遼寧石油化工大學(xué)化工自動(dòng)化及儀表第7章 流量檢測(cè)及儀表

1、第第7章章 流量檢測(cè)及儀表流量檢測(cè)及儀表 7.1 流量的概念及單位流量的概念及單位 7.2 流量檢測(cè)方法及流量計(jì)分類流量檢測(cè)方法及流量計(jì)分類 7.3 體積流量檢測(cè)方法體積流量檢測(cè)方法 7.4 質(zhì)量流量檢測(cè)方法質(zhì)量流量檢測(cè)方法 7.5 流量標(biāo)準(zhǔn)裝置流量標(biāo)準(zhǔn)裝置 7.1 7.1 流量的概念及單位流量的概念及單位 流量流量：是指單位時(shí)間內(nèi)流過管道某一截面的流體 數(shù)量的大小，此流量又稱瞬時(shí)流量。 流體數(shù)量以體積表示稱為體積流量體積流量。 流體數(shù)量以質(zhì)量表示稱為質(zhì)量流量質(zhì)量流量。 vA dt dV q v vA dt dM qm 體積流量和質(zhì)量流量的關(guān)系為 vm qq （7-1） （7-2） 常用的流量

2、單位常用的流量單位有噸每小時(shí)(t/h)、千克每秒（kg/s） 、千克每小時(shí)（kg/h）、立方米每秒（m3/s）立方米每 小時(shí)(m3/h)、升每小時(shí)(L/h)、升每分(L/min)等。 總量總量: : 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，稱為或累積流 量。 總量是體積流量或質(zhì)量流量在該段時(shí)間中的積分，表 示為： t vdt qV 0 t mdt qM 0 （7-3） （7-4） 總量的單位就是體積或質(zhì)量的單位。 7.2 7.2 流量檢測(cè)方法及流量計(jì)分類流量檢測(cè)方法及流量計(jì)分類 流量檢測(cè)方法可以歸為體積流量檢測(cè)體積流量檢測(cè)和質(zhì)量流量檢測(cè)質(zhì)量流量檢測(cè)兩種 方式

3、，前者測(cè)得流體的體積流量值，后者可以直接測(cè)得流體 的質(zhì)量流量值。 表7-1 流量計(jì)的分類 7.3 7.3 體積流量檢測(cè)方法體積流量檢測(cè)方法 體積流量檢測(cè)儀表分為:容積式流量計(jì)、差壓式流量計(jì)、速 度式流量計(jì)。 7.3.1 容積式流量計(jì) 容積式流量計(jì)又稱定（正）排量流量計(jì)，是直接根據(jù)排出的 體積進(jìn)行流量累計(jì)的儀表，它利用運(yùn)動(dòng)元件的往復(fù)次數(shù)或轉(zhuǎn) 速與流體的連續(xù)排出量成比例對(duì)被測(cè)流體進(jìn)行連續(xù)的檢測(cè)。 橢圓齒輪流量計(jì)橢圓齒輪流量計(jì) 橢圓齒輪流量計(jì)的測(cè)量部分是由兩個(gè)互相嚙合的橢圓形齒 輪A和B、軸及殼體組成。橢圓齒輪與殼體之間形成測(cè)量室 ，如圖7-1所示。 圖7-1 橢圓齒輪流量計(jì)工作原理示意圖 通過橢圓

4、齒輪流量計(jì)的體積流量 0 4nVQ (7-5) l適用于高黏度介質(zhì)的流量測(cè)量。 l測(cè)量精度較高，壓力損失較小，安裝使用也較方便。 l 橢圓齒輪流量計(jì)的入口端必須加裝過濾器。 l 橢圓齒輪流量計(jì)的使用溫度有一定范圍。 l 橢圓齒輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工成本較高。 差壓式流量計(jì)差壓式流量計(jì)基于在流通管道上設(shè)置流動(dòng)阻力件，流體 流過阻力件時(shí)將產(chǎn)生壓力差，此壓力差與流體流量之間有確 定的數(shù)值關(guān)系，通過測(cè)量差壓值可以求得流體流量。 最常用的差壓式流量計(jì)最常用的差壓式流量計(jì)是由產(chǎn)生差壓的裝置和差壓計(jì)組 成。流體流過差壓產(chǎn)生裝置形成靜壓差，由差壓計(jì)測(cè)得差壓 值，并轉(zhuǎn)換成流量信號(hào)輸出。 產(chǎn)生差壓的裝置有多種型

5、式產(chǎn)生差壓的裝置有多種型式，包括節(jié)流裝置：如孔板、 噴嘴、文丘里管等，以及動(dòng)壓管、勻速管、彎管等。其他型 式的差壓式流量計(jì)還有靶式流量計(jì)、浮子流量計(jì)等。 7.3.2差壓式流量計(jì) 1）節(jié)流式流量計(jì) 節(jié)流式流量計(jì)可以用于測(cè)量液體、氣體或蒸汽測(cè)量液體、氣體或蒸汽的流 量。 節(jié)流式流量計(jì)中產(chǎn)生差壓的裝置稱為節(jié)流裝置節(jié)流裝置，其主 體是一個(gè)局部收縮阻力件，如果在管道中安置一個(gè)固定 的阻力件，它的中間開一個(gè)比管道截面小的孔，當(dāng)流體 流過該阻力件時(shí)，由于流體流束的收縮而使流速加快、 靜壓力降低，其結(jié)果是在阻力件前后產(chǎn)生一個(gè)較大的壓 差。壓差的大小與流體流速的大小有關(guān)，流速愈大，壓 差也愈大，因此，只要測(cè)出壓

6、差就可以推算出流速，進(jìn) 而可以計(jì)算出流體的流量。 把流體流過阻力件使流束收縮造成壓力變化的過程 稱節(jié)流過程節(jié)流過程，其中的阻力件稱為節(jié)流元件（節(jié)流件）。 作為流量檢測(cè)用的節(jié)流件有標(biāo)準(zhǔn)有標(biāo)準(zhǔn)的和非標(biāo)準(zhǔn)非標(biāo)準(zhǔn)的兩種。標(biāo)標(biāo) 準(zhǔn)節(jié)流件準(zhǔn)節(jié)流件包括標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)文丘里管，如 圖7-3所示。 節(jié)流式流量計(jì)特點(diǎn)節(jié)流式流量計(jì)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)可移動(dòng)部件；可靠 性高；復(fù)現(xiàn)性能好；適應(yīng)性較廣，是歷史應(yīng)用最長(zhǎng)和最 成熟的差壓式流量計(jì)，至今仍占重要地位。其主要缺點(diǎn) 是安裝要求嚴(yán)格；壓力損失較大；精度不夠高（ 1%2%）；范圍度窄（3:1）；對(duì)較小直徑的管道測(cè) 量比較困難（D500mm)時(shí)應(yīng)用較多。3-3為徑

7、距取壓，取壓孔開在在前 、后測(cè)量管段上，適用于標(biāo)準(zhǔn)孔板。4-4為法蘭取壓，上、下 游側(cè)取壓孔開在固定節(jié)流件的法蘭上，適用于標(biāo)準(zhǔn)孔板。取 壓孔大小及各部件尺寸均有相應(yīng)規(guī)定，可以查閱有關(guān)手冊(cè)。 圖7-11 浮子流量計(jì) 測(cè)量原理示意圖 2）浮子流量計(jì) 浮子流量計(jì)也是利用節(jié)流原理測(cè)量流體的流量，但它的 差壓值基本保持不變，是通過節(jié)流面積的變化反映流量 的大小，故又稱恒壓降變截面流量計(jì)，也稱作轉(zhuǎn)子流量 計(jì)。 浮子流量計(jì)可以測(cè)量多種介質(zhì)的流量. 根據(jù)浮子在錐形管中的受力平衡條件，可以寫出力 平衡公式： gVAp fff )(（7-13） 將此恒壓降公式代人節(jié)流流量方程式 ， 則有 f ff v A gV

8、Aq )(2 （7-14） 對(duì)于小錐度錐形管，近似有A=ch，系數(shù)c與浮子和錐 形管的幾何形狀及尺寸有關(guān)。則流量方程式寫為： f ff v A gV chq )(2 （7-15） pdqv 2 4 2 式(7-15)紿出了流量與浮子高度之間的關(guān)系，這個(gè)關(guān) 系近似線性。 流量系數(shù)與流體黏度、浮子形式、錐形管與浮 子的直徑比以及流速分布等因素有關(guān)，每種流量計(jì)有 相應(yīng)的界限雷諾數(shù)，在低于此值情況下不再是常數(shù) 。流量計(jì)應(yīng)工作在為常數(shù)的范圍，即大于一定的雷 諾數(shù)范圍。 7.3.3 速度式流量計(jì) 速度式流量計(jì)的測(cè)量原理均基于與流體流速有關(guān)的各 種物理現(xiàn)象，儀表的輸出與流速有確定的關(guān)系，即可知流 體的體積流

9、量。 1渦街流量計(jì) 精度高、測(cè)量范圍寬、沒有運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)機(jī)械磨損、 維護(hù)方便、壓力損失小、節(jié)能效果明顯。 渦街流量計(jì)又稱漩渦流量計(jì)，它可以用來測(cè)量各種管道 中的液體、氣體和蒸汽的流量。 測(cè)量原理測(cè)量原理 渦街流量計(jì)是利用有規(guī)則的旋渦剝離現(xiàn)象來測(cè)量流體流 量的儀表。 （a）圓柱卡曼渦街 （b）三角柱卡曼渦街 圖7-13 卡曼渦街示意圖 d v Sf t （7-16） 滿足hL0.281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 漩渦頻率的檢測(cè)方法漩渦頻率的檢測(cè)方法 熱敏檢測(cè)法熱敏檢測(cè)法 電容檢測(cè)法電容檢測(cè)法 應(yīng)力檢測(cè)法應(yīng)力檢測(cè)法 超聲檢測(cè)法超聲檢測(cè)法 圖7-14

10、 圓柱檢出器原理圖 1-空腔；2-圓柱體；3-導(dǎo)壓孔；4-鉑電阻絲；5-隔墻 2電磁流量計(jì) 對(duì)于具有導(dǎo)電性的液體介質(zhì)，可以用電磁流量計(jì)測(cè) 量流量。電磁流量計(jì)基于電磁感應(yīng)原理，導(dǎo)電流體在磁 場(chǎng)中垂直于磁力線方向流過，在流通管道兩側(cè)的電極 圖7-15 電磁式流量檢測(cè)原理示意圖 上將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，感應(yīng)電勢(shì)的大小與流體速度有關(guān)， 通過測(cè)量此電勢(shì)可求得流體流量。 1）電磁流量計(jì)的組成及流量方程式 電磁流量計(jì)的測(cè)量原理如圖7-15所示。感應(yīng)電勢(shì)Ex與 流速的關(guān)系由下式表示： Ex=CBDv （7-17） 當(dāng)儀表結(jié)構(gòu)參數(shù)確定之后，感應(yīng)電勢(shì)與流速成對(duì)應(yīng)關(guān)系 ，則流體體積流量可以求得。其流量方程式可寫為： K

11、E E CB D v D q x xv 44 2 （7-18） 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)。 7.4 7.4 質(zhì)量流量檢測(cè)方法質(zhì)量流量檢測(cè)方法 質(zhì)量流量測(cè)量?jī)x表通?？煞譃閮纱箢悾?間接式質(zhì)量流量計(jì)和直接式質(zhì)量流量計(jì)。 1 間接式質(zhì)量流量測(cè)量方法 1）體積流量計(jì)與密度計(jì)的組合方式 差壓式流量計(jì)與密度計(jì)的組合 其他體積流量計(jì)與密度計(jì)組合 2）體積流量計(jì)與體積流量

12、計(jì)的組合方式 3）溫度、壓力補(bǔ)償式質(zhì)量流量計(jì) 差壓式流量計(jì)與密度計(jì)的組合差壓式流量計(jì)與密度計(jì)的組合 圖7-16差壓流量計(jì)與密度計(jì)配合 QKxy 圖7-17 渦輪流量計(jì)與密度計(jì)配合 QKxy 其它體積流量計(jì)與密度計(jì)的組合其它體積流量計(jì)與密度計(jì)的組合 QK Q Q K y x 2 圖7-18 差壓流量計(jì)與渦輪流量計(jì)配合 差壓流量計(jì)與體積流量計(jì)的組合差壓流量計(jì)與體積流量計(jì)的組合 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)科里奧利質(zhì)量流量計(jì) 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的工作原理是基于科里奧利力。 科里奧利力科里奧利力 如圖7-19(a)和(b)所示，當(dāng)一根管子繞著原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)， 讓一個(gè)質(zhì)點(diǎn)以一定的直線速度v從原點(diǎn)通過管子向外端流動(dòng) ，

13、由于管子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（角速度），質(zhì)點(diǎn)做切向加速運(yùn) 動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)的切向線速度由零逐漸加大，也就是說質(zhì)點(diǎn)被賦 予能量，隨之產(chǎn)生的反作用力（即慣性力）將使管子的旋 轉(zhuǎn)速度減緩，即管子運(yùn)動(dòng)發(fā)生滯后。 2 直接式質(zhì)量流量計(jì) 直接式質(zhì)量流量計(jì)的輸出信號(hào)直接反映質(zhì)量流量，其測(cè)量 不受流體的溫度、壓力、密度變化的影響。 (a) (b) （c） 圖7-19 科里奧利力作用原理圖 相反，讓一個(gè)質(zhì)點(diǎn)從外端通過管子向原點(diǎn)流動(dòng)，即質(zhì)點(diǎn) 的線速度由大逐漸減小趨向于零，也就是說質(zhì)點(diǎn)的能量 被釋放出來，隨之而產(chǎn)生的反作用力將使管子的旋轉(zhuǎn)速 度加快，即管子運(yùn)動(dòng)發(fā)生超前。 這種能使旋轉(zhuǎn)著的管子運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生超前或滯后的 力，就稱為科里奧利力科里奧利力，簡(jiǎn)稱科氏力科氏力。 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)科里奧利質(zhì)量流量計(jì) 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 Lr k M 4 圖7-20 科氏力流量計(jì)測(cè)量原理 l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； l 測(cè)量值不受管道內(nèi)