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1、流量测量相关资料 3 1差压式流量计 差压式流量测量方法 是根据伯努利方程提供的基本原理 通过测量流体差压信号来反映流体流量的测量方法 差压式流量计是由将被测流体的流量转换成压差信号的节流装置 压力信号传输管道和用来测量差压的差压计组成 标准孔板 喷嘴 文丘利喷嘴 文丘利管 标准孔板可采用角接取压 法兰取压标准喷嘴采用角接取压 差压式流量计工作原理及流量基本公式 适用于可压缩流体及不可压缩流体 相 可指不同的热力学集态 如固 液 气等不同物态 也可指同一集态下不同的物理性质或力学状态 如同一地点不同尺寸和速度或不同材料密度的颗粒或气泡等 多相流的流场需用两组或两组以上流体力学和热力学参量 如速
2、度 压强 温度 质量和组分浓度等 来描述 只需用两组参量描述的混合物流动称两相流动 常见的有气 液流动 气 固流动和液 固流动 3 2容积式流量计 容积式流量计又称排量流量计 positivedisplacementflowmeter 简称PD流量计或PDF 在流量仪表中是精度最高的一类 它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分 根据计量室逐次 重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量体积总量 PD流量计一般不具有时间基准 为得到瞬时流量值需要另外附加测量时间的装置 一 容积式流量计的分类1 椭圆齿轮流量计2 腰轮流量计 又称罗茨流量计 3 活塞式式流量计活塞受被测介质
3、推动在气缸中往复运动 每往复一次送出一定量介质 主要用于测量较低粘度的油类 可以测量很小的流量 4 刮板式流量计在它的偏心转子上安装有刮板 在转子旋转时由刮板与外壳间构成固定容积将介质送出流量计 再根据转子的转数确定总量 二 测量原理容积式流量计从原理上讲是一台从流体中吸收少量能量的水力发动机 这个能量用来克服流量检测元件和附件转动的摩擦力 同时在仪表流入与流出两端形成压力降 典型的容积式流量计 椭圆齿轮流量计 的工作原理如图1所示 两个椭圆齿轮具有相互滚动进行接触旋转的特殊形状 P1和P2分别表示入口压力和出口压力 显然P1 P2 图1 a 下方齿轮在两侧压力差的作用下 产生逆时针方向旋转
4、为主动轮 上方齿轮因两侧压力相等 不产生旋转力矩 是从动轮 由下方齿轮带动 顺时针方向旋转 在图1 b 位置时 两个齿轮均在差压作用下产生旋转力矩 继续旋转 选装到图1 c 位置时 上 方齿轮变为主动轮 下方齿轮则成为从动轮 继续旋转到与图1 a 相同位置 完成一个循环 一次循环动作排出四个由齿轮与壳壁间围成的新月形空腔的流体体积 该体积称作流量计的 循环体积 椭圆齿轮的转动通过磁性密封联轴器及传动减速机构传递给计数器直接指示出流经流量计的总量 若附加发送装置后 再配以电显示仪表可实现远传只是瞬时流量或累积流量 虽然有许多分割方法形成各种形式的容积式流量计 但大部分都有相似的基本特征 容积式流
5、量计产生误差的主要原因是分割单个流体体积的活动测量件和静止测量室之间的缝隙泄漏量所形成 产生泄漏的原因之一是为克服活动件摩阻力 之二是受仪表水力学阻力形成压力降的作用 转子流量计转子流量计具有结构简单 使用方便 价格便宜 量程比大 刻度均匀 直观性好等特点 可测量各种液体和气体的体积流量 并将所测得的流量信号就地显示或变成标准的电信号或气信号远距离传送 转子流量计主要由转子 浮子 锥形管及支撑连接部分组成 质量流量计 柯氏质量流量计的原理 实质是利用一个弹性体的共振特性 流体流动和无流体流动的振动 在共振区附近 的金属管元件 测定其动态响应特性 求出此谐振系统的相位差 时间差 与质量流量之间的
6、关系 流体在其内以速度V从A流向B 将此管置于以角速度 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 这就是科里奥利质量流量计的基本原理 S形测量管质量流量计如图3所示 这种流量计的测量系统由两根平行的S形测量管 驱动器和传感器组成 管的两端固定 管的中心部位装有驱动器 使管子振动 在测量管对称位置上装有传感器 在这两点上测量振动管之间的相对位移 质量流量与这两点测得的振荡频率的相
7、位差成正比 图4无流动时位移传感器的输出 由图中可以看出 两传感器测得的相位差为零 当测量管内流体以速度V流动时 流体中任意值点的流速 可认为是两个分流速的合成 水平方向Vx及垂直方向Vy 与振动方向相同 在恒定流条件下 流体沿水平方向的流速Vx保持恒定 从图5中可以看出 管子的进 出口处振幅为零 流体质点垂直移动速度Vx为零 当流体质点有进口流入图示振动方向的测量管时 流体质点的垂直流动速度为 Vy 同样在流体质点流向出口时 其垂直流动速度为 Vy 由此可以推出 流体质点在通过振动的测量管时 垂直方向的速度是一个从零逐渐加大 直到中间最大 再逐渐减小到零的过程 由力学原理可知 速度的变化是由
8、加速度引起的 而加速度是力作用于其上的结果 根据这个原理 称这个垂直速度变化为科氏加速度Ac 因此作用于流体质量M上的科氏力为Fc Mac 在测量管上与中心距离相等的两点上 作用的科氏力大小相等 方向相反 在测量管上与中心距离相等的两点上 作用的科氏力大小相等 方向相反 此科氏力作用在测量管上 就产生了如图5所示的结果 即在中间点上产生一对力 引起测量管轻微的扭曲或变形 而实际上在振荡运动时是两根S管同时所受的振荡 其运动方向相反 受力相等 随着振荡运动的进行 测量管被周期性地分开 靠拢 科氏力也周期性地作用在两根测量管上 通过安装在测量管上的位移创按其A B 测出由科氏力引起的测量管相对位置
9、的变化 通常转化为测两点的相位差 如图7所示 这个相位差的大小与质量流量成正比 电磁流量计的基本原理 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流速u流动时 导电流体就切割磁力线 如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极 图3 17 则可以证明 只要管道内流速分布为轴对称分布 两电极之间也特产生感生电动势 e BDV qv 由上式可见 体积流量qv与感应电动势e和测量管内径D成线性关系 与磁场的磁感应强度B成反比 与其它物理参数无关 这就是电磁流量计的测量原理 V 须使测量条件满足下列假定 磁场是均匀分布的恒定磁场 被测流体的流速轴对称
10、分布 被测液体是非磁性的 被测液体的电导率均匀且各向同性 二 励磁方式 1 直流励磁 直流励磁方式用直流电产生磁场或采用永久磁铁 它能产生一个恒定的均匀磁场 这种直流励磁变送器的最大优点是受交流电磁场干扰影响很小 因而可以忽略液体中的自感现象的影响 但是 使用直流磁场易使通过测量管道的电解质液体被极化 直流励磁一般只用于测量非电解质液体 如液态金属等 2 交流励磁目前 工业上使用的电磁流量计 大都采用工频 50Hz 电源交流励磁方式 即它的磁场是由正弦交变电流产生的 所以产生的磁场也是一个交变磁场 交变磁场变送器的主要优点是消除了电极表面的极化于扰 另外 由于磁场是交变的 所以输出信号也是交变
11、信号 放大和转换低电平的交流信号要比直流信号容易得多 用交流磁场会带来一系列的电磁干扰问题 例如正交干扰 同相干扰等 3 低频方波励磁直流励磁方式和交流励滋方式各有优缺点 为了充分发挥它们的优点 尽量避免它们的缺点 70年代以来 人们开始采用低频方波励磁方式 它的励磁电流波形如图3 19所示 其频率通常为工频的1 4 l 10 图3 19方波励磁电流波形 方波信号又是一个交变的信号 所以它能克服直流励滋易产生的极化现象 优点 能避免交流磁场的正交电磁干扰 消除由分布电容引起的工频干扰 抑制交流磁场在管壁和流体内部引起的电涡流 排除直流励磁的极化现象 电磁流量计的安装 变送器应安装在室内干燥通风
12、处 避免安装在环境温度过高的地方 不应受强烈振动 尽量避开具有强烈磁场的设备 如大电机 变压器等 避免安装在有腐蚀性气体的场合 安装地点便于检修 这是保证变送器正常运行的环境条件 为了保证变送器测量管内充满被测介质 变迭器最好垂直安装 流向自下而上 尤其是对于液固两相流 必须垂直安装 若现场只允许水平安装 则必须保证两电极在同一水平面 变送器两端应装阀门和旁路 电磁流量变送器的电极所测出的几毫伏交流电势 是以变送器内液体电位为基础的 为了使液体电位稳定并位变送器与流体保持等电位 以保证稳定地进行测量 变送器外壳与金属管两端应有良好的接地 转换器外壳也应接地 接地电阻不能大于10 不能与其它电器
13、设备的接地线共用 如果不能保证变送器外壳与金属管道良好接触 应用金属导线将它们连接起来 再可靠接地 为了避免干扰信号 变送器和转换器之间的信号必须用屏蔽导线传输 不允许把信号电缆和电源线平行放在同一电缆钢管内 信号电缆长度一般不得超过30m 转换器安装地点应避免交 直流强磁场和振动 环境温度为 20一50 不含有腐蚀性气体 相对湿度不大于80 为了避免流速分相对测量的影响 流量调节阀应设置在变送器下游 对于小口径的变送器来说 因为从电极中心到流量计进口端的距离已相当于好几倍直径D的长度 所以对上游直管可以不做规定 但对口径较大的流量计 一般上游应有5D以上的直管段 下游一般不做直管段要求 电磁
14、流量计故障类型 运行中产生故障的第一类为仪表本身故障 即仪表结构件或元器件损坏引起的故障 第二类为外界原因引起的故障 如安装不妥流动畸变 沉积和结垢等 按故障外界源头分析来自三个方面 管道系统和安装等方面引起的 环境方面引起的 流体方面引起的 其中第一个方面主要在调试期表现出来 而后两个方面则在调试期和运行期均会出现 一 调试期故障1 管道系统和安装等方面通常是电磁流量传感器安装位置不正确引起的故障 常见的有将流量传感器安装在易积聚潴留气体的管网高点 流量传感器后无背压 液体径直排入大气 形成其测量管内非满管 装在自上向下流的垂直管道上 可能出现排空等原因 2 环境方面主要是管道杂散电路干扰
15、空间电磁波干扰 大电机磁场干扰等 管道杂散电流干扰通常采取良好单独接地保护可获得满意测量 但如遇管道有强杂散电流 如电解车间管道 亦不一定能克服 须采取流量传感器与管道绝缘的措施 空间电磁波干扰一般经信号电缆引入 通常采用单层或多层屏蔽予以保护 但也曾遇到屏蔽保护还不能克服 3 流体方面流体含有均匀分布细小气泡通常不影响正常测量 惟所测得体积流量是液体和气体两者之和时 由于气泡增大会使输出信号波动 若气泡到流过电极遮盖整个电极表面 使电极信号回路瞬时断开 输出信号将产生更大波动 低频 50 16 50 6Hz 矩形波励磁电磁流量计测量液体中含有固体超过一定含量时将产生液噪声 输出信号亦会有一定
16、程度波动 两种或两种以上液体作管道混合工艺时 若两种液体电导率 或各自与电极间电位 有差异 在混合未均匀前即进入流量传感器进行流量测量 输出信号亦会产生波动 电极材质与被测介质选配不善 产生钝化或氧化等化学作用 电极表面形成绝缘膜 以及电化学和极化现象等 均会妨碍正常测量 二 运行期故障经初期调试并正常运行一段时期后 在运行期间出现的故障 其常见原因有 流量传感器内壁附着层 雷电击 环境条件变化 1 内壁附着层由于电磁流量计测量含有悬浮固相或污脏体的机会远比其他流量仪表多 出现内壁附着层产生的故障概率也就相对较高 若附着层电导率与液体电导率相近 仪表还能正常输出信号 只是改变流通面积 形成测量误差的隐性故障 若是高电导率附着层 电极间电动势将被短路 若是绝缘性附着层 电极表面被绝缘而断开测量电路 后两种现象均会使仪表无法工作 2雷电击雷电击在线路中感应瞬时高电压和浪涌电流 进入仪表就会损坏仪表 雷电击损坏仪表有三条引入途径 电源线 传感器与转换器间的流量信号线和励磁线 然而从雷电故障中损坏零部件的分析 引起故障的感应高电压和浪涌电流大部分是从控制室电源线路引入的 其他两条途径较少 还从
