流量檢測系統(tǒng)試驗(yàn) 浙江大學(xué) 過程控制基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)

1、流量檢測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)流量試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置圖及功能：1.水流量裝置由儲水罐、標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量容器、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、孔板流量計(jì)和水泵組成（圖1）.圖1 流量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖2.裝置主體安裝在一個不銹鋼臺面上，測量直管水平平置，留有充分的直管段，保證流型穩(wěn)定。各流量計(jì)用于讀取相應(yīng)管道內(nèi)的流量值。裝置特色：1.結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，測量手段多樣，具有人性化的設(shè)計(jì)和工業(yè)通用型的特點(diǎn)。2.使用自壓式伸縮調(diào)節(jié)管，可方便各類實(shí)驗(yàn)儀表的安裝、拆卸。3.采用全不銹鋼結(jié)構(gòu)，使該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可長期免維護(hù)。4.實(shí)驗(yàn)儀表下安裝集水槽結(jié)構(gòu)使實(shí)驗(yàn)環(huán)境保持潔凈。5.通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握水流量和空氣流量儀表檢定的基本方法和原理。6.使

2、學(xué)生了解檢測流量的各種儀表，熟悉它們的構(gòu)造、外形及其工作原理。7.通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步了解影響流量計(jì)測量精度的一些主要因素實(shí)驗(yàn)一 孔板流量計(jì)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解孔板流量計(jì)的工作原理、外形構(gòu)造及使用方法。2.熟悉利用節(jié)流元件測量流量的原理及測量方法。3.通過整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、進(jìn)一步了解影響孔板流量計(jì)測量精度的一些主要因素。4.掌握流量儀表檢定的基本方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器 1.流量檢測實(shí)驗(yàn)裝置 2.差壓變送器 3.孔板流量計(jì) 4.儀表電源等三、孔板流量計(jì)工作原理 差壓式流量計(jì)中的典型流量計(jì)就是孔板流量計(jì)，其測量原理就是在管道中放置一個比管道內(nèi)徑還小的孔板，孔板也稱為節(jié)流件，當(dāng)管道充滿流體且流體流經(jīng)

3、孔板時(shí)會造成流速在孔板附近局部收縮。在孔板附近收縮處，流體的流速會增加，這樣流體的靜壓力就會增加，在孔板前后會造成靜壓差。產(chǎn)生的靜壓差和流體的流量有關(guān)，流量越大靜壓差也越大，通過測量靜壓差就可以來測量流體的流量，大量實(shí)驗(yàn)研究表明：當(dāng)流體源和孔板的形式選好后，孔板的上游和下游的直管段長度以及前后的取壓位置確定后，孔板前后的靜壓差和流體的流量之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。 如在管道內(nèi)插入一片與管軸垂直并帶有通常為圓孔的金屬板，孔的中心位于管道的中心線上。如圖2所示，流體通過孔板時(shí)，圓流道突然縮小，使流速突然增加，壓力降低；流體流過孔板后，由于慣性作用，流道截面并不立即擴(kuò)大到整個管道截面，而是繼續(xù)收縮至一

4、個最小值，這個最小流道截面稱為縮脈；隨后流道截面逐漸擴(kuò)大，流速逐漸減小并恢復(fù)。在已知有關(guān)參數(shù)的條件下，根據(jù)流動連續(xù)性原理和伯努利方程可以推導(dǎo)出差壓與流量之間的關(guān)系而求得流量。圖2 孔板流量計(jì)原理示意圖孔板流量計(jì)屬于節(jié)流式流量計(jì)，是目前工業(yè)生產(chǎn)中測量常用的一種流量儀表。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在煉鋼廠、煉油廠等工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中使用的流量計(jì)有一半以上是節(jié)流式流量計(jì)。孔板流量計(jì)之所以得到如此廣泛的應(yīng)用，主要因?yàn)樗哂幸韵聝蓚€非常突出的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，工作可靠，成本低，又具有一定準(zhǔn)確度。有很長的使用歷史，有豐富、可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)加工已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，無需進(jìn)行實(shí)際標(biāo)定。孔板流量計(jì)也有自身的缺點(diǎn)，由于介質(zhì)流過孔

5、板時(shí)會產(chǎn)生較大的壓力損失，量程比較小，因此孔板流量計(jì)一般用于小管徑場合，對于大管徑僅能作為參考。四、實(shí)驗(yàn)步驟1. 根據(jù)差壓變送器的量程范圍，均勻選取需要標(biāo)定的點(diǎn)。2. 打開支路總閥，通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)下方的手閥調(diào)節(jié)流量，至待標(biāo)定的流量值（差壓值）。3. 待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄差壓變送器的示數(shù)（壓差），關(guān)閉計(jì)量罐的排水閥門，同步開始計(jì)時(shí)。4. 待液柱上升至刻度標(biāo)尺可讀范圍內(nèi)，關(guān)閉手閥，同步停止計(jì)時(shí)，記錄此時(shí)的液面指示的體積數(shù)和時(shí)間長度。5. 排空計(jì)量罐中的存水，調(diào)節(jié)至一個新的流量值，重復(fù)步驟 3、 4、 5。共記錄約 5 組數(shù)據(jù)。6. 關(guān)閉調(diào)節(jié)手閥，排空計(jì)量罐中的存水，依次關(guān)閉電控柜上的水泵、儀表和電源

6、開關(guān)。7. 將所有的數(shù)據(jù)填入表格。根據(jù)已學(xué)過的知識， Q K P = D 公式，計(jì)算出孔板流量計(jì)指示在不同值時(shí)的 K 值。式中 Q利用體積法進(jìn)行計(jì)算；P利用差壓變送器讀數(shù)得出。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表1 孔板流量計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄12345計(jì)量罐體積（L）10.0210.0810.4510.3310.27時(shí)間長度（s）8446332722標(biāo)準(zhǔn)流量（L/s）0.1190.2190.3170.3820.467差壓變送器（kpa）14.342.888125.2180.4系數(shù) K9.95*10-71.06*10-61.07*10-61.08*10-61.10*10-6圖3 流量與開方差壓關(guān)系圖P0.5（Pa0.

7、5）流量（m3/s）用擬合直線的斜率得到K=1.13*10-6本次實(shí)驗(yàn)線性結(jié)果較好，得到K值可近似為一常數(shù)，可能的誤差來源為：1.開關(guān)閥門與停止計(jì)時(shí)不是同一人，可能導(dǎo)致延時(shí)誤差2.讀數(shù)為平均流量值，無法得到準(zhǔn)確的瞬時(shí)流量，無法捕捉到流量波動，引起誤差3.放水時(shí)可能無法放盡所有水箱內(nèi)所有水，導(dǎo)致誤差實(shí)驗(yàn)二 渦輪、轉(zhuǎn)子、電磁流量計(jì)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解孔板流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)的工作原理、外形構(gòu)造及使用方法。2掌握流量檢測儀表精度等級的校驗(yàn)方法。3.掌握流量儀表檢定的基本方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器及原理1. 流量檢測實(shí)驗(yàn)裝置2. 渦輪流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、電磁流量計(jì)3. 儀表

8、電源等渦輪流量計(jì)：渦輪流量計(jì)在測量儀表中是一種非常重要的儀表，因其具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如測量精度高、重復(fù)性好、量程范圍寬、輸出脈沖信號等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于流量標(biāo)準(zhǔn)裝置、航空航天燃料計(jì)量、天然氣計(jì)量、油品精確計(jì)量和貿(mào)易結(jié)算、工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控等領(lǐng)域。 流體流經(jīng)傳感器殼體，由于葉輪的葉片與流向有一定的角度，流體的沖力使葉片具有轉(zhuǎn)動力矩，克服摩擦力矩和流體阻力之后葉片旋轉(zhuǎn)，在力矩平衡后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，在一定的條件下，轉(zhuǎn)速與流速成正比，由于葉片有導(dǎo)磁性，它處于信號檢測器（由永久磁鋼和線圈組成）的磁場中，旋轉(zhuǎn)的葉片切割磁力線，周期性的改變著線圈的磁通量，從而使線圈兩端感應(yīng)出電脈沖信號，此信號經(jīng)過放大器的放大整形，形

9、成有一定幅度的連續(xù)的矩形脈沖波，可遠(yuǎn)傳至顯示儀表，顯示出流體的瞬時(shí)流量和累計(jì)量。在一定的流量范圍內(nèi)，脈沖頻率f與流經(jīng)傳感器的流體的瞬時(shí)流量Q成正比，流量方程為： Q = 3600´ f/k （1）式中：f脈沖頻率Hz；k傳感器的儀表系數(shù)1/ml，由校驗(yàn)單給出。若以1/L為單位Qfk=´3.6/Q流體的瞬時(shí)流量（工作狀態(tài)下）m3/h；3600換算系數(shù)。圖4 渦輪流量計(jì)原理示意圖每臺傳感器的儀表系數(shù)由制造廠填寫在檢定證書中，k值設(shè)入配套的顯示儀表中，便可顯示出瞬時(shí)流量和累積總量。電磁流量計(jì)：電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行流量測量的流量計(jì)。當(dāng)導(dǎo)體在磁場中作切割磁力線運(yùn)動時(shí)

10、，在導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電勢，感應(yīng)電勢的大小與導(dǎo)體在磁場中的有效長度及導(dǎo)體在磁場中作垂直于磁場方向運(yùn)動的速度成正比。同理，導(dǎo)電流體在磁場中作垂直方向流動而切割磁感應(yīng)力線時(shí)，也會在管道兩邊的電極上產(chǎn)生感應(yīng)電勢。感應(yīng)電勢的方向由右手定則判定，感應(yīng)電勢的大小由下式確定： Ex=BDv （2）式中Ex感應(yīng)電勢，V；B磁感應(yīng)強(qiáng)度，TD管道內(nèi)徑，mv液體的平均流速，m/s圖5 電磁流量計(jì)原理示意圖然而體積流量Qv等于流體的流速v與管道截面積pD2/4的乘積，將（2）代入該式得： Qv=（d/4B）*Ex （3） 由上式可知，在管道直徑D己定且保持磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變時(shí)，被測體積流量與感應(yīng)電勢呈線性關(guān)系。若在管道兩

11、側(cè)各插入一根電極，就可引入感應(yīng)電勢Ex，測量此電勢的大小，就可求得體積流量。 據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，在與測量管軸線和磁力線相垂直的管壁上安裝了一對檢測電極，當(dāng)導(dǎo)電液體沿測量管軸線運(yùn)動時(shí)，導(dǎo)電液體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢，此感應(yīng)電勢由兩個檢測電極檢出，數(shù)值大小與流速成正比例，其值為： E=B*v*D*K （4）式中：E感應(yīng)電勢；K與磁場分布及軸向長度有關(guān)的系數(shù)；B磁感應(yīng)強(qiáng)度；v導(dǎo)電液體平均流速；D電極間距；（測量管內(nèi)直徑）傳感器將感應(yīng)電勢E作為流量信號，傳送到轉(zhuǎn)換器，經(jīng)放大，變換濾波等信號處理后，成為標(biāo)準(zhǔn)的變送信號輸出。轉(zhuǎn)子流量計(jì)：被測流體以一定的流量通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)時(shí)，流體在環(huán)隙中的速度較大，壓力

12、較小，于是在轉(zhuǎn)子的上、下端面形成一壓差，轉(zhuǎn)子將“浮起”，隨著轉(zhuǎn)子的上浮，環(huán)隙面積逐漸增大，環(huán)隙中的流速將減小，兩端壓差也隨之降低，當(dāng)轉(zhuǎn)子上浮至某一高度時(shí)，轉(zhuǎn)子上下端面的壓差造成的升力恰好等于轉(zhuǎn)子的凈重力時(shí)，轉(zhuǎn)子不再上升，懸浮于該高度上，當(dāng)轉(zhuǎn)子將上升至另一高度達(dá)到新的平衡。圖6 轉(zhuǎn)子流量計(jì)原理示意圖四、實(shí)驗(yàn)步驟1.確認(rèn)儀表安裝到位、各類接線正確連接，確認(rèn)儲水罐水量充足、回流閥打開，經(jīng)指導(dǎo)老師確認(rèn)后，接通電源。 2.根據(jù)渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)的量程范圍，均勻選取需要標(biāo)定的點(diǎn)。 3.打開支路總閥，通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)下方的手閥調(diào)節(jié)流量，至待標(biāo)定的流量值。 4.待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄渦輪流量計(jì)、電磁

13、流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)的示數(shù)（瞬時(shí)流量），關(guān)閉計(jì)量罐的排水閥門，同步開始計(jì)時(shí)。 5.待液柱上升至刻度標(biāo)尺可讀范圍內(nèi)，關(guān)閉手閥，同步停止計(jì)時(shí)，記錄此時(shí)的液面指示的體積數(shù)和時(shí)間長度。 6.排空計(jì)量罐中的存水，調(diào)節(jié)一個新的流量值，重復(fù)步驟3、4、5。共記錄約5組數(shù)據(jù)。 7.關(guān)閉調(diào)節(jié)手閥，排空計(jì)量罐中的存水，關(guān)閉電源。 8.將所有的數(shù)據(jù)填入表格。計(jì)算渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)在不同流量下的相對誤差，校驗(yàn)其精度等級。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及分析表2 流量計(jì)標(biāo)定數(shù)據(jù)表渦輪流量計(jì)（m3/h）電磁流量計(jì)（m3/h）轉(zhuǎn)子流量計(jì)（L/h）測定時(shí)間/s計(jì)量罐體積/L標(biāo)準(zhǔn)流量（L/s）0.690.6857005210.

14、210.1961.691.715200010550.110.4772.742.79730006450.350.7873.183.24935005650.850.9084.174.25545004250.351.199表3 流量計(jì)標(biāo)定誤差表標(biāo)準(zhǔn)流量（m3/s）被校流量示數(shù)（m3/s）相對誤差渦輪流量計(jì)1.96*10-41.92*10-42.0%4.77*10-44.70*10-41.5%7.87*10-47.61*10-43.3%9.08*10-48.83*10-42.8%1.20*10-51.16*10-33.3%電磁流量計(jì)1.96*10-41.90*10-43.1%4.77*10-44.76

15、*10-40.2%7.87*10-47.77*10-41.3%9.08*10-49.02*10-40.7%1.20*10-51.18*10-31.7%轉(zhuǎn)子流量計(jì)1.96*10-41.95*10-40.5%4.77*10-45.56*10-416.6%7.87*10-48.33*10-45.8%9.08*10-49.72*10-47.0%1.20*10-51.25*10-34.2%六、思考題1有沒有其他的孔板流量計(jì)標(biāo)定方法？和實(shí)驗(yàn)提供的方法，那個更合理？為什么？除了實(shí)驗(yàn)中使用的體積法，還可以通過測量液體的質(zhì)量流量然后通過計(jì)算得到體積流量。實(shí)驗(yàn)室用的體積法較合理，因?yàn)檫@樣比質(zhì)量流量法更方便，對任意

16、液體都適用，而測量質(zhì)量流量還需要知道液體的密度。2通過實(shí)驗(yàn)分析該裝置檢定流量儀表時(shí)其產(chǎn)生的誤差來源有那些？如何避免與消除？本實(shí)驗(yàn)中的主要誤差來源有隨機(jī)誤差，系統(tǒng)誤差和人為因素（讀數(shù)誤差）。隨機(jī)誤差可以通過多次實(shí)驗(yàn)來減小；系統(tǒng)誤差可以通過通過提高裝置精度或?qū)?shí)驗(yàn)管道進(jìn)行檢修清洗或?qū)⑥D(zhuǎn)子流量計(jì)換用對流速較小的測量方式來減??；讀數(shù)誤差可以通過多次讀數(shù)取平均值來減小。3試分析影響K值變化的因素有哪些？由公式可知，影響K值得參數(shù)有流量系數(shù)，流體橫截面面積𝐴04查找資料，結(jié)合實(shí)驗(yàn)體會，分析渦輪流量計(jì)的測量范圍、使用的介質(zhì)、精度等級、對測量條件的要求等測量范圍：中小口徑流量檢測 量程比一般為

17、10:1介質(zhì)：僅適用于潔凈的被測介質(zhì)精度等級：準(zhǔn)確度較高?？蛇_(dá)到0.5級以上測量條件：渦輪前要加過濾裝置，流量計(jì)前后有一定直管長度，介質(zhì)密度和黏度變化時(shí)需要重新標(biāo)定或進(jìn)行補(bǔ)償。5查找資料，結(jié)合實(shí)驗(yàn)體會，分析電磁流量計(jì)的測量范圍、使用的介質(zhì)、精度等級、對測量條件的要求等。測量范圍：無上限，測量范圍較寬 0-200 量程比一般為10:1介質(zhì)：被測體必須導(dǎo)電，不能測量氣體、蒸汽和非導(dǎo)電液體的流量精度等級：一般優(yōu)于0.5%測量條件：可以水平或垂直安裝但要求被測液體充滿管道，遠(yuǎn)離外部磁場，減少外部干擾。把流量計(jì)前后1-1.5m處和流量計(jì)外殼連在一起共同接地。6查閱資料，結(jié)合實(shí)驗(yàn)體會，分析轉(zhuǎn)子流量計(jì)的測量范圍、使用