化工儀表檢測(cè)技術(shù)第3章流量檢測(cè)

化工儀表及自動(dòng)化第三章流量檢測(cè)內(nèi)容提要差壓式流量計(jì)節(jié)流現(xiàn)象與流量基本方程式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置差壓變送器差壓式流量計(jì)的測(cè)量誤差轉(zhuǎn)子流量計(jì)工作原理電遠(yuǎn)傳式轉(zhuǎn)子流量計(jì)漩渦流量計(jì)1內(nèi)容提要質(zhì)量流量計(jì)直接式質(zhì)量流量計(jì)補(bǔ)償式質(zhì)量流量計(jì)其他流量計(jì)靶式流量計(jì)橢圓齒輪流量計(jì)渦輪流量計(jì)電磁流量計(jì)2概述

介質(zhì)流量是控制生產(chǎn)過(guò)程達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和安全生產(chǎn)以及進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算所必需的一個(gè)重要參數(shù)。

流量大?。?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過(guò)管道某一截面的流體數(shù)量的大小，即瞬時(shí)流量。

總量：在某一段時(shí)間內(nèi)流過(guò)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。定義3質(zhì)量流量M體積流量Q如以t表示時(shí)間，則流量和總量之間的關(guān)系是

流量計(jì)：測(cè)量流體流量的儀表。計(jì)量表：測(cè)量流體總量的儀表。

4流量的表示方法5流量計(jì)的分類速度式流量計(jì)容積式流量計(jì)質(zhì)量流量計(jì)差壓式流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)

電磁流量計(jì)

渦輪流量計(jì)旋渦流量計(jì)靶式流量計(jì)橢圓齒輪流量計(jì)活塞式流量計(jì)慣性式質(zhì)量流量計(jì)補(bǔ)償式質(zhì)量流量計(jì)第一節(jié)差壓式流量計(jì)

差壓式（也稱節(jié)流式）流量計(jì)是基于流體流動(dòng)的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)產(chǎn)生的壓力差而實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的。

差壓式流量計(jì)的組成：

節(jié)流裝置：

三閥組及引壓管壓差計(jì)（差壓變送器）6節(jié)流裝置引壓管差壓變送器顯示儀表/控制器一、節(jié)流現(xiàn)象與流量基本方程式1.節(jié)流現(xiàn)象

流體在有節(jié)流裝置的管道中流動(dòng)時(shí)，在節(jié)流裝置前后的管壁處，流體的靜壓力產(chǎn)生差異的現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象。

節(jié)流裝置就是在管道中放置的一個(gè)局部收縮元件,應(yīng)用最廣泛的是孔板,其次是噴嘴、文丘里管。7孔板噴嘴文丘里管測(cè)量原理——節(jié)流原理

圖3-1孔板裝置及壓力、流速分布圖

在管道中流動(dòng)的流體具有動(dòng)壓能和靜壓能，在一定條件下這兩種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)換，但參加轉(zhuǎn)換的能量總和不變。用節(jié)流元件測(cè)量流量時(shí)，流體流過(guò)節(jié)流裝置前后產(chǎn)生壓力差Δp(Δp=p1-p2)，且流過(guò)的流量越大，節(jié)流裝置前后的壓差也越大，流量與壓差之間存在一定關(guān)系，這就是差壓式流量傳感器測(cè)量原理。

要準(zhǔn)確測(cè)量出截面Ⅰ、Ⅱ處的壓力有困難，因?yàn)楫a(chǎn)生最低靜壓力p2′的截面Ⅱ的位置隨著流速的不同會(huì)改變。因此是在孔板前后的管壁上選擇兩個(gè)固定的取壓點(diǎn)，來(lái)測(cè)量流體在節(jié)流裝置前后的壓力變化。因而所測(cè)得的壓差與流量之間的關(guān)系，與測(cè)壓點(diǎn)及測(cè)壓方式的選擇是緊密相關(guān)的。注意8節(jié)流基本方程式

流量基本方程式是闡明流量與壓差之間定量關(guān)系的基本流量公式。它是根據(jù)流體力學(xué)中的伯努利方程和流體連續(xù)性方程式推導(dǎo)而得的?？梢钥闯鲆懒髁颗c壓差的確切關(guān)系，關(guān)鍵在于α的取值。

流量與壓力差ΔP的平方根成正比。

9原理總結(jié)：流體在管道中正常流動(dòng)（v、p）節(jié)流件使流體收束，流速增大，壓力降低節(jié)流件前后出現(xiàn)“壓差”“壓差”與流量有關(guān)再采用差壓變送器，將差壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，便于顯示及控制標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置

國(guó)內(nèi)外把最常用的節(jié)流裝置、孔板、噴嘴、文丘里管等標(biāo)準(zhǔn)化，并稱為“標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置”。

采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)都有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定、要求和計(jì)算所需要的通用化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料。需要時(shí)可查閱有關(guān)的手冊(cè)或資料。

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節(jié)流裝置的選用①在加工制造和安裝方面,以孔板為最簡(jiǎn)單,噴嘴次之,文丘里管最復(fù)雜。造價(jià)高低也與此相對(duì)應(yīng)。實(shí)際上,在一般場(chǎng)合下,以采用孔板為最多。②當(dāng)要求壓力損失較小時(shí),可采用噴嘴、文丘里管等。11③在測(cè)量某些易使節(jié)流裝置腐蝕、沾污、磨損、變形的介質(zhì)流量時(shí),采用噴嘴較采用孔板為好。④在流量值與壓差值都相同的條件下,使用噴嘴有較高的測(cè)量精度,而且所需的直管長(zhǎng)度也較短。⑤如被測(cè)介質(zhì)是高溫、高壓的,則可選用孔板和噴嘴。文丘里管只適用于低壓的流體介質(zhì)。節(jié)流裝置的安裝使用①必須保證節(jié)流裝置的開(kāi)孔和管道的軸線同心,并使節(jié)流裝置端面與管道的軸線垂直。②在節(jié)流裝置前后長(zhǎng)度為兩倍于管徑(2D)的一段管道內(nèi)壁上,不應(yīng)有凸出物和明顯的粗糙或不平現(xiàn)象。13③任何局部阻力(如彎管、三通管、閘閥等)均會(huì)引起流速在截面上重新分布,引起流量系數(shù)變化。所以在節(jié)流裝置的上、下游必須配置一定長(zhǎng)度的直管。④標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置(孔板、噴嘴),一般都用于直D≥50mm的管道中。⑤被測(cè)介質(zhì)應(yīng)充滿全部管道并且連續(xù)流動(dòng)。⑥管道內(nèi)的流束(流動(dòng)狀態(tài))應(yīng)該是穩(wěn)定的。⑦被測(cè)介質(zhì)在通過(guò)節(jié)流裝置時(shí)應(yīng)不發(fā)生相變。

變送器是單元組合式儀表中不可缺少的基本單元之一。

所謂單元組合式儀表,這是將對(duì)參數(shù)的檢測(cè)及其變送、顯示、控制等各部分,分別做成只完成某一種功能而又能各自獨(dú)立工作的單元儀表(簡(jiǎn)稱單元,例如變送單元、顯示單元、控制單元等)。15

差壓變送器分類

按使用的能源不同,單元組合式儀表有氣動(dòng)單元組合式儀表(QDZ型)和電動(dòng)單元組合式儀表(DDZ型)。

差壓變送器可以將差壓信號(hào)Δp轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的氣壓信號(hào)或電流信號(hào),可以連續(xù)地測(cè)量差壓、液位、分界面等工藝參數(shù)。當(dāng)它與節(jié)流裝置配合時(shí),可以用來(lái)連續(xù)測(cè)量液體、蒸汽和氣體的流量。16

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，往往具有比較大的測(cè)量誤差，有的甚至高達(dá)10％～20％。

不僅需要合理的選型、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)計(jì)算和加工制造，更要注意正確的安裝、維護(hù)和符合使用條件等，才能保證差壓式流量計(jì)有足夠的實(shí)際測(cè)量精度。注意21

差壓式流量計(jì)的測(cè)量誤差誤差產(chǎn)生的原因被測(cè)流體工作狀態(tài)的變動(dòng)。節(jié)流裝置安裝不正確。在安裝時(shí)要注意節(jié)流裝置的安裝方向?？装迦肟谶吘壍哪p。導(dǎo)壓管安裝不正確，或有堵塞、滲漏現(xiàn)象差壓計(jì)安裝或使用不正確2223

導(dǎo)壓管要正確地安裝，防止堵塞與滲漏，否則會(huì)引起較大的測(cè)量誤差。對(duì)于不同的被測(cè)介質(zhì)，導(dǎo)壓管的安裝亦有不同的要求，下面分類討論。

導(dǎo)壓管的安裝測(cè)量液體介質(zhì)時(shí)：圖3-4測(cè)量液體流量時(shí)的連接圖1—節(jié)流裝置；2—引壓導(dǎo)管；3—放空閥；4—平衡閥；5—差壓變送器；6—貯氣罐；7—切斷閥（1）測(cè)量液體的流量時(shí)，應(yīng)該使兩根導(dǎo)壓管內(nèi)都充滿同樣的液體而無(wú)氣泡，以使兩根導(dǎo)壓管內(nèi)的液體密度相等。①取壓點(diǎn)應(yīng)該位于節(jié)流裝置的下半部，與水平線夾角α為0°～45°。②引壓導(dǎo)管最好垂直向下，如條件不許可，導(dǎo)壓管亦應(yīng)下傾一定坡度（至少1∶20～1∶10），使氣泡易于排出。③在引壓導(dǎo)管的管路中，應(yīng)有排氣的裝置。

24介質(zhì)為氣體時(shí)：差壓變送器應(yīng)裝在節(jié)流裝置的上面,防止導(dǎo)壓管內(nèi)積聚液滴，取壓點(diǎn)應(yīng)在工藝管道的上半部引出。25①取壓點(diǎn)應(yīng)在節(jié)流裝置的上半部。

②引壓導(dǎo)管最好垂直向上，至少亦應(yīng)向上傾斜一定的坡度，以使引壓導(dǎo)管中不滯留液體。

③如果差壓計(jì)必須裝在節(jié)流裝置之下，則需加裝貯液罐和排放閥，如圖3-5所示。

圖3-6測(cè)量蒸汽流量的連接圖1—節(jié)流裝置；2—凝液罐；3—引壓導(dǎo)管；4—排放閥；5—差壓變送器；6—平衡閥圖3-6測(cè)量蒸汽流量的連接圖1—節(jié)流裝置；2—凝液罐；3—引壓導(dǎo)管；4—排放閥；5—差壓變送器；6—平衡閥26介質(zhì)為蒸汽時(shí)：

應(yīng)使導(dǎo)壓管內(nèi)充滿冷凝液，因此在取壓點(diǎn)的出口處要裝設(shè)凝液罐，以消除冷凝液的液位高低對(duì)測(cè)量精度的影響。介質(zhì)具有腐蝕性時(shí)：

可在節(jié)流裝置和差壓變送器之間裝設(shè)隔離罐，內(nèi)放不與介質(zhì)有互溶的隔離液來(lái)傳遞壓力。

圖3-26隔離罐的兩種形式27差壓計(jì)或差壓變送器安裝或使用不正確也會(huì)引起測(cè)量誤差。

由引壓導(dǎo)管接至差壓計(jì)或變送器前，必須安裝切斷閥1、2和平衡閥3，如圖3-7所示。圖3-7差壓計(jì)閥組安裝示意圖1，2—切斷閥；3—平衡閥第二節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)29

在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到小流量的測(cè)量，因其流體的流速低，這就要求測(cè)量?jī)x表有較高的靈敏度，才能保證一定的精度。轉(zhuǎn)子流量計(jì)特別適宜于測(cè)量管徑50mm以下管道的流量，測(cè)量的流量可小到每小時(shí)幾升。一.組成：一是由下往上逐漸擴(kuò)大的錐形管（通常用透明玻璃制成）二是放在錐形管內(nèi)可自由運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子。被測(cè)流體由錐形管下端進(jìn)入，流經(jīng)轉(zhuǎn)子與錐形管之間的環(huán)隙，再?gòu)纳隙肆鞒?。?測(cè)量原理第二節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)中轉(zhuǎn)子的平衡條件是（3-13）根據(jù)轉(zhuǎn)子浮起的高度就可以判斷被測(cè)介質(zhì)的流量大小或?qū)⑹剑?-13）代入上兩式，得或由式（3-13）可得（3-14）3031三、電遠(yuǎn)傳式轉(zhuǎn)子流量計(jì)

它可以將反映流量大小的轉(zhuǎn)子高度h轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，適合于遠(yuǎn)傳，進(jìn)行顯示或記錄。

LZD系列電遠(yuǎn)傳式轉(zhuǎn)子流量計(jì)主要由流量變送及電動(dòng)顯示兩部分組成。

1.流量變送部分

圖3-10差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)第二節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)換原理

若將轉(zhuǎn)子流量計(jì)的轉(zhuǎn)子與差動(dòng)變壓器的鐵芯連接起來(lái)，使轉(zhuǎn)子隨流量變化的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)鐵芯一起運(yùn)動(dòng)，那么，就可以將流量的大小轉(zhuǎn)換成輸出感應(yīng)電勢(shì)的大小。32第二節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)332.電動(dòng)顯示部分圖3-11LTD系列電遠(yuǎn)傳轉(zhuǎn)子流量計(jì)第三節(jié)漩渦流量計(jì)34

2.工作原理：

漩渦流量計(jì)是利用有規(guī)則的漩渦剝離現(xiàn)象來(lái)測(cè)量流體流量的儀表。當(dāng)雷諾量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，漩渦的釋放頻率與流速成正比。圖3-12卡門渦列(a)圓柱渦列；(b)三角柱渦列1.結(jié)構(gòu)：在流體中垂直插入一個(gè)非流線形的柱狀物（圓柱或三角柱）作為漩渦發(fā)生體。第三節(jié)漩渦流量計(jì)

熱學(xué)法電容法壓差法漩渦頻率的檢測(cè)方法圖3-13圓柱檢出器原理圖1—空腔；2—圓柱棒；3—導(dǎo)壓孔；4—鉑電阻絲；5—隔墻

滿足h／L＝0.281時(shí)，則所產(chǎn)生的渦街是穩(wěn)定的。由圓柱體形成的卡門漩渦，其單側(cè)漩渦產(chǎn)生的頻率為35

精度高、測(cè)量范圍寬、沒(méi)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。第四節(jié)質(zhì)量流量計(jì)定義直接測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)所流過(guò)的介質(zhì)的質(zhì)量,即質(zhì)量流量M。

優(yōu)點(diǎn)

質(zhì)量流量計(jì)的最后輸出信號(hào)只與介質(zhì)的質(zhì)量流量M成比例,不受壓力、溫度、粘度、密度等因素的影響，這就能從根本上提高流量測(cè)量的精度,省去了煩瑣的換算和修正。質(zhì)量流量的基本方程式為36第四節(jié)質(zhì)量流量計(jì)一、直接式質(zhì)量流量計(jì)圖3-14雙孔板差壓式質(zhì)量流量測(cè)量示意圖（3-18）（3-19）將式(3-19)減去式(3-18),可得即37第四節(jié)質(zhì)量流量計(jì)38二、補(bǔ)償式質(zhì)量流量計(jì)1.流速-密度補(bǔ)償法

圖3-15流速-密度補(bǔ)償法質(zhì)量流量

2.壓差-密度法圖3-16壓差-密度補(bǔ)償法第四節(jié)質(zhì)量流量計(jì)

3.壓差-流速補(bǔ)償法

圖3-17壓差-流速補(bǔ)償法39（3-20）又由于（3-21）將式(3-21)代入式(3-20)，得第五節(jié)其他流量計(jì)一、靶式流量計(jì)組成：在管道中心垂直于流體流動(dòng)方向安裝一圓盤形的靶作為節(jié)流元件。圖3-18半導(dǎo)體應(yīng)變片式靶式流量變送器

1—靶；2—輸出力杠桿；3—推桿；4—懸臂塊；R1～R4—半導(dǎo)體應(yīng)變片測(cè)量原理：流體流動(dòng)中沖擊圓盤形的靶，流速越大，則靶上所受的力越大，只要通過(guò)力矩轉(zhuǎn)換方式來(lái)測(cè)出靶上所受的力F,便可求出通過(guò)流體的流量。轉(zhuǎn)換部分：采用半導(dǎo)體應(yīng)變片作為轉(zhuǎn)換元件。特點(diǎn)：便于某些黏度較高或含有懸浮物介質(zhì)的流量檢測(cè)。40二、橢圓齒輪流量計(jì)組成：兩個(gè)相互嚙合的橢圓齒輪A和B、軸及殼體組成。橢圓齒輪與殼體之間形成測(cè)量室。轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，就排出四個(gè)由橢圓齒輪與外殼圍成的半月形空腔的流體體積(4V)。在V一定的情況下，只要測(cè)出流量計(jì)的轉(zhuǎn)速n就可以計(jì)算出被測(cè)流體的流量。1.工作原理圖3-19橢圓齒輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理二、橢圓齒輪流量計(jì)412.使用特點(diǎn)

適用于高黏度介質(zhì)的流量測(cè)量。測(cè)量精度較高，壓力損失較小，安裝使用也較方便。橢圓齒輪流量計(jì)的入口端必須加裝過(guò)濾器。橢圓齒輪流量計(jì)的使用溫度有一定范圍。橢圓齒輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工成本較高。三、渦輪流量計(jì)42圖3-20渦輪流量計(jì)1—渦輪；2—導(dǎo)流器；3—磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器；4—外殼；5—前置放大器優(yōu)點(diǎn)

安裝方便。測(cè)量精度高，可耐高壓。反應(yīng)快，可測(cè)脈動(dòng)流量。輸出信號(hào)為電頻率信號(hào)，便于遠(yuǎn)傳，不受干擾。缺點(diǎn)

一般應(yīng)加過(guò)濾器。安裝時(shí)，前后要有一定的直管段。

四、電磁流量計(jì)工作原理：電磁感應(yīng)原理圖3-21電磁流量計(jì)原理四、電磁流量計(jì)43能夠測(cè)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。

圖3-21

電磁流量計(jì)原理感應(yīng)電勢(shì)的方向由右手定則判斷，大小由下式?jīng)Q定

（3-23）而（3-24）將式（4-24）代入式（4-23），得注意

只能用來(lái)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)。44例題分析舉例

1.某差壓式流量計(jì)的流量刻度上限為320m3/h,差壓上限2500Pa。當(dāng)儀表指針指在160m3/h時(shí),求相應(yīng)的差壓是多少(流量計(jì)不帶開(kāi)方器)?

解：由流量基本方程式可知

流量是與差壓的平方根成正比的。當(dāng)測(cè)量的所有條件都不變時(shí),可以認(rèn)為式中的α、ε、F0、ρ1均為不變的數(shù)。如果假定上題中的Q1=320m3/h