过程控制系统与仪表 王再英第2章4.ppt

2.4 流量检测及仪表 流量检测是控制生产以及经济核算的一个重要检测参数 2.4.1流量的基本概念 流量指单位时间内流过某一截面的流体数量即瞬时流量表示方法有： 质量流量M （t/h、 kg/h 、 kg/s ） 体积流量Q （m3/h、 L/h、 L/min ）,二者的关系：,ρ—流体的密度,M = ρ Q,总量指一定时间内流过某截面的流体流量的总和 即累计流量 以 t 表示时间，则流量和总量之间的关系是：,流量计的种类繁多，若按测量原理分，流量计可分为： 节流式流量计 速度式流量计 容积式流量计 电磁式流量计 ·········,2.4.2 差压式流量计 差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量节流现象 流体在流过节流装置时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象 节流装置包括节流件和取压装置节流件是能使管道中的流体产生局部收缩的元件，应用最广泛的是孔板，其次是喷嘴、文丘里管等节流原理 具有一定能量的流体，才可能在管道中流动流动着的流体含有两种能量——静压能和动能静压能表现在流体对管壁的压力，动能表现在流体有流动速度。

这两种能量在一定条件下可以互相转化截面Ⅰ处能量= 截面Ⅱ处能量+损耗,但是，根据能量守恒定律，在没有再加能量的情况下，流体所具有的静压能和动能，加上克服流动阻力的能量损失，其总和是不变的即：,静压能 动能 静压能 动能 损耗,根据伯努力方程可列出：,式中： ——为流体在截面Ⅰ-Ⅰ与Ⅱ-Ⅱ之间的动能损失系数； g ——为重力加速度；,ρ1、ρ2 ——为流体在截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处的密度 如果流体是不可压缩的，那么ρ1= ρ2= ρ,S1、S2分别为Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处的流束截面积v1S1 =v2S2,又因截面Ⅰ、Ⅱ处体积流量应相等，有,联立求解两式，可得出：,,S0——孔板的开孔面积 另外，取紧挨孔板前后的管壁压差（P1- P2）代替（P’1- P’2），为此引用系数ψ 加以修正：,为简化计算，引入两个系数： 截面收缩系数μ 孔板口对管道的面积比m,代入v2式，得,因体积流量：Q = v2 S0,称流量系数,将,令,体积流量,质量流量,结论：流量与节流件前后压差的平方根成正比只要测得差压（P1-P2）便可测得流量则得到（不可压缩的流体）流量基本方程式：,如果流体是可压缩的（如蒸汽），则要对公式进行修正。

故流量系数α与节流装置的结构形式、取压方式、开孔面积与管道截面积之比m、管壁粗糙度、流体流动状态等因素有关；很难准确计算，一般通过实验确定因此，节流装置都是标准化的，由厂家提供α数据因为,——动能损失系数,标准节流装置 标准节流装置包括标准节流件和标准取压装置节流装置标准化的具体内容有：节流装置的结构、尺寸、公差、光洁度、取压孔位置和使用条件等标准节流件有：,,孔板,喷嘴,文丘里管,标准节流装置取压方法有角接取压法和法兰取压法两类 如角接取压法是在孔板前后端面与管壁的夹角处取压当标准节流装置安装好后，只有流体流动状态是影响流量系数的可变因素 因为，基本流量公式是在管道内流体均匀流动的前提下导出的，因此要求被测流体为湍流状态可以用雷诺数Re反映流体的流动状态雷诺数Re是无量纲系数其中，v为流速，D为管道内径，ρ为流体密度，η为流体动力粘度流体的雷诺数Re越大，流体截 面各点的流速越趋于一致，流量系数α越稳定实验表明只有在雷诺数Re大于某一界限值（约为105 ）时，流量系数α才保持常数标准节流装置使用条件 流体应当清洁，充满圆管并连续稳定地流动 流体的雷诺数在104～105以上，不发生相变。

管道必须是直的圆形截面，直径大于50mm 为保证流体在节流装置前后为稳定的流动状态，在节流装置的上、下游必须配置一定长度的直管段2.4.3 转子流量计 在工业生产中经常遇到小流量的测量，因流体的流速低，要求测量仪表有较高的灵敏度，才能保证一定的精度差压式流量计对管径小于50mm、低雷诺数的流体的测量精度是不高的而转子流量计则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工作原理 转子流量计与前面所讲的差压式流量计在工作原理上是不相同的差压式流量计是在节流面积（如孔板流通面积）不变的条件下，以差压变化来反映流量的大小而转子流量计，却是以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小，即转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法当流体自下而上流过锥形管时，位于锥形管中的转子受到向上的浮力和推力，使转子浮起当此力正好等于转子重力时，则作用在转子上的上下两个力达到平衡，此时转子就停浮在一定的高度上 当被测流体的流量增大时，作用在转子上的向上的推力就加大，转子上移而随着转子上移，流体的流通面积增大，流过此环隙的流体流速变慢，推力减小当流体作用在转子上的力再次等于转子在流体中的重力时，转子又稳定在一个新的高度上。

这样，转子在锥形管中的平衡位置的高低与被测介质的流量大小相对应如果在锥形管外沿其高度刻上对应的流量值，那么根据转子平衡位置的高低就可以直接读出流量的大小这就是转子流量计测量流量的基本原理流量测量中转子的平衡条件是：压差力 =重力 S∆P = （ z -f ） g V,式中 ： S —转子的最大横截面积； ∆P —转子前后流体的压力差； V—转子的体积；ρz— 转子材料的密度； ρf —被测流体的密度； g —重力加速度由于在测量过程中，V 、 S 、 ρz、ρf 、g均为常数，由上式可知，∆P也应为常数将平衡式变为：,即流过转子流量计的流量是转子与锥形管间环隙面积S0的函数而流量基本公式为：,,故：转子流量计是以定压降、变节流面积法测量流量的由于锥形管由下往上逐渐扩大，所以S0是转子浮起的高度的函数S0 = k h,根据转子浮起的高度h就可以得出被测介质的流量大小1、锥形管是玻璃的，直接目视转子的位置 2、在转子内安装磁铁，锥形管外安装磁环随转子上下移动，触发显示转子位置信号的引出：,1,2,3、在转子内安装磁铁，锥形管外安装双霍尔磁场传感器，测出磁场的水平分量和垂直分量，可确定转子位置。

4、在转子上方安装一导磁棒，使差动变压器输出随转子位置变化从流量公式可知，流量值与被测流体密度有关为了便于成批生产，生产厂是在工业标准状态下（20℃，0.10133MPa），用水或空气进行标度对液体测量，仪表示值代表20℃时水的流量值 对气体测量，则是代表20℃，0.10133MPa压力 下空气的流量值 实际使用时，须对指示值进行修正2.4.4 靶式流量计 使用悬在管道中央的靶作为节流元件，流体作用于靶上的推力与流速有定值关系推力F 经杠杆引出，由力平衡变送器测出理论分析及实验证明，流体作用于靶上的推力F 与流体流速 v 的平方成正比,式中: k—靶的推力系数； Sd —靶的受力面积； γ —流体比重； g —重力加速度； v —靶与管璧间环形间隙中流体平均流速,式中，,—流量系数,和差压式流量计相似，流量和力是开方关系 可用于较小的雷诺数状态，特别是于高粘度的流体，如重油、沥青等的流量测量 精度为2～3%则,而通过管道的体积流量 Q=S0v,2.4.5 椭圆齿轮流量计 椭圆齿轮流量计是利用两个相互啮合的椭圆形齿轮在流体的推动下，连续转动来测流量的当流体要流过椭圆齿轮时，进口侧压力p1大于出口侧压力p2，在此压力差的作用下，产生作用力矩使椭圆齿轮转动。

图（a）位置时，由于p1 p2，所产生的合力矩使A轮顺时针方向转动A带动B转动 转至（b）位置，A轮与B轮均为主动轮 转至（c）位置，合力矩使B轮带动A轮转动 A 、B轮转动时，连续将半月形容积内的流体排出此图表示椭圆齿轮转动了1/4周的情况，其排出的流体为一个半月形容积V0所以，椭圆齿轮每转一周所排出的被测介质量为半月形容积的4倍故通过椭圆齿轮流量计的体积流量Q为： Q = 4nV0 n—齿轮转速,如果累计齿轮转速，则得到体积总量V0,特点 由于椭圆齿轮流量计是基于容积式原理测量的，与流体的粘度、密度、雷诺数等参数无关因此，安装时不需要有直管段，对流体的流动状态无要求，特别适用于高粘度介质的流量测量测量精度高，最高可达±0.1%椭圆齿轮流量计的使用温度不能过高，否则可能使齿轮膨胀卡死另外被测流体中不能含有固体颗粒，否则会引起齿轮磨损以至损坏2.4.6 涡轮流量计 在测量管道内，安装一个可以自由转动的涡轮，当流体通过时，流体的动能使涡轮旋转流体的流速越大，涡轮转速也就越高因此，测出涡轮的转速或转数，就可确定流过管道的流体流量或总量日常生活中使用的某些自来水表、油量计等，都是利用这种原理制成的，都属于速度式仪表。

涡轮上的螺旋形叶片用高导磁系数的不锈钢材料制成导流器用以稳定流体的流向,外壳由非导磁的不锈钢制成,涡轮流量计的工作过程 当流体通过涡轮叶片与管道之间的间隙时，叶片前后的压差力推动叶片旋转高导磁性的涡轮叶片就周期性地扫过磁钢底部，,使磁路的磁阻发生周期性的变化，线圈中的磁通量也跟着发生周期性的变化，线圈中便感应出脉冲电信号其频率与涡轮的转速成正比，即与流量成正比输出脉冲频率 f 与被测流量 Q 之间的关系： f = NQ,N—仪表常数,插入式,特点 涡轮转速不用轴输出，没有齿轮传动误差和密封问题，因而涡轮流量计测量精度高（可达0.2级），耐高压（静压可达50MPa） 输出信号为频率信号，不易受干扰，便于远传 要求流体清洁，安装时，应加装过滤器，且前后要有一定的直管段2.4.7 电磁流量计 在流量测量中，当被测介质是具有导电性的液体介质时，可以应用电磁感应的方法来测量流量工作原理 在管道两侧安放磁铁，流动的液体当作切割磁力线的导体，产生的感应电动势与流体的流速成正比关系当磁感应强度B不变、管道直径一定时，流体切割磁力线而产生的感应电势E的大小仅与流体的流 v 速有关式中： Ex — 感应电势； B — 磁感应强度； D — 管道直径； v —流体速度。

当BD一定时，感应电势E与流速v成正比v= BDE,感应电势的方向由右手定则判断，其大小为： E= BDv,＋,－,体积流量Q与流速v的关系为：,将 v= BDE代入可得：,式中,称为仪表常数,感应电势E与被测流量Q成正比关系变送器结构 变送器由测量管和转换器两部分组成 测量管两侧分别绕有马鞍形的励磁线圈 为了避免直流磁场产生的直流感应电势使电极周围导电液体电解，导致电极表面极化，而减小感应电势，一般采用交流励磁为了避免磁力线被测量管的管壁短路，并使测量导管在磁场中尽可能地降低涡流损耗，测量导管应由非导磁的高阻材料制成，如不锈钢但内壁必须涂一层绝缘衬里，如环氧树脂以防止感应电势被短路优点： 测量导管内无任何阻碍物，因而被测流体的压力损失很小 可以测量各种导电液体的流量，如酸、碱、盐溶液，流体可以含有固体颗粒、悬浮物或纤维等 输出信号与流量之间的关系不受流体的物理性质（例温度、压力、粘度等）变化和流动状态的影响 测量响应速度快，可用来测量脉动流量由于感应电势数值很小，后级采用高放大倍数的放大器，很容易受外界电磁场干扰的影响缺点 只能用来测量导电液体的流量，要求导电率不小于水的导电率不能测量气体、蒸汽及石油制品等的流量。

2.4.8 旋涡式流量计 利用流体遇到阻碍物后产生的旋涡来测量流量可以用来测量管道中的液体、气体和蒸汽的流量旋涡式流量计有两类：旋进型旋涡流量计和卡曼型旋涡流量计（常称涡街流量计）涡街流量计测量原理 在测量管道中垂直插入一个非流线形的柱状物（圆柱或三角柱）作为阻流体当流体受到阻碍物阻挡时，会在阻碍物的下游处产生两。