第2章-4流量检测及仪表概要

《第2章-4流量检测及仪表概要》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章-4流量检测及仪表概要（62页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、2.4 流量检测及仪表 流量检测是控制生产以及经济核算的一个重要检测参数。 2.4.1流量的基本概念 流量指单位时间内流过某一截面的流体数量。即瞬时流量。表示方法有： 质量流量M （t/h、 kg/h 、 kg/s ） 体积流量Q （m3/h、 L/h、 L/min ）,二者的关系：,流体的密度,M = Q,总量指一定时间内流过某截面的流体流量的总和。 即累计流量。 以 t 表示时间，则流量和总量之间的关系是：,流量计的种类繁多，若按测量原理分，流量计可分为： 节流式流量计 速度式流量计 容积式流量计 电磁式流量计 ,2.4.2 差压式流量计 差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节流原理

2、，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量。,节流现象 流体在流过节流装置时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。 节流装置包括节流件和取压装置。,节流件是能使管道中的流体产生局部收缩的元件，应用最广泛的是孔板，其次是喷嘴、文丘里管等。,节流原理 具有一定能量的流体，才可能在管道中流动。流动着的流体含有两种能量静压能和动能。,静压能表现在流体对管壁的压力，动能表现在流体有流动速度。这两种能量在一定条件下可以互相转化。,截面处能量= 截面处能量+损耗,但是，根据能量守恒定律，在没有再加能量的情况下，流体所具有的静压能和动能，加上克服流动阻力的能量损失，其总和是

3、不变的。即：,静压能 动能 静压能 动能 损耗,根据伯努力方程可列出：,式中： 为流体在截面-与-之间的动能损失系数； g 为重力加速度；,1、2 为流体在截面-和-处的密度。 如果流体是不可压缩的，那么1= 2= ,S1、S2分别为-和-处的流束截面积。,v1S1 =v2S2,又因截面、处体积流量应相等，有,联立求解两式，可得出：,S0孔板的开孔面积。 另外，取紧挨孔板前后的管壁压差（P1- P2）代替（P1- P2），为此引用系数 加以修正：,为简化计算，引入两个系数： 截面收缩系数 孔板口对管道的面积比m,代入v2式，得,因体积流量：Q = v2 S0,称流量系数,将,令,体积流量,质量

4、流量,结论：流量与节流件前后压差的平方根成正比。只要测得差压（P1-P2）便可测得流量。,则得到（不可压缩的流体）流量基本方程式：,如果流体是可压缩的（如蒸汽），则要对公式进行修正。,故流量系数与节流装置的结构形式、取压方式、开孔面积与管道截面积之比m、管壁粗糙度、流体流动状态等因素有关；很难准确计算，一般通过实验确定。因此，节流装置都是标准化的，由厂家提供数据。,因为,动能损失系数,标准节流装置 标准节流装置包括标准节流件和标准取压装置。节流装置标准化的具体内容有：节流装置的结构、尺寸、公差、光洁度、取压孔位置和使用条件等。标准节流件有：,孔板,喷嘴,文丘里管,标准节流装置取压方法有角接取压

5、法和法兰取压法两类。 如角接取压法是在孔板前后端面与管壁的夹角处取压。,当标准节流装置安装好后，只有流体流动状态是影响流量系数的可变因素。 因为，基本流量公式是在管道内流体均匀流动的前提下导出的，因此要求被测流体为湍流状态。,可以用雷诺数Re反映流体的流动状态。雷诺数Re是无量纲系数。,其中，v为流速，D为管道内径，为流体密度，为流体动力粘度。,流体的雷诺数Re越大，流体截 面各点的流速越趋于一致，流量系数越稳定。实验表明只有在雷诺数Re大于某一界限值（约为105 ）时，流量系数才保持常数。,标准节流装置使用条件 流体应当清洁，充满圆管并连续稳定地流动。 流体的雷诺数在104105以上，不发生

6、相变。 管道必须是直的圆形截面，直径大于50mm。 为保证流体在节流装置前后为稳定的流动状态，在节流装置的上、下游必须配置一定长度的直管段。,2.4.3 转子流量计 在工业生产中经常遇到小流量的测量，因流体的流速低，要求测量仪表有较高的灵敏度，才能保证一定的精度。,差压式流量计对管径小于50mm、低雷诺数的流体的测量精度是不高的。而转子流量计则特别适宜于测量管径50mm以下管道的流量，测量的流量可小到每小时几升。,工作原理 转子流量计与前面所讲的差压式流量计在工作原理上是不相同的。差压式流量计是在节流面积（如孔板流通面积）不变的条件下，以差压变化来反映流量的大小。而转子流量计，却是以压降不变，

7、利用节流面积的变化来测量流量的大小，即转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。,当流体自下而上流过锥形管时，位于锥形管中的转子受到向上的浮力和推力，使转子浮起。当此力正好等于转子重力时，则作用在转子上的上下两个力达到平衡，此时转子就停浮在一定的高度上。 当被测流体的流量增大时，作用在转子上的向上的推力就加大，转子上移。而随着转子上移，流体的流通面积增大，流过此环隙的流体流速变慢，推力减小。,当流体作用在转子上的力再次等于转子在流体中的重力时，转子又稳定在一个新的高度上。这样，转子在锥形管中的平衡位置的高低与被测介质的流量大小相对应。如果在锥形管外沿其高度刻上对应的流量值，那么根据转

8、子平衡位置的高低就可以直接读出流量的大小。这就是转子流量计测量流量的基本原理。,流量测量中转子的平衡条件是：压差力 =重力 SP = （ z -f ） g V,式中 ： S 转子的最大横截面积； P 转子前后流体的压力差； V转子的体积；z 转子材料的密度； f 被测流体的密度； g 重力加速度。,由于在测量过程中，V 、 S 、 z、f 、g均为常数，由上式可知，P也应为常数。,将平衡式变为：,即流过转子流量计的流量是转子与锥形管间环隙面积S0的函数。,而流量基本公式为：,故：转子流量计是以定压降、变节流面积法测量流量的。,由于锥形管由下往上逐渐扩大，所以S0是转子浮起的高度的函数。,S0

9、= k h,根据转子浮起的高度h就可以得出被测介质的流量大小。,1、锥形管是玻璃的，直接目视转子的位置。 2、在转子内安装磁铁，锥形管外安装磁环随转子上下移动，触发显示。,转子位置信号的引出：,1,2,3、在转子内安装磁铁，锥形管外安装双霍尔磁场传感器，测出磁场的水平分量和垂直分量，可确定转子位置。,4、在转子上方安装一导磁棒，使差动变压器输出随转子位置变化。,从流量公式可知，流量值与被测流体密度有关。为了便于成批生产，生产厂是在工业标准状态下（20，0.10133MPa），用水或空气进行标度。,对液体测量，仪表示值代表20时水的流量值。 对气体测量，则是代表20，0.10133MPa压力 下

10、空气的流量值。 实际使用时，须对指示值进行修正。,2.4.4 靶式流量计 使用悬在管道中央的靶作为节流元件，流体作用于靶上的推力与流速有定值关系。推力F 经杠杆引出，由力平衡变送器测出。,理论分析及实验证明，流体作用于靶上的推力F 与流体流速 v 的平方成正比,式中: k靶的推力系数； Sd 靶的受力面积； 流体比重； g 重力加速度； v 靶与管璧间环形间隙中流体平均流速,式中，,流量系数,和差压式流量计相似，流量和力是开方关系。 可用于较小的雷诺数状态，特别是于高粘度的流体，如重油、沥青等的流量测量。 精度为23%。,则,而通过管道的体积流量 Q=S0v,2.4.5 椭圆齿轮流量计 椭圆齿

11、轮流量计是利用两个相互啮合的椭圆形齿轮在流体的推动下，连续转动来测流量的。,当流体要流过椭圆齿轮时，进口侧压力p1大于出口侧压力p2，在此压力差的作用下，产生作用力矩使椭圆齿轮转动。,图（a）位置时，由于p1 p2，所产生的合力矩使A轮顺时针方向转动。A带动B转动。 转至（b）位置，A轮与B轮均为主动轮。 转至（c）位置，合力矩使B轮带动A轮转动。 A 、B轮转动时，连续将半月形容积内的流体排出。,此图表示椭圆齿轮转动了1/4周的情况，其排出的流体为一个半月形容积V0。所以，椭圆齿轮每转一周所排出的被测介质量为半月形容积的4倍。故通过椭圆齿轮流量计的体积流量Q为： Q = 4nV0 n齿轮转速

12、,如果累计齿轮转速，则得到体积总量。,V0,特点 由于椭圆齿轮流量计是基于容积式原理测量的，与流体的粘度、密度、雷诺数等参数无关。因此，安装时不需要有直管段，对流体的流动状态无要求，特别适用于高粘度介质的流量测量。测量精度高，最高可达0.1%。,椭圆齿轮流量计的使用温度不能过高，否则可能使齿轮膨胀卡死。另外被测流体中不能含有固体颗粒，否则会引起齿轮磨损以至损坏。,2.4.6 涡轮流量计 在测量管道内，安装一个可以自由转动的涡轮，当流体通过时，流体的动能使涡轮旋转。流体的流速越大，涡轮转速也就越高。,因此，测出涡轮的转速或转数，就可确定流过管道的流体流量或总量。日常生活中使用的某些自来水表、油量

13、计等，都是利用这种原理制成的，都属于速度式仪表。,涡轮上的螺旋形叶片用高导磁系数的不锈钢材料制成。,导流器用以稳定流体的流向,外壳由非导磁的不锈钢制成,涡轮流量计的工作过程 当流体通过涡轮叶片与管道之间的间隙时，叶片前后的压差力推动叶片旋转。高导磁性的涡轮叶片就周期性地扫过磁钢底部，,使磁路的磁阻发生周期性的变化，线圈中的磁通量也跟着发生周期性的变化，线圈中便感应出脉冲电信号。其频率与涡轮的转速成正比，即与流量成正比。,输出脉冲频率 f 与被测流量 Q 之间的关系： f = NQ,N仪表常数,插入式,特点 涡轮转速不用轴输出，没有齿轮传动误差和密封问题，因而涡轮流量计测量精度高（可达0.2级）

14、，耐高压（静压可达50MPa）。 输出信号为频率信号，不易受干扰，便于远传 。 要求流体清洁，安装时，应加装过滤器，且前后要有一定的直管段。,2.4.7 电磁流量计 在流量测量中，当被测介质是具有导电性的液体介质时，可以应用电磁感应的方法来测量流量。,工作原理 在管道两侧安放磁铁，流动的液体当作切割磁力线的导体，产生的感应电动势与流体的流速成正比关系。当磁感应强度B不变、管道直径一定时，流体切割磁力线而产生的感应电势E的大小仅与流体的流 v 速有关。,式中： Ex 感应电势； B 磁感应强度； D 管道直径； v 流体速度。,当BD一定时，感应电势E与流速v成正比。,v= BDE,感应电势的方

15、向由右手定则判断，其大小为： E= BDv,体积流量Q与流速v的关系为：,将 v= BDE代入可得：,式中,称为仪表常数,感应电势E与被测流量Q成正比关系。,变送器结构 变送器由测量管和转换器两部分组成。 测量管两侧分别绕有马鞍形的励磁线圈。 为了避免直流磁场产生的直流感应电势使电极周围导电液体电解，导致电极表面极化，而减小感应电势，一般采用交流励磁。,为了避免磁力线被测量管的管壁短路，并使测量导管在磁场中尽可能地降低涡流损耗，测量导管应由非导磁的高阻材料制成，如不锈钢。但内壁必须涂一层绝缘衬里，如环氧树脂。以防止感应电势被短路。,优点： 测量导管内无任何阻碍物，因而被测流体的压力损失很小。

16、可以测量各种导电液体的流量，如酸、碱、盐溶液，流体可以含有固体颗粒、悬浮物或纤维等。 输出信号与流量之间的关系不受流体的物理性质（例温度、压力、粘度等）变化和流动状态的影响。 测量响应速度快，可用来测量脉动流量。,由于感应电势数值很小，后级采用高放大倍数的放大器，很容易受外界电磁场干扰的影响。,缺点 只能用来测量导电液体的流量，要求导电率不小于水的导电率。不能测量气体、蒸汽及石油制品等的流量。,2.4.8 旋涡式流量计 利用流体遇到阻碍物后产生的旋涡来测量流量。可以用来测量管道中的液体、气体和蒸汽的流量。旋涡式流量计有两类：旋进型旋涡流量计和卡曼型旋涡流量计（常称涡街流量计）。,涡街流量计测量原理 在测量管道中垂直插入一个非流线形的柱状物（圆柱或三角柱）作为阻流体。当流体受到阻碍物阻挡时，会在阻碍物的下游处产生两