过程检测仪表电子教案第四章流量检测仪.ppt

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1、第四章 流量检测仪表,4.1 概述4.1.1 流量的概念流量:是指流经管道或设备某一截面的流体数量。1瞬时流量:单位时间内流经某一截面的流体数量称为瞬时流量。可以分别用体积流量和质量流量来表示。体积流量：单位时间内流过某一截面的流体体积，国际单位为m3/s，还常用m3/h、L/h等单位。体积流量可表示为 截面A上的平均流速。,质量流量：是指单位时间内流经某一截面的流体质量，国际单位为kg/s，还常用t/h、kg/h等单位。2累计流量累积流量：是指一段时间内流经某截面的流体数量的总和，也称总量。可用体积和质量来表示，即：4.1.2 流量测量仪表的分类按流量测量原理分类如下：（1）速度式流量计 以

2、流体在管道内的流动速度作为测量依据，根据 qv=vA 原理测量流量。（2）容积式流量计 以流体在流量计内连续通过的标准体积V0的数目N作为测量依据，根据V=NV0 进行累积流量的测量。,4.2 差压式流量计,差压式流量计由节流装置、引压管路和差压变送器（差压计）组成。节流装置用于产生压力差；导压管是连接节流装置与差压计的管线，用来传导差压信号；差压计用来测量压差信号，并把此压差转换成流量指示记录下来。,（3）质量式流量计 直接利用流体的质量流量qm为测量依据。测量精度不受流体的温度、压力、粘度等变化的影响。例如：质量流量计等。,图4.1 差压式流量计的组成,4.2.1 节流装置的流量测量原理,

3、流体所具有的静压能和动压能，连同克服流动阻力的能量损失，总和不变能量守恒。可以用伯努利方程表示,因此，当流体流速增加、动压能增加时，其静压能下降，静压力降低。,由于节流元件造成的流束局部收缩，使管中心流体流速发生变化，其静压力随之变化。由于流体流经孔板时，产生局部涡流损耗和摩擦阻力损失。在流束充分恢复后，静压力不能恢复到原来的数值。节流元件前后的静压差大小与流量有关。流量愈大，流束的收缩和动、静压能的转换也愈显著，则产生的压差也愈大。只要测得节流元件前后的静压差大小，即可确定流量，这就是节流装置测量流量的基本原理。,4.2.2 基本流量方程式,设在水平管道中作连续稳定流动的理想流体（无粘性，流

4、动时不产生摩擦阻力损失，且不可压缩），在截面1-1到2-2之间没有发生能量损失。流体在节流元件前后两截面间的伯努利方程和流动连续性方程：,节流元件开孔直径与工艺管道之比，p节流元件前后的压差，pp1一p2。对于实际流体，摩擦阻力损失及可压缩性的影响，用流出系数C对上式进行修正。,对于气体、蒸汽等可压缩流体，在经过节流装置时压力的变化，使流体膨胀，密度变小，用流速膨胀校正系数系数对上式进行修正，则 流速膨胀校正系数（无量纲）；节流装置前的流体密度，kg/m3；流量系数（无量纲）。上式各量均用国际单位。,。,实用习惯单位：流量m3/h，开孔直径mm，其它量单位不变，实用流量公式：,4.2.3 标准

5、节流装置,通常把ISO5167(GBT2624-93)中所列节流装置称为标准节流装置，其它节流装置称为非标准节流装置。采用标准节流装置，按标准设计的差压式流量计，可直接投入使用，而不必进行实验标定。标准规定：标准节流元件为孔板、喷嘴和文丘里管；取压方式为角接取压、法兰取压、径距取压。适用条件：工艺管道公称直径在501000mm之间。1标准节流元件,（1）标准孔板 迎流侧是一具有锐利直角入口边缘的圆柱部分，接着是一段扩大的圆锥体。孔板对流体造成的压损较大，一般只适用于洁净流体的测量。,图4.3 标准孔板,（2）标准喷嘴 是一个以管道喉部开孔轴线为中心线的旋转对称体。可用于测量温度和压力较高的蒸汽

6、、气体和带杂质的液体流量。测量精度较孔板高，加工难度大，价格高，压损略小于孔板。要求工艺管径D不超过500mm。,(a)ISA 1932喷嘴(b)长颈喷嘴图4.4 标准喷嘴,（3）标准文丘里管 压损较孔板和喷嘴都小，可测量有悬浮固体颗粒的液体，适合大流量气体流量测量。但制造困难、价格昂贵，不适用于200mm以下管径的流量测量，工业应用较少。,图4.5 经典文丘利管,2取压装置,（a）角接取压（b）法兰取压（c）径距取压图4.6 标准孔板取压方式（1）角接取压 取压点分别位于节流元件前后端面处。适用于孔板和喷嘴两种节流装置。它又分为环室取压和单独钻孔取压两种方法。（2）法兰取压 在距节流元件前后

7、端面各1英寸（25.4mm）的位置上垂直钻孔取压，仅适用于孔板。,（3）径距取压（D-D/2取压）在距节流元件前端面1D、后端面D/2处的管道上钻孔取压。适用于孔板和喷嘴。,（a）角接取压（c）径距取压图4.7 标准喷嘴取压方式,3.测量管 安装节流元件的管道应该是直的，截面为圆形；管道内壁应洁净；节流元件前后要有足够长直管段长度，以使流体稳定流动，一般上游侧直管段在10D50D之间，下游侧直管段在5D8D之间。,4.2.5 差压计,生产中多采用差压变送器作为差压式流量计中的差压计使用，它可将压差转换为标准信号。一体式差压流量计，将节流装置、引压管、三阀组、差压变送器直接组装成一体，现场安装方

8、便。,4.2.4 非标准节流装置非标准节流装置常用于特殊环境和介质的流量测量。,4.2.6 差压式流量计的安装及应用,1差压式流量计的安装应保证节流元件前端面与管道轴线垂直。应保证节流元件的开孔与管道同心。密封垫片，在夹紧后不得突入管道内壁。节流元件的安装方向不得装反。节流装置前后应保证足够长的直管段。引压管路应按最短距离敷设，一般总长度不超过50m,管径1018 mm。取压位置：测量液体时取压点在下方；测量气体时取压点在上方；测量蒸汽时，取压点在中心水平位置。引压管沿水平方向敷设时，应有大于1:10的倾斜度，以便排出气体（对液体介质）或凝液（对气体介质）。引压管应带有切断阀、排污阀、集气器、

9、集液器、凝液器等必要附件，以备与被测管路隔离维修和冲洗排污用。,图4.11 测量液体流量1节流装置；2引压管路；3放空阀；4三阀组；5差压变送器；6储气器；7切断阀,图4.12 测量气体流量时1节流装置；2引压管路；3差压变送器；4储液器；5排放阀；6三阀组；7切断阀,2差压式流量计的应用,差压式流量计具有结构简单、工作可靠、使用寿命长、测量范围广的特点。不足之处是测量精度不高，测量范围较窄（量程比3：14：1），要求直管段长，压力损失较大，刻度为非线性。使用时应注意的问题：应考虑流量计使用范围。被测流体的实际工作状态（温度、压力）和流体性质（重度、粘度、雷诺数等）应与设计时一致，否则会造成实

10、际流量值与指示流量值间的误差。使用中要保持节流装置的清洁。节流装置尤其是孔板，其入口边缘会由于磨损和腐蚀而变钝，引起仪表示值偏低。故应及时检查。引压管路接至差压计之前，必须安装三阀组，以便差压计的回零检查及引压管路冲洗排污用。,4.3 转子流量计,转子流量计则特别适合于测量管径50mm以下管道的小流量测量。转子流量计因结构简单、工作直观可靠、压力损失小、维修方便等特点，成为工业上和实验室常用的一种流量计。转子流量计的工作原理 1测量原理转子流量计由垂直锥形玻璃管、可上下自由移动的转子所组成。,图4.15 转子流量计的原理示意图1锥形管；2转子,被测流体由锥管下部进入上部流出。当流体稳定地流过转

11、子与锥形管之间的环隙时，转子受重力G；流体对转子的浮力F1、粘滞摩擦力；由于转子的节流作用产生的静压差的作用力和流体对转子的冲击力（动压力):阻力系数；被测流体密度；v流体在转子与锥管间的环形截面上的平均流速；Ar转子迎流面的最大横截面积。转子自身的重力及流体对转子的浮力分别为 Vr转子体积；转子材料的密度；,若忽略流体对转子的粘滞摩擦力，则转子在稳定流量下受力平衡：如果被测流体的流量增大，即流速v 增大时，流体作用力 F2 随之增大，转子受力失去平衡。转子在向上的合力作用下上升。随着转子位置的升高，环形流通面积增大，v 逐渐减小，F2 减小。当转子升高到某一高度，使作用在转子上的作用力再次平

12、衡时，转子会在新的位置上稳定下来。流量减小时情况相反，转子位置降低。当流量发生变化时，转子进行位置调整，使流体的流通面积改变，维持流速不变，其转子高度随之变化。因此由转子位置高度即可确定流量。2流量方程转子稳定地悬浮在某一高度h时，转子有如下受力平衡关系：可求得,环形流通面积与转子的高度h有关。当锥形管半锥角（锥管母线与轴线夹角）为时R转子所在位置处锥管的内侧半径；r转子的最大外半径；当锥管的半锥角很小时，体积流量可近似表示为 式中流量系数一般由实验确定。实际应用在允许流量范围内基本不变。对于选定的流量计和一定的被测流体，流量大小就与转子在锥形管中的平衡位置高度成线性正比关系。如果在锥形管外表

13、面沿其高度刻上对应的流量值，那么根据转子所处平衡位置就可以直接读出流量值大小。,3转子形状与流量系数,实验表明，转子流量计的流量系数 与转子的几何形状和流体雷诺数Re有关。对于一定的转子形状，当雷诺数Re大于其临界值后，流量系数接近于常数。因此，实际被测流量不能太小，以保证雷诺数大于临界雷诺数。,图4.16 流量系数与雷诺数的关系曲线图,转子流量计的结构类型与特点,1转子流量计的结构与分类 按锥管材料可分为透明锥管转子流量计和金属转子流量计两种。（1）透明锥管转子流量计,图4.18 玻璃转子流量计,玻璃管转子流量计结构简单，价格便宜，使用方便，但玻璃强度低、耐压低，玻璃管易碎，多用于常温、常压

14、、透明流体的就地指示，不宜制成电远传式，电远传式一般采用金属锥形管。（2）金属管转子流量计,图4.20 金属管转子流量计的外形结构图,金属管转子流量计大体都由传感器和转换器两部分组成。传感器由锥形管和转子组成。转换器有就地指示和远传信号输出两大类型。传感器和转换器之间采用的是磁耦合的方式，将转子位置传送到转换器上。,电远传型金属管转子流量计普遍采用差动变压器结构。当被测流体自下向上流过锥形管时，转子2的高度通过内外磁钢4、5的磁性耦合方式，将转子的位移传给转换部分，使杠杆7偏转，经四连杆机构9、10、11带动指针12偏转相应角度，在流量刻度盘上现场指示流量大小。同时，转子位移通过第二套四连杆机

15、构13、14、15带动铁芯16相对差动变压器17产生位移，差动变压器所感应的差动电势 送至电转换器18转换为标准电流信号输出，由配套仪表进一步实现流量的显示、记录、累积。,2转子流量计的特点适用于小管径和低雷诺数低流速流体测量；对上游直管段长度要求较低；流量范围度较宽，一般为10：1；压损较低；测量精度受被测流体密度和粘度影响，精度不高；一旦实际被测流体的密度和粘度与厂家标定介质的情况不同，就应对流量指示值进行修正。,4.3.3 转子流量计指示值的修正转子流量计指示流量与被测流体的密度及流量系数有关。流量计生产厂家为了方便成批生产，其所提供的液体转子流量计的流量刻度值是在标准状态（20，101

16、.325kPa）下用水进行标定的，而气体转子流量计的流量刻度是在标准状态下用空气标定的。因此，如果被测介质不是水或空气，或工作状态不是在标准状态下，则必须对转子流量计的流量指示值进行修正。,整理可得液体流量的修正公式 被测液体在工作状态下的实际流量值；被测液体在工作状态下的实际密度。2气体流量的修正考虑到气体介质密度远小于转子材料密度，可近似认为气体流量的修正公式为 标准状态下用空气标定时流量（转子流量计的指示流量）；标准状态下空气的密度，=1.2046 kg/m3；、被测气体在工作状态下的实际流量、实际密度。,角标为0者被测气体在标准状态下的参数；无角标者被测气体在标准状态下的参数；其中，=

17、101.325kPa，=293.15K。由于气体的体积受温度和压力影响很大，在不同的温度和压力下，气体的体积流量根本不具有可比性，因此通常将工作状态下气体的实际流量换算成标准状态下的气体流量（单位为Nm3h）。将被测气体换算到标准状态下的流量值。,转子流量计的安装与应用,1转子流量计的安装若介质中含有固体杂质，应在表前加装过滤器；若介质中含铁磁性物质，应在表前入口处安装磁过滤器。若流体为不稳定的脉动流，为防止转子惯性造成指示振荡，可选用转子导杆上带阻尼器的转子流量计。若工艺上不允许流量中断，安装流量计时应加设截止阀和旁通管路以便仪表维护。管路中有调节阀时，调节阀一般应安装在转子流量计的下游。另

18、外，调节流量时不宜采用电磁阀等速开阀门，否则阀门迅速开启时，转子就会因骤然失去平衡而冲到顶部，损坏转子或锥管。转子流量计要求垂直安装，流量计中心线与铅垂线的夹角最多不应超过5，否则会带来测量误差。转子流量计对直管段长度要求不高。一般上游侧5D，下游侧250mm。,2转子流量计的应用为保证测量精度，被测流体的正常流量值最好选在流量计上限刻度的1/32/3范围内。搬动仪表时，应将转子顶住，以免转子将玻璃管打碎。转子流量计开启时，应缓慢地打开流量计前后的截止阀，防止急开急关造成水击而损坏玻璃锥管。当锥管和转子受到污染时，应及时清洗，以免影响测量精度。被测流体温度若高于70时，应在流量计外侧安装保护套

19、，以防玻璃管骤冷破裂溅液伤人。被测流体的状态参数与流量计标定时的状态不同时，必须对示值进行修正。,椭圆齿轮流量计,1椭圆齿轮流量计的结构椭圆齿轮流量计由测量主体、联轴耦合器、表头三部分组成。测量部分由壳体及两个相互啮合的椭圆截面的齿轮构成。在椭圆齿轮与壳体内壁、上下盖板间围成的“月牙”形固定容积的空间“计量室”。,图4.24 椭圆齿轮流量计1-表头；2-联轴耦合器；3-上盖；4-测量主体；5-椭圆齿轮；6-轴,4.4 容积式流量计,容积式流量计多用来计量累积流量。有椭圆齿轮式、腰轮式、刮板式、活塞式等多种。,图4.25 椭圆齿轮流量计的原理示意图随着椭圆齿轮不断旋转，流体就一次次被计量室分割、

20、并以计量室为单位从入口排到出口。从（a）到（d）再到（a），椭圆齿轮转动12圆周，刚好排出2个计量室体积的被测流体，所以，椭圆齿轮转一周将排出4个计量室体积的被测流体。即通过椭圆齿轮流量计的累积流量V和体积流量qv为,2椭圆齿轮流量计的工作原理,3椭圆齿轮流量计的流量指示,N、n椭圆齿轮的转数、椭圆齿轮的旋转速度；V0计量室容积；R壳体容室的半径；a、b、椭圆齿轮的长半轴、短半轴和椭圆齿轮的厚度。,椭圆齿轮流量计的流量显示装置有就地显示和远传显示两种。就地显示是将椭圆齿轮的转动通过磁性密封联轴器和一套传动减速机构传递给机械计数器直接指示出流经流量计的总量。远传显示是附加发信装置后，再配以电显示

21、仪表就可实现远传指示瞬时流量或累积流量。,图4.27 流量指示原理,腰轮流量计,1腰轮流量计的组成与原理其测量部分由壳体及一对表面光滑无齿的腰轮构成，在腰轮与壳体、上下盖板内壁之间形成“计量室”。由于腰轮的缩腰形状与椭圆齿轮鼓腰形状相反，相同直径下，腰轮流量计围成的计量室空间比椭圆齿轮流量计的要大，其仪表体积相对较小。,图4.29 腰轮流量计测量主体结构示意图1壳体；2计量室；3腰轮；6上隔板；7输出轴；8腰轮；9入口；10下隔板；12驱动齿轮；13出口；15表头；17计数器,与椭圆齿轮流量计的原理基本相同，一对腰轮同样是在进、出口流体的压力差作用下，交替产生旋转力矩而连续转动的。不同处是两个

22、腰轮表面光滑无齿，因此它们之间不是直接相互啮合驱动旋转的，通过固定在腰轮轴上的一对驱动齿轮实现两个腰轮相互驱动的。腰轮每转一周，流量计输出四倍计量室体积的流体，被测流体的流量与腰轮转数成正比，腰轮的转数通过一定传动比的变速机构传给计数器，并通过计数器的累计值显示某段时间内被测流体的累积体积流量。,图4.30 腰轮流量计工作过程示意图1壳体；2转轴；3驱动齿轮；4腰轮；5计量室,2腰轮流量计的结构类型,腰轮流量计主要由壳体、腰轮、驱动齿轮、磁性耦合联轴器、精度修正器、计数器等组成。其流量信号的显示以机械计数器就地显示累积流量为主，可另配光电式脉冲转换器转换成电脉冲信号输出。从结构形式上来看，腰轮

23、式流量计有立式和卧式两种。立式腰轮流量计腰轮主轴垂直安装，下端有硬质耐磨合金制成的平面滑动止推轴承，承受腰轮重量。中间隔板将腔体计量室分隔成两段，使之相互隔离。,图4.32 LL型立式腰轮流量计5-磁性耦合联轴器；6-径向轴承；7-腰轮轴；8-中间隔板；9-止推轴承；11-机械计数器；12-传动齿轮箱；15-驱动齿轮；16-腰轮,3腰轮流量计的特点,腰轮流量计与椭圆齿轮流量计相比，体积小、流量范围大、测量精度高。两个腰轮间有微小间隙，对介质清洁度要求低，允许流体含有微小颗粒。腰轮流量计精度可达0.2级，口径为15300mm，测量范围为2.51000m3/h。,图4.33 卧式腰轮流量计结构1指

24、示部分；3磁性耦合联轴器；4、6腰轮；5中间隔板；7隔板；8驱动齿轮；17发讯器,卧式腰轮流量计，如图4.33所示。主轴按水平工作状态设计，不用止推轴承，占地面积较大。,4.4.3 刮板流量计,刮板流量计也是一种常见的容积式流量计，适于测量含机械杂质的流体。按结构特点分凸轮式和凹线式两种 1凸轮式刮板流量计凸轮式刮板流量计主要由转子、凸轮、刮板、滚柱及壳体组成，见图4.34。壳体内腔为圆形，转子也是一个空心圆筒体，在筒壁上径向互为90的位置开了四个槽，两对刮板A、C以及B、D分别由两根连杆连接，相互垂直，在空间交叉，互不干扰。每块刮板的内侧各装有一个小滚柱，这四个小滚柱都紧靠在一个固定不动的凸

25、轮上并沿凸轮边缘滚动，从而使刮板可以在槽内沿径向伸出或缩进。,图4.35 凸轮式刮板流量计1刮板；2滚柱；3凸轮（固定）；4筒型转子（转筒）；5壳体,当流体通过时，在流量计进、出口压差的作用下，刮板被流体推动带动转子筒一起转动。图4.35（a）位置时，与凸轮90大圆弧相对应处。刮板A和D在滚子导引下，伸出转筒，并压向壳体内壁。这样由壳体、刮板、转子筒形成一密封的空间，即计量室。此时刮板C和B则全部收缩到与转子筒齐平。当刮板和转子筒到图（b）位置时，由于刮板A沿着凸轮的大圆弧转动，因此刮板A并不滑动收缩，但刮板D却在刮板B的引导下，开始逐渐缩入槽内，流体排出。当刮板和转筒转到图（c）位置时，刮板

26、D收缩到与转子筒齐平，刮板B由凸轮控制全部伸出转子筒并压向壳体内壁。刮板A和转筒转了90，正好排出一个计量室的液体。此时在刮板A和后一相邻刮板B之间又封住一个计量室的流体体积。可见，转子每转一周将排出四份计量室体积的流体。只要测出转动次数，就可算出排出流体的体积。将转子的转动传给表头，就可以进行指示、累计或远传。,2凹线式刮板流量计由转子、刮板、连杆和壳体组成。其壳体内腔是特殊曲线形状的，由大圆弧、小圆弧和两条互相对称的凹线组成。转子实心，中间有互成90的四个槽。两对刮板分别由两根连杆连接，在空间交叉。其动作原理和凸轮式类似，区别是凸轮式刮板的径向滑动受凸轮控制，而凹线式刮板的径向滑动完全由具

27、有凹线的壳体决定。两对刮板在凹线的控制下，在转子的“十”字形槽内滑动。每当相邻两刮板转至大圆弧位置时，正好封住一个计量室体积的流体。对于具有四个刮板的凹线式刮板流量计，转子每转一周也是排出四个计量室体积的流体。,图4.36 凹线式刮板流量计的原理示意图1导管；2壳体；3转子；4刮板；5计量室,3刮板流量计的特点由于结构特点，不易发生转子卡住现象。适于各种不同粘度和带有少量固体杂质的液体。精度可达0.2级。由于刮板的特殊运动轨迹，使被测流体在通过流量计时不产生涡流，不改变流动状态，这有利于提高精度、减小压力损失。刮板流量计的压损较小，小于椭圆齿轮流量计和腰轮流量计的压力损失。刮板流量计的振动及噪

28、音总体来说均很小，适于中等或大流量的流量测量。,4.4.4 容积式流量计的安装,容积法测量流量受流体物性影响较小，故检测精度较高。但结构复杂，加工制造较困难，成本较高。安装时应远离热源，避免高温环境；避开有腐蚀性气体、多灰尘和潮湿的场所；使流体满管流动；表前安装过滤器和消气器；加设旁通管路。,图4.39 容积式流量计安装示意图,4.5 漩涡流量计,漩涡流量计基于流体振荡原理工作，即在一定的流动条件下，部分流体产生振动，且振动频率与流体流量成正比关系。将该振动频率信号输出，经转换就可得到被测流量。该流量计无机械可动部件，安装维护方便、运行费用低。按工作原理分流体自然振荡型和流体强迫振荡型两种。前

29、者称涡街流量计；后者称旋进漩涡流量计。涡街流量计1涡街流量计的测量原理,图4.40 卡门涡街,基于流体力学中“卡门涡街”原理。在流体中垂直于流向放置一根非流线型柱状物体（如圆柱、三角柱或T形柱等）作为漩涡发生体。当流体流速足够大时，流体会在漩涡发生体的下游两侧交替产生旋转方向相反的漩涡，像这样两列平行的不对称的交替漩涡列称为卡门涡街。,由于漩涡之间相互影响，漩涡列一般是不稳定的。实验证明，当两列漩涡之间的距离h与同列的两个漩涡之间的距离l满足的关系时，卡门涡街才是稳定的。此时所产生的单列漩涡的频率f和旋涡发生体两侧流体的平均速度v1及漩涡发生体的宽度d之间存在如下关系v1漩涡发生体两侧流体的平

30、均流速，ms；d漩涡发生体迎流面最大宽度，m；f单列漩涡的频率，即单位时间内产生的单列漩涡的个数，Hz；St斯特罗哈尔数，无量纲。当漩涡发生体几何形状确定时，St只与雷诺数有关。若管道内流体的雷诺数Re能保持在2104至7106范围内，St便近似一个常数，三角柱St=0.16，圆柱体St=0.20,K流量系数。流体雷诺数Re在一定范围内时，K为一常数,不受流体的压力、温度、粘度、密度、成分的影响，用水标定的仪表用于空气，仪表系数仅相差0.5，误差不是很明显。2涡街流量计的结构涡街流量计通常由检测器和转换器组成。,若管道内径为D，流体在管道内的平均流速为v，对直径为d 的圆柱形漩涡发生体，当时，

31、近似有,检测器包括漩涡发生体、检测元件、壳体等。漩涡发生体一般采用不锈钢材料制成，按柱形可分为圆柱、三角柱、梯形柱、T形柱、矩形柱等；单体三角柱形漩涡发生体应用最广泛。,3涡街流量计的转换器,(a)单体漩涡发生体(b)多体漩涡发生体图4.44 漩涡发生体基本形状,由于检测元件检测到的电信号既微弱又含有不同成分的噪声，所以必须经过转换器把该信号进行放大、滤波、整形等处理，才能输出与流量成比例的脉冲信号。对于流量显示仪，还需转换成420mA的标准电信号。,图4.47 转换器的原理框图,4.5.2 旋进漩涡流量计,1旋进漩涡流量计工作原理 旋进漩涡流量计是利用流体强迫振荡原理制成。流体首先通过一组由

32、固定螺旋形叶片组成的起旋器后被强迫旋转，形成一股具有漩进中心的涡流。在收缩段由于节流作用，涡流的前进速度和涡旋速度都逐渐加强。当漩涡流体进入到扩张段时，因管内腔突然扩大，流速急剧减少，流体的中心改为贴近扩散段的壁面、围绕着流量计的轴线作螺旋状进动漩进。漩进频率与流速成正比，因而测得漩涡流的漩涡进动频率即可得知被测体积流量值。,图4.48 旋进漩涡流量计的结构原理图,实验证明，在一定的雷诺数范围内：qv流体体积流量；f漩涡进动频率。K旋进漩涡流量计的仪表系数。在一定的雷诺数范围内，K仅与漩涡发生体结构参数有关，与流体的物性和组分无关。2旋进漩涡流量计结构组成旋进漩涡流量计由传感器和转换器组成。传

33、感器包括表体、起旋器、消旋器和检测元件等。（1）表体 通常由不锈钢或铸铝合金制成。（2）起旋器 具有特定角度的螺旋叶片，用以强迫流体产生漩涡流，由不锈钢或合金钢等耐磨材料制成。（3）检测元件 由检测元件一般采取接触式检测，贴近壁面安装在靠近扩张段的喉部。,漩涡流量计的特点及应用,（4）消旋器 用直叶片制成，固定在出口段，用于使流体平顺地流出去，减少漩涡流对下游仪表性能的影响。3转换器转换器把检测元件输出信号经过电路处理转换为脉冲方波信号或420mA标准信号输出。,1漩涡流量计的特点涡街流量计多用于150mm管道中的气体或液体的流量测量，其压力损失不大。测量精度相对低些，并且对仪表前后直管段的安

34、装要求较高。旋进漩涡流量计通过强制制造漩流，测量精度较高，抗干扰能力强，对仪表前后直管段的长度要求低，但压力损失较大，是涡街的35倍，一般仅用于150mm以下管道的气体流量测量。漩涡流量计的主要特点：直接输出与流量成正比的脉冲频率信号，适用于总量计量。管道内无运动部件，无机械磨损，压力损失较小（约为孔板流量计1/41/2）。,结构简单牢固，安装维护方便、费用较低。在一定雷诺数范围内，输出频率信号不受流体物性和成分变化的影响。仪表系数仅与漩涡发生体及管道的形状尺寸有关，用一种典型介质校验就能用于多种介质。漩涡的稳定性受流速分布畸变及旋转流的影响，上游侧必须有足够长的直管段，为保证测量精度必要时还

35、应在上游侧加装整流器。涡街流量计不适用于低雷诺数的流量测量，在高粘度、低流速、大口径情况下应用受到限制。仪表口径越大仪表系数越小，频率分辨率越低，所以口径不能过大。不适用于管内有较严重的旋转流以及管道产生振动的场所。,4.6 质量流量计,大多流量仪表所能直接测得的均为体积流量。但生产中进行产量计量交接、经济核算和产品储存时希望直接测量介质的质量，而不是体积，因此能够用来直接测量质量流量的流量计在近些年得到了很快发展。4.6.1 质量流量计的类型 1直接式质量流量计 直接式质量流量计的输出信号能直接反映流体的质量流量。直接式质量 流量计又分差压式、科里奥利式和热式几种，具有高准确度、高重复性和高

36、稳定性特点。2间接式质量流量计（1）组合式 可同时检测流体的体积流量和密度，或与密度有关的参数，然后通过运算单元计算出介质的质量流量信号输出。（2）温度压力补偿式 可同时检测流体的体积流量和温度、压力值，再根据介质密度与温度、压力的关系，由运算单元计算得到该状态下介质的密度值，最后计算得到介质的质量流量值输出。,4.6.2 科氏力质量流量计,科里奥利质量流量计是利用与质量流量成正比的科里奥利力这一原理制成的一种直接式质量流量仪表。1科里奥利力 一根直管以角速度绕旋转轴匀速旋转，管内通有以匀速v沿直管向外流动的流体。相对转动参照系做匀速直线运动。受到惯性离心力和科里奥利惯性力的共同作用，科里奥利

37、惯性力是一种切向力，方向垂直于v向上。,图4.56 科里奥利力,2科氏力流量计的测量原理,在旋转管道中以匀速v流动的流体密度为，则管道受到流体所施加的科氏力的大小为 A管道的流通截面积；L管道长度；qm质量流量，qmvA。因此测量旋转管道中流体产生的科氏力就能测出流体的质量流量。,(a)振动中的U型管(b)U型管振动时受力(c)U型管受力扭曲（端面图）图4.57 U形管科里奥利力作用原理,U形管在外力驱动下以固有振动频率绕固定梁上下振动，振幅接近1mm。流体流过U型管时，可认为管内流体一边沿管子轴向流动，一边随测量管绕固定梁正反交替“转动”，对管子产生科里奥利力。当流体按图示方向流入、U形管绕

38、固定梁向上“转动”时，对管段A来说，质点是由转轴向外流动，质点的切向速度由零逐渐加大，表明流体质点受到了管子施加的与转动趋势一致的切向力，流体能量增加，其反作用力（科氏力Fc）必与管段转动趋势相反。对管段B来说，流体是从外端流向转轴，质点的切向速度逐渐减小至零，表明流体受到了管子施加的与转动趋势相反的切向力，流体则将能量释放给管子，科氏力Fc与管B转动趋势相同。U型管上A、B段方向相反的科氏力使U型管扭转变形。,振动的另半个周期，U形管向下“转动”，扭曲方向则相反。随周期性振动，U形管受到一方向和大小都随时间变化的扭矩Mc，使测量管绕O-O轴作周期性扭曲变形。扭转角与扭矩Mc及刚度k有关。,故

39、流体的质量流量qm与扭转角成正比。若U形管振动频率一定，则恒定不变。即只要在振动中心位置O-O安装两个光电检测器，测出振动过程中U形管通过两侧光电探头的时间差，就能间接确定，求得qm值。3科氏力质量流量计的结构类型科氏力质量流量计由检测器和转换器两部分组成。检测器用以激励检测元件（测量管）振动，并将测量管的变形转换为电信号输出。检测器内安装两端固定的测量管，测量管中部设置电磁驱动线圈，驱动测量管反复振动，使测量管产生扭曲变形，通过光电或电磁传感器将测量管的变形量（或相位差）转变为电信号，转换器把来自传感器的电信号进行处理后输出与质量流量成正比的420mA标准信号、频率/脉冲信号或数字信号，以显

40、示质量流量。,4质量流量计的特点,能够直接测量质量流量，仪表精度高，可达0.2级。理论上讲，精度只与测量管的几何形状和测量系统的振荡特性有关，与被测介质的物性等无关。可测含固形物的浆液以及含有微量气体的液体、中高压气体，尤其适合测高粘度甚至难流动液体的流量。不受管内流动状态的影响，对上游侧流体的流速分布也不敏感，安装时对上下游直管段无要求。该流量计的主要不足是：容易发生零点漂移；对振动干扰敏感；不能用于测量低密度介质；体积和重量大，压损也较大；价格昂贵。5质量流量计的安装应使管道内流体始终为满管状态；远离能引起管道振动的设备（如泵等）；远离变压器、大功率电动机等磁场较强的设备；并且不能安装在工

41、艺管线的膨胀节附近。,4.7 靶式流量计,石油化工生产中，常常会遇到某些粘度较高的介质或含有悬浮物及颗粒介质的流量测量，如原油、渣油、沥青等。靶式流量计部分地解决了高粘度、低雷诺数流体的流量测量问题。流量测量原理1测量原理,图4.61 靶式流量计的原理示意图1测量管；2靶；3杠杆；4轴封膜片；5连接管；6转换指示部分,在测量管道的中心处安装一块圆形“靶”片，将其作为靶式流量计的测量元件。当流体流动时垂直冲击到靶上，使靶面受力，并产生相应的微小位移，这个力就反映了流体的流量大小。,流体对靶的作用力：一是流体对靶的冲击力（动压力）以及靶前后静压差作用力，二是流体在流经靶时对靶周边的粘滞摩擦力，可忽

42、略。理论分析和实验研究表明，流体对靶面的作用力F与圆靶的迎流面积、流体密度以及流体流经靶和管道间环形截面处平均流速v的平方成正比，表示为 阻力系数；Ad靶的迎流面积，因此，流体在环形截面处的平均流速为 则靶式流量计的基本流量方程式可表示为,工程应用中习惯于以mm作为D和d的单位，以m3/h作为流量的单位，换算后得靶式流量计的实用公式为 可见当靶式流量计D和已定后，若被测流体密度和流量系数也为常数，作用力F的开平方就与流量成正比关系。测得靶所受流体作用力F的大小，便可知流体的流量大小。2流量系数实验表明流量系数与靶径比及雷诺数ReD等因素有关。当管道雷诺数值大于某临界值后，流量系数将趋于不变。靶

43、式流量计的临界雷诺数比标准节流装置的要低很多，通常在11035103之间，所以对于高粘度、低流速流体的流量测量更具优越性。,靶式流量变送器的类型及结构,图4.62 靶式流量计的流量系数实验曲线,1靶式流量计的结构（1）检测器 通常下部为检测器，检测器包括测量管、靶板、主杠杆和轴封膜片，其作用是将流体作用在靶面上的力（反映了被测流量）转换成为主杠杆上的力或位移。（2）转换器 通常上部为转换器，转换器由力转换器、信号处理和显示仪几部分组成。,力转换器将电阻应变片R1、R3粘贴在悬臂块7的正面，R2和R4粘贴在悬臂块7的背面，两对应变电阻构成电桥的四个臂。靶板受到流体的作用力，以轴封膜片2为支点产生

44、23mm位移，经杠杆3、推杆6使悬臂块产生微弯曲的弹性变形。R1和R3受拉伸阻值增大，R2和R4受压缩阻值减小，电桥失去平衡，输出一电信号反映流体流量。Uab经放大转换为标准电信号输出，也可由毫安表就地显示流量。但因,，故信号处理电路中一般采取开方器运算，使输出信号直接与被测流量成正比。,图4.63 应变式力传感器的靶式流量计1测量管；2轴封膜片；3杠杆；4转换指示部分；5信号处理电路；6推杆；7-悬臂块；8-靶,2靶式流量计的类型,靶式流量计有一体式和分体式两种类型。有法兰式连接、夹装式连接和插入式连接等几种。一体式为现场就地显示。分体式则把显示仪表与检测器部分分离（一般不超过100m），并

45、通过屏蔽多芯电缆进行远距标准信号的传输。插入式流量计不用专门安装测量管，只需在管道上开孔即可安装。使用过程中，便于随时抽出检修靶板。,(a)夹装式(b)法兰式(c)插入式 图4.65 靶式流量计的外形图,流量计的安装应用,1靶式流量计的特点：适合高粘度、低雷诺数流体的流量测量，以及带有悬浮颗粒杂质的流体流量测量。结构简单牢固，无可动部件，使用安全可靠，并且压力损失较小。仪表流量系数由仪表厂用水或空气标定得到，应用时必须用被测介质进行实际标定，并且要求标定时的流体温度和压力要和实际工作状况保持一致。2靶式流量计的安装保证测量时为满管状态；避免安装在振动强烈的管道上；加装旁通管路以实现不断流调零；

46、靶心与工艺管道轴线同心，保证靶面与管道轴线垂直；直管段长度前15D、后5D。,4.8 电磁流量计,根据电磁感应原理制成，用于测量导电液体（如工业污水、酸、碱、盐等腐蚀性介质）与浆液的体积流量。流量测量原理1测量原理在磁感应强度为B的均匀磁场中，垂直于磁场方向放一个内径为D的不导磁管道，当导电液体在管道中以平均流速v流动时，导电流体就切割磁力线。B、D、v三者互相垂直，在两电极之间产生的感应电动势为,图4.66 电磁流量计的原理示意图1磁极；2检测电极；3测量管,结构类型与特点,稳恒磁场条件下，e与qv 成正比，而与流体的物性和工作状态无关。2流量电势信号的处理流量转换器用于将传感器输出的毫伏级

47、电势信号进行处理与放大，并转换成与被测流体体积流量成正比的标准模拟电流信号、电压或频率信号输出。,1电磁流量计的类型 电磁流量计按结构形式可分一体式和分体式两种，均由传感器和转换器两大部分组成。传感器安装在工艺管道上感受流量信号。转换器将传感器送来的感应电势信号进行放大，并转换成标准电信号输出。分体式流量计的传感器和转换器分开安装，转换器可远离恶劣的现场环境。一体式电磁流量计，可就地显示、信号远传、无励磁电缆和信号电缆布线，接线简单、价格便宜。现场环境条件较好时可选用一体式电磁流量计。,2.电磁流量传感器的结构,(a)一体式(夹装)(b)分体式（法兰安装）图4.68 电磁流量计外形图,电磁流量

48、传感器由测量管组件、磁路系统、电极等部分组成，如图4.69所示，测量管上下装有励磁线圈，通以励磁电流后产生磁场穿过测量管。一对电极装在测量管内壁与液体相接触，引出感应电势。,图4.69 电磁流量传感器的结构示意图1下盖；2内衬管；3连接法兰；4励磁线圈；5上盖；6测量管；7磁轭；8电极,3电磁流量计的特点,结构简单，无活动部件及阻流部件，几乎无附加压损，对要求低阻力损失的大管径供水管道最为适合。适于导电液体流量的测量，尤其适用于脏污流体、腐蚀性流体及含固体颗粒和悬浮物的液固两相流体。测量结果不受流体物性及工况条件变化的影响，因此只需经水标定后，就可用来测量其它导电液体的流量。电磁流量计没有机械

49、惯性，所以反应灵敏，可测量正反两个方向的流量，也可测量瞬时脉动流量。只能用来测量导电液体的流量；受内衬和电气绝缘材料的限制，不能用于测量高温液体；易受电磁干扰影响。,1电磁流量计的安装 测量管与工艺管道同轴，并保证测量管内始终充满液体；远离大功率强磁场设备安装；加设旁通管路；对上游直管段长度要求低；传感器的测量管、外壳、引线的屏蔽线以及传感器两端的管道都必须可靠接地，使液体、传感器和转换器具有相同的零电位；4.9 叶轮流量计 涡轮流量计是叶轮式流量计的一种，适用于成品油、石化产品等液体以及气体等低粘度流体，通常用于流体总量的流量测量。涡轮流量计由于测量精度很高，有时也作为标定其它流量计的标准仪

50、表使用。,涡轮流量计,涡轮流量计由涡轮流量传感器和显示仪表两部分组成。1涡轮流量变送器的结构涡轮流量变送器主要由壳体、导流器、涡轮、轴承、磁电转换器、放大转换电路等组成。,图4.74 涡轮流量变送器的结构示意图1-壳体；2-轴承；3-涡轮轴；4后导流器；5-涡轮叶片；6-磁电转换器；7-放大转换电路；8-表头；9-前导流器；10-感应线圈；11-永久磁钢,（1）仪表壳体 由不导磁不锈钢材料制成，内装有导流器、涡轮和轴承，壳体外安装有磁电转换器。（2）导流器 前导流器9使流体到达涡轮前先导直流向，避免流体因自旋而改变对涡轮叶片的作用角度，影响测量精度。后导流器4起到支承叶轮作用。（3）涡轮，由高