流量检测仪表基础知识讲义

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第21页 共21页第四章 流量检测仪表1 概述（流量的概念和单位、流量检测方法及流量计分类） 在生产过程中，为了有效地进行操作、控制和监督，需要检测各种流体的流量。物料总量的计量还是经济核算和能源管理的重要依据。流量检测仪表是发展生产，节约能源，改进产品质量，提高经济效益和管理水平的重要工具，是工业自动化仪表与装置中的重要仪表之一。 流体的流量是指在短暂时间内流过某一流通截面的流体数量与通过时间之比，该时间足够短以致可认为在此期间的流动是稳定的。此流量又称瞬时流量。流体数量以体积表示称为体积流量，流体数量以质量表示称为质量流量。 流量的表达式为： 式中为体积流量，单位；为质量流量，；V为流体体积，m3；M为流体质量，Kg；t为时间；为流体密度，；为流体平均流速，；为流通截面面积，。 在某段时间内流体通过的体积或质量总量称为累计流量或总流量，它是体积流量或质量流量在该段时间的积分。 流量检测方法可以归为体积流量检测和质量流量检测两种方式，前者测 得流体的体积流量值，后者可以直接测得流体的质量流量值。 测量流量的仪表称为流量计，测量流体总量的仪表称为计量表或总量计。流量计通常由一次装置和二次仪表组成。一次装置安装于流道的内部或外部，根据流体与之相互作用关系的物理定律产生一个与流量有确定关系的信号，这种一次装置亦称流量传感器。二次仪表则给出相应的流量值大小。 流量计的种类繁多，各适合于不同的工作场合。按检测原理分类的典型流量计列在见下表。流量计的分类类别仪表名称体积流量容积式流量计椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、皮膜式流量计等差压式流量计节流式流量计、均速管流量计、弯管流量计、靶式流量计、浮子流量计等速度式流量计涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计等质量流量计推导式质量流量计体积流量经密度补偿或温度、压力补偿求得质量流量等直接式流量计科里奥利流量计、热式流量计、冲量式流量计等2. 容积式流量计 容积式流量计是直接根据排出体积进行流量累计的仪表，它利用运动元件的往复次数或转速与流体的连续排出量成比例对被测流体进行连续的检测。容积式流量计可以计量各种液体和气体的累积流量，由于这种流量计可以精密测量体积量，所以其类型包括从小型的家用煤气表到大容积的石油和天然气计量仪表，广泛地用作管理和贸易的手段。容积式流量计由测量室、运动部件、传动和显示部件组成。它的测量主体为具有固定标准容积的测量室，测量室由流量计内部的运动部件与壳体构成。在流体进、出口压力差的作用下，运动部件不断地将充满在测量室中的流体从人口排向出口。假定测量室的固定容积为V，某一时间间隔内经过流量计排出流体的固定容积数为，则被测流体的体积总量Q可知。容积流量计的流量方程式可以表示为：Q=nV。计数器通过传动机构测出运动部件的转数，n即可知，从而给出通过流量计的流体总量。在测量较小流量时，要考虑泄漏量的影响，通常仪表有最小流量的测量限度。容积式流量计的运动部件有往复运动和旋转运动两种形式。往复运动式有家用煤气表、活塞式油量表等。旋转运动式有旋转活塞式流量计、椭圆齿轮流量计、腰轮流量计等。各种流量计型式适用于不同的场合和条件。21 椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计的测量本体由一对相互啮合的椭圆齿轮和仪表壳体构成，其工作原理如下图所示。两个椭圆齿轮A、B在进出口流体压力差的作用下，交替地相互驱动，并各自绕轴作非匀角速度的转动。在转动过程中连续不断地将充满在齿轮与壳体之间的固定容积内的流体一份份地排出。齿轮的转数可以通过机械的或其他的方式测出，从而可以得知流体总流量。两个齿轮每转动一圈，流量计将排出4个半月形容积的流体。通过椭圆齿轮流量计的流体总量可表示为： Q=4nV0。式中n为椭圆齿轮的转数；Vo为半月形容积，两个半月形容积相等且恒定。齿轮的转数通过变速机构直接驱动机械计数器来显示总流量。也可以通过电磁转换装置转换成相应的脉动信号，由对脉动信号的计数就可以反映出总流量的大小。椭圆齿轮流量计适用于高粘度液体的测量。流量计基本误差为0.20.5；范围度为10：1；工作温度要低于120，以防止齿轮卡死。在使用时要注意防止齿轮的磨损与腐蚀，以延长仪表寿命。当被测液体的粘度3010-3Pas时，其压力损失0.04MPa。22 腰轮流量计 腰轮流量计的工作原理与椭圆齿轮流量计相同，它们的结构也相似，只是一对测量转子是两个不带齿的腰形轮。腰形轮形状保证在转动过程中两轮外缘保持良好的面接触，以依次排出定量流体，而两个腰轮的驱动是由套在壳体外的与腰轮同轴上的啮合齿轮来完成。因此它较椭圆齿轮流量计的明显优点是能保持长期稳定性。其工作原理见下图所示。 腰轮流量计可以测量液体和气体，也可以测高粘度流体。其基本误差为0.20. 5，范围度为10：1，工作温度120以下，压力损失小于0.02 MPa。23皮膜式家用煤气表皮膜式家用煤气表的工作原理如下图所示。在刚性容器中由柔性皮膜分隔而成工和、和四个计量室。可以左右运动的滑阀在煤气进出口差压的作用下作往复运动。煤气由人口进入，通过滑阀的换向依次进入气室工、或、，并排向出口。图中带箭头的实线表示气体进入的过程，带箭头的虚线表示气体排出的过程。皮膜往复一次将流过一定体积的煤气，通过传动机构和计数装置能测得往复次数，从而可知煤气总量。此仪表结构简单，使用维护方便，价廉，精确度可达2，是家庭专用仪表。其皮膜的运动如同风箱，故这种流量计也有风箱式流量计之称。（附加介绍家用自来水表原理）叶轮式流量计（测速型） 家用自来水表就是典型的叶轮式流量计，其用途只在于提供总用水量，以便按量收费。自来水表的结构如下图。自进水口1流入的水经筒状部件2周围的斜孔，沿切线方向冲激叶轮3。叶轮轴经过齿轮逐级减速，带动各个十进位指针以指示累积总流量，齿轮装在图中4处。此后，水流再经筒状部件上排各孔5，汇总至出水口6。 为了减少磨损，叶轮及各个齿轮都采用较轻而耐磨的塑料制造，这样也避免了锈蚀。叶轮式自来水表比较简单价廉，但精确度不高，一般只有2级左右。同样的原理也可以用在气体流量测量上，国产QBJA型高压力燃气表就是叶轮式，用在4kgf/ m2管路上，由降压至700mmH2O的燃气经五个喷嘴吹动叶轮。3. 差压流量计(节流式流量计)差压式流量计基于在流通管道上设置流动阻力件，流体通过阻力件时将产生压力差，此压力差与流体流量之间有确定的数值关系，通过测量差压值可以求得流体流量。最常用的差压式流量计是由产生差压的装置和差压计组合而成。流体流过差压产生装置形成静压差，由差压计测得差压值，并转换为流量信号输出。产生差压的装置有多种型式，包括节流装置：如孔板、喷嘴、文丘利管等，以及动压管、均速管、弯管等。其他型式的差压式流量计还有靶式流量计、浮子流量计等。节流式流量计可用于测量液体、气体或蒸汽的流量。这种流量计是应用 历史最长和最成熟的差压式流量计，至今在生产过程所用的流量仪表中仍占有重要地位。节流式流量计中产生差压的装置称节流装置，其主体是一个局部收缩阻力件，称为节流元件。通过节流元件改变流体流通截面，从而在节流元件前后形成压力差。节流装置分为标准节流装置和非标准节流装置两大类，标准节流装置的研究最充分，实验数据最完善，其型式已经标准化和通用化，只要根据有关标准进行设计计算，严格遵照加工要求和安装要求，这样的节流装置不需进行单独标定就可以使用。非标准节流装置用以解决脏污和高粘度流体的流量测量问题，尚缺乏足够的实验数据，故没有标准化。节流式流量计的特点是结构简单，无可动部件；可靠性较高；复现性能好；适应性较广，它适用于各种工况下的单相流体，适用的管道直径范围宽，可以配用通用差压计；装置又标准化。其主要缺点是安装要求严格；流量计前后要求较长直管段；测量范围窄，一般范围度为3：1；压力损失较大；对于较小直径的管道测量比较困难(Dd。， 则，于是，振荡将不断衰减。如果把晶体管和反馈变压器都看成是完全线性的元件，即把K和都当作与振荡幅度无关的参数，那么衔铁位置一旦使，振荡幅度便将愈来愈大，直到饱和，而一旦，振幅便会愈减愈小，直到完全停振。这就是说，杠杆上带的衔铁位置在d。附近只要有一个极微小的移动，就会使振荡幅度由一种极限状态进入另一个极限状态。这种两位式的工作特性相当于一个动态增益为无限大的放大器。3.3.3.2)振荡器线路实际上，这种振荡式放大器的灵敏度是有限的。这是因为晶体管和反馈变压器或多或少都存在非线性，所以K和实际上都与振荡幅度有关。设晶体管T1的基极正弦波输入电压VCD与集电极输出电压VAB (基波)的关系如图中曲线所示。若认为反馈变压器是完全线性的，则当衔铁离磁心某一距离d时，反馈特性可表示成图中的斜直线，其斜率，愈大，即反馈愈强，反馈线与横坐标的夹角愈小。在考虑振荡器内部非线性时，振荡幅度将随反馈强度连续变化，而不是前述的两位式跳变了。为了说明这一点，让我们先讨论一下振荡器的稳态振幅是怎样建立的。在图中，振荡器是一个闭环系统。设晶体管的基极上有一交流输入电压VCD，经晶体管放大后，在其集电极上有一相应的电压VAB输出，它经变压器反馈又回到基极。如果这反馈回来的电压与起始输入电压相等，那么这振荡幅度有可能稳定：如果不相等，就会产生增幅或减幅现象。从这个观点看问题，在图上，只有放大特性与反馈特性的两个交点O和Q两处可能建立这种平衡关系，因为只有在这两处，才有上述始末幅度相等的情况存在。但仔细分析一下，这两个平衡点中，实际上只有Q点是稳定的平衡点，而O点是不稳定的。要理解这一点，可设电路开始处于O点的状态，由于某一扰动，使晶体管基极电压由0变化到某一幅度V CD1。这一变化经晶体管放大后，在集电极上出现幅度为V AB1的正弦电压，其数值可由放大曲线上点“1”来确定。接着，此电压反馈回晶体管基极，由反馈特性上点“2”的位置得出反馈电压的幅度为V CD2。由图可见，这个电压比起始的扰动V CD1大，因此，以后的变化将按图中阶梯1234逐级上升，直到抵达Q点为止。这个过程实际上就是振荡器幅度建立的过程。对于Q点，若有扰动使其偏离平衡状态，它仍会自动回到平衡点，例如，若扰动使振幅比Q点为小，则经闭合循环， 反馈回来的值比上一次的值大，因而振幅回升，重又回到Q点。因此，反馈特性斜率大于放大特性斜率的交点Q点是稳定的平衡点。经过这样的讨论，我们就不难理解，若连续地改变反馈程度，即改变图中反馈线的斜率时，可以连续地改变振荡幅度了。在图中，若杠杆带动衔铁，使其与磁芯的距离由d1减小到d2、d3时，对应于不同的值的三条反馈线，将与放大特性交于Q1、Q2、Q3，振荡器将获得不同的稳定振荡幅度，画出振荡幅度VAB与衔铁距离d的关系图可看出，它与前面把放大与反馈环节都看成线性的分析结论具有原则的区别。图中表明，这个由位移控制的振荡器具有连续的输出特性，从外部特性来看，它和一般的位移检测放大器非常相似。这种振荡式位移检测器的特点是线路十分简单，对电路本身的增益并不要求很大，对电源的要求不高，工作可靠，而检测灵敏度却相当好，一般杠杆只要偏移百分之几毫米，即可使输出振幅由0变至最大。这个位移检测放大器的振荡频率f0由差动变压器原边线圈电感LAB及电容C4决定：，一般为10千赫左右。3.3.3.3)位移检测放大器的电路及安全防爆措施下图是这种位移检测放大器的完整电路，振荡器输出电压VAB经二极管D4检波，R8、R4、C5滤波后，由T2、T3接成的复合管通过射极电阻R3上强烈的电流负反馈，将检波电压转换为恒流输出。这里使用复合管的目的，不仅在于提高该级的输入阻抗，减轻振荡器的负载影响，同时也为了改善输出电流的恒流性能，即不管变送器的负载电阻大小如何(在允许范围内)，都不影响输出电流的数值。线路中其它一些元件的作用是：电阻R6与二极管D1、D2构成晶体管T1的偏置电路。二极管D3、D10、D11、D12、D13用以限制电解电容C2、C5两端的电压，从而限制可能积累于电容中的能量，防止电容放电时产生非安全的火花。二极管D5、D6防止反馈线圈开路时发生火花。这一变送器电路只要在供电电源上再加限压、限流及隔离电路，使从电源进入的电压、电流不超过规定范围，并防止与其它高电平电路直接碰线，引入危险能量，便可达到安全火花防爆的要求，能用于石油；化工等易燃易爆场所。上图的变送器是一下典型的两线式变送器，从现场的变送器到控制室之间，只需两根导线互相联系。这两根导线既是电源的供电线，又是信号的传输线。两线制变送器由于布线方便，有利于采取安全火花防爆措施；活零点的信号制更便于发现断电、断线等故障，提高运行的可靠性，因此受到使用单位的广泛欢迎。4. 靶式、转子流量计4.1) 靶式流量计 在管流中垂直于流动方向安装一圆盘形阻挡件，称之为“靶”。流体经过时，由于受阻将对靶产生作用力，此作用力与流速之间存在着一定关系。通过测量靶所受作用力，可以求出流体流量。靶式流量计构成如下图所示。圆盘靶所受作用力，主要是由靶对流体的节流作用和流体对靶的冲击作用造成的。若管道直径为D，靶的直径为d，环隙通道面积，则可求出体积流量与靶上受力F的关系为：。式中v为流体通过环隙截面的流速；ka为流量系数；F为作用力；为流体的密度。 流量系数ka的数值由实验确定。实验结果表明，在管道条件与靶的形状确定的情况下，当雷诺数Re超过某一限值后，ka趋于平稳，由于此限值较低，所以这种方法对于高粘度、低雷诺数的流体更为合适。使用时要保证在测量范围内，使ka值基本保持恒定。 靶式流量计的测量方法与差压变送器类似，通过杠杆机构将靶上所受力引出，按照力平衡方法将此力转换为相应的电信号或气信号（目前专门生产有与靶配合的力平衡式靶式流量变送器），由显示仪表显示流量值。靶式流量计与差压流量计不同的是：它是使用悬在管道中央的靶作为节流元件,且输出信号不是取节流元件前后的差压,而是取流体作用于靶上的推力F理论分析与实验证明,流体作用于靶上的推力F与流体流速v的平方成正比例关系:,为靶的推力系数,为靶的受力面积,为流体比重,为重力加速度,为靶与管壁间环形间隙中流体平均流速.由此可写出通过管道的体积流量.所以只要测量靶上的推力F,便可得知流量的大小.为此可使用前面讨论过的力平衡式变送器的原理,将力变为电信号.目前,专门生产有与靶配合的力平衡式靶式流量变送器.4.2)转子流量计（浮子流量计）浮子流量计也是利用节流原理测量流体的流量，但它的差压值基本保持不变，是通过节流面积的变化反映流量的大小，故又称恒压降变截面流量计，由于其工作时浮子不停的转动，因此也称作转子流量计。浮子流量计可以测量多种介质的流量，更适用于中小管径、中小流量和较低雷诺数的流量测量。其特点是结构简单，使用维护方便，对仪表前后直管段长度要求不高，压力损失小而且恒定，测量范围比较宽，刻度为线性。浮子流量计测量精确度为2左右。但仪表测量受被测介质的密度、粘度、温度、压力、纯净度影响，还受安装位置的影响。浮子流量计测量主体由一根自下向上扩大的垂直锥管和一只可以沿锥管轴向上下自由移动的浮子组成，如下图所示。流体由锥管的下端进入，经过浮子与锥管间的环隙，从上端流出。当流体流过环隙面时，因节流作用而在浮子上下端面产生差压形成作用于浮子的上升力。当此上升力与浮子在流体中的重量相等时，浮子就稳定在一个平衡位置上，平衡位置的高度与所通过的流量有对应的关系，这个高度就代表流量值的大小。 根据浮子在锥管中的受力平衡条件，可以写出力平衡公式：式中为差压；Sf、Vf分别为浮子的截面积和体积；、分别为浮子密度、流体密度；g为重力加速度。 将此恒压降公式代人节流流量方程式，则有：式中 S0为环隙面积，它与浮子高度h相对应；为流量系数。 对于小锥度锥管，近似有S0=ch，系数c与浮子和锥管的几何形状及尺寸有关。则流量方程式写作： 上式给出了流量与浮子高度之间的关系，这个关系近似线性。 流量系数与流体粘度、浮子形式、锥管与浮子的直径比以及流速分布等因素有关，每种流量计有相应的界限雷诺数，在低于此值情况下。不再是常数。流量计应工作在。为常数的范围，即大于一定的Re范围。 浮子流量计有两大类型：采用玻璃锥管的直读式浮子流量计和采用金属锥管的远传式浮子流量计。 直读式浮子流量计主要由玻璃锥管、浮子和支撑结构组成。流量表尺直接刻在锥管上，由浮子位置高度读出流量值。玻璃管浮子流量计的锥管刻度有流量刻度和百分刻度两种。对于百分刻度流量计要配有制造厂提供的流量刻度曲线。这种流量计结构简单，工作可靠，价格低廉，使用方便，可制成防腐蚀仪表，用于现场测量。 远传式浮子流量计可采用金属锥形管，它的信号远传方式有电动和气动两种类型，测量转换机构将浮子的移动转换为电信号或气信号进行远传及显示。下图所示为电远传浮子流量计工作原理。其转换机构为差动变压器组件，用于测量浮子的位移。流体流量变化引起浮子的移动，浮子同时带动差动变压器中的铁心作上、下运动，差动变压器的输出电压将随之改变，通过信号放大后输出的电信号表示出相应流量的大小。 代入式(6-29)可以得到.故可用转子的高度表示流量(见课本图6-13)在测量中,浮子有两种形式,一种在工作中旋转的;另一种是不旋转的(为了能在锥管中定位常采用芯杆,见课本图6-14)5. 电磁流量计 对于具有导电性的液体介质，可以用电磁流量计测量流量。电磁流量计基于电磁感应原理，导电流体在磁场中垂直于磁力线方向流过，在流通管道两侧的电极上将产生感应电势，感应电势的大小与流体速度有关，通过测量此电势可求得流体流量。电磁流量计是目前工业中测量导电液体流量的常用仪表。它的应用范围很广，可以测量各种腐蚀介质：酸、碱、盐溶液以及带有悬浮颗粒的浆液。它也可用于测量食品工业、医药卫生、自来水和污水处理等各部门中液体流量。它测量的体积流量小至每小时数滴大至几万立方米。 电磁流量计的测量原理如下图所示。感应电势正与流速的关系由下式表示：E=BDv 式中B为磁感应强度；D为管道内径；v为流体平均流速。感应电势与流速v成对应关系，则流体体积流量可以求得。其流量方程式可写作：可见，体积流量与感应电势成正比。在实际工作中由于永久磁场产生的感应电势为直流，可导致电极极化或介质电解，引起测量误差，所以在工业用仪表中多采用交变磁场。此时：。感应电势：流量：可见，只要设法测量出就可以得到流量，在求流量时，应进行运算，在电磁流量计中常用霍尔元件实现这一运算。 电磁流量计的测量主体由磁路系统、测量导管、电极和调整转换装置等组成。流量计结构如图所示，由非导磁性的材料制成导管，测量电极嵌在管壁上，若导管为导电材料，其内壁和电极之间必须绝缘，通常在整个测量导管内壁装有绝缘衬里。导管外围的激磁线圈用来产生交变磁场。在导管和线圈外还装有磁轭，以便形成均匀磁势和具有较大磁通量。5.2）结构见课本图6-195.3）电磁流量计中对干扰的抑制电磁流量计的基本原理很早就发现，但由于信号十分微弱，各种干扰因素很多，始终未能用于生产。指导近几十年才使问题得到解决。目前使用的电磁流量计都采用50Hz电源直接供电，最后输出一个和流量成正比的电流信号。在研究中如何设计一个能抑制各种干扰因素影响的转换电路，是保证流量测量精度的关键。下面主要介绍电磁流量计的干扰及消除方法。5.3.1）正交干扰及其抑制原因：一是在电极引线、放大器输入端和被测介质构成的输入回路中，由于交变磁场作用，产生一个附加的感应电动势，其相位和流量信号电动势成90度。另一个原因是交变磁通在被测导电流体中产生涡流。如果磁场在电极两侧产生的涡流不对称，那么，两电极之间会产生附加的正交干扰电位差。消除正交干扰的方法很多，目前采用的主要方法：一是利用信号引出线自动补偿，另一是在主放大器中对90度干扰信号进行深度负反馈，而后采用相敏电路，使正交干扰大大削弱。通常同时采用这两种措施。5.3.2）电源电压与频率波动影响及补偿变送器中应用霍尔元件构成的乘法器进行深度负反馈，来克服电源波动的影响。5.3.3）流量计原理框图在正向通路和反馈回路的系数乘积远大于1时, 它与电源电压频率无关，因而自动补偿了因电源电压、频率波动而形成的磁感应强度B变化而对测量值引起的影响。6. 超声流量计超声流量计利用超声波在流体中的传播特性实现流量测量。超声波在流体中传播，将受到流体速度的影响，检测接收的超声波信号可以测知流速，从而求得流体流量。 超声波测量流量有多种方法，按作用原理有传播速度差法、多普勒效应法、声束偏移法、相关法等，在工业应用中以传播速度法最普遍。传播速度差法利用超声波在流体中顺流传播与逆流传播的速度变化来测量流体流速。测量方法可用时间差法、相差法和频差法。其测量原理如下图所示，在管道壁上，从上、下游两个作为发射器的超声换能器T1、T2发出超声波，各自到达下游和上游作为接收器的超声换能器R1、R2。流体静止时超声波声速为c，流体流动时顺流和逆流的声速将不同。两个传播时间与流速之间的关系可写作：、式中t1为顺流传播时间；t2为逆流传播时间；L为两探头间距离；v为流体平均流速。一般情况下cv，则时间差与流速的关系为： 测得时间差就可知流速。采用频差法时，列出频率与流速的关系式： 、。则频率差与流速的关系为：。采用频差法测量可以不受声速的影响，不必考虑流体温度变化对声速的影响。超声换能器通常由压电材料制成，通过电致伸缩应和压电效应，发射和接收超声波。流量计的电子线路包括发射、接收电路和控制测量电路，可显示瞬时流量和累积流量。超声流量计可夹装在管道外表面，仪表阻力损失极小，还可以做成便携式仪表，探头安装方便，通用性好。这种仪表可以测量各种液体的流量，包括腐蚀性、高粘度、非导电性流体。近年来测量气体流量的仪表也已问世。超声流量计尤其适于大口径管道测量，多探头设置时最大口径可达几米。超声流量计的范围度一般为20：1，误差为2一3。但由于测量电路复杂，价格较贵，目前多用在不能适于其他流量计的地方。习题：1. 节流装置测量流量,现配备了一DDZ-III型差压变送器,其测量范围为:0-12000Pa,对应流量为0-480m3/h.当差压变送器输出信号为16mA时,差压为多少?流量为多少?2. 叙述转子流量计原理.3. 叙述电磁流量计原理.第 21 页 共 21 页