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流量检测仪表基础知识讲义（doc21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。

2．1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±0.2％～±0.5％；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≤30×10-3Pa·s时，其压力损失≤0.04MPa。

2．2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±0.2％～±0.5％，范围度为10：

1，工作温度120℃以下，压力损失小于0.02MPa。

2．3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Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ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、Ⅲ或Ⅱ、Ⅳ，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QBJ—A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（D<50mm）；精确度不够高（±1％～±2％）等。

3.1）节流式流量计测量原理及流量方程式

节流式流量计的测量原理以能量守恒定律和流动连续性定律为基础，在节流元件前后流体的静压和流速分布情况如下图所示。

图中的节流元件为孔板。

稳定流动的流体沿水平管道流经孔板，在其前后产生压力和速度的变化。

流束在孔板前截面1处开始收缩，位于边缘处的流体向中心加速，流束中央的压力开始下降。

在截面2处流束达最小收缩截面，此处流速最快，静压最低。

之后流束开始扩张，流速逐渐减慢，静压逐渐恢复。

但由于流体流经节流元件时会有压力损失，所以静压不能恢复到收缩前的最大压力值。

常见的三中标准节流元件如下图所示。

3.2）流量计原理框图

节流装置产生的差压信号，通过压力传输管道引至差压计，经差压计转换成电信号或气信号送至显示仪表。

如下图所示。

3.3）DDZ-III力平衡差压变送器

3.3.1）结构

3.3.2）工作过程

当被测量压力通过高压室和低压室的比较生成压差后，该压差作用在具有一定有效面积的敏感元件上形成作用力Fi。

该作用力作用在主杠杆的下端，以密封膜片为支点推动主杠杆按逆时针方向偏转，其结果形成力F1推动矢量机构沿水平方向移动。

由于如下图中的（a）所示矢量机构的存在及其力的合成作用，及水平方向的力F1由上的力F2和斜向的力F3合成，于是力F1产生有向上的分力F2。

分力F2的作用是牵引副杠杆以为O2支点按顺时针方向偏转，使固定在副杠杆上的检测片移近差动变压器，使其气隙减小，此时差动变压器的输出电压增大，并通过放大器使采用标准制式4—20mA的输出电流IO增大。

同时输出电流流过反馈线圈，在永久磁钢的作用下产生反馈力Ff该反馈力作用在副杠杆上使其按逆时针方向偏转。

于是，当反馈力Ff与作用力F2在副杠杆上形成的力矩达到平衡时，杠杆系统保持稳定状态，从而最终使输出电流信号能反映被测差压的大小。

根据以上分析并简化可得杠杆及矢量机构的受力分析结果，如图所示。

于是以O1方向为支点的杠杆存在力矩关系：

。

式中S是敏感元件的有效面积。

由于，当分力F2作用在副杠杆上时变送器达到平衡状态，于是有：

式中F0表示由调零元件产生的零点调整作用力。

反馈力Ff和输出电流Io的关系为：

，D为线圈直径，W为线圈匝数，B为磁感应强度。

纵上可用下框图来分析变送器。

3.3.3）位移检测放大器分析

3.3.3.1）差动变压器的结构及输出特性

当在原边线圈上加上恒定的激磁电压VAB时，副边将输出感应电压。

若磁环中心柱面积等于其外环的截面积，则衔铁与上磁芯的间隙时，上下两组磁路相同,。

当时，，副边输出电压与同相。

当时，，副边输出电压与反相。

这个差动变压器在位移检测放大器中是作为振荡器的反馈元件工作的。

在下图中，差动变压器的原边绕组作为晶体管T1的集电极负载，而副边绕组接在基极回路中，当衔铁距离时，集电极形成正反馈，只要反馈强度足够，便会产生自激振荡。

值得注意的是这个振荡器是一个可控振荡器。

因为其反馈系数是衔铁位置的函数，是随着副杠杆的位移而变化的，当间隙时，；在时，为负。

这两种情况下振荡电路都不会起振。

只有在时，为正，且随距离减小而正反馈变强，若晶体管电路的电压放大倍数为K，则衔铁向磁芯靠近到某一距离d0时，必可获得足够的反馈系数，使晶体管了T1建立自持振荡，若距离比这更近，则将大于，，产生增幅振荡；反之，若衔铁距离d>d。

，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