电气自动化技术专业《差压式流量检测》.docx

1、电气自动化技术专业差压式流量检测一、差压式流量计 差压式流量计基于流体在通过设置于流通管道上的流动阻力件时产生的压力差与流体流量之间确实定关系，通过测量差压值求得流体流量。产生差压的装置有多种型式，如各种节流装置、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。 1节流式流量计流式流量计是目前工业生产中用来测量液体、气体或蒸汽流量的最常用的一类流量仪表，其使用量占整个工业领域内流量计总数的一半以上。节流式流量计由节流元件、引压管路、三阀组和差压计组成，如图8-4所示。节流式流量计的特点是：结构简单，使用寿命长，适应性较广，能够测量各种工况下的单相流体和高温、高压下的流体流量

2、；开展早，应用历史长，有丰富、可靠的实验数据，标准节流装置的设计加工已标准化，无需标定就可在不确定度范围内进行流量测量。但安装要求严格；测量范围窄，一般量程比为3：1；压力损失较大，精度不够高12。1测量原理及流量方程节流式流量计中产生差压的装置称节流装置，其主体是一个流通面积小于管道截面的局部收缩阻力件，称为节流元件。当流体流过节流元件时产生节流现象，在节流元件两侧形成压力差，在节流元件、测压位置、管道条件和流体参数图8-4节流式流量计组成1-节流元件；2-引压管路；3-三阀组；4-差压计一定的情况下，节流元件前后压力差的大小与流量有关。因此，可以通过测量节流元件前后的差压来测量流量。流体流

3、经节流元件时的压力、速度变化情况如图8-5所示。从图中可见，稳定流动的流体沿水平管道流动到节流件前截面l之后，流束开始收缩，位于边缘处的流体向中心加速，流束中央的压力开始下降。由于流动有惯性，流束收缩到最小截面的位置不在节流件处，而在节流件后的截面2处此位置随流量大小而变，此处的流速u2最大，压力的胶质溶液，含有不超过2质量成分均匀分散的固体微粒的气体以及不超过5体积成分 均匀分散气泡的液体流，均可按单相流体考虑，但其密度应取平均密度。b流体必须充满管道和节流装置且连续流动，流经节流元件前流动应到达充分紊流，流束平行于管道轴线且无旋转，流经节流元件时不发生相变。c流动是稳定的或随时间缓变的，不

4、适用于脉动流和临界流的流量测量，流量变化范围亦不能太大一般最大流量与最小流量之比值不超过3：1。标准节流元件的结构形式标准节流元件有孔板、喷嘴和文丘里管。工业上最常用的是孔板，其次是喷嘴，文丘里管使用较少。a标准孔板标准孔板是一块具有与管道同心圆形开孔的圆板，如图8-6所示，迎流一侧是有锐利直角t入口边缘的圆筒形孔，顺流的出口呈扩散的锥形。标准孔板的各局部结构尺寸、粗糙度在“标准中都有严格的规定。它的特征尺寸是节流孔径d，在任何情况下，应使d mm，且直径比卢应满足；节流孔厚度E应在与D为管道直径之间；孔板厚度E应在e与之间；扩散的锥形外表应经精加工，斜角F应为450150。标准孔板结构简单，

5、加工方便，价格廉价；但对流体造成的压力损失较大，测量精度较低，而且一般只适用于洁净流体介质的测量。此外，测量大管径高温高压介质时，孔板易变形。b标准喷嘴图8-6标准孔板标准喷嘴是一种以管道轴线为中心线的旋转对称体，主要由入口圆弧收缩局部与出口圆筒形喉部组成，有ISAl932喷嘴和长径喷嘴两种型式。ISAl932喷嘴的结构如图8-7所示其廓形由入口端面A、收缩局部第一圆弧曲面B与第二圆弧曲面C、圆筒喉部E和出口边缘保护槽F组成。各段型线之间相切，不得有任何不光滑局部。喷嘴的特征尺寸是其圆筒形喉部的内直径d，筒形长度b。长径喷嘴廓形由A与B两段组成，A是14椭圆弧线构成的流体收缩段，8为圆筒形喉部

6、平流段，见图8-8。标准喷嘴的测量精度比孔板高，压力损失要小于孔板。能测量带有污垢的流体介质，使用寿命长。但结构较复杂、体积大，比孔板加工困难，本钱较高。c文丘里管 文丘里管有两种标准形式：经典文丘里管与文丘里喷嘴。ab图8-7ISAl932喷嘴a高比值 b低比值图8-8长径喷嘴文丘里管压力损失最低，有较高的测量精度，对流体中的悬浮物不敏感，可用于污脏流体介质的流量测量，在大管径流量测量方面应用的较多。但尺寸大，笨重，加工困难，本钱高，一般用在有特殊要求的场合。节流装置的取压方式根据节流装置取压口位置可将取压方式分为理论取压、角接取压、法兰取压、径距取压与损失取压五种，如图8-9所示。理论取压

7、法的上游取压孔中心与孔板前端面的距离为1D，下游取压孔中心与孔板后端面的距离随口值的不同而异，在D之间，如图中1-1；角接取压法的取压孔紧靠孔板的前后端面如图中2-2；法兰取压法上下游取压孔中心与孔板前后端面的距离均为 mm，如图中3-3；径距取压法上游取压孔中心与孔板前端面的距离为1D，下游取压孔中心与孔板后端面的距离为05D，如图中4-4；损失取压法直接在管道上开孔，上游取压孔距孔板前端而为，下游取压孔距孔板后端面为8D，如图中5-5。图8-9节流装置的取压方式1-1-理论取压；2-2-角接取压；3-3-法兰取压；4-4-径距取压；5-5-损失取压径距取压法与理论取压法的下游取压点均在流束

8、的最小截面区域内，而流束的最小截面是随流量而变的，在流量测量范围内流量系数不是常数，并且又难于采用起均压作用的环室取压，因而很少采用。损失取压法开孔取压十分简单，但它实际测定的是流体流经节流件后的压力损失，由于压差较小，不便于检测，一般也不采用。目前广泛采用的是角接取压法，其次是法兰取压法。角接取压法比拟简便，容易实现环室取压，测量精度较高。法兰取压法结构较简单，容易装配，计算也方便，但精度较角接取压法低些。角接取压装置的取压口结构有带均压环的环室取压和不带均压环的单独钻孔取压之分，如图8-l0所示。法兰取压装置的结构如图8-11所示。图8-10角接取压装置结构图8-11法兰取压装置结构测量管

9、道条件测量管道截面应为圆形，节流元件及取压装置安装在两圆形直管之间。节流元件附近管道的圆度应符合标准中的具体规定。节流元件前后应有足够长的直管段，以保证流体流到节流元件前到达充分紊流状态，否那么将影响测量精度。标准节流装置组成局部中的测量直管段前10D后5D，一般由仪表厂家提供是最小直管段L的一局部，其内外表必须是光滑的，L的其余局部内外表可以是粗糙的。最小直管段L的长度取决于节流件的形式和直径比口，可查阅标准。当现场难以满足直管段的最小长度要求或有扰动源存在时，可考虑在节流元件前安装流动整流器，以消除流动的不对称分布和旋转流等情况。安装位置和使用的整流器型式在标准中有具体规定。安装了整流器后

10、会产生相应的压力损失。非标准节流装置标准化节流装置有其适用的范围和条件。在工程实际应用过程中，对于诸如脏污介质、低雷诺数流体、多相流体、非牛顿流体或小管径、非圆截面管道等流量测量问题，标准节流元件就不能适用，需要采用一些非标准节流装置或选择其他型式的流量计来测量流量。非标准节流装置就是试验数据尚不充分，可用数据误差较大的尚未标准化的节流装置。其设计计算方法与标准节流装置根本相同，但使用前需要进行实际标定。图8-12是几种典型的非标准节流装置节流件。a14圆喷嘴14圆喷嘴结构比标准喷嘴短小，入口廓形是半径为r的14圆弧。主要用于圆管流中低雷诺数流量测量，其适用的雷诺数范围为500105；适用的管

11、道直径为。它的取压方式采用角接取压或法兰取压，节流元件上下游直管段要求与标准节流件相同。b锥形入口孔板锥形入口孔板的形状与标准孔板相似，相当于一只倒装的孔板。适用于圆管流中低雷诺数流量测量，雷诺数范围为2502105；适用的管道直径25 mm，孔板开孔直径6 mm。采用角接取压，节流元件上下游直管段要求与标准孔板相同。c圆缺孔板圆缺孔板主要用于脏污介质、有气泡析出或含有固体微粒的液体以及含有固体微粒或液滴的气体的流量测量。测量含固体物料的液体时，圆缺孔板开孔 位于下部，以便于脏污尘灰被流体带走；测量含气液体时，圆缺孔板的开孔位于上部，测量管道一般水平安装。圆缺孔板采用单独钻孔取压，取压孔应在圆

12、缺孔板的顶部。a1/4圆喷嘴b锥形入品孔板c 圆缺孔板图8-12非标准节流装置还有一些非标准节流装置，如偏心孔板、双重孔板、环形孔板等在此不予以介绍了。3标准节流装置的计算在生产过程中，根据实际需要节流装置的计算可归纳为两类。流量计算这类计算命题是在管道、节流装置、取压方式、被测流体参数的情况下，根据测得的差压值计算被测介质流量。这种计算属校核计算，常用在使用现场，如选用节流装置与实际管道不一致时，需要重新计算刻度，以及对流量进行验算等。要完成条件下的流量计算，所依据的根本公式是流量公式。设计节流装置这类计算命题是要根据用户提出的条件以及限制要求来设计标准节流装置，属设计计算。条件包括：管道内

13、径及布置情况、被测流体性质与参数、大致流量范围；限制要求包括最小直管段、允许压力损失等。要设计的工作包括：确定节流件的形式类型、取压方式和开孔直径d；确定最小直管段长度并验算；选配差压计；计算最大压力损失并验算；计算流量测量误差。这类计算命题计算比拟复杂，所求未知数多，还需要考虑技术经济问题，在满足设计条件的情况下，设计计算结果不惟一，可以有多种结果。4差压计差压计与节流装置配套组成节流式流量计。差压计经导压管与节流装置连接，接受被测流体流过节流装置时所产生的差压信号，并根据生产的要求，以不同信号形式把差压信号传递给显示仪表，从而实现对流量参数的显示、记录和自动控制。差压计的种类很多，凡可测量

14、差压的仪表均可作为节流式流量计中的差压计使用。目前工业生产中大多数采用差压变送器。它们可将测得的差压信号转换为 MA的直流电流信号。2皮托管和均速管流量计1皮托管皮托管是一根弯成直角的双层空心复合管，带有多个取压孔，能同时测量流体总压和静压，其结构如图8-13所示。由于流体的总压和静压之差与被测流体的流速有确定的数值关系，因此可以用皮托管测得流体流速从而计算出被测流量的大小。图8-13皮托管结构皮托管的工作原理可分析如下：皮托管头部迎流方向开有一个小孔A，称为总压孔，在距头部一定距离处开有假设干垂直于流体流向的静压孔B，各孔所测静压在均压室均压后输出。设在均匀流动的管道中某点处流体的静压为g8

15、-31式中，1-为流体可压缩性修正系数，对不可压缩流体0。皮托管可以测得管道截面上某一点的流速，假设该点流速恰为管道截面上的平均流速A为管道截面积求出。理论上可以根据前述流速分布与平均流速关系式求出平均流速所在半径位置例如层流状态时，在管道半径r的圆环上的流速等于管道截面平均流速，R为管道内半径，只要将皮托管放在该位置就可测得平均流速，进而求出流量。但实际应用中，该方法误差大，难以实施，因为由于种种因素的影响，圆管内的实际流速分布并不能按理论方法确定。因此，实用中通常采取在同一截面选取多点测量，然后求出平均流速的方法。如何选取测量点是皮托管测流量的关键，目前较常用的方法有等环面法、切比雪夫积分

16、法和对数线性法。使用皮托管时，需将其牢固固定，测头轴线应与管道轴线平行，被测流体的流动应尽可能保持稳定，否那么将带来测量误差。在管路中选择插入皮托管的横截面位置，应保证其有足够长的上下游直管段。皮托管具有压损小、价格低廉等优点，适用于中、大管径管道的流量测量，尤其在实验室研究和测定流体的流速分布时，更具明显优越性。缺点是测量结果受流速分布影响严重、计算复杂，精度也较低，测量时间长，难以实现自动测量等。 2均速管流量计均速管流量计又称阿纽巴Annubar管是基于皮托管原理而开展起来的一种新型流量计。均速管能够直接测出管道截面上的平均流速，比之于皮托管，简化了测量过程，提高了测量准确性。均速管是一

17、根横跨管道的中空、多孔金属管，其结构如图8-15所示。在迎流方向上开有对称的两对总压取压孔也可以是二对以上，各总压取压孔位置分别对应4个面积相等的半环形和半圆形区域，各总压孔相通，测得的流体总压均压后由总压管引出，这可认为是反映截面平均流速的总压。在背向流体流向一侧的中央开有一个静压取压孔，测得流体静压由静压管引出。由平均总压与静压之差即可求得管道截面的平均流速，从而实现测量流量的目的。图8-15均速管原理均速管测量流速的原理与皮托管相同，其流速也可以用皮托管的流速公式8-30表示而体积流量可由下式确定8-32式中，A为管道截面积；为取决于均速管及管道内径的流量系数，由实验确定。均速管流量计结

18、构简单，便于安装，价格廉价；压力损失小，能耗少；准确度及长期稳定性较好；适用范围广，可适用于液体、气体和蒸汽等多种流体以及高温高压介质的流量测量。均速管流量计适用的管径范围为259000mm，尤其适用于大口径管道的流量测量。但它产生的差压信号较低，需要配用低量程差压计；不适用于污脏、有沉淀物的流体。3转子流量计转子流量计又称浮子流量计。它也是利用节流原理测量流体的流量，但在测量过程中节流元件前后的差压值根本保持不变，而通过节流面积的变化反映流量的大小，故也称恒压降变截面流量计。转子流量计在工业生产过程中应用较广，可以测量多种介质的流量，特别适用于中小管径和低雷诺数的中小流量测量。转子流量计结构

19、简单，灵敏度高，量程比宽10：1，压力损失小且恒定，对直管段的要求不高，刻度近似线性，价格廉价，使用维护简便。但仪表受被测介质密度、粘度、温度、压力等因素的影响，其精度一般在15级左右。1测量原理转子流量计本体由一根自下向上直径逐渐扩大的垂直锥形管和一只可以随流体流量大小而沿锥形管上下自由移动的转子组成，如图8-16所示。当被测流体自下而上流经锥形管时，由于节流作用而在转子上下端面产生差压形成作用于转子的上升力，使得转子向上运动。随着转子的上移，转子与锥形管之间的环形流通面积增大，流体流速变慢，直到转子的重量与流体作用在转子上的力到达平衡时，转子就稳定在一个平衡位置上。当流量变化时，转子便会移

20、到新的平衡位置，这样平衡位置的高度就代表被测介质流量值的大小。图8-16转子流量计测量原理根据流体连续性方程和伯努利方程，转子流量计的体积流量可表示为8-33式中，为流量系数；A为转子与锥形管间的环形流通面积；流体密度；g8-34式中，Af、Vf为转子的迎流面积和体积；f为转子的密度；g为重力加速度；环形流通面积A的大小由转子和锥形管尺寸所决定，即8-35式中，D为转子所在处锥形管内径；Df为转子的最大直径假设锥形管设计时保证在零刻度处DDf，锥形管锥角为，转子高度为h，因为锥角很小，那么A可近似表示为 8-36由式8-36可知，只要保持流量系数为常数，那么流量与转子所处高度h成近似线性关系，

21、测得h就可知流量大小。流量系数与转子形状、流体流动状况及其物理性质有关。一般可认为是雷诺数的函数，每种流量计有相应的界限雷诺数，在低于此值情况下d不再是常数qu与h不呈线性，从而影响测量精度。因此，转子流量计测量的流体，其雷诺数应大于一定的心范围。2转子流量计结构转子流量计按锥形管制造材料不同，可分为两大类。玻璃管转子流量计主要由玻璃锥形管、转子和支撑结构组成。转子根据不同的测量范围及不同介质气体或液体可分别采用不同材料制成不同形状。流量示值刻在锥形管上，由转子位置高度直接读出流量值。玻璃管转子流量计结构简单，价格低廉，使用方便，可制成防腐蚀仪表，耐压低，多用于透明流体的现场测量。金属管转子流

22、量计金属管转子流量计的锥形管采用金属材料制成，其流量检测原理与玻璃管转子流量计相同。金属管转子流量计有就地指示型和电气信号远传型两种，测量时将转子的位移通过测量转换机构进行传递变换，变换后的位移信号可直接用于就地指示，也可将该位移转换为电信号或气信号进行远传及显示。图8-17所示为电远传式转子流量计工作原理。采用差动变压器作为转换机构，用于测量转子的位移。当流体流量变化引起转子移动时，磁钢l、2通过磁耦合带动杠杆3及连杆机构6、7、8，使指针l0在标尺9上就地指示流量，同时再通过连杆机构ll、12、13带动差动变压器中的铁心14作上、下运动，产生的差动电势通过放大和转换后输出电信号表示相应流量

23、大小，供显示和调节。图8-17电远传式转子流量计工作原理图1、2-磁钢；3-杠杆；4-平衡锤；5-阻尼器；6、7、8-连杆机构；9-标尺；l0-指针；11、12、13-连杆机构；l4-铁心；l5-差动变压器3转子流量计的刻度换算转子流量计是一种非通用性仪表，出厂时其刻度需单独标定。仪表厂在工业标准状态20210101 33 MN下，以空气标定测量气体测量的仪表；以水标定测量液体流量的仪表。因此实际使用时，假设被测介质不是水或空气，那么流量计的指示值与实际流量值之间存在差异，必须对流量指示值按照实际被测介质的密度、温度、压力等参数的具体情况进行刻度修正。对于液体介质，一般只需进行密度修正，其修正

24、关系为 8-37式中，q v、分别为流量计标定刻度流量和被测介质的实际流量；、为标定流体密度和被测介质密度；f为转子的密度对于气体介质，即使所测流体与标定流体相同但其温度、压力与标定状态参数不同时，亦应修正。其修正关系为 8-38式中，g为标定流体的和被测流体的绝对压力；T、为标定流体和被测流体的热力学温度。如果测量流体和标定流体相同，但需要改变仪表量程时，可由改变转子材料，即改变转子密度来实现。量程扩大后灵敏度降低，相反那么灵敏度增大。改变前后的转子应满足几何相似条件。4靶式流量计 靶式流量计是一种适用于测量高粘度、低雷诺数流体流量的流量测量仪表，例如用于测量重油、沥青、含固体颗粒的浆液及腐

25、蚀性介质的流量。 靶式流量计由检测传感和转换局部组成，检测局部包括放在管道中心的圆形靶、杠杆、密封膜片和测量管，如图8-18所示。当流体流过靶时，靶受到主要由流体的动压力和靶对流体的节流作用而形成的力，的作用，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，可以求出流体流速与流量。 图8-18靶式流量计工作原理流体对靶的作用力F与流体流速u、密度及靶的受力面积AB的关系为 8-39式中，为比例常数。 设管道直径为D，靶直径为d，环隙通道面积为A，那么可求出流体体积流量为 8-40令：；以，那么流量公式可写成如下形式 8-41为靶式流量计的流量系数，其数值与靶的几何尺寸、结构、管道内径D

26、、直径比、雷诺数以及流体的性质有关，由实验确定。实验说明，在管道条件与靶的形状确定的情况下，随雷诺数的增大而逐步趋于稳定，趋于稳定时的界限雷诺数比标准节流装置的界限雷诺数要低得多，所以这种方法适合于高粘度、低雷诺数的流体测量。 靶式流量计的转换局部按输出信号有电动和气动两种结构形式。测量时通过杠杆机构将靶上所受力引出，按照力矩平衡方式将此力转换为相应的标准电信号或气压信号，由显示仪表显示流量值。 与节流式流量计相比，靶式流量计结构比拟简单，不需安装引压管和其他辅助管件，安装维护方便；压力损失一般低于节流式流量计，约为孔板压力损失的一半。 靶式流量计在安装与使用时，为了保证测量精度，流量计前后应

27、有必要的直管段，且一般应水平安装，假设必须安装在垂直管道上时，要注意流体的流动方向应由下向上，安装后必须进行零点调整。此外应注意，仪表刻度是按一定流体介质标定的，用于其他流体或在工作条件温度、压力变化时，读数需进行适当修正，否那么将产生测量误差。靶式流量计适用的管道口径范围为152021m，测量范围约08400 m3h介质为水，精度可达l用实际介质标定，量程比为3：1。 5弯管流量计 弯管流量计是一种可用于任何工艺管道流量测量的装置，如图8-19所示。它是利用流体在弯管处因离心力而产生差压的原理工作的。当流体流经弯曲管道时，流动的方向发生了变化，流体受到角加速度的作用而产生的离心力会使弯管外侧

28、管壁压力增大，从而在弯管的外内侧管壁之间形成差压，此差压与流量有一定比例关系。如果在弯管的内外侧设取压孔，测出压力差便可求出流量。此压力差与流体的运动速度及密度有关。在相同流速下，流体密度越大，压力差越大，因此弯管流量计较适用于具有较高密度的液体流量测量。 图8-19弯管流量计设弯管直径为D，弯管中心线半径为R，流体密度，根据弯管流速面积分布定律和流体能量守恒定律可推导出体积流量qv与流体差压p的理论关系式： 8-42考虑到流体粘性、管道形状及实际使用条件的影响，将上式乘上由实验求得的流量系数口，并令X2R/D，那么可得弯管流量计的实用流量公式： 8-43弯管流量计是一种尚未标准化的仪表。它结

29、构简单，无可动部件，安装维修方便；对流体流动无障碍，没有附加压力损失；可用于一般液体或含固体颗粒及含悬浮物污水的测量。由于许多装置上都有不少的弯头，所以在受到工艺管道条件限制情况下，可采用弯管流量计测量流量。使用时要求直管段长度，上游至少10D，下游至少5D。弯管流量计精度不高，约在5。专门加工的弯管流量计，经单独标定。精度可提高到土05。 如果将管道弯成同心圆，就可构成环形管流量计见图8-2021流体流入和流出方向相同。从测量原理来说，应用环形管与应用弯管完全相同，因此流量公式可直接应用式8-42。考虑到在制造时，环形管直径与管道直径比2RD很大，因而可得环形管流量计的流量近似公式： 8-44图8-2021形管流量计环形管流量计受粘度及脉动影响较小，可以在直线管道上安装，与弯管流量计相比，测量值比拟稳定。