1、流量仪表教案

第二章 流量测量及仪表 流量测量仪表 §１-1 概述 　　一、关于流量的概念 　　所谓“流量”是在单位时间内流体通过管道某截面流体的体积或质量, 前者称为体积流量, 后者称为质量流量。 　　累积流量是指在某一段时间内流量管道流体的总和。 　　习惯上把测量流量的仪表叫流量计, 而把测量累积流量的仪表称为计量表。 　　流量测量单位是导出单位, 常用m3/s、m3/h（体积流量）和kg/s、kg/h（质量流量）等表示。而累积流量单位常用m3和kg等表示。 　　二、流量测量仪表的分类 　　流量计按用途可分为计量表与流量计两大类。在实际工程计量中最常用的是根据所应用的原理来分类, 大体可分为容积式流量计、速度式流量计、差压式流量计、流体阻力式流量计、测速式流量计和流体振动式流量计。 §１-2 容积式流量计 　　容积式流量计又称排量流量计(positive displacement flowmeter), 简称PD流量计或PDF, 在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分, 根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量体积总量。PD流量计一般不具有时间基准, 为得到瞬时流量值需要另外附加测量时间的装置。容积式流量计品种繁多, 按测量元件结构分类可分为椭圆齿轮流量计、 腰轮流量计(又称罗茨流量计)、活塞式式流量计、刮板式流量计等。 　　1. 容积式流量计的优点 　　容积式流量计计量精度高, 基本误差一般为±0.5％R, 特殊的可达±0.2％R或更高。通常在昂贵介质或需要精确计量的场合使用。容积式流量计在旋转流和管道阻流件流速场畸变时对计量精确度没有影响, 没有前置直管段要求。这一点在现场使用中有重要的意义。 　　容积式流量计可用于高粘度流体的测量。范围度宽, 一般为10:1到5:1, 特殊的可达30:1或更大。容积式流量计是直读式仪表, 无需外部能源, 可直接获得累计总量, 清晰明了, 操作简便。在以体积流量计组合的间接法质量流量测量中, 容积式流量计与速度式等推导体积流量计相比, 所得体积是直接几何量, 体积量的影响因素要单纯些。在不适合采取密度计测量的高压天然气测量中, 不易处理的气体压缩系数, 用容积式流量计可间接求得。 　　2. 容积式流量计的缺点 　　容积式流量计结构复杂, 体积大, 笨重, 尤其较大口径的容积式流量计体积庞大, 故一般只适用于中小口径。与其他几类通用流量计(如差压式、浮子式、电磁式)相比, 容积式流量计的被测介质种类、介质工况(温度、压力)、口径局限性较大, 适应范围窄。 由于高温下零件热膨胀、变形, 低温下材质变脆等问, 容积式流量计一般不适用于高低温场合。目前可使用温度范围大致在-30~+160℃, 压力最高为10MPa。大部分容积式流量计仪表只适用洁净单相流体, 含有颗粒、脏污物时上游需装过滤器, 既增加压损, 又增加维护工作; 如测量含有气体的液体必须装设气体分离器。容积式流量计安全性差, 如检测活动件卡死, 流体就无法通过, 断流管系就不能应用。但有些结构在壳体内置一旁路, 当检测活动元件卡死, 流体可从旁路通过。 部分形式容积式流量计仪表(如椭圆齿轮式、腰轮式、旋转活塞式等)在测量过程中会给流动带来脉动, 较大口径仪表还会产生噪声, 甚至是管道产生振动。 §1-3 涡轮流量计 涡轮流量计是一种速度式流量计。当被测流体流过仪表时精度, 冲击涡轮叶片, 使涡轮旋转, 在一定测量范围内, 涡轮转数与流量成正比在各种流量计中涡轮流量计、容积式流量计和科氏质量流量计是三类重复性、精确度最佳的产品, 而涡轮流量计具有自己的特点, 如结构简单、加工零部件少、重量轻、维修方便、流通能力大和可适应高参数(高温、高压和低温)等。至今, 涡轮流量计可达技术参数: 口径4~750mm, 压力达250MPa, 温度为-240~700℃, 像这样的技术参数其他两类流量计则是难以达到的。 涡轮流量计广泛应用于以下一些测量对象: 石油、有机液体、无机液、液化气、天然气、煤气和低温流体等。 §1-4 差压式流量计 　　差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。差压式流量计由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。通常以检测件的型式对差压式流量计分类, 如孔扳流量计、文丘里管流量计及均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计, 差压变送器和流量显示及计算仪表, 它已发展为三化(系列化、通用化及标准化)程度很高的种类规格庞杂的一大类仪表。差压计既可用于测量流量参数, 也可测量其他参数(如压力、物位、密度等)。 　　应用最普遍的节流件标准孔板结构易于复制, 简单, 牢固, 性能稳定可靠, 使用期限长, 价格低廉。节流式差压式流量计应用范围极广泛, 至今尚无任何一类流量计可与之相比。全部单相流体, 包括液、气、蒸汽皆可测量, 部分混相流, 如气固、气液、液固等亦可应用, 一般生产过程的管径、工作状态(压力, 温度)皆有产品。 §1-5 浮子式流量计 　　浮子式流量计是一种流体阻力式流量计。浮子流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降, 改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表, 又称转子流量计。在美国、日本常称作变面积流量计或面积流量计。 　　浮子流量计的流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成。被测流体从下向上经过锥管和浮子形成的环隙时, 浮子上下端产生差压形成浮子上升的力, 当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量时, 浮子便上升, 环隙面积随之增大, 环隙处流体流速立即下降, 浮子上下端差压降低, 作用于浮子的上升力亦随着减少, 直到上升力等于浸在流体中浮子重量时, 浮子便稳定在某一高度。浮子在锥管中高度和通过的流量有对应关系。 　　浮子流量计使用于小管径和低流速。常用仪表口径40-50mm以下, 最小口径做到1.5-4mm。适用于测量低流速小流量, 以液体为例, 口径10mm以下玻璃管浮子流量计满度流量的名义管径, 流速只在0.2-0.6m/s之间, 甚至低于0.1m/s，金属管浮子流量计和口径大于15mm的玻璃管浮子流量计稍高些, 流速在0.5~1.5m/s之间。浮子流量计可用于较低雷诺数, 选用粘度不敏感形状的浮子, 流通环隙处雷诺数只要大于40或500, 雷诺数变化流量系数即保持常数, 亦即流体粘度变化不影响流量系数。这数值远低于标准孔板等节流差压式仪表最低雷诺数104~105的要求。 　　大部分浮子流量计没有上游直管段要求, 或者说对上游直管段要求不高。 §1-6 超声波流量计 　　超声流量计是通过检测流体流动时对超声束(或超声脉冲)的作用, 以测量体积流量的仪表。封闭管道用超声流量计按测量原理分类有:①传播时间法;②多普勒效应法;③波束偏移法;④相关法;⑤噪声法。 　　1.优点 　　超声流量计可作非接触测量。夹装式换能器超声流量计可无需停流截管安装, 只要在既设管道外部安装换能器即可这是超声流量计在工业用流量仪表中具有的独特优点, 因此可作移动性(即非定点固定安装)测量, 适用于管网流动状况评估测定超声流量计为无流动阻挠测量, 无额外压力损失。流量计的仪表系数是可从实际测量管道及声道等几何尺寸计算求得的, 既可采用干法标定, 除带测量管段式外一般不需作实流校验。超声流量计适用于大型圆形管道和矩形管道, 且原理上不受管径限制, 其造价基本上与管径无关。对于大型管道不仅带来方便, 可认为在无法实现实流校验的情况下是优先考虑的选择。多普勒超声流量计可测量固相含量较多或含有气泡的液体。多普勒超声流量计可测量非导电性液体, 在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充。因易于实行与测试方法(如流速计的速度-面积法, 示踪法等)相结合可解决一些特殊测量问题, 如速度分布严重畸变测量, 非圆截面管道测量等。某些传播时间法超声流量计附有测量声波传播时间的功能, 即可测量液体声速以判断所测液体类别。 　　2.缺点和局限性 传播时间法超声流量计只能用于清洁液体和气体, 不能测量悬浮颗粒和气泡超过某一范围的液体;反之多普勒法超声流量计只能用于测量含有一定异相的液体。外夹装换能器的超声流量计不能用于衬里或结垢太厚的管道, 以及不能用于衬里(或锈层)与内管壁剥离(若夹层夹有气体会严重衰减超声信号)或锈蚀严重(改变超声传播路径)的管道。多普勒法超声流量计多数情况下测量精度不高。国内生产现有品种不能用于管径小于DN25mm的管道。 §2． 电磁流量计 　　电磁式流量计属于测速流量计, 是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。它的应用的范围很广, 可以测量各种腐蚀性介质: 酸、碱、盐溶液以及带有悬浮颗粒的浆液。它也可用于测量食品工业、医药自来水和污水处理等各部门中液体测量。它测量的体积量小至每小时数滴大至几万立方米。管道的口径为2mm~3m，一般精度为0.5级和0.2级。 　　1. 优点 　　电磁流量计的测量通道是一段无阻流检测件的光滑直管, 因不易阻塞适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流体, 如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等。电磁流量计不产生因检测流量所形成的压力损失, 仪表的阻力仅是同一长度管道的沿程阻力, 节能效果显著, 对于要求低阻力损失的大管径供水管道最为适合。电磁流量计所测得的体积流量, 实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率(只要在某阈值以上)变化明显的影响。与其他大部分流量仪表相比, 前置直管段要求较低。电磁流量计的测量范围度大, 通常为20：1～50：1, 可选流量范围宽。满度值液体流速可在0.5～10m/s内选定。有些型号仪表可在现场根据需要扩大和缩小流量(例如设有4位数电位器设定仪表常数)不必取下作离线实流标定。电磁流量计的口径范围比其他品种流量仪表宽, 从几毫米到3m。可测正反双向流量, 也可测脉动流量, 只要脉动频率低于激磁频率很多。仪表输出本质上是线性的。易于选择与流体接触件的品种, 可应用于腐蚀性流体。 　　2. 缺点 　　电磁流量计不能测量电导率很低的液体, 如石油制品和有机溶剂等。不能测量气体、蒸汽和含有较多较大气泡的液体。 通用型电磁流量计由于衬里材料和电气绝缘材料限制, 不能用于较高温度的液体;有些型号仪表用于过低于室温的液体, 因测量管外凝露(或霜)而破坏绝缘。     2.1测量原理 当液体在磁场中运动时，根据法拉第定律产生感应电动势（见图1）。如果磁场垂直于流动液体的电绝缘管道，而液体的电导率又不太低，则装在管壁上的两个电极之间可测量到一个电压，这电压同磁通量密度、液体的平均流速以及两个电极之间的距离成正比。这样，就可以测得液体的流速，进而测得液体的流量。 根据法拉第电磁感应定律，感应电压强度可用下面的简式表达：           E = kBLV…………………………………………（1） 在圆形管道中，体积流量是：      QV = ——— V ……………………………………………（2） 把方程（1）、（2）合并得：   QV = ——— E …………………………………………（3） 2.2电磁流量计的选用与安装     合理选用与正确安装电磁流量计，对保证测量准确度、延长仪表的使用寿命都是很重要的．下面就电磁流量计的选用原则，安装条件与使用注意事项做简单介绍．     (一)电磁流量计的选用原则     电磁流量计的选用，主要是变送器的正确选用，而转换器只需要与之配套就可以．     1．口径与量程的选择     变送器口径通常选用与管道系统相同的口径．如果管道系统有待设计，则可根据流量范围和流速来选择口径．对于电磁流量计来说，流速以2—4m／s较为适宜．在特殊情况下，如液体中带有固体颗粒，考虑到磨损的情况，可选常用流速≤3m／s，对于易附管理的流体．可选用流速≥2m／s．流速确定以后，可根据公式（3）来确定变送器口径．     变送器的量程可以根据两条原则来选择：一是仪表满量程大于预计的最大流量值；二是正常流量大于仪表满量程的50％，以保证一定的测量精度．     2．温度和压力的选择 电磁流量计能测量的流体压力与温度是有一定限制的．选用时，使用压力必须低于该流量计规定的工作压力．   如对变送器耐压有特殊要求，则可与生产厂家具体磋商．有的厂家已能制造耐压为32MPa的电磁流量变送器．     电磁流量计的工作温度取决于所用的衬里材料，一般为5—70℃．如做特殊处理，可以超过上述范围，有的厂家变送器允许被测介质温度为—40一十130℃．     3．内衬材料与电极树料的选择     变送器的内衬材料及电极材料必须根据介质的物理化学性质来正确选择，否则仪表会由于衬里和电极的腐蚀而很快损坏，而且腐蚀性很强的介质一旦泄漏容易引起事故．因此，必须根据生产过程中的具体测量介质，慎重地选择电极与衬里的材料．      (二)电磁流量计的安装 要保证电磁流量计的测量精度，正确的安装是很重要的． ①变送器应安装在室内干燥通风处．避免安装在环境温度过高的地方，不应受强烈振动，尽量避开具有强烈磁场的设备，如大电机，变压器等．避免安装在有腐蚀性气体的场合．安装地点便于检修．这是保证变送器正常运行的环境条件． ②为了保证变送器测量管内充满被测介质，变迭器最好垂直安装，流向自下而上．尤其是对于液固两相流，必须垂直安装．若现场只允许水平安装，则必须保证两电极在同一水平面 ③变送器两端应装阀门和旁路． ④电磁流量变送器的电极所测出的几毫伏交流电势，是以变送器内液体电位为基础的．为了使液体电位稳定并位变送器与流体保持等电位，以保证稳定地进行测量，变送器外壳与金属管两端应有良好的接地，转换器外壳也应接地．接地电阻不能大于10 ，不能与其它电器设备的接地线共用。如果不能保证变送器外壳与金属管道良好接触，应用金属导线将它们连接起来．再可靠接地． ⑤为了避免干扰信号，变送器和转换器之间的信号必须用屏蔽导线传输．不允许把信号电缆和电源线平行放在同一电缆钢管内．信号电缆长度一般不得超过30 m． ⑥转换器安装地点应避免交、直流强磁场和振动，环境温度为—20一50℃，不含有腐蚀性气体，相对湿度不大于80％． ⑦为了避免流速分相对测量的影响，流量调节阀应设置在变送器下游．对于小口径的变送器来说，因为从电极中心到流量计进口端的距离已相当于好几倍直径D的长度，所以对上游直管可以不做规定．但对口径较大的流量计，一般上游应有5D以上的直管段，下游一般不做直管段要求． §3． 涡街流量计 　　涡街流量计属于流体振动式流量计, 也是一种速度式流量计。 　　涡街流量计又称卡门旋涡流量计, 它是利用流体自然振荡的原理制成的一种旋涡分离型流量计。当流体以足够大的流速流过垂直于流体流向的物体时, 若该物体的几何尺寸适当, 则在物体的后面, 沿两条平行直线上产生整齐排列、转向相反的涡列。涡列的个数, 即涡街频率, 和流体的流速成正比。因而通过测量旋涡频率, 就可以知道流体的流速, 从而测量流体的流量。 1.优点 　　涡街流量计结构简单牢固, 安装维护方便(与节流式差压流量计相比较, 无需导压管和三阀组等, 减少泄漏、堵塞和冻结等)。涡街流量计适用流体种类多, 如液体、气体、蒸气和部分混相流体。精确度较高(与差压式, 浮子式流量计比较), 一般为测量值的(±0.5%～±1%)R。涡街流量计压损小(约为孔板流量计1/4~1/2); 输出与流量成正比的脉冲信号, 适用于总量计量, 无零点漂移。在一定雷诺数范围内, 输出频率信号不受流体物性(密度, 粘度)和组分的影响, 即仪表系数仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸有关, 只需在一种典型介质中校验而适用于各种介质。 2.局限性 涡街流量计不适用于低雷诺数测量(ReD≥2×104), 故在高粘度、低流速、小口径情况下应用受到限制。旋涡分离的稳定性受流速分布畸变及旋转流的影响, 应根据上游侧不同形式的阻流件配置足够长的直管段或装设流动调整器(整流器), 一般可借鉴节流式差压流量计的直管段长度要求安装。涡街流量计对管道机械振动较敏感, 不宜用于强振动场所。 3.1旋涡发生体的基本结构     旋涡发生体形状有圆柱、三角柱、T型柱、方角柱等。 §4．流量控制仪表系统故障分析步骤     (1)流量控制仪表系统指示值达到最小时,首先检查现场检测仪表,如果正常,则故障在显示仪表。当现场检测仪表指示也最小,则检查调节阀开度,若调节阀开度为零,则常为调节阀到调节器之间故障。当现场检测仪表指示最小,调节阀开度正常,故障原因很可能是系统压力不够、系统管路堵塞、泵不上量、介质结晶、操作不当等原因造成。若是仪表方面的故障,原因有：孔板差压流量计可能是正压引压导管堵;差压变送器正压室漏;机械式流量计是齿轮卡死或过滤网堵等。     (2)流量控制仪表系统指示值达到最大时,则检测仪表也常常会指示最大。此时可手动遥控调节阀开大或关小,如果流量能降下来则一般为工艺操作原因造成。若流量值降不下来,则是仪表系统的原因造成,检查流量控制仪表系统的调节阀是否动作;检查仪表测量引压系统是否正常;检查仪表信号传送系统是否正常。 (3)流量控制仪表系统指示值波动较频繁,可将控制改到手动,如果波动减小,则是仪表方面的原因或是仪表控制参数PID不合适,如果波动仍频繁,则是工艺操作方面原因造成。