化工仪表及自动化(厉玉鸣)(第三版)第3章

化工仪表及自动化第三章流量检测内容提要差压式流量计节流现象与流量基本方程式标准节流装置力矩平衡式差压变送器差压式流量计的测量误差转子流量计工作原理电远传式转子流量计漩涡流量计1内容提要质量流量计直接式质量流量计补偿式质量流量计其他流量计靶式流量计椭圆齿轮流量计涡轮流量计电磁流量计2概述介质流量是控制生产过程达到优质高产和安全生产以及进行经济核算所必需的一个重要参数。流量大小：单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小，即瞬时流量。总量：在某一段时间内流过管道的流体流量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累计值。定义3概述MQQM或质量流量M体积流量Q如以t表示时间，则流量和总量之间的关系是ttMdtMQdtQ00,总总流量计：测量流体流量的仪表。计量表：测量流体总量的仪表。4概述1.速度式流量计以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的仪表。2.容积式流量计以单位时间内所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表。3.质量流量计以测量流体流过的质量M为依据的流量计。质量流量计分直接式和间接式两种。5分类第一节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，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计以及显示仪表所组成。6第一节差压式流量计一、节流现象与流量基本方程式1.节流现象流体在有节流装置的管道中流动时，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。节流装置就是在管道中放置的一个局部收缩元件,应用最广泛的是孔板,其次是喷嘴、文丘里管。7第一节差压式流量计图3-1孔板装置及压力、流速分布图要准确测量出截面Ⅰ、Ⅱ处的压力有困难，因为产生最低静压力p2′的截面Ⅱ的位置随着流速的不同会改变。因此是在孔板前后的管壁上选择两个固定的取压点，来测量流体在节流装置前后的压力变化。因而所测得的压差与流量之间的关系，与测压点及测压方式的选择是紧密相关的。注意8第一节差压式流量计2.节流基本方程式流量基本方程式是阐明流量与压差之间定量关系的基本流量公式。它是根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程式推导而得的。pFMpFQ101022可以看出要知道流量与压差的确切关系，关键在于α的取值。流量与压力差ΔP的平方根成正比。9第一节差压式流量计二、标准节流装置国内外把最常用的节流装置、孔板、喷嘴、文丘里管等标准化，并称为“标准节流装置”。采用标准节流装置进行设计计算时都有统一标准的规定、要求和计算所需要的通用化实验数据资料。10第一节差压式流量计1.节流装置的选用①在加工制造和安装方面,以孔板为最简单,喷嘴次之,文丘里管最复杂。造价高低也与此相对应。实际上,在一般场合下,以采用孔板为最多。②当要求压力损失较小时,可采用喷嘴、文丘里管等。11第一节差压式流量计③在测量某些易使节流装置腐蚀、沾污、磨损、变形的介质流量时,采用喷嘴较采用孔板为好。④在流量值与压差值都相同的条件下,使用喷嘴有较高的测量精度,而且所需的直管长度也较短。⑤如被测介质是高温、高压的,则可选用孔板和喷嘴。文丘里管只适用于低压的流体介质。12第一节差压式流量计2.节流装置的安装使用①必须保证节流装置的开孔和管道的轴线同心,并使节流装置端面与管道的轴线垂直。②在节流装置前后长度为两倍于管径(2D)的一段管道内壁上,不应有凸出物和明显的粗糙或不平现象。13第一节差压式流量计③任何局部阻力(如弯管、三通管、闸阀等)均会引起流速在截面上重新分布,引起流量系数变化。所以在节流装置的上、下游必须配置一定长度的直管。④标准节流装置(孔板、喷嘴),一般都用于直径D≥50mm的管道中。⑤被测介质应充满全部管道并且连续流动。⑥管道内的流束(流动状态)应该是稳定的。⑦被测介质在通过节流装置时应不发生相变。14第一节差压式流量计三、力矩平衡式差压变送器变送器是单元组合式仪表中不可缺少的基本单元之一。所谓单元组合式仪表,这是将对参数的检测及其变送、显示、控制等各部分,分别做成只完成某一种功能而又能各自独立工作的单元仪表(简称单元,例如变送单元、显示单元、控制单元等)。15第一节差压式流量计分类按使用的能源不同,单元组合式仪表有气动单元组合式仪表(QDZ型)和电动单元组合式仪表(DDZ型)。差压变送器可以将差压信号Δp转换为统一标准的气压信号或电流信号,可以连续地测量差压、液位、分界面等工艺参数。当它与节流装置配合时,可以用来连续测量液体、蒸汽和气体的流量。16第一节差压式流量计力矩平衡式差压变送器是一种典型的自平衡检测仪表，它利用负反馈的工作原理克服元件材料、加工工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量准确度(一般为0.5级)、工作稳定、可靠、线性好、不灵敏区小、温度误差小等一系列优点。17举例以DDZ-Ⅲ型压力变送器为例第一节差压式流量计pfF测在差压Δp作用下，产生一个测试力，即f为膜片的有效面积。（3-5）18图3-2DDZ-Ⅲ型差压变送器示意图1—测量气室;2—测量膜片;3—支点;4—主杠杆;5—推板;6—矢量板;7—拉杆;8—支撑簧片;9—动铁心;10—差动变送器;11—副杠杆;12—放大器;13—永久磁钢;14—可动线圈;15—调零弹簧DDZ-Ⅲ型差压变送器将差压信号转换为4～20mA的直流电流信号。第一节差压式流量计该变送器是按力矩平衡原理工作的。根据主、副杠杆的平衡条件可以推导出被测压力Δp与输出信号I0的关系。当主杠杆平衡时，应有211lFlF测（3-6）式中，、分别为F测、F1离支点O1的距离。1l2l将式（3-5）代入式（3-6），有pKpfllF1211（3-7）式中,为一比例系数。fllK21119第一节差压式流量计0302342IKIKllFtan0pKI31KKK3l4l电F将式（3-10）代入式（3-9），得02IKF电（3-10）432lFlF电、分别为F2及电磁力离副杠杆十字支撑簧片的距离。（3-9）（3-11）tantan112pKFF而（3-8）联立式（3-8）与（3-11），得（3-20）式中，为转换比例系数。20第一节差压式流量计四、差压式流量计的测量误差在现场实际应用时，往往具有比较大的测量误差，有的甚至高达10％～20％。不仅需要合理的选型、准确的设计计算和加工制造，更要注意正确的安装、维护和符合使用条件等，才能保证差压式流量计有足够的实际测量精度。注意21第一节差压式流量计误差产生的原因被测流体工作状态的变动。节流装置安装不正确。孔板入口边缘的磨损。导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏现象差压计安装或使用不正确到23页到27页22第一节差压式流量计23导压管要正确地安装，防止堵塞与渗漏，否则会引起较大的测量误差。对于不同的被测介质，导压管的安装亦有不同的要求，下面分类讨论。图3-3测量液体流量时的取压点位置图3-4测量液体流量时的连接图1—节流装置；2—引压导管；3—放空阀；4—平衡阀；5—差压变送器；6—贮气罐；7—切断阀第一节差压式流量计①取压点应该位于节流装置的下半部，与水平线夹角α为0°～45°。②引压导管最好垂直向下，如条件不许可，导压管亦应下倾一定坡度（至少1∶20～1∶10），使气泡易于排出。③在引压导管的管路中，应有排气的装置。（1）测量液体的流量时，应该使两根导压管内都充满同样的液体而无气泡，以使两根导压管内的液体密度相等。24第一节差压式流量计25（2）测量气体流量时，上述的这些基本原则仍然适用。①取压点应在节流装置的上半部。②引压导管最好垂直向上，至少亦应向上倾斜一定的坡度，以使引压导管中不滞留液体。③如果差压计必须装在节流装置之下，则需加装贮液罐和排放阀，如图3-5所示。（3）测量蒸汽的流量时，要实现上述的基本原则，必须解决蒸汽冷凝液的等液位问题，以消除冷凝液液位的高低对测量精度的影响。常见的接法见图3-6所示。第一节差压式流量计图3-5测量气体流量时的连接图1—节流装置；2—引压导管；3—差压变送器；4—贮液罐；5—排放阀图3-6测量蒸汽流量的连接图1—节流装置；2—凝液罐；3—引压导管；4—排放阀；5—差压变送器；6—平衡阀26第一节差压式流量计27差压计或差压变送器安装或使用不正确也会引起测量误差。由引压导管接至差压计或变送器前，必须安装切断阀1、2和平衡阀3，如图3-7所示。测量腐蚀性（或因易凝固不适宜直接进入差压计）的介质流量时，必须采取隔离措施。常用的两种隔离罐形式如图3-8所示。第一节差压式流量计图3-7差压计阀组安装示意图1，2—切断阀；3—平衡阀图3-26隔离罐的两种形式28第二节转子流量计一、工作原理29转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。图3-9转子流量计的工作原理图第二节转子流量计AppgVft21转子流量计中转子的平衡条件是（3-13）phMf2根据转子浮起的高度就可以判断被测介质的流量大小或phQf2将式（3-26）代入上两式，得AgVhMfft2或AgVhQfft2AgVpppft21由式（3-25）可得（3-14）30第二节转子流量计31二、电远传式转子流量计它可以将反映流量大小的转子高度h转换为电信号，适合于远传，进行显示或记录。LZD系列电远传式转子流量计主要由流量变送及电动显示两部分组成。1.流量变送部分图3-10差动变压器结构第二节转子流量计转换原理若将转子流量计的转子与差动变压器的铁芯连接起来，使转子随流量变化的运动带动铁芯一起运动，那么，就可以将流量的大小转换成输出感应电势的大小。32第二节转子流量计332.电动显示部分图3-11LTD系列电远传转子流量计第三节漩涡流量计精度高、测量范围宽、没有运动部件、无机械磨损、维护方便、压力损失小、节能效果明显。34漩涡流量计是利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体流量的仪表。图3-12卡门涡列(a)圆柱涡列；(b)三角柱涡列第三节漩涡流量计热学法电容法压差法漩涡频率的检测方法图3-13圆柱检出器原理图1—空腔；2—圆柱棒；3—导压孔；4—铂电阻丝；5—隔墙满足h／L＝0.281时，则所产生的涡街是稳定的。由圆柱体形成的卡曼漩涡，其单侧漩涡产生的频率为dvSff35第四节质量流量计定义直接测量单位时间内所流过的介质的质量,即质量流量M。优点质量流量计的最后输出信号只与介质的质量流量M成比例,这就能从根本上提高流量测量的精度,省去了烦琐的换算和修正。质量流量的基本方程式为vAM36第四节质量流量计一、直接式质量流量计图3-14双孔板差压式质量流量测量示意图232212QqKppQqKpp（3-18）（3-19）将式(3-19)减去式(3-18),可得QqKpp431KqMpp431即37第四节质量流量计QvAM38二、补偿式质量流量计1.流速-密度补偿法图3-15流速-密度补偿法vAM质量流量2.压差-密度法图3-16压差-密度补偿法第四节质量流量计3.压差-流速补偿法图3-17压差-流速补偿法39QQQM2（3-20）vAQ又由于（3-21）vQAM21将式(3-21)代入式(3-20)，得第五节其他流量计一、靶式流量计便于某些黏度较高或含有悬浮物介质的流量检测。图3-18半导体应变片式靶式流量变送器1—靶；2—输出力杠杆；3—推杆；4—悬臂块；R1～R4—半导体应变片40第五节其他流量计二、椭圆齿轮流量计411.工作原理图3-19椭圆齿轮流量计结构原理通过椭圆齿轮流量计的体积流量04nVQ2.使用特点适用于高黏度介质的流量测量。测量精度较高，压力损失较小，安装使用也较方便。椭圆齿轮流量计的入口端必须加装过滤器。椭圆齿轮流量计的使用温度有一定范围。椭圆齿轮流量计的结构复杂，加工成本较高。第五节其他流