流量检测及功能介绍.ppt

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1、3.4 流量的检测与变送,生产过程中要检测各种流体的流量，以节约能源、改进产品质量。随着工业技术的发展，要求流量测量的精度更高；测量的流体从单相的液体、气体到混相流体；测量条件从高温到低温，从高压到低压；另外有高粘度的流体还有低粘度的流体，流动状态有层流、紊流和脉动流。因此流量的测量非常复杂多样，用一种测量方法根本不可能完成所有流量的测量。,3.4.1 流量的概念与检测方法,1.流量的概念 工业上的“流量”通常是指在单位时间内流过管道某截面流体的体积或质量.前者称为体积流量(qv),后者称为质量流量(qm).,关系：,在一段时间内流过截面的流体总量称为累积流量，累积流量时流量对时间的积分，即,

2、2.流量的检测方法,（1）体积流量检测方法：容积法（单位时间内排出流体的固定体积数）,速度法（管道内的平均流速乘以管道面积）差压式；容积式有椭圆齿轮式、腰轮式和皮膜式差压式有节流式、均速管、弯管、靶式和浮子等速度式有涡轮、涡街、电磁和超声波流量计等（2）质量流量检测法：间接法（体积流量乘以密度）和直接法（仪表直接测得）。,一、流量的概念和单位1.定义 流体流过一定截面的管道时所具有的数量称为流量。2.分类 瞬时流量（单位时间内通过的流体的量）和累积流量（总流量，是指一段时间内通过流体的数量）。流量的测量一般指瞬时流量。,6.1.流量检测的基本概念,3.单位 根据表示方法的不同而有不同的单位质量

3、流量 单位时间内通过的流体的质量,qV为体积流量，m3/s；V为流体体积，m3。,qm为质量流量，单位/s；M为流体质量，；t为时间，s；为流体密度，kg/m3；v为流体平均流速，m/s；A为流通截面积，。,体积流量 单位时间内通过的流体的体积,重量流量 单位时间内通过的流体的重量,qw为重量流量，N/s；w为流体重量，N。,流量范围及范围度 流量范围指可测最大流量和最小流量所限定的范围。最大流量与最小流量的比值，称为范围度。流量计范围度的大小受仪表的原理与结构所限制。测量精确度和误差 流量计标出的精确度为基本误差。而现场使用中由于偏离标定条件会产生附加误差，所以要按有关规定计算附加误差。压力

4、损失 流量计通常是一个阻力件，会给流体造成能量消耗。所以，压力损失大小是流量计选型的一个重要指标。,2.4.2 典型流量检测仪表,1.容积式流量计,原理:原理：利用运动元件的往复次数或转速与流体的连续排出量成比例对被测流体进行连续的检测。主要用于测量累积流量。,椭圆齿轮流量计,特点：适用于高粘度液体的测量。流量计基本误差为0.2%0.5%。范围度为10：1；工作温度要低于120，以防止齿轮卡死。在实用时要注意防止齿轮的磨损与腐蚀，以延长仪表寿命。(2)腰轮流量计 原理与椭圆齿轮流量计相同。为减小两转子的磨损，在壳体外与腰轮同轴的齿轮作为传递转动力矩之用，因此比椭圆齿轮能保持长期稳定性。特点：可

5、以测量液体和气体，也可以测高粘度流体。基本误差为0.2%0.5%，范围度为10：1；工作温度要低于120，压力损失小于0.02MPa,差压式流量计也称节流式流量计工作原理：在流通管道上设置流动阻力件，流体通过阻力件时将产生压力差，此压力差与流体流量之间有确定的数值关系，通过测量差压值可以求得流体流量。组成：产生差压的装置和差压计产生差压的装置：节流件（孔板、喷嘴、文丘利管等）；动压管、均速管、弯管等；靶和浮子等。1.节流式流量计 可测量液体、气体、或蒸汽节流式流量计中产生差压的装置称节流装置，其主体是一个局部收缩的阻力件，称为节流元件。通过节流元件改变流体流通截面，从而在节流元件前后形成压力差

6、。,2.速度式流量计,1)差压式流量计,节流装置分类：标准节流装置和非标准节流装置两大类。标准节流装置的型式已经标准化，在规定了取压方式和前后直管段长度、流体的种类和流动条件下，有标准的流量差压关系；而非标准节流装置由于使用条件差异大，故没有标准化，用于解决脏污和高粘度流量的测量。节流式流量计的特点是结构简单，无可动部件；可靠性高，复现性能好；适用性较广，它适用于各种工况下的单相流体，适用的管道直径范围宽，可以配用通用差压计；装置又标准化。其缺点是安装要求严格；流量计前后要求较长的直管段；测量范围窄，一般范围度为3：1；压力损失较大；对于较小直径的管道测量比较困难(D50mm)；精度不够高(1

7、%2%)。,2.差压流量计,1)流量孔板,流体流经孔板时，流束断面变化，流速显著增加，因而动能增加，为保证能量守恒，故静压力减小，流体流经孔板后，断面逐渐增加恢复到原来的状态，流速逐渐降低为原来值，静压力回升，但由于能量损失-部分用于摩擦、撞击和涡流，所以压力有损失，不能回到原来的值。,流量方程,根据柏努利方程和流体连续性方程对于不可压缩流体其体积流量为:质量流量方程为:,工程上实用的流量方程,流量系数-流体膨胀的校正系数。对于不可压缩流体1，对于可压缩流体1m-面积比D-管道内径d-节流装置的开孔直径被测流体的重度（一般采用密度）,标准节流装置,（2）涡街流量计,灵巧型涡街流量变送器,3.直

8、接式质量流量计（科氏流量计）（图250）,实验图示说明：a)水静止、管摆动；b)、c)水流动、管摆动，出水侧的摆动先于入水侧；出水侧摆动的相位超前入水侧；相位差质量流量,双弯管型（图251）：水按箭头流入、流出；A、B、C三处各按一组压电换能器：A处加交变电压，B、C检测振动幅度相位差420mA 质量流量,原理 其变换元件为一个形状简单的靶（一般是一个薄圆盘），流体在流动中受到阻力而在靶的前后形成静压差，靶上所受流体的作用力与流速之间存在着一定的关系。通过测量作用力可知流速，从而确定流量。流量方程式,为流体通过环隙截面的流速；为流体的密度；F为作用力；Ka为流量系数，需实验确定特点 结构简单，

9、适于测量高粘度、高脏污的流量。压力损失大，测量精度不高。标定：在保证实验条件下，通过挂重物产生的力代替靶在工作时所受流体的作用力而进行流量计的标定。用此方法还可以进行零点和量程的调整、仪表的校验。,4.靶式流量计,原理：也是利用节流原理测量流体的流量，但它的差压值基本保持不变，是通过节流面积的变化反映流量的大小，故又称恒压降变截面流量计，也有称作转子流量计。适用范围：可测量液体、气体等多种介质的流量，特别是中小管径、中小流量和较低雷诺数的流量测量。特点：结构简单，使用维护方便，对仪表前后直管段长度要求不高，压力损失小而且恒定，测量范围比较宽，刻度为线性。浮子流量计测量精度为2%左右。但仪表测量

10、受被测介质的密度、粘度、温度、压力、纯净度影响，还受安装位置的影响。,5.浮子流量计 节流式,结构：测量主体由一根自下向上扩大的垂直锥管和一只可以沿锥管轴向上下移动的浮子组成。流体由锥管的下端进入，经过浮子与锥管的环隙从上端流出。,(1)测量原理及结构,测量原理：浮子受力重力、流体的浮力和因节流作用而在浮子上下端面产生差压形成的上升力。平衡时，浮子就稳定在一定的位置上，流量增大时，环形截面中流速增加，上下面的静压差增加，浮子向上浮起，在新的位置处，环形流通截面增大，流速降低，静压差减小，达到新的平衡，平衡位置的高度与所通过的流量有对应的关系，这个高度就代表流量值的大小。,根据浮子在锥管中的受力

11、平衡条件，可以写出力平衡公式：,式中，p为差压；Af、Vf分别为浮子的截面积和体积；f、分别为浮子和流体的密度；g为重力加速度。,式中，A0为环隙面积，它与浮子高度h对应；为流量系数。,将此式代入节流流量方程式,则有：,对于小锥度锥管，近似有A0=ch，系数c与浮子和锥管的几何形状及尺寸有关。流量方程式：,此式给出了流量与浮子高度之间的关系，这个关系近似线性。流量系数与流体粘度、浮子形式、锥管与浮子的直径比及流速分布等有关，每种流量计有相应的界限雷诺数，在低于此值情况下，不再是常数。流量计应工作在为常数的范围，即大于一定的雷诺数。,分类：采用玻璃锥管的直读式浮子流量计和采用金属锥管的远传式浮子

12、流量计。直读式浮子流量计主要由玻璃锥管、浮子和支撑结构组成。流量表尺直接刻在锥管上，由浮子位置高度读出流量值。远传式浮子流量计可采用金属锥形管，它的信号远传方式有电动和气动两种类型，测量转换机构将浮子的移动转换为电信号或气信号进行远传及显示。,电远传浮子流量计工作原理1-浮子 2-锥管 3-连动杆 4-铁心 5-差动线圈,a.浮子流量计的刻度换算浮子流量计是一种非通用性仪表，出厂时需单个标定刻度。测量液体的流量计用常温水标定，测量其他的浮子流量计用常温常压的空气标定。在实际测量时，如果被测介质不是水或空气，则流量计的指示值与实际流量值之间存在差别，因此，要对其进行刻度换算修正。,(2)浮子流量

13、计的使用和安装,对于一般液体介质，当温度和压力变化时，流体的粘度变化不会超过10mPas，只需进行密度校正。根据前述流量方程式，可以得到修正式为：,式中qv为被测介质的实际流量；qv0为流量计标定刻度流量；为被测介质密度；0为标定介质密度；f为浮子密度。,0为标定状态下空气密度；为测量时气体密度,对于非空气气体介质，由于f 或0，上式可简化为：,对于气体介质，当气体的温度、压力与标准状态不同时，也要修正为：,例：某转子流量计测二氧化碳气的流量，测量时被测气体的温度是40，压力是49.03kPa（表压力），若流量计的读数为120m3/h，问实际流量是多少？,已知标定时绝对压力P=98.06kPa

14、,t=20,此时二氧化碳的重度为18.07N/m3,空气的重度为11.82N/m3,解：,测量原理是基于与流体速度有关的各种物理现象，仪表的输出与流速有确定的关系，即可知流体的体积流量。种类很多，各有特点和适用范围。1.涡轮流量计 涡轮流量计是利用安装在管道中可以自由转动的叶轮感受流体的速度变化，从而测定管道内的流体流量。(1)涡轮流量计的构成和流量方程式 结构,三、速度式流量计,图6-16 涡轮流量计结构示意图,1-紧固环 2-壳体 3-前导流件 4-止推片5-叶轮 6-磁电转换器 7-轴承 8-后导流件,涡轮：测量元件，由导磁系数较高的不锈钢材料制成，轴芯上装有数片呈螺旋形或直形的叶片，流

15、体作用于叶片，使涡轮转动,壳体和前后导流件：由非导磁系数较高的不锈钢材料制成，导流件由四片互相垂直的直片组成，用以去掉来流中的旋涡，使流体平行于轴线流动。,轴承：导流件上装有滚动轴承或滑动轴承，用来支撑转动的涡轮。,磁电转换器：将涡轮的转速转换为电信号。正对着叶轮，永久磁铁产生的磁力线穿过线圈中的铁芯和流量计的壳体，经叶片和空气而闭合。当叶轮在被测流体的推动下转动时，叶片正对着铁芯和偏离铁芯时磁路的磁阻变化最大，此时线圈中磁通发生很大的变化，从而在线圈中感应出交变电势来。电势的频率是叶片通过铁芯处的频率，与叶轮的转速成正比，而叶轮的转速与流体的流速成正比,流量方程式 表示为：,式中，qv为体积

16、流量；f为信号脉冲频率；为仪表常数，其与涡轮结构等因素有关，流量较小时，随流量的增加而增大，只有达到一定值时近似为常数，在使用范围内应保持其为常数，对每台流量计，仪表常数是用实际流体标定而取得的。涡轮流量计的显示仪表是一个脉冲频率测量和计数的仪表，根据单位时间的脉冲数和一段时间的脉冲数，分别显示瞬时流量和累积流量。,（2）涡轮流量计的特点和使用特点：可测液体、气体流量，但要求被测介质洁净，且液体的粘度不能太大。测量精度较高（0.5级）；刻度为线性；输出频率信号便于远传及与计算机相连；仪表的工作范围较宽和较高的耐压能力；压力损失小。安装：一般应水平安装，并保证其前后有一定的直管段。为保证介质洁净

17、，表前应装过滤装置。如果被测液体易气化或含有气体时，要在仪表前装消气器。缺点：制造困难，成本高。由于涡轮高速转动，轴承易磨损，降低了长时期运行的稳定性，影响使用寿命。通常涡轮流量计主要用于测量精度要求高、流量变化快的场合，还用作标定其他流量的标准仪表。,原理：基于电磁感应原理，可以测量具有一定电导率的液体的体积流量。导电流体在磁场中垂直于磁力线方向流过，根据右手定则，在流通管道两侧的电极上将产生感应电势，感应电势的大小与流体速度有关，通过测量此电势可求得流体流量。优势：测量的准确度不受被测液体的粘度、密度、温度以及电导率的影响（但不能太小），测量管中没有任何阻碍被测液体流动的部件，所以几乎没有

18、压力损失。适当选择测量管中的绝缘内衬和测量电极的材料，就可以测量各种腐蚀性溶液的流量，尤其是在测量含有固体颗粒的液体如泥浆、纸浆和矿浆等的流量时，更显示优越性。,3.电磁流量计,如图，感应电势E与流速的关系由下式表示：,式中，C为常数；B为磁感应强度；D为管道内径；v为流体平均流速。,(1)电磁流量计的组成及流量方程式,当仪表结构参数确定之后，感应电势与流速v成对应关系，则流体体积流量可以求得。其流量方程式可写作：,式中，K为仪表常数；对于固定的电磁流量计，K为定值。,结构如图，测量主体由磁路系统、测量导管、电极和调整转换装置组成。,电磁流量计转换部分的输出电流I0与平均流速成正比。,电磁流量

19、计的测量导管中无阻力件，压力损失小；其流速测量范围宽，为0.510m/s；范围度可达10：1；流量计的口径可从几毫米到几米以上；流量计的精度0.51.5级；仪表反映快，流动状态对示值影响小，可以测量脉动流和两相流，如泥浆和纸浆的流量。利用电磁流量计测量流量，要求导电体有一定的电导率，因此不能测量气体、蒸汽和电导率低的石油流量。电磁流量计对直管段要求不高，前直管段长度为5D10D。安装地点应尽量避免剧烈振动和交直流强磁场。在垂直安装时，流体要自下而上流过仪表，水平安装时两个电极要在同一平面上。要确保流体、外壳、管道间的良好接地和良好接触。,(2)电磁流量计的特点及应用,原理：超声波在流体中传播速度受流体的流速影响，检测接收的超声波信号可测得流速，从而测得流量。特点：非接触式，从管道外测量，故无压力损失测量结果不受被测流体的粘度、电导率的影响，可测各种液体或气体的流量，可测口径很大的管道内的流量，包括河流的流速输出信号与被测流量成线性关系典型方法：速度差法时间差（P104-图6-20）、相差法和频率差法多普勒效应法声束偏移法,4.超声流量计,