第3节 流量检测及仪表

13.3流量检测流量检测的主要方法和分类节流式流量计转子流量计电磁流量计涡轮流量计漩涡流量计容积式流量计其它流量检测方法超声波式流量检测质量流量检测方法☆★★★☆☆☆☆★2——几个概念流量通常是指单位时间内流经管道某截面的流体的数量，也就是所谓的瞬时流量；在某一段时间内流过流体的总和，称为总量或累积流量。3表示方式以体积表示的瞬时流量用qv表示，单位为m3/s以体积表示的累积流量用Qv表示，单位为m3vAqvdAvA0tvvQqdt质量流量以质量表示的瞬时流量用qm表示，单位为kg/s以质量表示的累积流量用Qm表示，单位为kgmvqqmvQQ体积流量4标态下的体积流量由于气体是可压缩的，流体的体积会受工况的影响，为了便于比较，工程上通常把工作状态下测得的体积流量换算成标准状态（温度为20℃，压力为一个标准大气压）下的体积流量。标准状态下的体积流量用qvn表示，单位为Nm3/s。53.3.1流量检测的主要方法和分类流量检测方法有很多，就测量原理而言，可以分为直接测量法和间接测量法两类。直接测量法可以直接测量出管道中的体积流量或质量流量间接测量法则是通过测量出流体的(平均)流速，结合管道的截面积、流体的密度及工作状态等参数计算得出。63.3.2节流式流量计节流式流量计也称为差压式流量计，它是目前工业生产过程中流量测量最成熟、最常用的方法之一。如果在管道中安置一个固定的阻力件，它的中间开一个比管道截面小的孔，当流体流过该阻力件时，由于流体流束的收缩而使流速加快、静压力降低，其结果是在阻力件前后产生一个较大的压差。压差的大小与流体流速的大小有关，流速愈大，差压也愈大，因此只要测出差压就可以推算出流速，进而可以计算出流体的流量。7(a)标准孔板(b)喷嘴(c)文丘里管把流体流过阻力件使流束收缩造成压力变化的过程称节流过程，其中的阻力件称为节流件。作为流量检测用的节流件有标准的和特殊的两种。标准节流件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管。相比而言，标准孔板制作最简单，使用也最广泛，以下只介绍标准孔板.81v3v2v123——节流原理流动流体的能量有两种形式：静压能和动能。流体由于有压力而具有静压能，又由于有流动速度而具有动能，这两种形式的能量在一定条件下是可以相互转化的。流速1v2v3v静压1p2p3ppmaxp9——流量方程1v3v2v123流速1v2v3v静压1p2p3ppmaxp根据流体力学中的伯努利方程，可以推导得出节流式流量计的流量方程，也就是差压和流量之间的定量关系式：0022vmqApqApα为流量系数ε为可膨胀性系数A0为节流件的开孔面积ρ为节流装置前的流体密度ΔP节流装置前后实际测得的压差10——节流式流量计的使用特点和要求标准孔板应用广泛，它具有结构简单、安装方便的特点，适用于大流量的测量。孔板测量的压损大，当不允许有较大的管道压损时，便不宜采用。在一般场合下，仍采用孔板为多。标准喷嘴和标准文丘里管的压力损失较孔板为小，但结构比较复杂，不易加工。标准节流装置仅适用于测量管道直径大于50mm，雷诺数在104～105以上的流体；流体应当清洁，充满全部管道，不发生相变；11——节流式流量计的安装原理总结：节流装置引压管差压变送器显示仪表/控制器oIpvqp流体在管道中正常流动（v、p）节流件使流体收束，流速增大，压力降低节流件前后出现“压差”“压差”与流量有关再采用差压变送器，将差压信号转换为统一的标准信号，便于显示及控制123.3.3转子流量计在工业生产中经常遇到小流量的测量，因其流体的流速低，这就要求测量仪表有较高的灵敏度，才能保证一定的精度。转子流量计特别适宜于测量管径50mm以下管道的流量，测量的流量可小到每小时几升。h转子流量计主要由两个部分组成：一是由下往上逐渐扩大的锥形管（通常用透明玻璃制成）二是放在锥形管内可自由运动的转子。13测量原理：被测流体由锥形管下端进入，流经转子与锥形管之间的环隙，再从上端流出。当流体流过的时候，位于锥形管中的转子受到向上的一个力，使其浮起。当这个力正好等于转子重量减去流体对转子的浮力，此时转子就停浮在一定的高度上。若流体流量突然由小变大时，作用在转子上的向上的力就加大，转子上升，环隙增大，即流通面积增大。随着环隙的增大，使流体流速变慢，流体作用在转子上的向上力也就变小。这样，转子在一个新的高度上重新平衡。这样，转子在锥形管中平衡位置的高低h与被测介质的流量大小相对应。孔板流量计：节流面积不变流量变化压差发生变化转子流量计：压差不变流量变化节流面积发生变化14——转子流量计的特点①转子流量计主要适合于检测中小管径、较低雷诺数的中小流量；②流量计结构简单，使用方便，工作可靠，仪表前直管段长度要求不高；③流量计的基本误差约为仪表量程的土2％，量程比可达10：1④流量计的测量精度易受被测介质密度、粘度、温度、压力、纯净度、安装质量等的影响。153.3.4椭圆齿轮流量计——直接测量基本工作原理“一碗一碗”计量V转子每旋转一周，就排出四个由椭圆齿轮与外壳围成的半月形空腔的流体体积(4V)。在V一定的情况下，只要测出流量计的转速n就可以计算出被测流体的流量流量方程4vqVn16特点和要求计量精度高，一般可达0.2～0.5级，有的甚至能达到0.1级安装直管段对计量精度影响不大，量程比一般为10:1一般只适用于10～150mm的中小口径。容积式流量计对被测流体的粘度变化不敏感，特别适合于测量高粘度的流体（例如重油、树脂等）甚至糊状物的流量，但要求被测介质干净，不含固体颗粒，所以一般情况下，流量计前要装过滤器。由于受零件变形的影响，容积式流量计一般不宜在高温或低温下使用。173.3.5电磁流量计基本工作原理导体切割磁力线，会产生电动势适用场合可以检测具有一定电导率的酸、碱、盐溶液，腐蚀性液体以及含有固体颗粒的的液体测量，但不能检测气体、蒸汽和非导电液体的流量。流量公式当导电的流体在磁场中以垂直方向流动而切割磁力线时，就会在管道两边的电极上产生感应电势，感应电势的大小与磁场的强度、流体的速度和流体垂直切割磁力线的有效长度成正比：xEKBDv24vDqv4vxDqEBK式中：Ex为感应电势；K为比例系数；B为磁场强度；D为管道直径；v为垂直于磁力线的流体流动速度。在管道直径D已经确定，磁场强度B维持不变时，流体的体积流量与磁感应电势成线性关系。利用上述原理制成的流量检测仪表称为电磁流量计。18——电磁流量计的特点测量导管内无可动或突出于管道内部的部件，因而压力损失极小；只要是导电的，被测流体可以是含有颗粒、悬浮物等，也可以是酸、碱、盐等腐蚀性物质；流量计的输出电流与体积流量成线性关系，并且不受液体的温度、压力、密度、粘度等参数的影响；电磁流量计的量程比一般为10:1，精度较高的量程比可达100:1；测量口径范围大，可以从lmm到2m以上，特别适用于lm以上口径的水流量测量；测量精度一般优于0.5级；电磁流量计反应迅速，可以测量脉动流量；主要缺点：被测流体必须是导电的，不能小于水的电导率不能测量气体、蒸汽和石油制品等的流量由于衬里材料的限制，一般使用温度为0～200℃；因电极嵌装在测量导管上的，使工作压力限制(一般≤0.25MPa）19——电磁流量计的安装可以水平安装，也可以垂直安装，但要求液体充满管道；直管段要求：前10D，后5D以上；远离磁场；变送器前后管道有时带有较大的杂散电流，一般要把变送器前后1～1.5m出和变送器外壳连接在一起，共同接地。203.3.6漩涡流量计基本工作原理把一个漩涡发生体（非流线型对称物体）垂直插在管道中，当流体绕过漩涡发生体时会在其左右两侧后方交替产生旋转方向相反的漩涡，形成涡列，该漩涡列就称为卡门涡街只有当两列漩涡的间距h与同列中相邻漩涡的间距l满足为h／l＝0.281条件时，卡门涡列才是稳定的。且单列漩涡产生的频率f与流体流速v成正比，与柱体的特征尺寸d（漩涡发生体的迎面最大宽度）成反比，即：流量方程dvStfSt称为斯特劳哈尔系数，St主要与漩涡发生体的形状和雷诺数有关。在雷诺数为5000～150000的范围内，St基本上为一常数。漩涡频率的检测方法：热敏检测法、电容检测法、压力检测法、超声检测法等21特点和要求涡街流量计输出信号（频率）不受流体物性和组分变化的影响，在一定的雷诺数范围内，几乎不受流体的温度、压力、密度、粘度等变化的影响，故用水或空气标定的漩涡流量计可用于其他液体和气体的流量测量而不需标定；管道内无可动部件，使用寿命长，压力损失小；测量精度高（约为士0.5％～1％），量程比20:1；尤其适用于大口径管道的流量测量。但是流量计安装时要求有足够的直管段长度，上游和下游的直管段分别要求不少于2OD和5D，漩涡发生体的轴线应与管路轴线垂直。223.4.7质量流量计——科里奥利力质量流量计基本工作原理（实验）将充水软管（水不流动）两端悬挂，使其中段下垂成U形，静止时，U形的两管处于同一平面，并垂直于地面，左右摆时，两管同时弯曲，仍然保持在同一曲面若将软管与水源相接，使水由一端流入，从另一端流出（如图b和c）。当U形管受外力作用向右左摆动时，它将发生扭曲。扭曲的方向总是出水侧的摆动要早于入水侧；随着质量流量的增加，这种现象变得更加明显，出水侧摆动相位超前于入水侧更多。这就是科氏力质量流量的检测原理，它利用两管的振动（摆动）相位差来反映流经该U形管的质量流量23利用科氏力构成的质量流量计有直管、弯管、单管、双管等多种形式双弯管型是最常见它由两根金属U形管组成，其端部连通并与被测管路相连。这样流体可以同时在两个U形管内流动在两管的中间A、B、C三处各装有一组压电换能器换能器A在外加交变电压作用下产生交变力，使两根U形管彼此一开一合地振动，相当于两根软管按相反方向不断摆动换能器B和C用来检测两管的振动情况由于B处于进口侧，C处于出口侧，则根据出口侧振动相位超前于进口侧的规律，C输出的交变信号的相位将超前于B某个相位此相位差的大小与质量流量成正比科里奥利力质量流量计若将这两个交流信号相位差经过电路进一步转换成直流4～20mA等标准信号，就成为质量流量变送器。特点和要求科氏力质量流量计的测量精度较高，主要用于粘度和密度相对较大的单相和混相流体的流量测量由于结构等原因，这种流量计适用于中小尺寸的管道的流量检测。24——间接式质量流量测量由测量体积流量的仪表与测量密度的仪表配合，再用运算器将两表的测量结果加以适当的运算，间接得出质量流量。25作业P10231、33、40、41