第三章 流量检测.docx
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第三章流量检测
第三章流量检测
内容提要:
1.差压式流量计
2.转子流量计
3.旋涡流量计
4.质量流量计
5.其她流量计
★8学时★
基本概念:
介质流量就是控制生产过程达到优质高产与安全生产以及进行经济核算所必需得一个重要参数。
流量大小:
单位时间内流过管道某一截面得流体数量得大小,即瞬时流量。
总量:
在某一段时间内流过管道得流体流量得总与,即瞬时流量在某一段时间内得累计值。
1、差压式流量计
差压式（也称节流式）流量计就是基于流体流动得节流原理,利用流体流经节流装置时产生得压力差而实现流量测量得。
通常就是由能将被测流量转换成压差信号得节流装置与能将此压差转换成对应得流量值显示出来得差压计以及显示仪表所组成。
节流现象与流量基本方程式
（1）节流现象
流体在有节流装置得管道中流动时,在节流装置前后得管壁处,流体得静压力产生差异得现象称为节流现象。
节流装置包括节流件与取压装置。
如图3-1孔板装置及压力、流速分布图
注意:
要准确测量出截面Ⅰ、Ⅱ处得压力有困难,因为产生最低静压力p2′得截面Ⅱ得位置随着流速得不同会改变。
因此就是在孔板前后得管壁上选择两个固定得取压点,来测量流体在节流装置前后得压力变化。
因而所测得得压差与流量之间得关系,与测压点及测压方式得选择就是紧密相关得。
（2）节流基本方程式
流量基本方程式就是阐明流量与压差之间定量关系得基本流量公式。
它就是根据流体力学中得伯努利方程与流体连续性方程式推导而得得。
可以瞧出:
要知道流量与压差得确切关系,关键在于α得取值。
流量与压力差ΔP得平方根成正比。
标准节流装置
国内外把最常用得节流装置、孔板、喷嘴、文丘里管等标准化,并称为“标准节流装置”。
标准化得具体内容包括节流装置得结构、尺寸、加工要求、取压方法、使用条件等。
例:
如图（孔板断面示意图）,标准孔板对尺寸与公差、粗糙度等都有详细规定。
其中d／D应在0、2～0、8之间;最小孔径应不小于12、5mm;直孔部分得厚度h＝（0、005～0、02）D;总厚度H＜0、05D;锥面得斜角α＝30°～45°等等,需要时可参阅设计手册。
我国规定:
标准节流装置取压方法分为角接取压法、法兰取压法。
例:
标准孔板采用角接取压法与法兰取压法,标准喷嘴为角接取压法。
如图:
环式取压结构
1—管道法兰;2—环室;3—孔板;4—夹紧环
环室取压法能得到较好得测量精度,但就是加工制造与安装要求严格,如果由于加工与现场安装条件得限制,达不到预定得要求时,其测量精度仍难保证。
所以,在现场使用时,为了加工与安装方便,有时不用环室而用单独钻孔取压,特别就是对大口径管道。
优点
缺点
标准孔板
应用广泛,结构简单,安装方便,适用于大流量得测量
流体经过孔板后压力损失大,当工艺管道上不允许有较大得压力损失时,便不宜采用。
标准喷嘴与标准文丘里管
压力损失较孔板小
结构比较复杂,不易加工
标准节流装置仅适用于测量管道直径大于50mm,雷诺数在104～105以上得流体,而且流体应当清洁,充满全部管道,不发生相变。
节流装置将管道中流体流量得大小转换为相应得差压大小,但这个差压信号还必须由导压管引出,并传递到相应得差压计,以便显示出流量得数值。
差压式流量计得测量误差
在现场实际应用时,往往具有比较大得测量误差,有得甚至高达10％～20％。
注意:
不仅需要合理得选型、准确得设计计算与加工制造,更要注意正确得安装、维护与符合使用条件等,才能保证差压式流量计有足够得实际测量精度。
误差产生得原因:
被测流体工作状态得变动;节流装置安装不正确;孔板入口边缘得磨损;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。
导压管要正确地安装,防止堵塞与渗漏,否则会引起较大得测量误差。
对于不同得被测介质,导压管得安装亦有不同得要求,下面分类讨论。
如图3-3测量液体流量时得取压点位置
如图3-4测量液体流量时得连接图
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
①测量液体得流量时,应该使两根导压管内都充满同样得液体而无气泡,以使两根导压管内得液体密度相等。
a）取压点应该位于节流装置得下半部,与水平线夹角α为0°～45°。
b）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。
c）在引压导管得管路中,应有排气得装置。
②测量气体流量时,上述得这些基本原则仍然适用。
a）取压点应在节流装置得上半部。
b）引压导管最好垂直向上,至少亦应向上倾斜一定得坡度,以使引压导管中不滞留液体。
c）如果差压计必须装在节流装置之下,则需加装贮液罐与排放阀,如图3-5。
③测量蒸汽得流量时,要实现上述得基本原则,必须解决蒸汽冷凝液得等液位问题,以消除冷凝液液位得高低对测量精度得影响。
常见得接法见图3-6所示。
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与平衡阀3,构成三阀组,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）得介质流量时,必须采取隔离措施。
常用得两种隔离罐形式如图3-8所示。
2、转子流量计
工作原理:
以压降不变,利用节流面积得变化来测量流量得大小,即转子流量计采用得就是恒压降、变节流面积得流量测量方法。
如图3-9所示。
转子流量计中转子得平衡条件就是
根据转子浮起得高度就可以判断被测介质得流量大小
或
将代入以上两式:
或
电远传式转子流量计
它可以将反映流量大小得转子高度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。
流量变送部分如图所示:
差动变压器结构
转换原理:
若将转子流量计得转子与差动变压器得铁芯连接起来,使转子随流量变化得运动带动铁芯一起运动,那么,就可以将流量得大小转换成输出感应电势得大小。
电动显示部分（如图:
LTD系列电远传转子流量计）
转子流量计得指示值修正（教材中不涉及,选学）
转子流量计得流量标尺上得刻度值,对用于测量液体来讲就是代表20℃时水得流量值,对用于测量气体来讲则就是代表20℃,0、10133MPa压力下空气得流量值。
所以,在实际使用时,要根据具体体情况进行修正。
（1）液体流量测量时得修正
如果被测介质得黏度与水得黏度相差不大,可近似认为Φ就是常数,则有
整理后得
同理可导得质量流量得修正公式为
当采用耐酸不锈钢作为转子材料时,ρt＝7、9g/cm3,水得密度ρw＝1g/cm3,代入（3-34）与式（3-36）得
当介质密度ρf变化时,密度修正系数KQ、KM得数值见下表。
密度修正系数表
ρt
KQ
KM
ρt
KQ
KM
ρt
KQ
KM
0、40
0、670
1、516
0、95
0、971
1、022
1、50
1、272
0、847
0、45
0、646
1、435
1、00
1、000
1、000
1、55
1、297
0、837
0、50
0、683
1、365
1、05
1、028
0、979
1、60
0、323
0、827
0、55
0、719
1、307
1、10
1、056
0、960
1、65
1、351
0、818
0、60
0、754
1、256
1、15
1、084
0、943
1、70
1、376
0、809
0、65
0、787
1、211
1、20
1、111
0、927
1、75
1、401
0、800
0、70
0、819
1、170
1、25
1、139
0、911
1、80
1、427
0、792
0、75
0、851
1、134
1、30
1、165
0、897
1、85
1、453
0、785
0、80
0、882
1、102
1、35
1、193
0、884
1、90
1、477
0、778
0、85
0、912
1、073
1、40
1、220
0、872
1、95
1、504
0、771
0、90
0、944
1、046
1、45
1、245
0、859
2、00
1、529
0、764
例:
现用一只以水标定得转子流量计来测量苯得流量,已知转子材料为不锈钢,ρt＝7、9g/cm3,苯得密度为ρf＝0、83g/cm3。
试问流量计读数为3、6L/s时,苯得实际流量就是多少？
解:
由式:
或查上表:
将此值代入式,得
即苯得实际流量为4L/s。
（2）气体流量测定时得修正
对被测介质得密度、工作压力与温度均需进行修正。
当已知仪表显示刻度Q0,要计算实际得工作介质流量时,可按下式修正。
注意:
上式计算得到得Q１就是被测介质在单位时间（小时）内流过转子流量计得标准状态下得容积数（标准立方米）,而不就是被测介质在实际工作状态下得容积流量。
例:
某厂用转子流量计来测量温度为27℃,表压为0、16MPa得空气流量,问转子流量计读数为38Nm3/h时,空气得实际流量就是多少？
解 已知Q0＝38Nm3/h,p1＝0、16＋0、10133＝0、26133MPa,T1＝27＋273＝300K,T0＝293K,p0＝0、10133MPa,ρ1＝ρ0＝1、293Kg/Nm3。
将上列数据代入上式,便可得
即这时空气得流量为60、3Nm3/h。
（3）蒸汽流量测量时得换算
转子流量计用来测量水蒸气流量时,若将蒸汽流量换算为水流量,可按式计算。
若转子材料为不锈钢,ρt＝7、9g/cm3,则有
当时,
可以瞧出:
若已知某饱与蒸汽（温度不超过200℃）流量值时,可从上式换算成相应得水流量值,然后按转子流量计规格选择合适口径得仪表。
3、漩涡流量计
特点:
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。
卡曼涡街:
漩涡流量计就是利用有规则得漩涡剥离现象来测量流体流量得仪表。
满足h／L＝0、281时,则所产生得涡街就是稳定得。
由圆柱体形成得卡曼漩涡,其单侧漩涡产生得频率为
漩涡频率得检测方法:
热敏检测法、电容检测法、应力检测法、超声检测法
如图:
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
4、质量流量计
直接式质量流量计
科氏力流量计得测量原理就是基于流体在振动管中流动时,将产生与质量流量成正比得科里奥利力。
如图:
科氏力流量计测量原理
质量流量
优点:
能够直接测量质量流量,不受流体物性（密度、黏度等）得影响,测量精度高;测量值不受管道内流场影响,没有上、下游直管段长度得要求;可测各种非牛顿流体以及黏滞与含微粒得浆液。
缺点:
它得阻力损失较大;零点不稳定;管路振动会影响测量精度。
间接式质量流量计
（1）测量体积流量Q得仪表与密度计配合（如图）
质量流量:
（2）测量ρQ2得仪表与密度计配合
质量流量:
（3）测量ρQ2得仪表与测量Q得仪表配合
质量流量:
5、其她流量计
椭圆齿轮流量计
工作原理:
通过椭圆齿轮流量计得体积流量
使用特点:
✧适用于高黏度介质得流量测量。
✧测量精度较高,压力损失较小,安装使用也较方便。
✧椭圆齿轮流量计得入口端必须加装过滤器。
✧椭圆齿轮流量计得使用温度有一定范围。
✧椭圆齿轮流量计得结构复杂,加工成本较高。
涡轮流量计
1—涡轮;2—导流器;3—磁电感应转换器;4—外壳;5—前置放大器
优点:
安装方便;测量精度高,可耐高压;反应快,可测脉动流量;输出信号为电频率信号,便于远传,不受干扰。
缺点:
一般应加过滤器;安装时,前后要有一定得直管段。
电磁流量计
电磁流量计原理图:
能够测量酸、碱、盐溶液以及含有固体颗粒（例如泥浆）或纤维液体得流量。
感应电势得方向由右手定则判断,大小由下式决定
而
将其代入上式,得
注意:
只能用来测量导电液体得流量,且导电率要求不小于水得导电率,不能测量气体、蒸汽及石油制品等得流量。
要引入高放大倍数得放大器,会造成测量系统很复杂、成本高,并且易受外界电磁场得干扰。
使用中要注意维护,防止电极与管道间绝缘得破坏。
安装时要远离一切磁源。
不能有振动。
第四章物位检测
内容提要:
1.物位检测意义及主要类型
2.差压式液位计
3.其她物位计
★4学时★
1、物位检测意义及主要类型
本节掌握三个内容;
a、几个概念:
液位、料位、液位计、界位计。
b、测量物位得两个目得:
教材Pg46。
c、按其工作原理分为:
直读式物位仪表、差压式物位仪表、浮力式物位仪表、电磁式物位仪表、核辐射式物位仪表、声波式物位仪表、光学式物位仪表。
2、差压式液位计
工作原理
如图:
差压液位变送器原理图
将差压变送器得一端接液相,另一端接气相
因此
当被测容器就是敞口得,气相压力为大气压时,只需将差压变送器得负压室通大气即可。
若不需要远传信号,也可以在容器底部安装压力表,如图:
压力表式液位计所示。
零点迁移问题
如图:
负迁移示意图
在使用差压变送器测量液位时,一般来说
实际应用中,正、负室压力p1、p2分别为
则
迁移弹簧得作用:
改变变送器得零点。
迁移与调零:
都就是使变送器输出得起始值与被测量起始点相对应,只不过零点调整量通常较小,而零点迁移量则比较大。
迁移:
同时改变了测量范围得上、下限,相当于测量范围得平移,它不改变量程得大小。
例:
某差压变送器得测量范围为0～5000Pa,当压差由0变化到5000Pa时,变送器得输出将由4mA变化到20mA,这就是无迁移得情况,如左图中曲线a所示。
负迁移如曲线b所示,正迁移如曲线c所示。
如图:
正负迁移示意图
如图:
正迁移示意图
用法兰式差压变送器测量液位
为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞得问题,应使用在导压管入口处加隔离膜盒得法兰式差压变送器,如下图所示:
法兰式差压变送器测量液位示意图。
1—法兰式测量头;2—毛细管;3—变送器
法兰式差压变送器按其结构形式:
单法兰式、双法兰式
3、其她物位计
电容式物位传感器
测量原理:
通过测量电容量得变化可以用来检测液位、料位与两种不同液体得分界面。
如图:
电容器得组成
1—内电极;2—外电极
两圆筒间得电容量C
当D与d一定时,电容量C得大小与极板得长度L与介质得介电常数ε得乘积成比例。
液位得检测:
对非导电介质液位测量得电容式液位传感器原理如下图所示:
非导电介质得液位测量
1—内电极;2—外电极;3—绝缘套;4—流通小孔
当液位为零时,仪表调整零点,其零点得电容为
当液位上升为H时,电容量变为
电容量得变化为
结论:
电容量得变化与液位高度H成正比。
该法就是利用被测介质得介电系数ε与空气介电系数ε0不等得原理进行工作,（ε-ε0）值越大,仪表越灵敏。
电容器两极间得距离越小,仪表越灵敏。
料位得检测:
用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料得料位。
由于固体间磨损较大,容易“滞留”,可用电极棒及容器壁组成电容器得两极来测量非导电固体料位。
如图所示为用金属电极棒插入容器来测量料位得示意图。
1—金属电极棒;2—容器壁
电容量变化与料位升降得关系为
电容物位计优缺点:
✧电容物位计得传感部分结构简单、使用方便。
✧需借助较复杂得电子线路。
✧应注意介质浓度、温度变化时,其介电系数也要发生变化这种情况。
核辐射物位计（见图4-11）
射线得透射强度随着通过介质层厚度得增加而减弱,具体关系如下式。
特点:
✧适用于高温、高压容器、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、黏滞性、易结晶或沸腾状态得介质得物位测量,还可以测量高温融熔金属得液位。
✧可在高温、烟雾等环境下工作。
✧但由于放射线对人体有害,使用范围受到一些限制。
称重式液罐计量仪（见图4-14）
该计量仪既能将液位测得很准,又能反映出罐中真实得质量储量。
称重仪根据天平原理设计。
杠杆平衡时:
由于,代入可得:
如果液罐就是均匀截面
将此式代入,得:
如果液罐得横截面积A为常数,得
式中:
第五章温度检测
内容提要:
1.概述
2.热电偶温度计
3.热电阻温度计
4.温度变送器
★6学时★
1、概述
a、温度检测方法:
温度不能直接测量,只能借助于冷热不同物体之间得热交换,以及物体得某些物理性质随冷热程度不同而变化得特性来加以间接测量。
b、了解分类情况。
c、常用温度计得种类及优缺点（见表5-1）
膨胀式温度计
膨胀式温度计就是基于物体受热时体积膨胀得性质而制成得。
压力式温度计
应用压力随温度得变化来测温得仪表叫压力式温度计。
它就是根据在封闭系统中得液体、气体或低沸点液体得饱与蒸汽受热后体积膨胀或压力变化这一原理而制成得,并用压力表来测量这种变化,从而测得温度。
压力式温度计得构造由以下三部分组成
✧温包
✧毛细管
✧弹簧管（或盘簧管）
辐射式温度计
辐射式高温计就是基于物体热辐射作用来测量温度得仪表。
2、热电偶温度计
热电偶温度计就是以热电效应为基础得测温仪表。
热电偶温度计由三部分组成:
热电偶;测量仪表;连接热电偶与测量仪表得导线。
热电偶（见图5-3热电偶温度计测温系统示意图;图5-4热电偶示意图）
热电现象及测温原理（见图5-5~7）
图5-7闭合回路:
注意:
如果组成热电偶回路得两种导体材料相同,则无论两接点温度如何,闭合回路得总热电势为零;如果热电偶两接点温度相同,尽管两导体材料不同,闭合回路得总热电势也为零;热电偶产生得热电势除了与两接点处得温度有关外,还与热电极得材料有关。
也就就是说不同热电极材料制成得热电偶在相同温度下产生得热电势就是不同得。
插入第三种导线得问题
如图:
热电偶测温系统连接图
图（a）总得热电势
由于
将该两式代入前式
图（b）总得热电势
因此
说明:
在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶所产生得热电势数值并无影响。
不过必须保证引入线两端得温度相同。
常用热电偶得种类（见表5-2）
工业上对热电极材料得要求
✧温度每增加１℃时所能产生得热电势要大,而且热电势与温度应尽可能成线性关系;
✧物理稳定性要高;
✧化学稳定性要高;
✧材料组织要均匀,要有韧性,便于加工成丝;复现性好,便于成批生产,而且在应用上也可保证良好得互换性。
热电偶得结构（见图5-10）
普通型热电偶:
热电极、绝缘管、保护套管、接线盒
常用绝缘子材料
材料
工作温度/℃
橡皮、绝缘漆
珐琅
玻璃管
石英管
瓷管
纯氧化铝管
80
150
500
1200
1400
1700
常用保护套管
材料
工作温度/℃
无缝钢管
不锈钢管
石英管
瓷管
Al2O3陶瓷管
600
1000
1200
1400
1900以上
补偿导线得选用（见图5-11）
采用一种专用导线,将热电偶得冷端延伸出来,这既能保证热电偶冷端温度保持不变,又经济。
它也就是由两种不同性质得金属材料制成,在一定温度范围内（0～100℃）与所连接得热电偶具有相同得热电特性,其材料又就是廉价金属。
在使用热电偶补偿导线时,要注意型号相配。
常用热电偶得补偿导线
热电偶名称
补偿导线
工作端为100℃,冷端为0℃时得标准热电势/mV
正极
负极
材料
颜色
材料
颜色
铂铑10-铂
镍铬-镍硅（镍铝）
镍铬-铜镍
铜-铜镍
铜
铜
镍铬
铜
红
红
红
红
铜镍
铜镍
铜镍
铜镍
绿
蓝
棕
白
0、645±0、037
4、095±0、105
6、317±0、170
4、277±0、047
冷端温度得补偿
在应用热电偶测温时,只有将冷端温度保持为０℃,或者就是进行一定得修正才能得出准确得测量结果。
这样做,就称为热电偶得冷端温度补偿。
一般采用下述几种方法。
（1）冷端温度保持为０℃得方法（见图5-12）
（2）冷端温度修正方法
在实际生产中,冷端温度往往不就是0℃,而就是某一温度t1,这就引起测量误差。
因此,必须对冷端温度进行修正。
（3）校正仪表零点法
若采用测温元件为热电偶时,要使测温时指示值不偏低,可预先将仪表指针调整到相当于室温得数值上。
注意:
只能在测温要求不太高得场合下应用。
（4）补偿电桥法（见图5-13）
利用不平衡电桥产生得电势,来补偿热电偶因冷端温度变化而引起得热电势变化值。
注意:
由于电桥就是在20℃时平衡得,所以采用这种补偿电桥时须把仪表得机械零位预先调到20℃处。
如果补偿电桥就是在0℃时平衡设计得（DDZ-Ⅱ型温度变送器中得补偿电桥）,则仪表零位应调在0℃处。
（5）补偿热电偶法（见图5-14）
在实际生产中,为了节省补偿导线与投资费用,常用多支热电偶而配用一台测温仪表。
3、热电阻温度计
在中、低温区,一般就是使用热电阻温度计来进行温度得测量较为适宜
热电阻温度计就是由热电阻（感温元件）,显示仪表（不平衡电桥或平衡电桥）以及连接导线所组成。
如图:
热电阻温度计
测温原理
利用金属导体得电阻值随温度变化而变化得特性（电阻温度效应）来进行温度测量得。
对于呈线性特性得电阻来说,其电阻值与温度关系如下式
热电阻温度计适用于测量-200～+500℃范围内液体、气体、蒸汽及固体表面得温度。
工业常用热电阻
作为热电阻得材料一般要求就是:
✧电阻温度系数、电阻率要大;
✧热容量要小;
✧在整个测温范围内,应具有稳定得物理、化学性质与良好得复制性;
✧电阻值随温度得变化关系,最好呈线性。
工业上定型生产得热电阻有铂电阻与铜电阻。
（1）铂电阻
在0～650℃得温度范围内,铂电阻与温度得关系为
由实验求得
工业上常用得铂电阻有两种,一种就是R0＝10Ω,对应分度号为Pt10。
另一种就是R0＝100Ω,对应分度号为Pt100。
（2）铜电阻
金属铜易加工提纯,价格便宜;它得电阻温度系数很大,且电阻与温度呈线性关系;在测温范围为-50～+150℃内,具有很好得稳定性。
在-50～+150℃得范围内,铜电阻与温度得关系就是线性得。
即
工业上常用得铂电阻有两种,一种就是R0＝50Ω,对应得分度号为Cu10。
另一种就是R0＝100Ω,对应得分度号为Cu100。
4、温度变送器
DBW型温度（温差）变送器就是DDZ-Ⅲ系列电动单元组合式检测调节仪表中得一个主要单元。
它既可与各种类型得热电偶、热电阻配套使用,又可与具有毫伏输出得各种变送器配合,然后,它与显示单元、控制单元配合,实现对温度或温差及其她各种参数进行显示、控制。
DDZ-Ⅲ型得温度变送器与DDZ-Ⅱ型得温度变送器进行比较,它有以下主要特点。
✧线路上采用了安全火花型防爆措施。
✧在热电偶与热电阻得温度变送器中采用了线性化机构。
✧在线路中,由于使用了集成电路,这样使该变送器具有良好得可靠性、稳定性等各种技术性能。
AD693构成得热电偶温度
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