五章流量检测仪表与系统

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1、过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统一、概述一、概述 流量是指单位时间内流动介质流经管道（或通道，统称流道）中某截面的数量，也称瞬时流量。而在某一段时间内流过的流体总和，即瞬时流量在某一段时间内的累积值，称为累积流量 过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 体积流量 单位为 质量流量 单位为AvvdAvAqsmAmgvdAvvAqskg过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 流量检测方法的分类 体积流量 直接法（容积法）直接测出 在单位时间内以标准固定体积对流动介质连续不断地进行度量，以排出流体固定容积数来计算流量。椭圆齿轮 腰轮 刮板 旋转活塞 vq精度

2、较高过程检测系统过程检测系统第五节 流量检测仪表 间接法（速度法）测量平均流速 节流式 力学 转子 力学 涡轮 力学 电磁 电学 超声波 声学 涡街 力学 热线风速 热学 激光多普勒 光学vAqv过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 质量流量 直接式：涡轮转矩式质量流量计 科里奥利质量流量计 间接式：差压流量计与密度计组合 差压流量计与速度流量计组合 靶式流量计与速度流量计组合 补偿：用压力、温度补偿过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统二、节流式流量计二、节流式流量计 根据节流原理，当流体流经节流元件（阻力件）时，在节流元件两端产生差压，该差压的大小与流量（流速）成

3、正比。作为流量测量的节流元件有标准节流元件和特殊节流元件，其中标准节流元件有标准孔板、标准喷嘴、标准文丘里管过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 检测原理（主要讨论标准孔板的原理）设流体在水平管中沿轴线方向稳定流动，流体不对外作功，和外界没有热量交换，流体本身也没有稳定变化。对于不可压缩理想流体，则根据伯努利方程 设md/D，收缩系数A2/A0 则22220220210110vpvp2211vAvA1110vCv2220vCv21222211ppmv过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 因为流束最小截面2的位置随流速而变，实际取 压点的位置是固定的，当用固定取压点处

4、 ，代替 ，时，需引入一个取压系数 则 令 ，流量系数为：21220022221ppmAAvAvqm2121pppp2122021ppmAqm21ppp221m1p2p1p2p过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 于是流体流量为：流量方程式中的流量系数也可用流出系数C来代替，C的定义是 式中 渐近速度系数 显然C是实际流量系数与取和 均为1的流量系数的比值。这样把收缩系数和取压系数的影响统一归到一个参数流出系数CpAqm20EC211mE过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 对于可压缩流体，则引入一个膨胀系数 流量方程式的讨论 流量系数（或流出系数C）与节流元件形式

5、（m）、取压方式、Re，管 道情况等有关21pAqm102过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 取压方式 取压方式(即取压点的位置)不同,流量系数不同，目前主要的取压方式有：角接取压、法兰取压、取压法 雷诺数 表示了流体的流动状态，对于给定的流体和流动条 件，它反映了流体的流动速度2DD eR过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 直径比 只要直径比值一定，则流量系数只是雷诺数的函数 管壁粗糙度 对于标准孔板的流量系数，角接取压法是在相对平 均粗糙度K/D3810的管道中测定的，法兰取 压法和 取压法是在K/D1010的管道中测定 的，其中是管道内壁绝对平均粗糙度 K

6、是管道内壁 绝对平均粗糙度2DD 过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 可膨胀系数 对可压缩流体，需进行修正。对于标准节流装 置，与 ，有关 节流件的开孔面积 与材料的热膨胀系数 管道和孔板的开孔直径一般是在20时的值，当稳定发生变化时，其直径也要变化。孔板：管道：0A20120tddd20120tDDD过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 流体密度 流量方程式中所用的密度是指被测介质在节流 元件前的工作状态（温度、压力）下的值。当 工作时实际流体密度与设计时不同时，应进行 修正 式中在右上角加“”的 符号表示实际工作状态下 的密度和流量，无上标 “”的表示设计值m

7、mqqvvqq过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 压力损失 流体通过节流元件时，一部分能量用来克服摩擦阻力和消耗在节流件后形成涡流上，而通过节流元件流体的静压力并不能完全恢复，可按下式估算：说明越小，越大ppp202011p过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 标准节流装置 节流装置包括节流件、取压装置和符合要求的前、后直管段 标准节流件孔板 按照国际GB262493规定 标准取压装置 直流段孔板流量计过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 节流式流量计（特点）结构简单，工作可靠 管径D501000mm 量程比3：1 几乎能测各种工况下的介质，但不能有

8、脏污物，流体必须 是牛顿流体标准孔板过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 标准节流装置的设计与计算 已知管道内径，节流件开孔直径，取压方式，被测流体参数等必要条件，根据所测得的差压值，计算被测流体的流量 已知管道内径，被测流体参数，预计的流量范围以及其他必要条件，要求选择适当的流量标尺上限、差压上限、节流装置的形式，并确定节流件的开孔直径 过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统三、转子流量计三、转子流量计 又称恒压降变面积流量计，适用 于中小流量。检测原理 流体在锥形管中自下而上流动，其中的浮子（转子）将稳定在 某一个位置模型演示过程检测系统过程检测系统第五章 流量检

9、测仪表与系统 对浮子受力分析：A0环状流通面积；Af浮力面积（最大）C阻力系数22vcAgVgVfffffffcAgVv2fffvcAgVAvAq200过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 对流量方程各参数的讨论 流量系数 流量系数与锥形管的锥度，浮子的几何形状以及被测流体的雷诺数等因素有关 流体密度 流量刻度与流体密度有关，出厂时流体是用在标准状态（20，760mmHg）下用水和空气进行标定的，若使用的流体密度不一样，需要进行刻度修正过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 信号转换 转子流量计根据显示方式的不同可分为两类：直接指示型的转子流量计 电远传转子流量计过程

10、检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 转子流量计的特点 主要适用于中小管径、较低雷诺数的中小流量的检测；结构简单，使用方便，工作可靠，仪表前直管段长度要求不高；基本误差约为仪表量程的12%，量程比可达101；易受工作介质密度，粘度，纯净度等影响过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统四、涡街流量计四、涡街流量计 涡街流量计也称漩涡流量计 漩涡流量计有两种：一种是应用自然振荡的卡门漩涡列原理而制成的称为卡门漩涡流量计；另一种是应用强迫振荡的漩涡旋进原理而制成的称为旋进式漩涡流量计过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 检测原理（卡门漩涡流量计）若在流体中垂直于流向

11、放置一个圆柱体或棱柱体，在它下游两侧就会交替出现漩涡，两侧漩涡的旋转方向相反，并轮流地从柱体上分离出来，这两排平行的非对称的漩涡列称为卡门涡街。漩涡发生体是漩涡流量计的核心。漩涡发生体的形状主要有圆柱形、方柱形和三角柱形，也有组合式的。过程检测系统过程检测系统第五节 流量检测仪表 漩涡频率的检测 漩涡频率的检测有很多，一般与漩涡发生体形状有关 热电丝圆柱体 热敏电阻三角柱 压电元件组合式 超声波检测元件三角柱过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 涡街流量计的特点 精度高 0.21.0%。量程比100：120：1。几乎不受流体性质变化的影 响结构简单。频率输出，便于数字化测量，f与

12、v成正比涡街和旋进流量计过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统五、电磁流量计五、电磁流量计 检测原理：基于电磁感应定律 当导电流体（相当于导体）在磁场中作垂直于磁场方向流动而切割磁力线时，在两电极上也会产生感应电势，其方向由右手定则判断，其大小为：因为 ，则 BDvE vDqv24kqvqDBEv4k是仪表常数过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 电磁流量计的结构 磁路系统：直流磁场简单，但使管道中的导电液体电解、电极极化常采用交流BBmsint交变磁场按励磁绕组不同主要有两种结构：集中绕组；分组绕组式。测量管：用不导磁，低导电率，低导热率具有一定强度，让被测流体通过

13、，不锈钢、玻璃钢、高强度塑料过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 电极：测量感应电势 衬里：直接接触被测介质，主要作用是增加测量管的耐磨与耐蚀性，防止感应电势被金属测量管管壁短路 外壳：一般用铁磁材料制成，它是保护励磁线圈的外罩，并可隔离外磁场的干扰 转换电路：流体流动产生的感应电势十分微弱，而且各种干扰因素的影响也很大，转换电路的目的是将感应电势放大并能抑制主要的干扰信号 过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 电磁流量计的转换电路 主要由前置放大、差动交流放大、高通滤波、采样电路和差动直流放大等部分组成 采样电路电磁流量计信号转换电路框图2K1K差动直流放大高通滤

14、波差动交流放大前置放大过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 电磁流量计的特点：测量导管中无可动部件，压力损失小，并可测含有杂物、悬浮物等流体的流量。只要流体导电，结果与流体的温度、压力、密度、粘度无关。量程比较宽10：1。反应速度快，可测脉动流量。电磁流量计过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统四、容积式流量计 常见的容积式流量计有：椭圆齿轮流量计、腰轮(罗茨)流量计、刮板流量计、活塞式流量计、湿式流量计及皮囊式流量计等 它是使被测流体充满具有一定容积的空间，然后再把这部分流体从出口排出过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 检测原理 流量计内部有12个转

15、子，在流入口流体压力作用下使转子转动，随着转子的转动，使流体从流入口流向流出口。设转子与流量计壳体之间的容积已知，则通过测量转子的转速，就可得知流体流经流量计的流量；如果测出转子转过的次数，就可获得流体的总体积。模型演示过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 椭圆齿轮流量计 刮板流量计 过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 容积式流量计的工作特性 容积式流量计的工作特性与流体的粘度、密度以及工作温度、压力等因素有关，相对来说，粘度的影响要大一些 信号转换 就地显示 远传显示 过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 容积式流量计的工作特点：精度高，可达0.2

16、0.5%，用于企业管理和商品销售。主要测高粘度流体，测总流量。量程比10：1。对直管段无要求。小流量时泄漏大，使读数偏低。被测流体要求清洁，否则易堵或磨损。过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统七、质量流量计七、质量流量计 质量流量的检测方法主要有三大类：直接式 间接式 补偿式 过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 直接式质量流量计 直接式质量流量检测方法有许多种，如由孔板和定量泵组合实现的差压式方法；由两个用弹簧连接的涡轮构成的涡轮转矩式方法；应用麦纳斯效应的检测方法和基于科里奥利力的检测方法等 过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 间接式质量流量计

17、间接式质量流量计实际上就是组合式质量流量计，它是在管道上串联多个(常见的是两个)检测元件(或仪表)，建立各自的输出信号与流体的体积流量、密度等之间的关系，通过组合，联立求解方程间接推导出流体的质量流量 过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 主要的组合方式有：差压式流量计与密度计组合方式 体积式流量计与密度计组合方式 差压式流量计或靶式流量计与体积式流量计或速度式流量计组合方式 补偿式质量流量计 过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统八、其他流量计八、其他流量计 涡轮流量计 涡轮流量计是从叶轮流量计（水表）基础上发展起来的 当流体流经涡轮时，由于流体的冲击作用，将使涡轮

18、发生旋转，转动的频率与流量等相关过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 涡轮流量计主要由涡轮、导流器、磁电感应转换器、放大与信号变换。磁电感应转换器是将涡轮转换成电脉冲数，这是涡轮流量计的关键部分。叶轮用磁性的不锈钢做，管道外装上传感器，它由磁钢和线圈组成。当叶片转动时周期也改变检测器中磁路的磁阻，使通过感应线圈的磁通量随之变化。这样，在感应线圈的两端即感应出脉冲信号。过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 精度较高0.5级，常作标准表。量程比较大10：1。适用于清洁介质（一般要装过滤器）。周围不能有强磁场。介质的密度、粘度 变化对测量结果有影响。反应迅速，可测脉动流量

19、。过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 超声波流量计 声波在静止流体中的传播速度与流动流体中的传播速度不同。超声波的接收和发射称换能器，换能器既可兼作声波的收和发，也可以分开进行。过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 实际应用如下几种形式。时差法 通过测量超声波脉冲顺流和逆流时传播的时间差来得到流体的流速。当超声波传播方向与管道轴线成角时，可以得到流速v与时差t之间的关系为：存在问题：c受流体温度影响大。t数量级小，要求电子精度高，限制了 测量下限。tDtgcv22过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 相位差法 换能器发射连续超声脉冲或者周期较长的脉冲

20、波列，测量顺流和逆流发射时所接收到信号之间的相位差 避免了t小，较大，有利于提高测量精度但c的影响仍较大。频率法 它是通过测量顺流和逆流时超声脉冲的重复频率来测量流量的。tft2Dfctgcv42过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 发射器T发出一个超声脉冲，经过流体由接收器R接收此信号，进行放大后再送到发射器T产生第二个脉冲，这样反复来往，其频率为 虽然fv关系式中包含了c，则由于csin/D1，故与前两种方法比较，声速变化所产生的误差影响小。122sincos1vcDtf111sincos1vcDtfvDcDf2/sin12sin过程检测系统过程检测系统第五章 流量检测仪表与系统 特点 流速沿管道分布的影响，与Re数有关。可实现非接触式测量。超声波流量计过程检测系统过程检测系统思考题：思考题：请分析一下，教材上所讲的多种流量计中，哪种流请分析一下，教材上所讲的多种流量计中，哪种流量计对流体造成的压力损失最小。量计对流体造成的压力损失最小。