1、1第三章 流量测量第一节 概述一、 流量检测基础知识流量是工业生产过程中一个重要的参数。流量就是单位时间内流经某一截面的流体数量。流量可用体积流量和质量流量来表示，其单位分别用 m3/h 和 kg/h 等表示。流量计是指测量流体流量的仪表，它能指示和记录某瞬间时流体的流量值；计量表（总量表）是指测量流体总量的仪表，它能累计某段时间内流体的总量，即各瞬时流量的累加和，如水表等。工业上常用的流量仪表可分为两大类。1、 速度式流量计 以测量流体在管道中的流速作为测量依据来计算流量的仪表。如差压式流量计、变面积流量计、电磁流量计、漩涡流量计、冲量式流量计、堰式流量计和叶轮水表等。2、 容积式流量计 以
2、单位时间内所排出的流体固定容积的数目作为测量依据。如椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、刮板式流量计和活塞式流量计等。二、 分类及特点按当前流量计产品的实际情况，根据流量计的结构原理，大致上可归纳为以下几种类型：1容积式流量计容积式流量计相当于一个标准容积的容器，它接连不断地对流动介质进行度量。流量越大，度量的次数越多，输出的频率越高。容积式流量计的原理比较简单，适于测量高粘度、低雷诺数的流体。根据回转体形状不同，目前生产的产品分为：适于测量液体流量的椭圆齿轮流量计、腰轮流量计(罗茨流量计 )、旋转活塞和刮板式流量计；适于测量气体流量的伺服式容积流量计、皮膜式和转简流量计等。2叶轮式流量计叶轮式流量计
3、的工作原理是将叶轮置于被测流体中，受流体流动的冲击而旋转，以叶轮旋转的快慢来反映流量的大小。典型的叶轮式流量计是水表和涡轮流量计，其结构可以是机械传动输出式或电脉冲输出式。一般机械式传动输出的水表准确度较低，误差约2，但结构简单，造价低，国内已批量生产，并标准化、通用化和系列化。电脉冲信号输出的涡轮流量计的准确度较高，一般误差为0.20.5。3差压式流量计(变压降式流量计 )差压式流体流动的伯努利方程就是流体运动的能量方程，其含义是：在流体运动过程中，不同性质的机械能可以相互转换，但总的机械能守恒，差压式流量计正是利用了压能与动能的转换和守恒原理而测量流量的。流量计工作原理：充满圆管的单相连续
4、流体，流经管内节流件时，由于节流件的流通截2面比管道截面小，流束形成局部收缩，在压头作用下，流体加速，动能增加，静压下降，在节流前后形成压力差（简称压差） 。设流体是理想流体和不可压缩的，经过节流元件的节流使其静压能和动压能相互转换，而其参加转换的能量总和保持不变。通过测量节流元件前后的静压力的变化就能测出管道中介质的流速和流量。孔板差压流量计就是基于这种原理工作的。差压式流量计由一次装置和二次装置组成。一次装置称流量测量元件，它安装在被测流体的管道中，产生与流量(流速 )成比例的压力差，供二次装置进行流量显示。二次装置称显示仪表。它接收测量元件产生的差压信号，并将其转换为相应的流量进行显示。
5、差压流量计的一次装置常为节流装置或动压测定装置(皮托管、均速管等) 。二次装置为各种机械式、电子式、组合式差压计配以流量显示仪表。差压计的差压敏感元件多为弹性元件。由于差压和流量呈平方根关系，故流量显示仪表都配有开平方装置，以使流量刻度线性化。多数仪表还设有流量积算装置，以显示累积流量，以便经济核算。这种利用差压测量流量的方法历史悠久，比较成熟。选择节流装置应遵循的原则有：(1)孔板、喷嘴和文丘利管，一般都用于直径 D 大于等于 50mm 的管道中，如被测介质为高温高压，可选用孔板和喷嘴，文丘利管只适用于低压的流体介质；(2)求节流装置所产生的压力损失较小时，可采用喷嘴或文丘利管；(3)测量某
6、些易使节流装置弄脏、磨损或变形的脏污介质或腐蚀性介质时，选用喷嘴较好；喷嘴精度高，所以直管段要求也较短；在加工、制造和安装中，孔板要求最简单，喷嘴次之，文丘利管最复杂。总之，根据以上这些优、缺点和实际使用的要求来考虑如何选择，既满足技术要求，又要经济，可行等原则来选择。4变面积式流量计(等压降式流量计 )放在上大下小的锥形流道中的浮子受到自下而上流动的流体的作用力而移动。当此作用力与浮子的“显示重量”(浮子本身的重量减去它所受流体的浮力) 相平衡时，浮子即静止。浮子静止的高度可作为流量大小的量度。由于流量计的通流截面积随浮子高度不同而异，而浮子稳定不动时上下部分的压力差相等，因此该型流量计称变
7、面积式流量计或等压降式流量计。该式流量计的典型仪表是转子(浮子) 流量计。5动量式流量计利用测量流体的动量来反映流量大小的流量计称动量式流量计。由于流动流体的动量 P与流体的密度及流速 v 的平方成正比，当通流截面确定时，v 与容积流量 Q 成正比。设比例系数为 A，则 QA 因此，测得 P，即可反映流量 Q。这种型式的流量计，大多利用检测元件把动量转换为压力、位移或力等，然后测量流量。这种流量计的典型仪表是靶式和转动翼3板式流量计。靶式流量计的工作原理：被测介质在水平管道中流动受到流量计圆形靶片的阻力，介质的一部分动压能转化为对靶片的作用力，其力的大小与流速有一定的关系。通过力矩转换方式检测
8、出靶片上所受的力，即可求出介质的流速和流量。我公司的靶式流量计有气动靶式流量计和电动靶式流量计两种。靶式流量计主要用于原油、渣油、蜡油等高粘度、低雷诺系数的流体的测量。当被测介质密度、靶直径一定时，流量计的准确度主要取决于流量系数。要使流量计满足精度要求，其被测介质最好是高粘度、低雷诺系数的流体。6冲量式流量计利用冲量定理测量流量的流量计称冲量式流量计，多用于测量颗粒状固体介质的流量，还用来测泥浆、结晶型液体和研磨料等的流量。流量测量范围从每小时几公斤到近万吨。典型的仪表是水平分力式冲量流量计，其测量原理是当被测介质从一定高度 h 自由下落到有倾斜角的检测板上产生一个冲力，冲力的水平分力与质量
9、流量成正比，故测量这个水平分力即可反映质量流量的大小。按信号的检测方式，该型流量计分位移检测型和直接测力型。7电磁流量计电磁流量计的测量原理是法拉第电磁感应原理，即导电液体在磁场中作切割磁力线运动时，导体中产生感应电势，而感应电动势又和流量大小成正比，通过测电动势来反映管道流量的原理而制成的。测量流量时，导电性的液体以速度 V 流过垂直于流动方向的磁场，导电性液体的流动感应出一个与平均流速成正比的电压，其感应电压信号通过二个或二个以上与液体直接接触的电极检出，并通过电缆送至转换器通过智能处理，转换成标准信号420mA 和 01kHz 输出。电磁流量计的测量精度和灵敏度都较高。工业上多用以测量水
10、、矿浆等介质的流量。可测最大管径达 2m，而且压损极小。但导电率低的介质，如气体、蒸汽等则不能应用。通常电磁流量对安装场所有以下要求：1） 测量混合相流体时，选择不会引起相分离的场所；测量双组分液体时，避免装在混合尚未均匀的下游；测量化学反应管道时，要装在反应充分完成段的下游；尽量满足前后直管段分别不小于 5D 和 2D；2） 尽可能避免测量管内变成负压；3） 选择震动小的场所，特别对一体型仪表；4） 避免附近有大电机、大变压器等，以免引起电磁场干扰；5） 易于实现传感器单独接地的场所；6） 尽可能避开周围环境有高浓度腐蚀性气体；7） 尽可能避免受阳光直照。电磁流量计不受温度、压力、粘度等外界
11、因素的影响，测量管内部无收缩或凸出部分的4造成的压力损失，另外，流量元件检测出的最初信号，是一个与流体平均流速成精确线性变化的电压，它与流体的其他性质无关，具有很大的优越性。根据污水具有流量变化大、含杂质、腐蚀性小、有一定的导电能力等特性，测量污水的流量，电磁流量计是一个很好的选择。它结构紧凑、体积小。安装、操作、维护方便，测量系统采用智能化设计，整体密封加强，能在较恶劣的环境下正常工作。而涡街流量计由于技术原因，口径很难做大，质量，管道式超声波流量计在价格相对于电磁缺乏竞争优势。所以在水和污水行业，电磁流量计尤其是大口径电磁流量计具有很大优势，得到了非常普遍的应用。8超声波流量计超声波在流动
12、的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。超声波流量计的电子线路包括发射、接收、信号处理和显示电路。测得的瞬时流量和累积流量值用数字量或模拟量显示。根据对信号检测的原理，目前超声波流量计
13、大致可分传播速度差法(包括：直接时差法、时差法、相位差法、频差法)波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型。其中以噪声法原理及结构最简单，便于测量和携带，价格便宜但准确度较低，适于在流量测量准确度要求不高的场合使用。由于直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传报时速度之差来反映流体的流速的，故又统称为传播速度差法。其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，所以被广泛采用。按照换能器的配置方法不同，传播速度差拨又分为：Z 法(透过法)、V 法(反射法)、X 法等。波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化
14、而产生偏移来反映流体流速的，低流速时，灵敏度很低适用性不大。多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。相关法是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度等无关，因而测量准确度高，适用范围广。但相关器价格贵，线路比较复杂。在微处理机普及应用后，这个缺点可以克服。噪声法(听音法)是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值。其方法简单，设备价格便宜，但准确度低。超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密
15、度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非5导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。超声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展，现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量测量。9流体振荡式流量计流体振荡式流量计是利用流体在特定流道条件下流动时将产生振荡，且振荡的频率与流速成比例这一原理设计的。当通流截面一定时，流速与
16、导容积流量成正比。因此，测量振荡频率即可测得流量。这种流量计是 70 年代开发和发展起来的。由于它兼有无转动部件和脉冲数字输出的优点，很有发展前途。目前典型的产品有涡街流量计、旋进旋涡流量计。涡街流量计的基本原理是卡门涡街现象。旋涡在柱体的两侧交替产生,在柱体下游形成涡街(图 1).旋涡分离频率 f 正比于流速 v 反比于旋涡发生体的宽度 d:f = St S t 是无量纲量斯特劳哈尔数.当旋涡发生体的几何形状和尺寸设计得当时,S t 数在很很宽的 R e 数范围内是一个常数，Re = 流体的运动粘度；D = 流量计口径。图 1用于测量流量的旋涡分离频率随流速而变化,不受流体密度和粘度的影响。
17、伴随着旋涡分离而产生的局部压力脉动由压电探头检测出来,并在检测电路中被转换成与旋涡频率相对应的脉冲信号。信号变换器将此脉冲信号转换成标准电流信号(420 mA)输出。10质量流量计由于流体的容积受温度、压力等参数的影响，用容积流量表示流量大小时需给出介质的参数。在介质参数不断变化的情况下，往往难以达到这一要求，而造成仪表显示值失真。因此，质量流量计就得到广泛的应用和重视。质量流量计分直接式和间接式两种。直接式质量流量计利用与质量流量直接有关的原理进行测量，目前常用的有量热式、角动量式、振动陀螺式、马格努斯效应式和科里奥利力式等质量流量计。间接式质量流量计是用密度计与容积流量直接相乘求得质量流量
18、的。目前我公司用的质量流量计采用的是艾默生过程公司的 CMF300 变送器 2700 系列，常见故障及代码如下：序号 故障代码 报警内容61 A1 核心处理器 EEPROM 出错2 A2 核心处理器 RAM 出错3 A3 传感器没用响应4 A4 温度传感器超出测量范围5 A5 流量传感器超出测量范围6 A6 变送器没有组态7 A7 实时中断信号失败8 A8 密度测量值超限9 A9 变送器正在初始化10 A10 零点标定失败11 A11 超过校验修正值，流量太低12 A12 超过校验修正值，流量太高13 A13 干扰信号太大，不能执行零点标定14 A14 变送器失败15 A15 数据丢失16 A
19、16 Line RTD 温度超范围（T 系列）17 A17 Case RTD 温度超范围（T 系列）18 A18 1700/2700EEPROM 出错19 A19 1700/2700RAM 测试出错20 A20 没有输入标定系数21 A21 不能识别传感器的类型22 A22 核心处理器的 EEPROM 组态数据块损坏23 A23 核心处理器的 EEPROM 累计量损坏24 A24 EEPROM 程序损坏25 A25 被保护的根区损坏26 A26 传感器与变送器通讯故障27 A27 安全模式发生改变28 A100 第一路毫安输出饱和29 A101 第一路毫安输出已在强制输出状态30 A102 传
20、感器故障31 A103 误差已消除32 A104 正在零点标定过程中33 A105 团状流34 A106 触发模式有效35 A107 电源复位过36 A108 事件一被触发37 A109 事件二被触发38 A110 频率输出已饱和39 A111 频率输出处在强制输出状态40 A112 请 1700/2700 的软件第二节 选型与设计要求71、刻度选择的规定：1）流量单位的采用，应符合下列规定：A.体积流量采用：m 3/h、l/h；B.质量流量采用：kg/h、t/h；C.标准状态下（0，0.101325MPa） ，气体体积流量采用：（N）m 3/h。2）刻度的选择，应符合下列规定：A. 仪表刻度
21、应符合仪表刻度模数的要求；对于基地式差压流量仪表，应符合仪表制造 厂的刻度模数。B. 方根刻度范围，满刻度读数为 010。a.最大流量的刻度读数不应超过 9.5；b.正常流量的刻度读数不应超过 6.58.5；c.最小流量的刻度读数不应小于 10；C线性刻度范围，满刻度读数为 0100。a.最大流量的刻度读数不应超过 90；b.正常流量的刻度读数不应超过 5070；c.最小流量的刻度读数不应小于 103、 气体、液体、蒸汽流量仪表：1）差压式流量计的选用，应符合下列规定：A.节流装置a.一般流体的流量测量，宜选用标准节流装置。标准节流装置的选用，应符合国际标准用差压装置测量流体流量 第一部分 安
22、装在充满流体的圆形截面管道中的孔板、喷嘴和文丘里管ISO5167-1991 或国家标准流量测量节流装置用孔板、喷嘴、文丘里管测量充满圆管的流体测量GB/T2624-93 的规定。b.特殊情况下的流体流量测量，可选用非标准节流装置： 被测介质为干净的气体、液体，雷诺数为 200100000 时，可选用 1/4 圆喷嘴； 被测介质为干净的气体、液体，雷诺数为 3000300000 时，可选用双重孔板； 被测介质中含有固体微粒（如高炉煤气、泥浆等） ，在孔板前后可能积存沉淀物时，可选用圆缺孔板； 测量液体中含有气体或气体中含有凝液的介质以及液体中含有固体颗粒的介质时，可选用偏心孔板或楔式流量计； 测
23、量高粘度、低雷诺数（低至 100）的流体（如原油、油浆、渣油、沥青等） ，可选用楔式流量计。8c.无悬浮物的洁净气体、液体、蒸汽的微小流量，测量精确度等级要求不高时，可选用内藏孔板差压变送器。B.差压式流量计宜采用法兰取压或角接取压方式，同一工程应尽量采用统一的取压方式。也可根据使用条件和测量要求，采用 D-D/2 取压等其它取压方式。C.差压范围的选择应根据计算确定，压差范围等级宜为 6、10、16、25、40、60kPa。2)当测量精确度等级不高于 1.5 级，量程比不大于 10：1 时，可选用转子流量计（面积式流量计） 。A.玻璃管转子流量计的选用，应符合下列要求：a. 中小流量、微小流
24、量的测量；b. 流体的压力小于 1MPa，温度低于 100；c. 流体洁净、透明、无毒、安全且对玻璃无腐蚀、不粘附；d. 需就地指示。B.金属管转子流量计的选用，应符合下列要求：a.小流量测量；b.流体有毒、易燃、易爆但不含磁性物质、纤维和磨损性物质；c.流体粘度较高、易凝结、易汽化但温度不高；d.流体对不锈钢无腐蚀性。e.带夹套或防腐型金属管转子流量计的选用，应符合下列要求：f.被测介质易结晶或汽化时，可选用带夹套金属管转子流量计，夹套中通以加热或冷却介质；g.腐蚀性介质的流量测量，可采用防腐型金属管转子流量计。3）速度式流量计的选用，应符合下列要求：A.靶式流量计的选用，应符合下列要求：a
25、 流体粘度较高且含少量固体颗粒；b 精确度等级要求不高于 1.5 级，量程比不大于 3：1。B.涡轮流量计的选用，应符合下列要求：a.流体为洁净的气体和运动粘度不大于 510-6m2/s 的洁净液体；b.精确度要求高，量程比不大于 10：1;c大管径的流量测量，当要求压力损失小时，可采用插入式涡轮流量计。C.涡街流量计的选用，应符合下列要求：a.洁净气体、蒸汽和液体的流量测量；b.低速流体及粘度大于 2010-3Pa.s 液体的测量，不宜采用涡街流量计。D.就地累积水的流量计量，当量程比要求小于 3：1 时，可采用水表。4）容积式流量计的选用，应符合下列规定：9A. 椭圆齿轮流量计的选用，应符
26、合下列规定：a. 洁净的、粘度较高的液体的流量测量；b. 要求流量计量较准确；c. 量程比小于 10：1；d. 对微小流量，可选用微型椭圆齿轮流量计；e. 当测量各种易气化介质及油品并要求精确计量时，应增设消气器；f. 应设置过滤器。B. 腰轮流量计（气体腰轮流量计和液体腰轮流量计）的选用，应符合下列要求：a. 洁净气体或液体，特别是有润滑性的粘度较高的油品的流量测量；b. 要求流量测量精度较高时；c. 应设置过滤器。C. 刮板流量计的选用，应符合下列规定：a. 各种油品的精确计量；b. 应设置过滤器；c. 要求精确计量时，应增设消气器。5）电磁流量计的选用，应符合下列要求：A. 对耐腐蚀性和
27、耐磨性有要求的场合；B. 电导率大于 10s/cm 的酸、碱、盐、氨水、纸浆、矿浆以及除脱盐水以外的水等液体的流量测量；C. 衬里材料可选用聚四氟乙烯，也可选用橡胶等。6）均速管流量计的选用，应符合下列要求：A. 洁净气体、蒸汽及粘度小于 0.3Pa.S 的洁净液体的流量测量；B. 要求压力损失较小，管道内径为 1002000mm 时。7）凡能传导声波的流体均可小于超声波流量计。除一般介质外，对强腐蚀性、非导电、易燃、易爆及在放射性等恶劣条件下工作的介质，当无法采用接触式测量时，可采用超声波流量计。8）质量流量计不受流体温度、压力、密度或粘度变化的影响，能提供精确可靠的质量流量计量。质量流量计
28、的选用，应符合下列要求：A. 需直接精确测量液体的质量流量或密度时，可选用质量流量计。B. 测量气体的质量流量时，宜选用热质量流量计。9）根据工艺流体和操作条件的要求以及流量仪表的特性，可选用弯管流量计、堰式流量计等。10）根据工艺流体及操作条件的要求以及流量开关的性能，可选用热质量流量开关、金属转子流量开关等。103.一点建议：1）水的计量，在不需远传的情况下，一般选用水表；若需远传，可选用涡街流量计。2）饱和蒸汽的计量，在不需远传的情况下，一般选用 LFX 型蒸汽流量计；若需远传，一般选用涡街流量计。3）油品的累积计量，一般选用 LSZ 型双转子流量计或 LBYN 型合金刮板流量计。4）需
29、要精确计量，作为销售的凭证，则需要质量流量计。如成品油的销售，在不过地磅的情况下，就必须选用。有时，为便于精确控制或对一个装置进行考核，也可选用，如环氧丙烷工段的氯气和丙烯的流量配比调节，选用的就是质量流量计。5）作为一个公司的主要计量手段，汽车衡（地磅）是必不可缺少的，一般选用 SCS-D 型数字式汽车衡。根据进出物料重量的多少，可选取 80t、100t、120t 等的汽车衡。其基坑形式一般选用无基坑式的。其台面尺寸（宽长）一般选取 3.4m18m。6）其它的计量手段，根据实际情况合理的选择。如 FWC 型静载称重模块、DF300 型液体灌装秤、PB 型防爆电子平台秤、NCS 型电子散料秤等
30、。7）需注意的是，不同的流量计所需的前后直管段是不一样的，有的需要，如电磁流量计，一般是前 10D、后 5D（D 为流量计公称通径） ；涡街流量计则前 1540D、后 5D。而有的则不需要，如质量流量计、双转子流量计等。8）在选型时，一定要根据各个流量计的不同特点，提前给工艺配管专业提供流量计的尺寸，所需的前后直管段，是否配三阀组，是否加过滤器等得一并提供。 第三节 练习题一填空1、罗茨流量计基于流体体积累积的原理工作。2、罗茨流量计由流量变送机构和计数机构组成。4、 流量变送机构将体积流量转变为腰轮的转动，再由计数机构累积出总流量或指示出瞬时流量。5、在质量流量计中 2700 变送器的面板显示中 SCROLL 为旋转键。SELECT 为确认键。6、2700 系列变送器中正常指示时状态灯颜色为浅绿色，故障时状态指示灯为红色，即报警状态。 7、在变送器与手持编程器通讯时采用的是 HART 协议，连接的是 1，2 端子。其最大回路电阻为 600 欧姆电阻，最小回路电阻 250 欧姆电阻。8.若质量流量计采用的是频率信号，其最大范围是 500HZ，其瞬时量是 15kg/s，其当量系数是 0.03。9连接变送器和核心处理之间的连线受损将会导致测量错误或流量计的失效，扭转核心处理器会损坏传感器。二简答
