第三章 检测仪表与传感器 — 流量测量

1. 第三章 检测仪表与传感器—流量测量 化学与环境工程学院 石新雨 湖北民族学院

2. 1 4 概述 物位检测及仪表 2 3 5 6 压力检测及仪表 流量检测及仪表 现代检测技术与传感器的发展 温度检测及仪表 第三章 检测仪表与传感器 √

3. 本章基本要求： • 了解压力单位及测压仪表的几种分类； • 了解液柱式压力计与活塞式压力计的基本原理； • 初步掌握电气式和弹性式压力计的基本原理及其选用方法。 • 了解各种流量计的测量原理； • 重点掌握差压式流量计及转子流量计的基本原理和应用。 • 了解各种液位测量方法； • 掌握差压式液位计的工作原理； • 初步掌握液位测量中零点迁移的意义及计算方法。 • 掌握热电偶温度计及热电阻温度计的测温原理。 • 熟悉热电偶温度测量中的冷端温度补偿的作用及方法。

4. 压差流量计 转子流量计 电磁流量计 超声波流量计 涡轮流量计 堰式流量计 3.3 流量检测及仪表 一、概 述 1. 按测速方法分类：

5. 速度式流量计--以管道内流速为测量依据。 如：差压式流量计；转子流量计、电磁流量计；涡轮流量计，堰式流量计等。 容积式流量计--以单位时间所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据。 如：椭圆齿轮流量计，活塞式流量计等。 质量流量计--以测量流体流过的质量为测量依据。 直接式：量热式，角动量式，陀螺式等； 间接式：用密度与容积流量经过运算求得。 2. 按测量途径分类：

6. 流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装 置的前后管壁处，流体的静压会产生差异之现象。 能量守恒：静压能+动压能+阻力损失=C 二、差压式流量计（节流式流量计） 1、节流现象：

7. p1 p2 2. 流量方程： 由流体力学知识可知，流体通过孔板节流装置后，会产生一定的压降。根据流速和压降的关系可以推导出下列方程： 通过测量孔板前后压差即可计算出流速和流量。

8. （1）节流装置 （2）引压导管 （3）差压变送器 （4）二次仪表 3. 差压式流量计组成

9. 4. 标准节流装置

10. （1）被测流体工作状态的变动、温度、压力、湿度、密度、粘度、Re等；（1）被测流体工作状态的变动、温度、压力、湿度、密度、粘度、Re等； （2）节流装置安装不正确：方向正确，节流处沉淀，结垢、堵塞等； （3）孔扳入口边缘磨损：会造成，压差值↘； （4）导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏现象； （5）差压计安装或使用不正确。 5. 差压式流量计的测量误差

11. 利用力平衡原理，测量小流量（小至几升/小时），小管径（D≤50mm）。利用力平衡原理，测量小流量（小至几升/小时），小管径（D≤50mm）。 三、转子流量计 差压式流量计：横截面、变压差 转子流量计：恒压差、变截面

13. 1. 工作原理 倾角：40’～3°, 转子力平衡条件： （1） V, ρt ,ρf , g, A等均为常数，故（p1-p2）也为常数。 由（1）式得： （2）

14. 设转子与锥形管间的环隙，面积为F0，则 流体通过环隙的流速v：

15. 则液体体积流量 （3） 将（2）带入（3）得： （4） 由于k为系数，F0只与h有关，可将（4）化成

16. 2. 电远传式转子流量计 两个刺激线圈方向串联，铁心处于中间位置时： 铁心处于偏上位置时： 铁心处于偏下位置时：

17. 它是一种非标准化仪表，仪表厂为了便于成批生产，是在工业基准状态（20 ℃，0.10l33 MPa）下用水或空气进行刻度的，即转子流量计的流量标尺上的刻度值，对用于测量液体来讲是代表20 ℃时水的流量值。 对用于测量气体来讲则是代表20 ℃ ，0.10133 MPa 压力下空气的流量值。 在实际使用时，需要按照介质密度、温度、压力等进行修正。 3. 转子流量计的示值修正

18. 3. 转子流量计的示值修正 （1）液体流量修正 （7） 对液体而言，温度、压力改变对密度影响较小，若介质与水粘度相差不超过0.03 Pa•s，可近似认为φ=常数，则 （8） 由式（7）和（8）得 （9）

19. 同理可得 （10） 表3-2是耐酸不绣钢转子为材料时的Km和KQ 。

20. （2）气体流量修正 对ρ、P、T都需要修正

21. （3）蒸汽流量修正 将蒸汽流量换算成水流量，对不锈钢转子 当 对饱和蒸汽（T≤200℃）可以按上式换算成相应的水流量值进行选择。

22. （4）示例 例1.转子密度为7.9g/m3，流体密度为0.8379g/m3，当流量计读数为3.6L/s时，实际流量是多少？ 解： 查P59表3-2得： 应用插值法得，

23. 方法二：

24. 例2. 一转子流量计用标准状态下的水进行标定。量程范围为100～1000L／h，转子材质为不锈钢（密度为7.90g／cm3），现用来测量密度为0.791g／cm3的甲醇，问 （1） 流量计测甲醇的量程范围是多少?（2）若换成铝材料转子（铝的密度为2.75 g／cm3，结构尺寸相同），这时用来测量甲醇的流量，其量程范围又是多少？ 解：(1) 按照量程上限进行计算，标态下测水的流量公式为 而用来测量甲醇时，甲醇和水的粘度相差不大，可以认为φ为常数：

25. 测量上限为： 同理可得， 测量下限为：

26. （2）改成铝转子后，流量公式为： 得 故, 测量范围为59.9～599.1L/s。

27. 例3.某厂测量温度为27 ℃，表压为0.16 MPa的空气的流量，转子流量计的读数为38 Nm3/h时，空气的实际流量为多少？ 解： 故

28. 孔板流量计和转子流量计比较

29. 四、容积式流量计：椭圆齿轮流量计 1、工作原理 组成： 两个相互啮合的椭圆形齿轮A和B、轴及壳体组成，齿轮和壳体间形成测量室。 (a)→(c)，齿轮转动1/4周，A轮排出半月周容积，B轮亦排出1/2半月容积，故共排1半月形容积。 则齿轮轮一周所排出容积为4v0 ∴ qv＝4nv0； n：椭圆形齿轮旋转速度；v0：半月形测量室容积。

30. 2、优点 （1）基于容积式测量原理，对粘度不敏感，尤其适用于测量重油，聚乙 烯醇、树脂等高粘度流体； （2）测量精度高； （3） 压力损失小； （4）安装使用方便。 3、缺点 （1） 介质不能含固体颗粒或机械物； （2）不适合高温场合； （3）结构复杂，成本高。

31. 4、举例： 椭圆齿轮流量计的半月形空隙体积为0.5L，今要求机械计数器末位每跳一个数字代表100L，试问齿轮转速应为多少? 解： 通过椭圆齿轮流量计的体积流量Q为: Q＝4nV 式中: n－椭圆齿轮的转速，r/s； V－月牙型计量室的容积，L； ∵ V＝0.5L, Q＝100L/s, 根据上式可求出相应的n值， 这就是说，椭圆齿轮的转速为 50r/s。

32. 流量Q 转数 脉冲 涡轮 电磁转换 前置放大 显示仪表 五、涡轮流量计 1、工作原理 管道内安装一自由旋转叶轮，在规定的流量范围和一定的流体粘度下，叶轮转速将与流速成线性关系。故只需测出转速便可求出流量，求出转数便知总量。 涡轮流量计原理框图

33. 涡轮流量计的流量系数： 式中：ξ-流量系数，f-脉冲频率 流量系数的含义：每流过单位体积流量时，变送器 将输出多少个脉冲。

34. 2、特点 优点：（1）使用安装方便 （2）无密封和齿轮传动机构，测量精度高 （3）耐高压，静压可以高达50MPa （4）基于磁电感应转换原理，故反应快，可测脉动流量 （5）输出信号为电频率信号，便于远传，不受干扰。 缺点：（1）涡轮易磨损，被测介质不应带有机械杂质，否则 会影响测 量精度和损坏机件，应加过滤器。 （2）安装时应有一定长度的直管段，以使流速稳定。

35. 六、电磁式流量计（适用于导电流体） 1、工作原理 一段非导磁材料管道外，安装对磁极N、S，产生磁场，导电流体流过而切割磁力线而产生感应电动势，该电动势由两根垂直于磁极的电极引出 。 体积流量： 故 K为仪表常数

36. 2、优点 （1）不受流体压力、温度、粘性、密度，电导率等影响，测量范围宽； （2）可测含杂质液体及强酸、强碱、盐类等腐蚀性液体； （3）测量中没有压降，不造成流动损失。

37. 3、缺点 （1）安装调试要求严格，使用较复杂； （2）测量有污垢的粘性流体时，易附着在电极上，造成误差，需定期清洗电极； （3）测量时易受环境电磁干扰，且不易排除。 4、适用范围 D＝6～900 mm qv＝0.1～20000 m3/h 精度±0.1％

38. 3.4 物位检测及仪表 一、概述 物位：液位和料位的统称。 液位：容器中液体介质的高低。 料位：容器中固体或颗粒状物质的堆积高度。 界面：两相物质的交界面。 液位计 料位计 界面计：测量两种不同密度液体介质的分界面。 物位 仪表

39. 二、分类 1. 直读式：玻璃管、玻璃板液位计。 2. 差压式：利用液柱或物料堆积对某定点产生压力之原理（压力式、差压式仪表）。 3. 浮力式：利用浮子高度随液位变化而变化或液体对浮子（或沉筒）的浮力随液位高度而变化之原理。 4. 电磁式：使物位变化转化为电量的变化，分电阻式（电极式），电容式，电感式等。

40. 5. 核辐射式：利用射线透过物料时，其光强度（或辐射强度）随物体厚度而变化之原理(γ射线）。 6. 超声波式：由于物位的变化引起声阻抗的变化，声波的遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化便可知道物位。 7. 光学式：物位对光波的遮断作用和反射作用。

41. 两线制超声波液位变送器 适用于酸碱液，污水，泡沫等各种液体环境。

42. 与 成正比。 3.4 物位检测及仪表 三、差压式液位变送器 1、工作原理 容器上部气体压力p2，差压变送器一端接液体，另一端接气体。则： 故： • 液位测量问题就转化为差压测量问题了。

43. 若不需要远传，则可以将变送器换成压力表， 即可显示液体压力，将刻度按H进行标定即可。 但是，当液位零面与检测仪表的取压口不在同一水平高度时，会产生附加的静压误差。就需要进行量程迁移和零点迁移。

44. 三、差压式液位变送器 2、零点迁移问题 理想状况下：△P∝H； 而实际使用中，为防止容器内流体进入变送器而堵塞管线或造成腐蚀，并能保持负压室液柱高度恒定， 在正、负压室与取压点之间分别装有隔离罐，并充以隔离液。

45. 设介质密度为ρ1，隔离液密度ρ1 则： 未加隔离罐时， 加隔离罐后差压减少了ρ2 g(h2-h1)

46. 亦即：H=0时，负压室已经有了压力 （这是由于两隔离罐高度不同所造成）。 为了消除初始压差的影响，采用“零点迁移”的办法进行处理，即调节仪表上的迁移弹簧，以抵消初始压差。 零点迁移同时改变了测量上限和下限，相当于测量范围的平移，不改变量程大小。

47. 1) 负迁移: 若某差压变送器测量范围为0～5000Pa， 无迁移时：压差变化0-5000Pa，变送器 输出I0 =4mA-20mA，如曲线a所示。 有迁移时：设固定压差(h2－ h1)ρ1g＝2000Pa。 当H＝0时，ΔP＝-2000Pa，此时I0＝4mA； 当H＝Hmax，ΔP＝5000-2000＝3000Pa，此时Io＝20mA，如图中曲线b所示。 即ΔP= -2000 ～+3000 Pa时，Io=4 ～20 mA。维持原来的量程5000Pa大小不变，只是向负方向迁移了一固定压差值2000 Pa。这种情况称之为负迁移。

48. 2) 正迁移: 正迁移示意图 由于工作条件不同，如图所示： 若p0＝0，经过分析可知，当H＝0时，Δp＝ρgh， 此时I0应为4mA。这种情况称为正迁移。

49. 3) 正、负迁移的区别与判断 正、负迁移的区别在于： 负迁移时，当H＝0时，固定压差ΔP＝ρ2g(h2－h1)＜0； 正迁移时，当H＝0时，固定压差ΔP ＝ρgh ＞0。 其判断如下： 当H＝0时，若ΔP ＜0，则为负迁移； 当H＝0时，若ΔP ＞0，则为正迁移。

50. (3) 测量分界面 利用差压式液位计还可以测量液体的分界面，如下图所示。 液位计正、负压室受力情况如下： P1 = h0ρ2g +（h1+h2）ρ1g P2 =（h2+h1+h0）ρ1g ΔP= P1– P2 = h0 g（ρ2 -ρ1） 由于（ρ2 -ρ1）是已知的，所以压差ΔP与分界面高度h0成一一对应关系。 界面测量