水工艺设备基础 10

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1、水工艺设备基础 第十章 计量和投药设备 授课教师：高旭 给水排水2001级 计量设备 o测量流体流量的仪表统称为流量计或流量表流量计是工业测量中重要 的仪表之一。目前已投入使用的流量计已超过100种 o流量计常用的分类方法有两种，一是按流量计采用的测量原理进行归纳 分类：二是按流量计的结构原理进行分类 o按测量原理分类 n电学原理：用于此类原理的仪表有电磁式、差动电容式、电感式、 应变电阻式等。 n声学原理：利用声学原理进行流量测量的有超声波式声学式(冲击 波式)等。 n热学原理：利用热学原理测量流量的有热量式、直接量热式、间接 量热式等。 n光学原理：激光式、光电式等是属于此类原理的仪表。

2、n原于物理原理：核磁共振式、核幅射式等是属于此类原理的仪表 n其它原理：有标记原理(示踪原理、核磁共振原理)、相关原理等 计量设备分类 o按流量计结构原理分类 n容积式流量计 n叶轮式流量计：将叶轮置于被测流体中，受流体流动的冲击而旋转，以叶轮 旋转的快慢来反映流量的大小。典型的叶轮式流量计是水表和涡轮流量计 n差压式流量计(变压降式流量计) n变面积式流量计(等压降式流量计)：典型仪表是转子(浮子)流量计 n动量式流量计 n冲量式流量计 n电磁流量计：应用导电体在磁场中运动产生感应电动势，而感应电动势又和 流量大小成正比，通过测电动势来反映管道流量的原理而制成的。工业上多 用以测量水、矿浆等

3、介质的流量，但导电率低的介质，如气体、蒸汽等则不 能应用 n超声波流量计：基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测介质的平均流 速和声波本身速度的几何和的原理而设计的 n流体振荡式流量计：典型的产品有涡街流量计 n质量流量计 转子流量计 o由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个 沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成。 o被测流体从下向上经过锥管1和浮子2形 成的环隙3时，浮子上下端产生差压形成 浮子上升的力，当浮子所受上升力大于浸 在流体中浮子重量时，浮子便上升，环隙 面积随之增大，环隙处流体流速立即下降 ，浮子上下端差压降低，作用于浮子的上 升力亦随着减少，直到上升力等于浸在流 体中浮子重量时，浮

4、子便稳定在某一高度 。浮子在锥管中高度和通过的流量有对应 关系。 o转子流量计结构简单、使用方便、价格便 宜、量程比大、刻度均匀、直观性好，既 可以直接读出药液的流量值，也可变成标 准的电信号或气信号远距离传送。适用于 氢氟酸以外的任何非浑浊液体和气体的流 量测量 电磁流量计 o电磁流量计是一种测量导电性流体流量的仪表。 根据电磁感应定理，导体在磁场中运动并切割磁 力线时，在导体中产生感应电势，同样，导电性 液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，与流 动方向垂直的方向上将产生与流量成比例的感应 电势。当管道内径D确定，磁感应强度B不变时 ，感应电势E与体积流量Q具有线性关系。因此 ，测出管道两

5、侧的感应电势，通过变送器转换成 直流电流信号，由二次仪表指示被测流量 。 o优点 n测量通道是一段无阻流检测件的光滑直管，因不易 阻塞适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流 体，如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等 n不产生因检测流量所形成的压力损失，仪表的阻力 仅是同一长度管道的沿程阻力，对于要求低阻力损 失的大管径供水管道最为适合 n与其他大部分流量仪表相比，前置直管段要求较低 n所测得的体积流量，实际上不受流体密度、粘度、 温度、压力和电导率（只要在某阈值以上）变化明 显的影响 o缺点 n不能测量电导率很低的液体，如石油制品和有机溶 剂等。不能测量气体、蒸汽和含有较多较大气泡的 液体 超

6、声流量计 o超声流量计是一种非接触式流量 测量仪表，主要用于测量能导声 的液体流量，尤其适用于大口径 圆形管道和矩形渠道的流量测量 。 o原理：传播时间法和多普勒效应 法 n传播时间法是利用声波在流动着 的流体中传播，顺流方向声波传 播速度会增大，逆流方向则减小 ，在同一传播距离就有不同的传 播时间，利用传播速度之差与被 测流体流速之间的关系测出流速 。 n多普勒效应法超声流量计是利用 在静止（固定）点观察（检测） 从移动源发射声波所产生多普勒 频移现象。超声发射源向液体发 射超声波，液体中散射体（颗粒 或气泡）散射超声波成为移动发 射源，所产生频移正比于散射体 流速 超声流量计 o特点：流量

7、计探头在被测管道外 壁上，无需辅助设备，对管道无 压力损失，不干扰流场，是一种 比较理想的节能仪表。对传感器 无腐蚀、无磨损、无泄漏污染、 安装使用极为方便，是传统的机 械式流量仪表无法比拟的。转换 器以微型计算机为中心，进行各 种补偿和运算，并有自诊断功能 ，测量精确度高 o超声流量计可用于计量给水和含 有固体颗粒，悬浮物或气泡的污 水，适用于混凝土管以外几乎所 有硬质材料制作的多种管径和壁 厚的管道 质量流量计 o质量流量计可直接测量质量流量，与被 测介质的密度、压力、温度、粘度、电 导率、流速和流动状态无关 o如图一所示，截取一根支管，流体在其 内以速度V从A流向B，将此管置于以 角速度

8、旋转的系统中。设旋转轴为X ，与管的交点为O，由于管内流体质点 在轴向以速度V、在径向以角速度运 动，此时流体质点受到一个切向科氏力 Fc。这个力作用在测量管上，在O点两 边方向相反，大小相同。因此，直接或 间接测量在旋转管道中流动的流体所产 生的科氏力就可以测得质量流量。这就 是科里奥利(Coriolis)质量流量计的基 本原理。 质量流量计 o在商品化产品设计中，通过 测量系统旋转产生科氏力是 不切合实际的，因而均采用 使测量管振动的方式替代旋 转运动。以此同样实现科氏 力对测量管的作用，并使得 测量管在科氏力的作用下产 生位移。由于测量管的两端 是固定的，而作用在测量管 上各点的力是不同

9、的，所引 起的位移也各不相同，因此 在测量管上形成一个附加的 扭曲。测量这个扭曲的过程 在不同点上的相位差，就可 得到流过测量管的流体的质 量流量。 o常见的测量管的形式有以下 几种：S形测量管、U形测量 管、双J形测量管、B形测量 管、单直管形测量管、双直 管形测量管、形测量管、双 环形测量管等 计量泵 o计量泵是一种具有 投加功能的计量设 备，利用泵内柱塞 的往复运动加压并 计量流体。通过改 变柱塞的行程长度 和往复频率来调节 流量 o按照泵内的构造， 计量泵分为柱塞式 和隔膜式两种 o计量泵计量准确， 在零流量和额定最 大流量范围内可以 任意调节，计量精 度高 涡街流量计(vortex

10、flowmeter) o涡街流量计也叫卡门旋涡流量计， 是应用流体振荡原理来测量流体流 量的，涡街流量计由涡街流量传感 器、转换器和显示仪表组成 o在测量管中垂直插入一个柱状物时 ，流体通过柱状物两侧就交替地产 生有规则的旋涡(如图所示)，这种 旋涡列被称为卡门涡街。卡门涡街 的释放频率与流体的流动速度及柱 状物的宽度有关。卡门涡街释放频 率f和流速v成正比，因此通过测量 卡门涡街释放频率就可算出瞬时流 量 o旋涡发生体形状有圆柱、三角往 、T型柱、四角柱等。 涡街流量计 o涡街流量计在管道内无可 动部件，结构简单，使用 寿命长，容易维修，量程 比宽；其测量精度不受介 质的温度、压力、粘度和

11、密度等影响；测量元件不 直接接触介质，可靠性好 ；输出脉冲信号，便于远 传。涡街流量计可输出电 信号，远距离显示瞬时流 量或流体总量；也可就地 显示被测流量及流体总量 ，无需外接电源(使用电池 )，在不便外接电源的地方 尤其适用，这种仪表对气 体、蒸汽、液体的流量测 量均适合 涡轮流量计（turbine flowmeter) o涡轮流量计是一种速度式流量计，主要由 涡轮流量变送器和指示积算仪组成。在管 道中心安放一个涡轮，两端由轴承支撑 当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡 轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和 流体阻力矩而产生旋转在一定的流量范 围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋 转角速度

12、与流体流速成正比由此，流体 流速可通过涡轮的旋转角速度得到，从而 可以计算得到通过管道的流体流量。 o涡轮的转速通过装在机壳外的传感线圈来 检测当涡轮叶片切割由壳体内永久磁钢 产生的磁力线时，就会引起传感线圈中的 磁通变化传感线圈将检测到的磁通周期 变化信号送入前置放大器，对信号进行放 大、整形，产生与流速成正比的脉冲信号 ，送入单位换算与流量积算电路得到并显 示累积流量值；同时亦将脉冲信号送入频 率电流转换电路，将脉冲信号转换成模拟 电流量，进而指示瞬时流量值 o涡轮流量计具有精度高、压力损失小、量 程比大等优点，可测量多种液体或气体的 瞬时流量和流体总量，并可输出电信号， 与调节仪表配套控

13、制流量 孔口式计量设备 o孔口计量是利用孔口在恒定浸没 深度下出流的稳定流量来计量， 流量的大小可通过改变孔口面积 来调节，由浮体、孔口和加药软 管组成。 o控制加药量方法有孔口、孔板和 调节计量阀几种形式。通过更换 不同孔径的孔口或孔板来控制加 药量。调节计量阀内有上下两个 孔板，下孔板与阀体固定，上孔 板可以滑动，通过操作手轮改变 两板的出流断面来调节流量。并 在指示板上表示出来。孔口、孔 板和调节计量阀除橡胶垫圈外都 用硬聚氯乙烯加工制成。 o孔口计量设备适用于药液池液位 恒定的情况。 三角堰计量设备 o三角堰计量是一种 设备简单、精确可 靠的传统计量方法 。三角堰计量设备 由计量槽槽体

14、，三 角堰板和浮球标尺 等组成。 o需另配置一个恒位 药液箱，所以占地 面积较大。 o适用于大、中流量 液体药剂的计量。 o各零件的材料视药 剂的腐蚀情况用钢 材或硬聚氯乙烯板 。 虹吸计量设备 o虹吸计量设备是利用调节 恒位箱液面与虹吸管出口 的高差来控制计量加药量 的一种计量设备，主要由 调节装置、槽体、虹吸管 、漏斗等组成。 o虹吸管可用硬聚氯乙烯管 或玻璃管，出口段可用塑 料软管并配一夹子，其余 零部件用钢材制作，设备 内壁应进行防腐处理。 o虹吸计量设备简单、操作 方便，但精度较差，适用 于中、小水量的药剂计量 。 激光多普勒流速计 o激光多普勒流速计由光路系统 、信号处理系统和记录

15、系统组 成。 o激光多普勒流速计是利用激光 器发射出的光，经聚焦后照射 在含粒子的流动流体上，根据 多普勒效应，散射光(信号光) 的频率与未经散射光(参比光) 的频率之间发生频移，两束光 经光电倍增管混频后输出一个 交流信号。该信号输入到频率 跟踪器内进行处理，获得与多 普勒频率几相对应的模拟电压 信号。测出凡的值，即可得到 运动粒子的速度值，从而获得 被测流体的流速，由流体的流 速可以求出流体的流量。 o激光多普勒流速计的特点是， 精度高，动态反应快，测量范 围宽，线性好，方向灵敏性好 空间分辨率高，属不接触测 量，对流场不破坏等，但要求 介质有一定的透明度和含有适 量散射粒子 投药设备 o

16、投加设备是将处理药剂加到 需处理水中的设备，有干投 和湿投两种，湿式投加设备 有计量加药泵和水射器，典 型干式投加设备有投矾机。 o水射器设备简单、使用方便 、工作可靠、效率高，广泛 用于加药系统。但因水射器 满足不了所需的抽提输液量 的要求，有效动压水头和射 流的排出压力常受到限制 水 射 器 o水射器常用于向压 力管内投加药液， 其结构由压力水入 口、吸入室、吸入 口、喷嘴、喉管、 扩散管、排放口等 部分组成。高速水 流由喷嘴喷入喉管 ，使吸入室内产生 负压，将药液吸入 ，药液与压力水混 合后进入压力水管 道。 墙挂式小型加氯机典型配置 干式投矾机 o干式投矾机是干投法的典型 设备，主要由盛矾漏斗、附 着式振动器、电磁振动给料 机、调节手柄、底座和外壳 等部分组成。 o干式投矾机用于投加松散的 易溶解的颗粒状固体药剂， 药剂通过料斗进入盛矾漏斗 ，堆放在振动式投加槽中， 通过时间继电器把药定时定 量地直接投入水中。 o干式投矾机给料均匀、运转 可靠、驱动功率和占地面积 小、操作管理方便、易于实 现自动控制。干式投矾机的 安装调试较复杂