测量管组件、磁路系磁路系统统、电极、外壳、衬里电极、外壳、衬里等部分组成，如等部分组成，如图所示，测量管上下装有励磁线圈，通图所示，测量管上下装有励磁线圈，通以励磁电流后产生磁场穿过测量管。一以励磁电流后产生磁场穿过测量管。一对电极装在测量管内壁与液体相接触，对电极装在测量管内壁与液体相接触，引出感应电势。引出感应电势。电磁流量传感器的结构示意图电磁流量传感器的结构示意图1下盖；下盖；2内衬管；内衬管；3连接连接法兰；法兰；4励磁线圈；励磁线圈；5上盖；上盖；6测量管；测量管；7磁轭；磁轭；8电极电极四、电磁流量计四、电磁流量计o低频方波励
18、磁方式，其频率通常为工频的低频方波励磁方式，其频率通常为工频的14一一l10，在半个周，在半个周期内，磁场是恒稳的直流磁场，它具有直流励磁的特点，受电磁干扰期内，磁场是恒稳的直流磁场，它具有直流励磁的特点，受电磁干扰影响很小。从整个时间过程看，方波信号又是一个交变的信号，所以影响很小。从整个时间过程看，方波信号又是一个交变的信号，所以它能克服直流励磁易产生的极化现象因此，低频方波励磁是一种比它能克服直流励磁易产生的极化现象因此，低频方波励磁是一种比较好的励磁方式，目前已在电磁流量计上广泛的应用较好的励磁方式，目前已在电磁流量计上广泛的应用四、电磁流量计四、电磁流量计四、电磁流量计四、电磁流量计
19、四、电磁流量计四、电磁流量计测量转换器o测量转换器由线圈励磁电路和传感器输出转换电路组成测量转换器由线圈励磁电路和传感器输出转换电路组成o励磁电路向传感器线圈提供恒流励磁电路向传感器线圈提供恒流1/8工频矩形波励磁电流；工频矩形波励磁电流；o前置放大电路进行阻抗转换、抑制共模干扰；前置放大电路进行阻抗转换、抑制共模干扰；o放大电路作量程变换、隔离直流干扰电势；放大电路作量程变换、隔离直流干扰电势；o同步采样除去正交干扰、串模干扰，输出直流电压信号；同步采样除去正交干扰、串模干扰，输出直流电压信号；o电压频率转换电路把流量信号变换为频率信号，用作累计总量的电压频率转换电路把流量信号变换为频率信号
20、，用作累计总量的数字量输出；数字量输出；o隔离的脉冲信号经频率电流转换器变换为输出隔离的脉冲信号经频率电流转换器变换为输出4-20mA直流电流直流电流信号。信号。3.电磁流量计的特点优点优点o结构简单，结构简单，无活动部件无活动部件及插入管道的及插入管道的阻流件阻流件，几乎，几乎无附加压损无附加压损，直管段要求低直管段要求低；o电磁流量计的口径范围比其他品种流量仪表宽，对要求低阻力损失的电磁流量计的口径范围比其他品种流量仪表宽，对要求低阻力损失的大管径大管径供供水管道最为适合；水管道最为适合；o测量结果不受流体物性及温度、压力、粘度等外界因素的影响，因此只需经水测量结果不受流体物性及温度、压力
21、、粘度等外界因素的影响，因此只需经水标定后，就可用来测量其它导电液体的流量；标定后，就可用来测量其它导电液体的流量；o准确度高，约准确度高，约为为0.5-1.5级；级；o适于适于导电液体导电液体流量的测量，尤其适用于脏污流体、腐蚀性流体及含固体颗粒和流量的测量，尤其适用于脏污流体、腐蚀性流体及含固体颗粒和悬浮物的液固两相流体。悬浮物的液固两相流体。o电磁流量计的输出与流量电磁流量计的输出与流量呈线性关系呈线性关系，设计没有机械惯性，所以设计没有机械惯性，所以反应灵敏反应灵敏，可，可测量正反两个方向的流量，也可测量测量正反两个方向的流量，也可测量瞬时脉动流量瞬时脉动流量。3.电磁流量计的特点缺点
22、：缺点：o只能用来测量导电液体的流量；只能用来测量导电液体的流量；不能不能用于用于气体、蒸汽及石气体、蒸汽及石油制品油制品的流量；的流量；o测量测量受内衬和电气绝缘材料的限制，不能用于测量受内衬和电气绝缘材料的限制，不能用于测量高温液高温液体体；o易受电磁干扰影响；易受电磁干扰影响；o流速流速测量下限测量下限有一定限度；有一定限度；工作压力工作压力受到限制；受到限制；o结构也比较复杂，结构也比较复杂，成本较高成本较高。o当超声波在流体中传播时，会载带流体流速的信息。因此，根据对接收到的超声波信号进行分析计算，可以检测到流体的流速，进而可以得到流量值。o传播速度差法的基本原理为：测量超声波脉冲在
23、顺流和逆流传播过程中的速度之差来得到到被测流体的流速。根据测量的物理量的不同，可以分为时差法(测量顺、逆流传播时由于超声波传播速度不同而引起的时间差)、相差法(测量超声波在顺、逆流中传播的相位差)、频差法(测量顺、逆流情况下超声脉冲的循环频率差)。六、超声波流量计六、超声波流量计1时差式超声波流量计声波在流体中传播，顺流方向声波的传播速度会增大，逆流方向声声波在流体中传播，顺流方向声波的传播速度会增大，逆流方向声波的传播速度则会减小，相同的传播距离在顺流和逆流时会有不同波的传播速度则会减小，相同的传播距离在顺流和逆流时会有不同的传播时间。时差式超声波流量计正是利用超声波在流体中顺流和的传播时间
24、。时差式超声波流量计正是利用超声波在流体中顺流和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流量的。逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流量的。图图 时差式超声波流量计的原理示意图时差式超声波流量计的原理示意图1.时差式超声波流量计o在管道中斜装一对超声波换能器，超声波的传播声程为在管道中斜装一对超声波换能器，超声波的传播声程为A、B换能器之间的距离。换能器之间的距离。换能器换能器A向换能器向换能器B顺流方向发射超声波信号，传播速度为声波传播速度与流体顺流方向发射超声波信号，传播速度为声波传播速度与流体流速水平分量之和，则传播时间为流速水平分量之和，则传播时间为 o反之，换
25、能器反之，换能器B向换能器向换能器A逆流方向发射超声波信号，传播速度为声波传播速度逆流方向发射超声波信号，传播速度为声波传播速度与流体流速水平分量之差，则传播时间为与流体流速水平分量之差，则传播时间为 c：超声波在静止介质中的传播速度，：超声波在静止介质中的传播速度，其值随介质不同而不同；其值随介质不同而不同；v：流体沿超声波传播途径上的线平：流体沿超声波传播途径上的线平 均流速；均流速；：超声波传播方向与流体流动方：超声波传播方向与流体流动方 向之间的夹角；向之间的夹角；D：管道内径。管道内径。1.时差式超声波流量计o时差式超声波流量计主要用来测量洁净的流体流量，还可以测量杂质含量不高时差式
26、超声波流量计主要用来测量洁净的流体流量，还可以测量杂质含量不高(杂质含量小于杂质含量小于10g/L，粒径小于，粒径小于1mm)的均匀流体，如污水等介质的流量，的均匀流体，如污水等介质的流量，但但不能测量不能测量含有影响超声波传播的连续混入气泡或体积较大固体物的液体。在含有影响超声波传播的连续混入气泡或体积较大固体物的液体。在悬浮颗粒含量过多或因管道条件致使超声信号严重衰减而不能测量时，有时可悬浮颗粒含量过多或因管道条件致使超声信号严重衰减而不能测量时，有时可以试降低换能器频率，予以解决。而且精度可达以试降低换能器频率，予以解决。而且精度可达1%。多普勒法多普勒法多普勒法是利用声学多普勒原理确定
27、流体流量的多普勒法是利用声学多普勒原理确定流体流量的多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动，会多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动，会引起声波在频率上的变化，这种频率变化正比于运引起声波在频率上的变化，这种频率变化正比于运动的目标和静止的换能器之间的相对速度。动的目标和静止的换能器之间的相对速度。2.多普勒式超声波流量计o多普勒式超声波流量计的测量原理：发射换能器向流体发出频率为的连续超声多普勒式超声波流量计的测量原理：发射换能器向流体发出频率为的连续超声波，受到悬浮在流体中随流体移动的固体颗粒或气泡散射时，接收到的反射声波，受到悬浮在流体中随流体移动的固体颗粒或气泡散射时，接收到的反射声波
28、与发射声波之间存在频率差，由声学上的多普勒效应理论推知该频率差正比波与发射声波之间存在频率差，由声学上的多普勒效应理论推知该频率差正比于流体流速，因此测量频率差即可求得流速和体积流量，这就是多普勒超声波于流体流速，因此测量频率差即可求得流速和体积流量，这就是多普勒超声波流量计测量流量的工作原理。流量计测量流量的工作原理。o 声波由声楔进入流体的入射角；声波由声楔进入流体的入射角；o c0声楔材料中的声速；声楔材料中的声速；o A 管道内横截面积；管道内横截面积；o k 流速分布修正系数。流速分布修正系数。n因此，被测流体必须是因此，被测流体必须是含有一定数量能够反射声波的固体颗粒或气泡等含有一
29、定数量能够反射声波的固体颗粒或气泡等的两相介质，的两相介质，以便获得足够强度的信号使仪表正常工作。以便获得足够强度的信号使仪表正常工作。2.多普勒式超声波流量计超声波流量计的选择条件条件传播时间法传播时间法多普勒法多普勒法适用液体适用液体水类（江河水，海水农业用水等）水类（江河水，海水农业用水等）,油类（纯净燃油类（纯净燃油，润滑油，食用油等），化学试剂，药液等油，润滑油，食用油等），化学试剂，药液等含含杂杂质质多多的的水水（下下水水，污污水水，农农业业用用水水等等），浆浆类类（泥泥浆浆，矿矿浆浆，纸纸浆浆化化工工料料浆浆等等），油油类类（非非净净燃油，重油，原油等）燃油，重油，原油等）适用悬
30、浮颗粒含量适用悬浮颗粒含量体积含量体积含量1%5050100mg/L100mg/L仪表基本误差仪表基本误差带测量管段式带测量管段式（0.5-10.5-1）%R%R（3-103-10）%FS%FS固体粒子含量基本不变时固体粒子含量基本不变时（0.5-30.5-3）%湿式大口径多声道湿式大口径多声道湿式小口径单声道湿式小口径单声道 1.5%R-1.5%R-3%R3%R夹装式（范围度夹装式（范围度20:120:1）重复性误差重复性误差0.1%-0.3%0.1%-0.3%1%1%信号传输电缆长度信号传输电缆长度100-300m,100-300m,在能保证信号质量的前提下，在能保证信号质量的前提下，可以小于可以小于100m100m30mQ，则，则质量流量计质量流量计-间接式间接式间接式质量流量计一般是采用体积流量计和密度计或两个不同类型的体积流量计组合，实现质量流量的测量。常见的组合方式主要有3种。节流式流量节流式流量计计与与密度计密度计的的组合组合qv即Q体积流量体积流量计计与与密度计密度计的组合的组合节流式流节流式流量计量计与与体积体积流量计流量计的组的组合合