化工仪表及自动化：chap04 流量测量及变送

第四章 流量测量及变送 第一节 概述 第二节 差压式流量计 第三节 靶式流量计 第四节 容积式流量计 第五节 转子流量计 第六节 质量流量计 第七节 其它流量计 小 结第一节 概述 一、流量的定义和单位 二、流量仪表的分类一、流量的定义和单位 u1、瞬时流量、瞬时流量 （1）体积瞬时流量 单位时间内流经某一有效截面的流体体积。AQ 常用单位：L/h，m3/h 等。（2）质量瞬时流量 单位时间内流经某一有效截面的流体质量。Q常用单位：t/h，kg/h 等。单位时间内流过某一截面的流体数量。一、流量的定义和单位 u2、累积流量(总量)（1）体积累积流量 某一段时间内流经某一有效截面的流体体积总和。tQdtQ0总总常用单位：L，m3 等（2）质量累积流量 某一段时间内流经某一有效截面的流体质量总和。tMdtM0总总常用单位：t，kg 等 测量瞬时流量的仪表一般称流量计，测量累积流量(总量)的仪表称为计量表（总量表）。某一段时间内流经某一有效截面的流体总和。一、流量的定义和单位 u3、气体的体积流量换算关系、气体的体积流量换算关系 气体体积与温度、压力有关：（1）当用于贸易结算时，采用标况流量：标准立方米/h,Nm3/h（2）对于工艺上，可采用工况流量：立方米/h,m3/h或采用标况流量：标准立方米/h,Nm3/h标准状态：压力是1个标准大气压，即101.325 kPa，但是温度就不尽相同，分为三种：（1）1954年第十届国际计量大会(CGPM)协议：温度273.15K（0）世界各国科技领域广泛采用这一标准状态。（2）国际标准化组织和美国国家标准规定：288.15K（15）（3）我国天然气流量的标准孔板计算方法：293.15K（20）一、流量的定义和单位 u3、气体的体积流量换算关系、气体的体积流量换算关系 其换算公式为202000QTTQ9318.015.29315.273200200020020TTTPTPQ0=0.9318 Q20 Q00=Q2020=Q1515=Q（2）由理想气体定律：）由理想气体定律：RTZMP （1）质量流量相等：）质量流量相等：物理标准状态：0，1标准大气压（0.101325MPa）工业标准状态：20，1标准大气压（0.101325MPa）第一节 概述 一、流量的定义和单位 二、流量仪表的分类一、流量测量仪表的分类 u 1、速度式流量计 u 2、容积式流量计 u 3、质量式流量计 流速的测量 流量按固定体积分份，然后累积 流体的质量测量差压式vP漩涡v频率靶式v力F流量流量转子v位移流量测量及变送基本概念单位和含义流量仪表分类速度式差压式靶式容积式椭圆齿轮罗茨刮板质量流量计转子电磁旋涡涡轮V锥超声波第四章 流量测量及变送 第一节 概述 第二节 差压式流量计 第三节 靶式流量计 第四节 容积式流量计 第五节 转子流量计 第六节 质量流量计 第七节 其它流量计 小 结第二节 差压式流量计 一、节流原理 二、流量计构成 三、流量计算 四、特点和适用场合差压式流量计节流原理差压和流量的关系影响因素流量计构成标准节流装置计算差压和流量介质密度变化标准节流元件取压方式前后直管段安装三阀组启停顺序特点精度应用场合影响因素差压变送器量程变化一、节流原理 利用了动压能与静压能转换的原理。流体流经节流元件将QP，测量P进行流量测量。节流原理节流元件：改变管道中流体流通面积的元件。节流元件一、节流原理 流量方程式的推导 2222222111vPvP221121vAvAQQ2141DA 2241dA 2221vDdv PDddQ2114442Dd一、节流原理 PDddQ2114442Dd042/=/1CQApKp实际化直径比，=d/D；C 流出系数；节流装置上游流体密度；D 工作条件下上游管道内径；P 节流装置前后测得的差压；可膨胀性系数（液体=1；可压缩流体 1）。A0 节流件的开孔截面积；d 工作条件下节流件的孔径；0421CMApKp一、节流原理 042/=/1CQApKp直径比，=d/D；C 流出系数；节流装置上游流体密度；D 工作条件下上游管道内径；P 节流装置前后测得的差压；可膨胀性系数（液体=1；可压缩流体 喷嘴 文丘利管加工安装难度：孔板 喷嘴 文丘利管成本：孔板 喷嘴 文丘利管二、流量计构成 1、节流装置优点缺点标准孔板应用广泛，结构简单，安装方便，适用于大流量的测量流体经过孔板后压力损失大，当工艺管道上不允许有较大的压力损失时，便不宜采用。标准喷嘴和标准文丘里管压力损失较孔板小结构比较复杂，不易加工二、流量计构成 2、标准取压方式（装置）同一节流元件，相同流量下，取压方式不同，系数K则不同，故Q与p关系不同。（1）角接取压（2）法兰取压（3）径距取压适于孔板、喷嘴适于孔板适于孔板、喷嘴二、流量计构成 2、标准取压方式（装置）（1）角接取压 紧靠节流件前后端面取压，又分为单独钻孔取压和环室取压，适于孔板、喷嘴。1）单独钻孔取压 直接在紧靠节流元件两侧的两个夹紧环或法兰上钻孔取压，比较方便。适用于管径大于200mm的流量测量。二、流量计构成 2、标准取压方式（装置）（1）角接取压2）环室取压 紧贴节流元件上、下游两侧各有一个环室，流体产生的静压进入环室，起到均衡管内各个方向静压的作用。取压均匀，测量误差小，但加工和安装复杂。用于400mm以下管径，精度高。二、流量计构成 2、标准取压方式（装置）（2）法兰取压 距节流件前后端面1英寸(25.4mm)处取压。仅适用于孔板。（3）径距取压 均距节流元件前端面1D、后端面D/2处取压，适用于孔板和喷嘴。二、流量计构成 2、标准取压方式（装置）单独钻孔取压单独钻孔取压环室环室取压取压法兰取压法兰取压二、流量计构成 2、标准取压方式（装置）角接取压角接取压法兰取压法兰取压径距取压径距取压对同一个节流元件，不同的取压方式，K不同。/pKQ二、流量计构成 3、三阀组与引压管路 在引压管路接至差压计之前，必须安装三阀组。若被测介质有腐蚀性，还必须加装隔离罐。截止阀与排放阀，可用于对隔离罐进行冲洗和排污之用。切断阀平衡阀二、流量计构成 3、三阀组与引压管路（1）防止差压计启动和停运时，因单向受压损坏启动顺序：（假设全关）打开平衡阀2；打开切断阀1或3（先后无关）；关闭平衡阀2;打开切断阀3或1（先后无关）关闭顺序：关闭切断阀1、3（先后无关）；打开平衡阀2。（2）差压计回零检查三阀组三阀组作用二、流量计构成 3、三阀组与引压管路三阀组二、流量计构成 4、差压计 凡是可测量差压的仪表均可作为差压式流量计中的差压计使用。也分就地指示和远传。二、流量计构成 4、差压计 凡是可测量差压的仪表均可作为差压式流量计中的差压计使用。远传-差压变送器 将p 线性转换为 Io(420mA)信号输出。二、流量计构成 一体化差压流量计第二节 差压式流量计 一、节流原理 二、流量计构成 三、流量计算 四、特点和适用场合三、流量计算流量Q标准节流装置差压p差压变送器IopKQ0Qmax0 p max420mA41pKIo方法：（1）先计算出K（2）直接相比122121ppQQ442121ooIIpp三、流量计算例1：用一台电容式差压变送器与标准节流装置配套测量流量（假设密度不变)，变送器的测量范围为0100kPa，对应流量为0200m3h，问：变送器输出为12mA时，测量的流量应是多少m3h?若所测流量为100m3h时，问输出应是多少mA?密度未知且不变，可采用方法2maxmaxppQQ4204maxoIpp由变送器输出与被测变量的换算关系式P=（12-4）/(20-4)100=50kPahmQPPQ/42.141200100503maxmax三、流量计算 用一台电容式差压变送器与标准节流装置配套测量流量（假设密度不变)，变送器的测量范围为0100kPa，对应流量为0200m3h，问：变送器输出为12mA时，测量的流量应是多少m3h?若所测流量为100m3h时，问输出应是多少mA?密度未知且不变，可采用方法2maxmaxppQQ4204maxoIpp由流量与差压的关系kPaPQQP251002001002max2max I=(25/100)16+4=8mA 三、流量计算 用一台电容式差压变送器与标准节流装置配套测量流量（假设密度不变)，变送器的测量范围为0100kPa，对应流量为0200m3h，问：变送器输出为12mA时，测量的流量应是多少m3h?若所测流量为100m3h时，问输出应是多少mA?也可采用方法1maxmaxpKQpKQKpQmaxmaxQ三、流量计算例例2：用一台差压变送器与节流装置配用测量流量，原先设计流量范围0-125m3/h，差压范围0-80kPa，密度103kg/m3。实际用于测量密度800kg/m3的介质流量，实际流量范围为多少？当差压变送器输出12mA时，实际流量为多少？由题意可知，差压变送器已经装好，不会换，所以变送器的输入范围为080kPa不变；K跟取压方式、节流元件类型等有关，由于这些都不变，因此K是不变的；变化的只是流量范围。采用方法1：pKQ94.441801000125maxmaxpQK原原（1）三、流量计算例例2：用一台差压变送器与节流装置配用测量流量，原先设计流量范围0-125m3/h，差压范围0-80kPa，密度103kg/m3。实际用于测量密度800kg/m3的介质流量，实际流量范围为多少？当差压变送器输出12mA时，实际流量为多少？采用方法1：pKQ94.441801000125maxmaxpQK原原hmpKQ/75.1398008094.4413maxmax实实（1）三、流量计算例例2：用一台差压变送器与节流装置配用测量流量，原先设计流量范围0-125m3/h，差压范围0-80kPa，密度103kg/m3。实际用于测量密度800kg/m3的介质流量，实际流量范围为多少？当差压变送器输出12mA时，实际流量为多少？采用方法1：kPap4080420412hmpKQ/82.988004094.4413实实（2）方法2自己练习第二节 差压式流量计 一、节流原理 二、流量计构成 三、流量计算 四、特点和适用场合四、特点和适用场合l 压损大，刻度非线性。l 介质密度变化时要修正。l广泛用于粘度较小的单相液体、气体或蒸汽的大中小流量测量和控制。l结构简单，无可动部件，维护量小，灵敏度高，可不用标定，应用技术成熟，成本低 l安装要求严格，节流件必须与管道垂直，同心，上下游有直管道要求，一般前20D，后7D。l差压式流量计的工作状态与设计时不符，则会造成较大的测量误差，必须加以修正。第四章 流量测量及变送 第一节 概述 第二节 差压式流量计 第三节 靶式流量计 第四节 容积式流量计 第五节 转子流量计 第六节 质量流量计 第七节 其它流量计 小 结第三节 靶式流量计 一、工作原理 二、流量计的结构 三、特点和适用场合一、工作原理 利用流体动压原理，动压F。1-靶片；2-轴封膜片；3-杠杆；4-测量管。一、工作原理 1-靶片；2-轴封膜片；3-杠杆；4-测量管。221vAKFddKd比例常数，与靶形状及雷诺数有关；Ad垂直于流速的靶面积，流体密度；v环形流通截面平均流速。靶上作用力靶上作用力可分为三部分：可分为三部分：（1）流体对靶的冲击力，即流体动压力。（2）靶节流作用，在前后侧产生的压差。（3）流体对靶的粘滞摩擦力。一、工作原理 1-靶片；2-轴封膜片；3-杠杆；4-测量管。221vAKFddvAQ0环形流通面积 0AvdDQ)(422FKkdFdD212)(422Kd比例常数，与靶形状及雷诺数有关；Ad垂直于流速的靶面积；流量QFD-管径；d-靶片直径；第三节 靶式流量计 一、工作原理 二、流量计的结构 三、特点和适用场合二、流量计的结构 靶式流量计测量部分转换部分应变片转换机构力矩平衡转换机构流量QFFIoR1,R3R2,R4R1，R3由于受到拉伸应变而增大；R2，R4由于受到压缩应变而减小；R1R2R4R3U第三节 靶式流量计 一、工作原理 二、流量计的结构 三、特点和适用场合三、特点和适用场合 1.可测量含杂质的脏污流体、高温渣油、浆液、沥青等2.特别适合高粘度，低雷诺数流体。3.用于小口径(DN15200)。4.可测压力高达数十MPa，温度达450。5.压力损失较低，约为标准孔板的一半。6.感测件为无可动部件，结构简单牢固。7.靶前应有8D长的直管段，靶后应有5D长的直管段 高流速冲击靶板，其后产生涡流，输出信号会发生振荡，影响信号的稳定性。例3-1：用一台靶式流量计测量流量，设计流量范围0-125m3/h，密度103kg/m3。当变送器输出12mA时，实际流量为多少？例例3-2：用一台靶式流量计测量流量，原先设计流量范围0-125m3/h，密度103kg/m3。实际用于测量密度800kg/m3的介质流量，实际流量范围为多少？当差压变送器输出12mA时，实际流量为多少？第四章 流量测量及变送 第一节 概述 第二节 差压式流量计 第三节 靶式流量计 第四节 容积式流量计 第五节 转子流量计 第六节 质量流量计 第七节 其它流量计 小 结第四节 容积式流量计 一、工作原理 二、椭圆齿轮流量计 三、腰轮流量计 四、刮板流量计 五、特点和适用场合常用：椭圆齿轮流量计、罗茨流量计(腰轮流量计)、刮板流量计、旋转活塞流量计等。一、工作原理 将流体连续地分割成固定体积的单元流体，测量元件的动作次数得到体积总量。即容积分界法。0kNVQ V0 固定体积；N 测量元件的转数；k 与流量计结构有关的系数。第四节 容积式流量计 一、工作原理 二、椭圆齿轮流量计 三、腰轮流量计 四、刮板流量计 五、特点和适用场合二、椭圆齿轮流量计ABA为主动轮B为从动轮 A为主动轮B为主动轮 A为从动轮B为主动轮 ABABQ=4n V0 流量计量流量计量二、椭圆齿轮流量计Q=4n V0 流量计量 就地指示机械计数器原理，可显示累积流量 远传光电转换，磁电转换 椭圆齿轮流量计的适用管径为10250mm 测量流量范围为0.005500m3/h（中小流量）更宜用于测量高粘度液体。第四节 容积式流量计 一、工作原理 二、椭圆齿轮流量计 三、腰轮流量计 四、刮板流量计 五、特点和适用场合三、腰轮流量计（罗茨）两个腰轮不直接接触，表面是光滑的；两个腰轮分别固定在轴上。由轴上伸出在壳体外的两个齿轮传动，这样仪表不易被尘埃卡死；可用于气体和液体的测量，应用最广；精度一般为0.2级，最高可达0.1级，标准流量计之一；测量流量范围为0.12500m3/h。第四节 容积式流量计 一、工作原理 二、椭圆齿轮流量计 三、腰轮流量计 四、刮板流量计 五、特点和适用场合三三 刮板刮板流量计流量计 四、刮板流量计u每当相邻两刮板进入计量区时均伸出至壳体内壁且只随转子旋转而不滑动，形成具有固定容积的测量室；u在流量计测量室内有两对或三对两对或三对可旋转的刮板；u当离开计量区时，刮板缩入槽内；u转子旋转一周，排出4份固定体积的流体，由转子的转数就可以求得被测流体的流量。三三 刮板刮板流量计流量计 四、刮板流量计凸轮式刮板流量计工作示意图 第四节 容积式流量计 一、工作原理 二、椭圆齿轮流量计 三、腰轮流量计 四、刮板流量计 五、特点和适用场合五、特点和适用场合5.要求被测流洁净，在流量计前加装过滤器。6.压损大。结构复杂、体积笨重，故适合于中、小口径，10-150mm。7.不适用于高温或低温场合。温度范围：-30160，压力104流体测量。蒸汽 液体 气体 二、旋涡流量计u 1、涡街流量计缺点：(1)不适用于低雷诺数测量，在高粘度、低流速、小口径情况下应用受到限制；(2)测量的是平均速度，需要直管段；(3)因采用流体振动原理，安装地点应避免机械振动；(4)流体流速分布情况和脉动情况将影响测量准确度；(5)旋涡发生体被沾污也会引起误差。二、旋涡流量计u 2、旋进旋涡流量计 壳体(文丘利管)；起旋器（旋涡发生器）；频率感测件；消旋器；转换器。流体强迫振动-涡流进动原理组成：二、旋涡流量计u 2、旋进旋涡流量计工作过程：1）旋涡发生器的导流叶片迫使流体产生旋转运动；2）流体到达文氏管的收缩段时流速加大产生旋涡流，涡流绕自身轴线旋转；3）当旋涡流体进入扩散段后，由于流速减慢，旋转流体受到回流的作用，被迫进行二次旋转，形成陀螺式的涡流进动现象，故称旋进旋涡。涡流进动：涡流的轴线绕主流轴线旋转运动，并继续随着主流前进，形成类似锥形螺旋线的前进运动二、旋涡流量计u 2、旋进旋涡流量计工作过程：旋进漩涡流量计工作示意图Q=f/K 由于涡流进动运动，旋涡偏心旋转。管道截面切线方向的速度分量按进动频率周期性的变化。切线方向发出与进动频率相同的压力脉冲，与流量成正比。用一个（或两个）压电传感器测量压力变化频率。二、旋涡流量计u 2、旋进旋涡流量计特点：（1）特别适合于各类流速低、粘度大、密度小的介质的测量，如管道煤气、石油液化汽、天然气、氢气以及各类低流速液体。（2）有直管段要求，由于抗来流能力强，前后直管段长度比涡街流量计短。前5D,后1D；优缺点基本上与涡街流量计类似。区别在于：（3）压力损失要比涡街流量计大得多，大约为涡街的510倍。（4）测得的是整个漩涡的中心速度,所以测量精度较高，而涡街流量计只能测得局部漩涡的速度,测量精度要低些。第七节第七节 其它流量计其它流量计 一、电磁流量计一、电磁流量计 二、旋涡流量计二、旋涡流量计 三、涡轮流量计三、涡轮流量计 四、四、V锥流量计锥流量计 五、超声波流量计五、超声波流量计三、涡轮流量计三、涡轮流量计 采用多叶片的转子(涡轮)感受流体平均流速,将流速转换为涡轮的转速，再将转速转换成与流量成正比的电信号。T：推动涡轮转动的力矩；Ti：阻力矩，包括流体阻力矩、机械摩擦阻力矩和电磁系统阻力矩；niiTTdtdJ1 涡轮运动方程为（动量矩守恒原理）J：涡轮的转动惯量；w：涡轮转动角速度；三、涡轮流量计三、涡轮流量计T：推动涡轮转动的力矩；Ti：阻力矩；niiTTdtdwJ1J：涡轮的转动惯量；w：涡轮转动角速度；流量恒定时力矩平衡：dw/dt=0流量变化时：推动力矩大于阻力矩，dw/dt0，涡轮作加速或减速旋转，经一段时间达到新稳态。稳态方程三、涡轮流量计三、涡轮流量计流量系数 流量与脉冲频率的关系为：流量与脉冲频率的关系为：121AQAvffK 涡轮以角速度作匀速旋转，与流速成正比：12wfK v转速的测量：转速的测量：叶轮的转动周期地改变磁电转换器的磁阻值。检测线圈中的磁通随之发生周期性变化，产生周期性的感应电势，即电脉冲信号。三、涡轮流量计三、涡轮流量计(4)结构复杂，有可动部件，安装维修不方便，成本高，寿命短；(1)精度高（0.10.5%），可作准确计量仪表。(6)只能测洁净介质，否则加装过滤器。有直管段要求，前10D，后5D。(5)受介质密度，粘度变化影响。适用于气体和低粘度液体的流量测量。(2)反应迅速，可测脉动流量，线性。(3)量程比宽，中大口径可达40：1-10：1，小口径为6：1或5：1。(7)不能用于较高粘度液体。随着粘度的增大，流量计测量下限值提高，范围度缩小，线性度变差。第七节第七节 其它流量计其它流量计 一、电磁流量计一、电磁流量计 二、旋涡流量计二、旋涡流量计 三、涡轮流量计三、涡轮流量计 四、四、V锥流量计锥流量计 五、超声波流量计五、超声波流量计四、四、V锥流量计锥流量计差压式流量计存在：精度低、测量范围度窄、易磨损、现场安装条件要求高，不能测量混相流、脏污流等一系列问题；V锥流量计：改变了节流布局，从传统的中心孔节流改为环状节流，即V锥是利用一流线型圆锥体悬挂在管道中心将流体逐渐收缩到管道内边壁，这种新颖的节流效应使其具有自整流、自清洗、自保护特性，从现场实际使用情况看，V锥传感器流量测量效果优于其它差压式流量计，为差压式流量计的使用揭开了崭新的一页。第七节第七节 其它流量计其它流量计 一、电磁流量计一、电磁流量计 二、旋涡流量计二、旋涡流量计 三、涡轮流量计三、涡轮流量计 四、四、V锥流量计锥流量计 五、超声波流量计五、超声波流量计五、超声波流量计五、超声波流量计超声波流量计是一种非接触式仪表，它既可以测量大管径的介质流量也可以用于不易接触和观察的介质的测量。它的测量准确度很高，几乎不受被测介质的各种参数的干扰，尤其可以解决其它仪表不能解决的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。第四章 流量测量及变送 第一节 概述 第二节 差压式流量计 第三节 靶式流量计 第四节 容积式流量计 第五节 转子流量计 第六节 质量流量计 第七节 其它流量计 小 结小小 结结二、差压式流量计二、差压式流量计二、靶式流量计二、靶式流量计瞬时、累积、体积、质量一、流量类型一、流量类型1）节流原理:动静压能转换；恒截面，变压差；2）标准节流装置概念、特点元件（各自特点）；取压（特点、适用元件）；三阀组(作用、启停）；3）计算；4）适用场合、缺点；1)原理:流体动压原理；2)适用场合；3）计算；小小 结结1)将流量转换为什么？2)测量过程中什么变化？什么不变？3)适用于何种场合？4）刻度为何修正？出厂时标定的条件和介质？5）计算；三、转子流量计三、转子流量计1)原理，有哪些类型？2)误差和什么有关？3)特点和适用场合，是否需要直管段？为什么？4）是否需要外加能源？四、容积式流量计四、容积式流量计小小 结结1)原理2)适用于何种介质？能测气体吗？为什么？五、电磁流量计五、电磁流量计1)原理，有哪些类型？有什么区别？输出什么信号？2)特点和适用场合，是否需要直管段？六、旋涡式流量计六、旋涡式流量计1)原理2)特点和适用场合七、涡轮流量计七、涡轮流量计1)原理2)特点和适用场合八、质量流量计八、质量流量计掌握各流量计的原理、特点、适用介质、工作条件、流量与输出的关系等。小小 结结1、输出与输入是线性的有哪些流量计？、输出与输入是线性的有哪些流量计？2、哪个流量计是测小流量的？哪些可以测大流量？、哪个流量计是测小流量的？哪些可以测大流量？3、哪些流量计不怕磨损？哪些流量计要求必须洁净介、哪些流量计不怕磨损？哪些流量计要求必须洁净介质？质？4、哪些流量计要求前后直管段？哪些不要求？、哪些流量计要求前后直管段？哪些不要求？5、哪些流量计精度高？哪些可以用于油品贸易中？、哪些流量计精度高？哪些可以用于油品贸易中？6、介质密度变化必须修正的流量计有哪些？、介质密度变化必须修正的流量计有哪些？