《過程控制系統(tǒng)與儀表》課件及教案,過程控制系統(tǒng)與儀表,過程,控制系統(tǒng),儀表,課件,教案 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.4 2.4 流量檢測及儀表流量檢測及儀表流量是生產(chǎn)控制及經(jīng)濟核算中的重要檢測參數(shù)。流量是生產(chǎn)控制及經(jīng)濟核算中的重要檢測參數(shù)。2.4.1流量的基本概念流量的基本概念流量指單位時間內(nèi)流過某一截面的流體數(shù)量。即流量指單位時間內(nèi)流過某一截面的流體數(shù)量。即瞬時流量瞬時流量。表示方法有：表示方法有：q質(zhì)量流量質(zhì)量流量Qm（t/h、kg/h、kg/s）q體積流量體積流量Qv（m3/h、L/h、L/min）二者的關系：二者的關系：流體的密度流體的密度Qm=Qv 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章總量總量指一定時間內(nèi)流過某截面的流體流量的總指一定時間內(nèi)流過某截面的流體流量的總和。和。即即累計流量累計流量。以以 t 表示時間，則總量和流量之間的關系是：表示時間，則總量和流量之間的關系是：流流量量計計的的種種類類繁繁多多，若若按按測測量量原原理理分分，流流量量計可分為：計可分為：節(jié)流式流量計節(jié)流式流量計 速度式流量計速度式流量計 容積式流量計容積式流量計 電磁式流量計電磁式流量計 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.4.2 差壓式流量計差壓式流量計差差壓壓式式（也也稱稱節(jié)節(jié)流流式式）流流量量計計是是基基于于流流體體流流動動的的節(jié)節(jié)流流原原理理，利利用用流流體體流流經(jīng)經(jīng)節(jié)節(jié)流流裝裝置置時時產(chǎn)產(chǎn)生生的的壓壓力力差而實現(xiàn)流量測量。差而實現(xiàn)流量測量。顯示儀表顯示儀表差壓變送器差壓變送器節(jié)流裝置節(jié)流裝置Q過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章節(jié)流現(xiàn)象節(jié)流現(xiàn)象流流體體在在流流過過節(jié)節(jié)流流件件時時，在在節(jié)節(jié)流流件件前前后后的的靜靜壓壓產(chǎn)產(chǎn)生差異的現(xiàn)象稱為生差異的現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象節(jié)流現(xiàn)象。節(jié)節(jié)流流件件是是能能使使管管道道中中的的流流體體產(chǎn)產(chǎn)生生局局部部收收縮縮的的元元件，件，節(jié)流件節(jié)流件和和取壓裝置取壓裝置組裝成組裝成節(jié)流裝置節(jié)流裝置。QP1P2過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章差差壓壓式式流流量量計計常常用用的的標標準準節(jié)節(jié)流流件件是是孔孔板板，其其次次是噴嘴、文丘里管等。是噴嘴、文丘里管等?？卓装灏逯浦谱髯骱喓唵螁?，節(jié)節(jié)流流現(xiàn)現(xiàn)象象明明顯顯，但但對對流流體體阻阻力力大大。噴噴嘴嘴、文文丘丘里里管管節(jié)節(jié)流流現(xiàn)現(xiàn)象象次次之之，但但對對流流體體阻阻力力較小。較小。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章節(jié)流原理節(jié)流原理流動著的流體具有兩種能量流動著的流體具有兩種能量靜壓能和動能靜壓能和動能。v流流體體的的靜靜壓壓能能表表現(xiàn)現(xiàn)在在對對管管壁壁的的壓壓力力、動動能能表表現(xiàn)現(xiàn)在在流流動動速速度度，二二者者在在一一定定條件下可以互相轉化。條件下可以互相轉化。根根據(jù)據(jù)能能量量守守恒恒定定律律，流流體體所所具具有有的的靜靜壓壓能能、動動能能及及克克服服流流動動阻阻力力的的能能量量損失，其總和不變。損失，其總和不變。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章v孔板前后流體孔板前后流體對管壁壓力對管壁壓力孔板前穩(wěn)定流動孔板前穩(wěn)定流動段段-截面截面流束未收流束未收縮前壓力縮前壓力平均流速平均流速v1流束最小處流束最小處-截面截面流束最小流束最小處壓力處壓力平均流速平均流速v2過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章根據(jù)能量守恒定律：根據(jù)能量守恒定律：截面截面處能量處能量=截面截面處能量處能量+損耗損耗靜壓能靜壓能 動能動能 靜壓能靜壓能 動能動能 損耗損耗根據(jù)伯努力方程可列出：根據(jù)伯努力方程可列出：式中：式中：流體的動能損失系數(shù)流體的動能損失系數(shù) g 重力加速度重力加速度1、2孔板前后流體密度孔板前后流體密度v損耗損耗v2v1過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章v1S1=v2S2截截面面、處處體體積積流流量量應應相等：相等：聯(lián)立求解兩式，得：聯(lián)立求解兩式，得：如果流體不可壓縮，則如果流體不可壓縮，則 1=2=有：有：不好測不好測不好測不好測S1、S2、處的流束截面積處的流束截面積 v損耗損耗v2v1過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章截面收縮系數(shù)；截面收縮系數(shù)；m孔板對管道的面積比；孔板對管道的面積比；取取壓壓修修正正系系數(shù)數(shù)，取取孔孔板板前前后后的管壁壓差的管壁壓差(P P1 1-P P2 2)代替代替(P1-P2)為簡化測量計算，引入三個系數(shù)：為簡化測量計算，引入三個系數(shù)：S2S0S1將系數(shù)將系數(shù)代入代入v2式，式，置換掉置換掉置換掉置換掉過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章因體積流量：因體積流量：Q v=v2 S2=v2 S0稱流量系數(shù)稱流量系數(shù) 令令故故得得過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章體積流量體積流量 質(zhì)量流量質(zhì)量流量 結結論論：流流量量與與節(jié)節(jié)流流件件前前后后壓壓差差的的平平方方根根成成正正比。只要測得差壓比。只要測得差壓（P1-P2）便可測得流量。便可測得流量。得到（得到（不可壓縮的流體）不可壓縮的流體）流量基本方程式：流量基本方程式：如如果果流流體體是是可可壓壓縮縮的的（如如蒸蒸汽汽），則則要要對對公公式式進行修正。進行修正。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章流量系數(shù)流量系數(shù)很難計算，一般通過實驗確定。很難計算，一般通過實驗確定。故節(jié)流裝置都是標準化的，廠家提供故節(jié)流裝置都是標準化的，廠家提供數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。流流量量系系數(shù)數(shù)與與節(jié)節(jié)流流裝裝置置的的結結構構形形式式、取取壓壓方方式式、開開孔孔面面積積與與管管道道截截面面積積之之比比m、管管壁壁粗粗糙糙度度、流流體體流流動狀態(tài)等因素有關：動狀態(tài)等因素有關：動能損失系數(shù)動能損失系數(shù)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章標準節(jié)流裝置標準節(jié)流裝置標準節(jié)流裝置包括標準節(jié)流件和標準取壓裝置。標準節(jié)流裝置包括標準節(jié)流件和標準取壓裝置。節(jié)流裝置標準化的具體內(nèi)容有：節(jié)流裝置的結構、節(jié)流裝置標準化的具體內(nèi)容有：節(jié)流裝置的結構、尺寸、公差、光潔度、取壓孔位置和使用條件等。尺寸、公差、光潔度、取壓孔位置和使用條件等。節(jié)流件節(jié)流件導壓管導壓管過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章標標準準節(jié)節(jié)流流裝裝置置取取壓壓方方法法有有角角接接取取壓壓法法和和法法蘭蘭取取壓法兩類。壓法兩類。角角接接取取壓壓是是在在孔孔板板前前后后端端面面處處設設環(huán)環(huán)室室鉆鉆孔孔取取壓壓或直接鉆孔取壓；或直接鉆孔取壓；法法蘭蘭取取壓壓是是在在孔孔板板前前后后一一定定距距離離處處設設法法蘭蘭孔孔取取壓。壓。1管道法蘭；管道法蘭；2環(huán)室；環(huán)室；3孔板；孔板；4夾緊環(huán)夾緊環(huán)角接取壓角接取壓法蘭取壓法蘭取壓過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章當當標標準準節(jié)節(jié)流流裝裝置置安安裝裝好好后后，還還有有流流體體流流動動狀狀態(tài)態(tài)是影響流量系數(shù)的可變因素。是影響流量系數(shù)的可變因素。因因為為，基基本本流流量量公公式式是是在在管管道道內(nèi)內(nèi)流流體體均均勻勻流流動動的前提下導出的，要求被測流體為湍流狀態(tài)。的前提下導出的，要求被測流體為湍流狀態(tài)。湍流湍流v層流層流v雷諾數(shù)雷諾數(shù)Re可以反映流體的流動狀態(tài)?？梢苑从沉黧w的流動狀態(tài)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章其中：其中：v 流速，流速，D管道內(nèi)徑，管道內(nèi)徑，流體密度，流體密度，流體動力粘度。流體動力粘度。雷諾數(shù)雷諾數(shù)Re是個無量綱系數(shù)。流體的雷諾數(shù)是個無量綱系數(shù)。流體的雷諾數(shù)Re越越大，流體截大，流體截 面各點的流速越趨于一致，流量系數(shù)面各點的流速越趨于一致，流量系數(shù)越穩(wěn)定。實驗表明只有在雷諾數(shù)越穩(wěn)定。實驗表明只有在雷諾數(shù)Re大于某一界限值大于某一界限值（約為（約為105）時，流量系數(shù)）時，流量系數(shù)才保持常數(shù)。才保持常數(shù)。105ReRekm=0.5m=0.4m=0.2m孔板對管道的面積比孔板對管道的面積比過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章標標準節(jié)流裝置使用條件準節(jié)流裝置使用條件q流體應當清潔，充滿圓管并連續(xù)穩(wěn)定地流動。流體應當清潔，充滿圓管并連續(xù)穩(wěn)定地流動。q流體的雷諾數(shù)在流體的雷諾數(shù)在104105以上，不發(fā)生相變。以上，不發(fā)生相變。q管道必須是直的圓形截面，直徑大于管道必須是直的圓形截面，直徑大于50mm。q為為保保證證流流體體在在節(jié)節(jié)流流裝裝置置前前后后為為穩(wěn)穩(wěn)定定的的流流動動狀狀態(tài)態(tài)，在在節(jié)節(jié)流流裝裝置置的的上上、下下游游必必須須配配置置一一定定長長度度的的直直管段。管段。一體化孔板流量計一體化孔板流量計過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章溫壓補償一體式孔板流量計溫壓補償一體式孔板流量計節(jié)流件節(jié)流件導壓管導壓管差壓計差壓計過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.4.3 轉子流量計轉子流量計在在工工業(yè)業(yè)生生產(chǎn)產(chǎn)中中經(jīng)經(jīng)常常遇遇到到小小流流量量的的測測量量。因因流流體體的的流流速速低低，要要求求測測量量儀儀表表有有較較高高的的靈靈敏敏度度，才才能能保證一定的精度。保證一定的精度。差差壓壓式式流流量量計計對對管管徑徑小小于于50mm、低低雷雷諾諾數(shù)數(shù)的的流流體體的的測測量量誤誤差差很很大大，而而轉轉子子流流量量計計則則特特別別適適宜宜于于測測量量管管徑徑50mm以以下下小小管管道道的的流流量量，測測量量的的流流量量可小到每小時幾升。可小到每小時幾升。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章工作原理工作原理轉子流量計也是利用節(jié)流原理測流量。轉子流量計也是利用節(jié)流原理測流量。當當流流體體自自下下而而上上流流過過錐錐形形管管時時，轉轉子子受受到到向向上上的的推推力力。當當推推力力大大于于轉轉子子的的重重力力時時，轉轉子子浮浮起起。流流量量增增大大時時，推推力力增增大大，轉轉子子上上移移，則則流流通通面面積積增增大大，流流體更容易通過。體更容易通過。當當轉轉子子受受到到的的向向上上推推力力等等于于向向下下的的重重力力時時，轉轉子子停停浮浮在在一一定定的的高高度度上上。流流量越大，轉子停浮位置越高。量越大，轉子停浮位置越高。S0過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章錐形管中轉子的平衡條件是：推力錐形管中轉子的平衡條件是：推力=重力重力 (P1-P2)S =P S =(z-f)g Vf 被測流體的密度；被測流體的密度；g 重力加速度；重力加速度；V 轉子體積。轉子體積。則：則：SP 轉子前后流體壓力差；轉子前后流體壓力差；S 轉子最大橫截面積；轉子最大橫截面積；z 轉子材料密度；轉子材料密度；結論：轉子結構材料一定、被測流體結論：轉子結構材料一定、被測流體一定時，一定時，V、S、z、f、g均為常數(shù)，不均為常數(shù)，不論轉子浮在何處，其所受壓力差論轉子浮在何處，其所受壓力差P是常數(shù)。是常數(shù)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章代入流量公式：代入流量公式：S0是節(jié)流面積：是節(jié)流面積：S0=k h故故h結結論論：被被測測流流量量是是轉轉子子浮浮起起高高度度的的函函數(shù)數(shù)。若若沿沿錐錐形形管管的的高高度度方方向向標標度度對對應應的的流流量量值值，那那么么根根據(jù)據(jù)轉轉子子的的浮浮起起位位置置就就可可以以讀讀出流量的大小。出流量的大小。S0則體積流量：則體積流量：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章差壓式流量計是節(jié)流面積不變差壓式流量計是節(jié)流面積不變（如孔板開孔面積），節(jié)流件前后差（如孔板開孔面積），節(jié)流件前后差壓變化；而轉子流量計是節(jié)流件前后壓變化；而轉子流量計是節(jié)流件前后差壓不變，節(jié)流面積變化。差壓不變，節(jié)流面積變化。即轉子流量計采用的是恒壓差、即轉子流量計采用的是恒壓差、變節(jié)流面積的方法測量流量。變節(jié)流面積的方法測量流量。故故h轉子流量計與差壓式流量計的相同點是：轉子流量計與差壓式流量計的相同點是：都是利用節(jié)流原理測流量。都是利用節(jié)流原理測流量。轉子流量計與差壓式流量計的不同點是：轉子流量計與差壓式流量計的不同點是：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章1、錐錐形形管管是是玻玻璃璃的的，直直接接目目視視轉子的位置。轉子的位置。2、在在轉轉子子內(nèi)內(nèi)安安裝裝磁磁鐵鐵，錐錐形形管管外外安安裝裝磁磁環(huán)環(huán)隨隨轉轉子子上上下下移移動動，接接通通顯顯示電路。示電路。轉子位置信號的輸出方式轉子位置信號的輸出方式12過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 3、在在轉轉子子內(nèi)內(nèi)安安裝裝磁磁鐵鐵，錐錐形形管管外外安安裝裝雙雙霍霍爾爾磁磁場場傳傳感感器器，測測出出磁磁場場的的水水平平分分量量和和垂垂直直分分量量，可可確確定定轉轉子位置。子位置。4、在轉子上方安裝一導磁、在轉子上方安裝一導磁棒，使差動變壓器輸出隨轉棒，使差動變壓器輸出隨轉子位置變化。子位置變化。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章從流量公式可知，流量值與被測流體密度有關。從流量公式可知，流量值與被測流體密度有關。為了便于成批生產(chǎn)，儀表生產(chǎn)廠是在標準工業(yè)狀態(tài)為了便于成批生產(chǎn)，儀表生產(chǎn)廠是在標準工業(yè)狀態(tài)下（下（20，0.10133MPa），用水或空氣進行標度。，用水或空氣進行標度。q液體測量，儀表以液體測量，儀表以20時水的流量值刻度。時水的流量值刻度。q氣體測量，儀表以氣體測量，儀表以20，0.10133MPa時空時空氣的流量值刻度。氣的流量值刻度。q對于非標準流體，須對指示值進行修正。對于非標準流體，須對指示值進行修正。儀表刻度修正儀表刻度修正f 被測流體的密度被測流體的密度 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 2.4.4 靶式流量計靶式流量計使使用用懸懸在在管管道道中中央央的的靶靶作作為為節(jié)節(jié)流流元元件件，流流體體作作用用于于靶靶上上的的推推力力與與流流速速有有定定值值關關系系。推推力力F 經(jīng)經(jīng)杠杠桿桿引出，由力平衡變送器測出。引出，由力平衡變送器測出。插入式插入式過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章理理論論推推導導及及實實驗驗證證明明，流流體體作作用用于于靶靶上上的的推推力力F 與流體流速與流體流速 v 的平方成正比。的平方成正比。式中式中:k靶的推力系數(shù)；靶的推力系數(shù)；Sd 靶的受力面積；靶的受力面積；流體比重；流體比重；g 重力加速度；重力加速度；v 靶與管璧間環(huán)形間隙處靶與管璧間環(huán)形間隙處流體平均流速流體平均流速 vSd過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章式中：式中：流量系數(shù)；流量系數(shù)；S0 靶處環(huán)形截面積。靶處環(huán)形截面積。v和差壓式流量計相似，流量和力是開方關系。和差壓式流量計相似，流量和力是開方關系。v可可用用于于雷雷諾諾數(shù)數(shù)較較小小的的流流量量測測量量，特特別別適適于于高高粘粘度的流體，如重油、瀝青等的流量測量。度的流體，如重油、瀝青等的流量測量。v精度為精度為23%。則則而通過管道的體積流量而通過管道的體積流量 Q=S0 vS0Sd過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.4.5 橢圓齒輪流量計橢圓齒輪流量計是是根根據(jù)據(jù)兩兩個個相相互互嚙嚙合合的的橢橢圓圓形形齒齒輪輪在在流流體體的的推推動下，轉動的速度來測流量。動下，轉動的速度來測流量。如如圖圖，當當流流體體要要流流過過橢橢圓圓齒齒輪輪時時，進進口口側側壓壓力力p1大大于于出出口口側側壓壓力力p2，在在此此壓壓力力差差的的作作用用下下，產(chǎn)產(chǎn)生生作作用力矩使橢圓齒輪轉動。用力矩使橢圓齒輪轉動。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 圖圖（a）位位置置時時，由由于于p1 p2，所所產(chǎn)產(chǎn)生生的的合合力力矩矩使使A輪順時針方向轉動。輪順時針方向轉動。A帶動帶動B轉動。轉動。轉至（轉至（b）位置，位置，A輪與輪與B輪均為主動輪。輪均為主動輪。轉至（轉至（c）位置，合力矩使位置，合力矩使B輪帶動輪帶動A輪轉動。輪轉動。A、B輪輪轉轉動動時時，連連續(xù)續(xù)將將半半月月形形容容積積內(nèi)內(nèi)的的流流體體排出。排出。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 此此圖圖表表示示橢橢圓圓齒齒輪輪轉轉動動了了1/4周周的的情情況況，其其排排出出的的流流體體為為一一個個半半月月形形容容積積V0。所所以以，橢橢圓圓齒齒輪輪每每轉轉一一周周所所排排出出的的被被測測介介質(zhì)質(zhì)量量為為半半月月形形容容積積的的4倍倍。故通過橢圓齒輪流量計的體積流量故通過橢圓齒輪流量計的體積流量Q為：為：Q=4nV0 n齒輪轉速齒輪轉速 如果累計齒輪轉速，可得到體積總量。如果累計齒輪轉速，可得到體積總量。V0過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章智能型橢圓齒輪流量計智能型橢圓齒輪流量計流流量量計計用用CPU處處理理數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)，并并用用溫溫度度傳傳感感器器對對所所計計量量液液體體實實時時測測量量溫溫度度，自自動動補補償償密密度度。能能實實現(xiàn)現(xiàn)體體積積、質(zhì)質(zhì)量量兩兩種種計計量量顯顯示示方方式式，計計量量準準確確度度高高，能能和和上位機通信。上位機通信。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章q特點特點由由于于橢橢圓圓齒齒輪輪流流量量計計是是基基于于容容積積式式原原理理測測量量的的，與與流流體體的的粘粘度度、密密度度、雷雷諾諾數(shù)數(shù)等等參參數(shù)數(shù)無無關關。因因此此，安安裝裝時時不不需需要要有有直直管管段段，對對流流體體的的流流動動狀狀態(tài)態(tài)無無要要求求，特特別別適適用用于于高高粘粘度度介介質(zhì)質(zhì)的的流流量量測測量量。測測量量精精度度高高，最高可達最高可達0.1%。橢橢圓圓齒齒輪輪流流量量計計使使用用時時溫溫度度不不能能過過高高，否否則則可可能能使使齒齒輪輪膨膨脹脹卡卡死死；被被測測流流體體中中不不能能含含有有固固體體顆顆粒粒，否否則會引起齒輪磨損甚至卡死。則會引起齒輪磨損甚至卡死。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.4.6 2.4.6 渦輪流量計渦輪流量計在在測測量量管管道道內(nèi)內(nèi)，安安裝裝一一個個可可以以自自由由轉轉動動的的渦渦輪輪，當當流流體體通通過過時時，流流體體的的動動能能使使渦渦輪輪旋旋轉轉。流流體體的的流流速速越越大大，渦渦輪輪轉轉速速也也就就越越高高。因因此此，測測出出渦渦輪輪的的轉轉速或轉數(shù)，就可確定流過管道的流體流量或總量。速或轉數(shù)，就可確定流過管道的流體流量或總量。日日常常生生活活中中使使用用的的某某些些自自來來水水表表、油油量量計計等等都都有有利利用用渦渦輪輪或或葉葉輪輪原原理理制制成成的的，都都屬屬于于速速度式儀表。度式儀表。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 渦渦輪輪上上的的螺螺旋旋葉葉片片用用高高導導磁磁系系數(shù)的不銹鋼制成數(shù)的不銹鋼制成導導流流器器用用以以穩(wěn)穩(wěn)定定流流體的流向體的流向外外殼殼由由非非導導磁磁的的不不銹鋼制成銹鋼制成過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 渦輪流量計的工作過程渦輪流量計的工作過程 流體的推力使渦輪葉片旋轉，高導磁的葉片就流體的推力使渦輪葉片旋轉，高導磁的葉片就周期性地掃過磁鋼底部，使磁路的磁阻發(fā)生周期性周期性地掃過磁鋼底部，使磁路的磁阻發(fā)生周期性變化，感應線圈中的磁通量也跟著發(fā)生周期性變化。變化，感應線圈中的磁通量也跟著發(fā)生周期性變化。磁鋼底部每經(jīng)過一片渦輪磁鋼底部每經(jīng)過一片渦輪葉片，線圈中就感應出一個脈葉片，線圈中就感應出一個脈沖信號。其頻率與渦輪的轉速沖信號。其頻率與渦輪的轉速成正比，即與流量成正比。成正比，即與流量成正比。NS f=NQ N儀表常數(shù)儀表常數(shù)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章NS脈沖信號放大后，用計數(shù)器計數(shù)顯示被測流量脈沖信號放大后，用計數(shù)器計數(shù)顯示被測流量 Q 油量計油量計過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章q特點特點渦渦輪輪轉轉速速不不用用軸軸輸輸出出，沒沒有有齒齒輪輪傳傳動動誤誤差差和和密密封封問問題題，因因而而渦渦輪輪流流量量計計測測量量精精度度高高（可可達達0.2級），耐高壓（靜壓可達級），耐高壓（靜壓可達50MPa）。）。輸輸出出信信號號為為頻頻率率信信號號，不不易易受干擾，便于遠傳受干擾，便于遠傳。要要求求流流體體清清潔潔，安安裝裝時時，應應加加裝裝過過濾濾器器，且且前前后后要要有有一一定定的的直管段。直管段。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 在在流流量量測測量量中中，當當被被測測介介質(zhì)質(zhì)是是具具有有導導電電性性的的液液體介質(zhì)時，可以用電磁感應的方法來測量流量。體介質(zhì)時，可以用電磁感應的方法來測量流量。2.4.7 2.4.7 電磁流量計電磁流量計過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章工作原理：工作原理：在管道兩側安放磁鐵，流動的液體在管道兩側安放磁鐵，流動的液體當作切割磁力線的導體，產(chǎn)生的感應電動勢與流體當作切割磁力線的導體，產(chǎn)生的感應電動勢與流體的流速成正比關系。當磁感應強度的流速成正比關系。當磁感應強度B不變、管道直徑不變、管道直徑一定時，流體切割磁力線而產(chǎn)生的感應電勢一定時，流體切割磁力線而產(chǎn)生的感應電勢E的大小的大小僅與流體的流速僅與流體的流速v 有關：有關：E=BDv過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章式中：式中：Ex 感應電勢；感應電勢；B 磁磁 感感 應應 強強 度度；D 管道直徑；管道直徑；v 流體速度。流體速度。當當BD一定一定時時，感應電勢感應電勢E與流速與流速v成正比，感應成正比，感應電勢的方向由右手定則判斷。電勢的方向由右手定則判斷。E=BDvv=BDE過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章體積流量體積流量Q等于等于流速流速 v 乘以截面積：乘以截面積：即感應電勢即感應電勢E與與Q成正比關系。成正比關系。式中式中稱為儀表常數(shù)稱為儀表常數(shù)QvDv=BDE而而上式為滿管式流量測量。對于非滿管式流量測量上式為滿管式流量測量。對于非滿管式流量測量,應加測液位應加測液位,然后根據(jù)實際截面積計算流量然后根據(jù)實際截面積計算流量。則：則：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 變送器結構變送器結構 變變送送器器由由測測量量管管和和轉轉換換器器兩兩部部分分組組成成。測測量量管管上下兩側分別繞有馬鞍形的勵磁線圈。上下兩側分別繞有馬鞍形的勵磁線圈。為為了了避避免免直直流流磁磁場場產(chǎn)產(chǎn)生生的的直直流流感感應應電電勢勢使使電電極極周周圍圍導導電電液液體體電電解解，導導致致電電極極表表面面極極化化而而減減小小感應電勢，一般采用交流勵磁。感應電勢，一般采用交流勵磁。交交流流勵勵磁磁有有正正弦弦波波工工頻頻勵勵磁磁、低低頻頻矩矩形形波波勵勵磁磁、高高頻頻勵勵磁磁、雙雙頻勵磁等。頻勵磁等。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2、測量導管內(nèi)壁必須絕緣、測量導管內(nèi)壁必須絕緣為為了了防防止止感感應應電電勢勢被被短短路路，可可在在測測量量導導管管內(nèi)內(nèi)壁壁涂涂一一層層環(huán)環(huán)氧氧樹樹脂做絕緣襯里。脂做絕緣襯里。變送器材質(zhì)變送器材質(zhì)1、測量導管由非導磁的高阻材料制成、測量導管由非導磁的高阻材料制成為為了了避避免免磁磁力力線線被被測測量量管管的的管管壁壁短短路路，并并使使測測量量導導管管在在磁磁場場中中盡盡可可能能地地降降低低渦渦流流損損耗耗，可可用用不不銹銹鋼做測量導管。鋼做測量導管。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章優(yōu)點：優(yōu)點：測量導管內(nèi)無任何阻礙物，因而被測流體的壓測量導管內(nèi)無任何阻礙物，因而被測流體的壓力損失很小。力損失很小?？梢詼y量各種導電液體的流量，如酸、堿、鹽可以測量各種導電液體的流量，如酸、堿、鹽溶液，流體可以含有固體顆粒、懸浮物或纖維等。溶液，流體可以含有固體顆粒、懸浮物或纖維等。輸出信號與流量之間的關系不受流體物理性質(zhì)輸出信號與流量之間的關系不受流體物理性質(zhì)（如溫度、壓力、粘度等）變化和流動狀態(tài)的影響。（如溫度、壓力、粘度等）變化和流動狀態(tài)的影響。測量響應速度快，可用來測量脈測量響應速度快，可用來測量脈動流量。動流量。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章由由于于感感應應電電勢勢較較小小，很很容容易易受受外外界界電電磁磁場場干干擾擾的的影影響響，后后級級要采用高放大倍數(shù)的放大器。要采用高放大倍數(shù)的放大器。對對于于口口徑徑過過大大的的管管道道，可可用用插入式電磁流量計。插入式電磁流量計。缺點缺點只只能能用用來來測測量量導導電電液液體體的的流流量量，要要求求導導電電率率不不小小于于水水的的導導電電率率。不不能能測測量量氣氣體體、蒸蒸汽汽及及石石油油制品等的流量。制品等的流量。插入式電磁流量計插入式電磁流量計過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.4.8 旋渦式流量計旋渦式流量計利利用用流流體體遇遇到到阻阻礙礙物物后后產(chǎn)產(chǎn)生生的的旋旋渦渦來來測測量量流流量量?？煽梢砸詼y測量量管管道道中中的的液液體體、氣氣體體和和蒸蒸汽汽的的流流量量。根根據(jù)據(jù)旋旋渦渦類類型型分分為為兩兩類類：旋旋進進型型旋旋渦渦流流量量計計和和卡卡曼曼型旋渦流量計（常稱渦街流量計）。型旋渦流量計（常稱渦街流量計）。渦街流量計渦街流量計過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章渦街流量計測量原理渦街流量計測量原理在在測測量量管管道道中中垂垂直直插插入入一一個個非非流流線線形形的的柱柱狀狀物物（圓圓柱柱或或三三角角柱柱）作作為為阻阻流流體體。當當流流體體受受到到阻阻礙礙物物阻阻擋擋時時，會會在在阻阻礙礙物物的的下下游游處處產(chǎn)產(chǎn)生生兩兩列列平平行行、且且上上下下交交替替出出現(xiàn)現(xiàn)的的旋旋渦渦。因因為為這這些些旋旋渦渦有有如如街街道道旁旁的的路路燈燈，故故有有“渦渦街街”之之稱稱，又又因因此此現(xiàn)現(xiàn)象象首首先先被卡曼（被卡曼（Karman）發(fā)現(xiàn)，也稱作發(fā)現(xiàn)，也稱作“卡曼渦街卡曼渦街”。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章實實驗驗表表明明，當當兩兩列列旋旋渦渦的的間間距距h和和同同列列相相鄰鄰兩兩個個旋旋渦渦之之間間的的距距離離 l 之之比比能能滿滿足足hl0.281時時，所所產(chǎn)產(chǎn)生的渦街是穩(wěn)定的。滿足如下關系：生的渦街是穩(wěn)定的。滿足如下關系：f 單側旋渦發(fā)生頻率單側旋渦發(fā)生頻率St 斯特勞哈爾系數(shù)斯特勞哈爾系數(shù)v 流體平均流速流體平均流速d 圓柱體直徑圓柱體直徑 v即即：St 為為常常數(shù)數(shù)時時，單單側側旋旋渦渦的的發(fā)發(fā)生生頻頻率率 f 與流體平均流速與流體平均流速v成正比成正比。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章v測得測得 f 便可算出體積流量便可算出體積流量Q A1管道中旋渦發(fā)生體處流通截面積。管道中旋渦發(fā)生體處流通截面積。A1 A1因為因為所以所以旋渦頻率的檢測方法有多種。如：旋渦頻率的檢測方法有多種。如：熱敏檢測法熱敏檢測法、超聲波檢測法、電容檢、超聲波檢測法、電容檢測法、應力檢測法等，都是利用旋渦測法、應力檢測法等，都是利用旋渦的局部壓力、密度、流速等的變化作的局部壓力、密度、流速等的變化作用于敏感元件，產(chǎn)生電信號。用于敏感元件，產(chǎn)生電信號。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章例例1：熱敏檢測法熱敏檢測法在在阻流體阻流體內(nèi)腔設置熱敏元件。內(nèi)腔設置熱敏元件。如在圓柱形內(nèi)腔的中心安裝一個鉑電阻，通過如在圓柱形內(nèi)腔的中心安裝一個鉑電阻，通過電流時產(chǎn)生的熱量使內(nèi)腔溫度高于腔外。電流時產(chǎn)生的熱量使內(nèi)腔溫度高于腔外。當流體產(chǎn)當流體產(chǎn)生旋渦時，產(chǎn)生旋渦側的流體流速低、靜壓高，使生旋渦時，產(chǎn)生旋渦側的流體流速低、靜壓高，使部分流體由導壓孔進入內(nèi)腔，向未產(chǎn)生旋渦的一側部分流體由導壓孔進入內(nèi)腔，向未產(chǎn)生旋渦的一側流出，帶走部分熱量，鉑絲溫度降低，電阻減小。流出，帶走部分熱量，鉑絲溫度降低，電阻減小。每產(chǎn)生一個旋渦，鉑電阻就變小一次。每產(chǎn)生一個旋渦，鉑電阻就變小一次。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章鉑鉑電電阻阻值值的的變變化化可可用用不不平平衡衡電電橋橋進進行行轉轉換換，經(jīng)經(jīng)放大和整形，再變換成直流電流信號輸出。放大和整形，再變換成直流電流信號輸出。鉑電阻鉑電阻電橋輸出信號頻率電橋輸出信號頻率fv=2ff單側旋渦的發(fā)生頻率單側旋渦的發(fā)生頻率 測測出出鉑鉑電電阻阻變變化化的的頻頻率率就就測測出出了了旋旋渦頻率，也就測得了流量。渦頻率，也就測得了流量。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章例例2：超聲波檢測法超聲波檢測法如如圖圖所所示示，A為為發(fā)發(fā)射射換換能能器器，發(fā)發(fā)射射出出超超聲聲波波。B為為接接收收換換能能器器，接接收收A發(fā)發(fā)射射的的超聲波。超聲波。由由于于旋旋渦渦的的旋旋轉轉方方向向、壓壓力力和和流流體體密密度度的的周周期期變變化化，使使流流體體對對超超聲聲波波的的折折射射、反反射射和和吸吸收收效效應應的的差差異異，形形成成了了對對超超聲聲波波束束的的調(diào)調(diào)制制作作用用。換換能能器器B接接收收到到的的不不是是一一個個等等幅幅波波信信號號，其其幅幅度度變變化化的的次次數(shù)數(shù)與與旋旋渦個數(shù)一致，從而測得流速的大小。渦個數(shù)一致，從而測得流速的大小。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章q旋旋渦渦流流量量計計的的特特點點是是精精確確度度高高、測測量量范范圍圍寬寬、沒有運動部件、壓力損失小。沒有運動部件、壓力損失小。q如如果果設設置置流流體體溫溫度度傳傳感感器器，進進行行溫溫度度補補償償計計算，則能消除流體溫度變化對測量的影響。算，則能消除流體溫度變化對測量的影響。溫度補償型溫度補償型渦街流量計渦街流量計過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.4.9 超聲波流量計超聲波流量計超聲波流量測量屬于非接觸式測量。它通過發(fā)射超聲波流量測量屬于非接觸式測量。它通過發(fā)射超聲波穿過流動的流體，接收后經(jīng)過信號處理反映出超聲波穿過流動的流體，接收后經(jīng)過信號處理反映出流體的流速，根據(jù)流速算出流量。流體的流速，根據(jù)流速算出流量。超聲波的測量有多種不同的方式。如：傳播時間超聲波的測量有多種不同的方式。如：傳播時間法、旋渦法、多普勒效應法等。法、旋渦法、多普勒效應法等。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章傳播時間法傳播時間法 根據(jù)聲波在流體中的傳播速度順流時會增大、根據(jù)聲波在流體中的傳播速度順流時會增大、逆流時會減小的原理測流速。檢測方法有：逆流時會減小的原理測流速。檢測方法有：時差法時差法測超聲波在順流、逆流時的傳播時間差測超聲波在順流、逆流時的傳播時間差 相位差法相位差法測超聲脈沖在順流、逆流時的相位差測超聲脈沖在順流、逆流時的相位差 頻差法頻差法測超聲脈沖在順流、逆流時的頻率差測超聲脈沖在順流、逆流時的頻率差v vv v過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章頻差法原理頻差法原理根據(jù)超聲脈沖在順流、逆流時的重復頻率差測根據(jù)超聲脈沖在順流、逆流時的重復頻率差測量流速。量流速。順流發(fā)射的一組換能器和逆流發(fā)射的一組換能順流發(fā)射的一組換能器和逆流發(fā)射的一組換能器各自組成發(fā)射器各自組成發(fā)射接收的閉路循環(huán)系統(tǒng)。接收的閉路循環(huán)系統(tǒng)。v v 因頻差法可以不受聲速變化影響，使用較多。因頻差法可以不受聲速變化影響，使用較多。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章測量時由發(fā)射換能器發(fā)射一個脈沖，經(jīng)過流體傳測量時由發(fā)射換能器發(fā)射一個脈沖，經(jīng)過流體傳播，被接收換能器接收放大后，再送至發(fā)射換能器發(fā)播，被接收換能器接收放大后，再送至發(fā)射換能器發(fā)射第二個脈沖。如此循環(huán)，兩組發(fā)射射第二個脈沖。如此循環(huán)，兩組發(fā)射接收的循環(huán)頻接收的循環(huán)頻率分別為：率分別為：v vv 流體的流速流體的流速c超聲波在靜止流體中的傳播速度超聲波在靜止流體中的傳播速度L發(fā)射器、接收器間的距離發(fā)射器、接收器間的距離順流：順流：逆流：逆流：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 可見，只要測出一定時間內(nèi)兩組閉路循環(huán)系統(tǒng)可見，只要測出一定時間內(nèi)兩組閉路循環(huán)系統(tǒng)的脈沖循環(huán)頻率之差，就可測得流速。而流速乘以的脈沖循環(huán)頻率之差，就可測得流速。而流速乘以管道截面積就得到流量。管道截面積就得到流量。兩組頻率差兩組頻率差過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章特點：特點：v超超聲聲波波流流量量計計屬屬于于非非接接觸觸式式測測量量，不不會會影影響響被被測測流流體體的的流流動動狀狀況況。測測量量液液體體流流量量時時精精度度可可達達0.2級級，測測量量氣氣體體流流量量時時精精度度可可達達0.5級級。量量程程范范圍圍可可達達201。v要求流體清潔，以要求流體清潔，以避免對超聲波束的干擾。避免對超聲波束的干擾。測量管前后要有足夠長測量管前后要有足夠長的直管段，以保證流速的直管段，以保證流速均勻。均勻。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章小結小結作業(yè)（作業(yè)（P71）：）：2-18、2-22 題題流量測量流量測量質(zhì)質(zhì)量量流流量量體體積積流流量量 總總量量 差壓式流量計差壓式流量計轉子流量計轉子流量計電磁流量計電磁流量計渦輪流量計渦輪流量計渦街流量計渦街流量計橢圓齒輪流量計橢圓齒輪流量計靶式流量計靶式流量計超聲波流量計超聲波流量計