流量计讲稿学习.pptx

目目 录录一、概述二、流量计的名词术语三、流量测量的基本原理四、电磁流量计五、涡街流量计六、超声流量计七、浮子流量计八、差压流量计九、质量流量计十、靶式流量计十一、涡轮流量计十二、容积式流量计第1页/共268页一、概述工业、民用和实验用的流量计种类繁多，按流量计原理的型式大致可分为速度式流量计、容积式流量计、差压式流量计、质量流量计和特殊型式流量计。速度式流量计典型的有涡轮流量计、涡街流量计（插入式）、超声流量计和水表；容积式流量计典型的有罗茨流量计（腰轮）、椭圆齿轮流量计、双转子流量计、刮板流量计、活塞式流量计（加油机里面的计量器）、湿式气体流量计和膜式燃气表等；差压式流量计有孔板、喷嘴、临界流流量计、弯管流量计、均速管流量计（阿纽巴）、皮托管和内锥流量计等；质量流量计有科里奥利力流量计、热质式流量计等；特殊型式的流量计有靶式流量计、转子流量计（浮子或定面积式或定压降式）、层流流量计、电磁流量计（潜水电磁）、热能表、分流旋翼式流量计、皂膜流量计和明渠流量计等。按流体介质可分为气体流量计（稀有气体）、蒸气流量计、油流量计、固体流量计（粉煤灰、沙石）和水流量计，还有两相流流量计（水气混合或纸浆等）。第2页/共268页二、流量计的名词术语名词术语参照国际通用计量基本名词述语VIM1984年版本。T.1气体容积式流量计的工作范围由最大流量Qmax和最小流量Qmin限定的气体的流量的范围。T.2气体容积式流量计的回转体积（V）与气体容积式流量计的工作周期相对应的气体的体积，即：除指示装置和中间传动装置外所有运动部件的运动第一次回复到周期开始时它们所处的位置时的体积。该体积是由与测试元件的一个完整的传动相对应的体积值或最小标尺分格值由乘以测量装置到指示装置间的传动比而确定的。T.3测试元件能够精确读出气体体积的装置。T.4测量条件和基准条件测量条件在测量点处进行气体体积测量的气体状态（如：被测气体的温度、压力）。基准条件对被测气体的体积进行换算的条件（如基准温度和基准压力）。注：测量条件和基准条件均仅与被测量或被指示的气体的体积有关，不要把它们与“额定工作条件”和“参比条件”（VIM5.05和5.07）混淆，这两种条件的是影响量。T.5转换装置把在测量条件下测得的体积转换成基准条件下体积的装置。注：转换的类型也可以是：只是温度：或者温度和压力；对温度和压力偏离理想气体定律进行的修正。第3页/共268页二、流量计的名词术语T.6工作压力在气体容积式流量计入口处测的气体绝对压力和大气压力之间的差值。T.7压力损失气体流动时在气体容积式流量计的进口与出口之间的压力之差。注：有些气体容积式流量计在出口法兰处的压力恢复是不完全的，所以有必要在下游管道的某一点上测量压力损失。T.8输出驱动常数与输出驱动轴一个完整的转动对应的体积值，该值由与测试元件一整圈的转动对应的体积乘以指示装置到该轴的传输比所确定。T.9分界流量（Qt）最大允许误差发生变化流量。T.10电子式气体流量计装有电子装置的气体流量计。注：对本建议来说辅助装置受到计量控制，除非这个辅助装置被单独地认证和鉴定过的，它被认为是气体流量计的一部分。T.11电子装置使用电子元件和执行特殊功能的装置。电子装置通常被作为一个独立的单元生产，同时能够进行单独的测试。注：如上面定义的那样，电子装置可以是一个完整的气体流量计或气体流量计的一部分。T.12（指示）误差气体流量计的指示值减去被测量的（约定）真值（）。注：误差（E）由指示值（V1）与通过气体的流量计的被测介质的约定真值（Vc）之差的相对比率（百分比）表示：第4页/共268页二、流量计的名词术语在参比条件使用的气体流量计的误差（VIM5-27）。T.14初始的固有误差是在性能测试和耐久性评定前就被确定的气体流量计的固有误差。T.15故障气体流量计的指示误差和固有误差的差值。注：1）一般来说，故障是包含在或通过电子式气体流量计的数据产生不希望有的变化的结果。在本建议中所定义的故障是一个具有数值的量。T.16重大故障在初始检定时大于0.5的最大允许误差的故障。T.17耐久性误差一个使用周期后的固有误差与气体流量计的初始的固有误差之间的差值。T.18重大耐久性误差重大耐久性误差在专门的推荐标准中予以规定。耐久性误差是无关紧要的，即使它超过了重大耐久性误差，在这种情况下，示值不能被作为测量结果予以处理、存储或传输。T.19影响量不属于测量的对象但却影响被测量值或气体流量计示值的量（VIM2.10）影响因素气体流量计在正常工作条件下具有一个数值影响量。干扰不属于影响因素的影响量。第5页/共268页二、流量计的名词术语T.20正常工作条件使计量学特性保持在规定最大允许误差范围内所给出影响数量值范围的使用条件。T.21参比条件确保测量结果的能相互比对而规定的一组影响因素示值。T.22性能气体流量计完成预定功能的能力。T.23耐久性气体流量计在使用期限内保持其特性的能力。T.25试验为了验证要试验条件下的装置（EUT）与某些规定要求之间的一致性而进行的一系列操作。试验程序对试验操作的详细叙述。试验大纲对一定类型的装置的试验作一系列的叙述。性能试验验证流量计否能够在使用期限内保持其性能特征的试验。及是否能够完成它的预定功能的试验。第6页/共268页三、流量测量的基本原理我们知道：流量是单位时间内流过有效截面的流体数量。一束流体流过管道，根据管道的截面以及他们之间的管壁为控制面，计算流体流过该控制面A-B(面积用A1表示)和C-D（面积用A2表示）的能量变化和动量变化，从而求出流量的经典公式伯努利方程。第7页/共268页三、流量测量的基本原理以下是流量测量中最基本的流量公式：设流体是不可压缩的，根据连续性方程（来自于质量守恒原理）Q1A12A2=V/t（1）流量的计量单位有：m3/s;m3/h;L/h;L/s;L/min等流体的伯努利方程为（能量守恒原理）：第8页/共268页三、流量测量的基本原理流量计量中常用的物性参数在流量测量和计算中，要使用到一些流体的物理性质（流体物性），它们对流量测量的准确度及流量计的选用都有很大影响。限于本书篇幅，我们对这些物性参数只作基本概念及一些简单计算式的介绍，详细数据资料需到有关手册去查询。1流体的密度流体的密度由下式定义式中：流体密度，kg/m3；m流体的质量，kg；V流体的体积，m3。第9页/共268页三、流量测量的基本原理（1）液体的密度压力不变时，液体密度计算式为：=201-（t-20）（4.10-6）式中：温度t时液体的密度，kg/m3；2020时液体的密度，kg/m3；液体的体积膨胀系数，1/；t液体的温度，。温度不变时，液体密度计算式为：1=01-（0-1）（4.10-7）式中：1压力p1时液体的密度，kg/m3；0压力p0时液体的密度，；kg/m3；液体的体积压缩系数1/Mpa；p0、p1液体的压力，Mpa。通常压力的变化对液体密度的影响很小，在5Mpa以下可以忽略不计，但是对于碳氢化合物，即使在较低压力下，亦应进行压力修正。第10页/共268页三、流量测量的基本原理（2）气体的密度工作状态下干气体的密度计算式为：式中：工作状态下干气体的密度，kg/m3；n标准状态下（293.15k，101.325kPa）干气体的密度，kg/m3；p工作状态下气体的绝对压力，kPa；pn标准状态下绝对压力，kPa；T工作状态下气体的绝对温度，K；Tn标准状态下绝对温度，293.15K；Zn标准状态下气体的压缩系数；Z工作状态下气体的压缩系数。第11页/共268页三、流量测量的基本原理2流体的粘度流体本身阻滞其质点相对滑动的性质称为流体的粘性。流体粘性的大小用粘度来度量。同一流体的粘度随流体的温度和压力而变化。通常温度上升，液体的粘度下降，而气体粘度上升。液体粘度只在很高压力下才需进行压力修正，而气体的粘度与压力、温度的关系十分密切。表征流体粘度常用有如下二种：（1）动力粘度式中：流体动力粘度，Pas；单位面积上的内摩擦力，Pa；速度梯度，1/s；u流体流速，m/s；h两流体层间距离，m。第12页/共268页三、流量测量的基本原理（3）运动粘度流体的动力粘度与其密度的比值称为运动粘度。式中：v运动粘度。第13页/共268页三、流量测量的基本原理3热膨胀率热膨胀率是指流体温度变化1时其体积的相对变化率，即：式中：流体的热膨胀率，1/；V流体原有体积，m3；?V流体因温度变化膨胀的体积，m3；?T流体温度变化值，。第14页/共268页三、流量测量的基本原理4压缩系数压缩系数是指当流体温度不变，所受压力变化时，其体积的变化率，即：式中：K流体的压缩系数，1/Pa；V压力为p时的流体体积m3；V压力增加p时流体体积的变化量，m3。第15页/共268页三、流量测量的基本原理5雷诺数雷诺数是一个表征流体惯性力与粘性力之比的无量纲量，其定义为：式中：v流体的平均速度，m/s；流速的特征长度，如在圆管中取管内径值，m；流体的运动粘度，m2/s。如雷诺数小，粘性力占主要地位，粘性对整个流场的影响都是重要的。如雷诺数很大，则惯性力是主要的，粘性对流动的影响只有在附面层内或速度梯度较大的区域才是重要的。第16页/共268页四、电磁流量计电磁流量计（以下简称EMF）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。50年代初EMF实现了工业化应用，近年来世界范围EMF产量约占工业流量仪表台数的5%6.5%。70年代以来出现键控低频矩形波激磁方式，逐渐替代早期应用的工频交流激磁方式，仪表性能有了很大提高，得到更为广泛的应用。第17页/共268页四、电磁流量计电磁流量计的基本原理是法拉第电磁感应定律，即导体在磁场中切割磁力线运动时在其两端产生感应电动势。如图1所示，导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势，电动势的方向按“弗来明右手规则”，其值如下式:式中E-感应电动势，即流量信号，V;k-系数；B-磁感应强度，T；D-测量管内径，m；V-平均流速，m/s。设液体的体积流量为第18页/共268页四、电磁流量计第19页/共268页四、电磁流量计n n，则式中 K 为仪表常数，K=4 KB/D。第20页/共268页四、电磁流量计EMF由流量传感器和转换器两大部分组成。传感器典型结构示意如图2，测量管上下装有激磁线圈，通激磁电流后产生磁场穿过测量管，一对电极装在测量管内壁与液体相接触，引出感应电势，送到转换器。激磁电流则由转换器提供。第21页/共268页四、电磁流量计第22页/共268页四、电磁流量计EMF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。EMF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。第23页/共268页四、电磁流量计优点：EMF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。EMF测量范围度大，通常为20：150：1，可选流量范围宽。满度值液体流速可在0.510m/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。EMF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材料品种，可应用于腐蚀性流体。第24页/共268页四、电磁流量计缺点：EMF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EMF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。第25页/共268页四、电磁流量计分类：市场上通用型产品和特殊型仪表可以从不同角度分类。如按激磁电流方式划分，有直流激磁、交流（工频或其他频率）激磁、低频矩形波激磁和双频矩形波激磁。几种激磁方式的波形见图3。按输出信号连线和激磁（或电源）连线的制式分类，有四线制和二线制。按转换器与传感器组装方式分类，有分离型和一体型。按流量传感器与管道连接方法分类，有法兰连接、法兰夹装连接、卫生型连接和螺纹连接。按流量传感器电极是否与被测液体接触分类，有接触型和非接触型。按流量传感器结构分类，有短管型和插入型。按用途分类，有通用型、防爆型、卫生型、防侵水型和潜水型等。第26页/共268页四、电磁流量计第27页/共268页四、电磁流量计应用概况EMF应用领域广泛。大口径仪表较多应用于给排水工程。中小口径常用于固液双相等难测流体或高要求场所，如测量造纸工业纸浆液和黑液、有色冶金业的矿浆、选煤厂的煤浆、化学工业的强腐蚀液以及钢铁工业高炉风口冷却水控制和监漏，长距离管道煤的水力输送的流量测量和控制。小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物工程等有卫生要求的场所。第28页/共268页四、电磁流量计精度等级和功能市场上通用型EMF的性能有较大差别，有些精度高、功能多，有些精度低、功能简单。精度高的仪表基本误差为（0.5%1%）R，精度低的仪表则为（1.5%2.5%）FS，两者价格相差12倍。因此测量精度要求不很高的场所（例如非贸易核算仅以控制为目的，只要求高可靠性和优良重复性的场所）选用高精度仪表在经济上是不合算的。有些型号仪表声称有更高的精确度，基本误差仅（0.2%0.3%）R，但有严格的安装要求和参比条件，例如环境温度2022，前后置直管段长度要求分别大于10D,3D（通常为5D,2D）甚至提出流量传感器要与前后置直管组成一体在流量标准装置上作实流校准，以减少夹装不善的影响。因此在多种型号选择比较时不要单纯只看高指标，要详细阅读制造厂样本或说明书做综合分析。市场上EMF的功能差别也很大，简单的就只是测量单向流量，只输出模拟信号带动后位仪表；多功能仪表有测双向流、量程切换、上下限流量报警、空管和电源切断报警、小信号切除、流量显示和总量计算、自动核对和故障自诊断、与上位机通信和运动组态等。有些型号仪表的串行数字通信功能可选多种通信接口和专用芯片（ASIC），以连接HART协议系统、PROFTBUS、Modbus、CONFIG、FF现场总线等。第29页/共268页四、电磁流量计选定仪表口径不一定与管径相同，应视流量而定。流程工业输送水等粘度不同的液体，管道流速一般是经济流速1.53m/s。EMF用在这样的管道上，传感器口径与管径相同即可。EMF满度流量时液体流速可在110m/s范围内选用，范围是比较宽的。上限流速在原理上是不受限制的，然而通常建议不超过5m/s，除非衬里材料能承受液流冲刷，实际应用很少超过7m/s，超过10m/s则更为罕见。满度流量的流速下限一般为1m/s，有些型号仪表则为0.5m/s。有些新建工程运行初期流量偏低或在流速偏低的管系，从测量精度角度考虑，仪表口径应改用小于管径，以异径管连接之。用于有易粘附、沉积、结垢等物质的流体，选用流速不低于2m/s，最好提高到34m/s或以上，起到自清扫、防止粘附沉积等作用。用于矿浆等磨耗性强的流体，常用流速应低于23m/s，以降低对衬里和电极的磨损。在测量接近阈值的低电导液体，尽可能选定较低流速（小于0.51m/s），因流速提高流动噪声会增加，而出现输出晃动现象。EMF的范围度是比较大的，通常不低于20，带有量程自动切换功能的仪表，可超过50100。国内可以提供的定型产品的口径从10mm到3000mm，随然实际应用还是以中小口径居多，但与大部分其他原理流量仪表（如容积式、涡轮式、涡街式或科里奥利质量式等）相比，大口径仪表占有较大比重。某企业近万台仪表中，50mm以下小口径、65250mm中口径、300900mm大口径、1000mm以上超大口径分别占37%、45%、15%和3%。第30页/共268页四、电磁流量计液体电导率使用EMF的前提是被测液体必须是导电的，不能低于阈值（即下限值）。电导率低于阈值会产生测量误差直至不能使用，超过阈值即使变化也可以测量，示值误差变化不大，通用型EMF的阈值在10-4（510-6）S/cm之间，视型号而异。使用时还取决于传感器和转换器间流量信号线长度及其分布电容，制造厂使用说明书中通常规定电导率相对应的信号线长度。非接触电容耦合大面积电极的仪表则可测电导率低至510-8S/cm的液体。工业用水及其水溶液的电导率大于10-4S/cm，酸、碱、盐液的电导率在10-410-1S/cm之间，使用不存在问题，低度蒸馏水为10-5S/cm也不存在问题。石油制品和有机溶剂电导率过低就不能使用。表1列出若干液体的电导率。从资料上查到有些纯液或水溶液电导率较低，认为不能使用，然而实际工作中会遇到因含有杂质而能使用的实例，这类杂质对增加电导率有利。对于水溶液，资料中的电导率是用纯水配比在实验室测得的，实际使用的水溶液可能用工业用水配比，电导率将比查得的要高，也有利于流量测量。第31页/共268页四、电磁流量计表1若干液体在20时的电导率液体名称电导率石油（35）10-13丙酮（26）10-8纯水，高度蒸馏水410-8苯7.610-8液氨1.310-7甲醇(4.47.2)10-7饮用水10-4海水410-2硫酸（5%99.4%）（2.110-1）（8.510-3）氨水（4%30%）（110-3）（210-4）氢氧化钠（4%50%）（1.610-1）（810-2）食盐水（2.5%）210-1第32页/共268页四、电磁流量计根据使用经验，实际应用的液体电导率最好要比仪表制造厂规定的阈值至少大一个数量级。因为制造厂仪表规范规定的下限值是在各种使用条件较好状态下可测量的最低值。是受到一些使用条件限制，如电导率均匀性、连接信号线、外界噪声等，否则会出现输出晃动现象等。我们就多次遇到测量低度蒸馏水或去离子水，其电导率接近阈值510-6S/cm，使用时出现输出晃动。第33页/共268页四、电磁流量计液体中含有混入物混入成泡状流的微小气泡仍可正常工作，但测得的是含气泡体积的混合体积流量；如气体含量增加到形成弹（块）状流，因电极可能被气体盖住使电路瞬时断开，出现输出晃动甚至不能正常工作。含有非铁磁性颗粒或纤维的固液双相流体同样可测得二相的体积流量。固体含量较高的流体，如钻井泥浆、钻探固井水泥浆、纸浆等实际上已属非牛顿流体。由于固体在载体液中一起流动，两者之间有滑动，速度上有差别，单相液体校验的仪表用于固液双相流体会产生附加误差。虽然还未见到EMF应用于固液双相流体中固形物影响的系统实验报告，但国外有报告称固形物含量有14%时误差在3%范围以内；我国黄河水利委员会水利科学研究所的实验报告称，测量高沙含量水的流量，含沙量体积比17%40%（沙中值粒径0.35mm），仪表测量误差小于3%。在浆液内有较大颗粒擦过电极表面，在频率较低的矩形激磁的EMF中会产生尖峰状浆液噪声，使流量信号不稳，就要选用较高频率的仪表或有较强抑制浆液噪声能力的仪表，也可选用市电交流激磁的仪表或双频激磁的仪表。含有铁磁性物质的流体对通常的EMF，因测量管内磁导率受铁磁体的不同含量而变化，会产生测量误差。但在磁路中置有磁通检测线圈补偿的EMF，可减小混入铁磁体的影响。上海光华仪表厂在交流激磁仪表的实验报告中称，水中含有液固重量比约4：1，颗粒度0.15mm铁精矿石的矿浆，以80mm口径仪表作清水和浆液对比流量试验，通常的仪表示值变化7%10%，装有磁通检测线圈的仪表，示值误差在2%FS以内。对含有矿石颗粒的矿浆应用，应注意对传感器衬里的磨损程度，测量管内径扩大会产生附加误差。这种场合应选用耐磨性较好的陶瓷衬里或聚氨酯橡胶衬里，同时建议传感器安装在垂直管道上，使管道磨损均匀，消除水平安装下半部局部磨损严重的缺点。也可以在传感器进口端加装喷嘴形护套，相对延长使用期。第34页/共268页四、电磁流量计流量传感器安装（1）安装场所通常电磁流量传感器外壳防护等极为IP65（GB4208规定的防尘防喷水级），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；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）环境温度在25/1050/600范围内，一体形结构温度还受制于电子元器件，范围要窄些；8）环境相对湿度在10%90%范围内；9）尽可能避免受阳光直照；10）避免雨水浸淋，不会被水浸没。如果防护等级是IP67（防尘防浸水第35页/共268页四、电磁流量计使用时应注意的一般事项液体应具有测量所需的电导率，并要求电导率分布大体上均匀。因此流量传感器安装要避开容易产生电导率不均匀场所，例如其上游附近加入药液，加液点最好设于传感器下游。使用时传感器测量管必须充满液体（非满管型例外）。有混合时，其分布应大体均匀。液体应与地同电位，必须接地。如工艺管道用塑料等绝缘材料时，输送液体产生摩檫静电等原因，造成液体与地间有电位差。第36页/共268页四、电磁流量计直管段长度要求为获得正常测量精确度，电磁流量传感器上游也要有一定长度直管段，但其长度与大部分其它流量仪表相比要求较低。90弯头、T形管、同心异径管、全开闸阀后通常认为只要离电极中心线（不是传感器进口端连接面）5倍直径（5D）长度的直管段，不同开度的阀则需10D；下游直管段为（23）D或无要求；但要防止蝶阀阀片伸入到传感器测量管内。各标准或检定规程所提出上下游直管段长度亦不一致，汇集如表2所示，要求比通常要求高。这是由于为保证达到当前0.5级精度仪表的要求。第37页/共268页四、电磁流量计安装位置和流动方向传感器安装方向水平、垂直或倾斜均可，不受限制。但测量固液两相流体最好垂直安装，自下而上流动。这样能避免水平安装时衬里下半部局部磨损严重，低流速时固相沉淀等缺点。水平安装时要使电极轴线平行于地平线，不要处于垂直于地平线，因为处于地步的电极易被沉积物覆盖，顶部电极易被液体中偶存气泡擦过遮住电极表面，使输出信号波动。图5所示管系中，c、d为适宜位置；a、b、e为不宜位置，b处可能液体不充满，a、e处易积聚气体，且e处传感器后管段短也有可能不充满，排放口最好如f形状所示。对于固液两相流c处亦是不宜位置。第38页/共268页四、电磁流量计第39页/共268页四、电磁流量计第40页/共268页四、电磁流量计旁路管、便于清洗连接和预置入孔为便于在工艺管道继续流动和传感器停止流动时检查和调整零点，应装旁路管。但大管径管系因投资和位置空间限制，往往不易办到。根据电极污染程度来校正测量值，或确定一个不影响测量值的污染程度判断基准是困难的。除前文所述，采用非接触电极或带刮刀清除装置电极的仪表，可解决一些问题外，有时还需要清除内壁附着物，则可按图6所示，不卸下传感器就地清除。对于管径大于1.51.6m的管系在EMF附近管道上，预置入孔，以便管系停止运行时清洗传感器测量管内壁。第41页/共268页四、电磁流量计负压管系的安装氟塑料衬里传感器须谨慎地应用于负压管系；正压管系应防止产生负压，例如液体温度高于室温的管系，关闭传感器上下游截止阀停止运行后，流体冷却收缩会形成负压，应在传感器附近装负压防止阀，如图7所示。有制造厂规定PTFE和PFA塑料衬里应用于负压管系的压力可在200C、1000C、1300C时使用的绝对压力必须分别大于27、40、50KPa.第42页/共268页四、电磁流量计第43页/共268页四、电磁流量计接地传感器必须单独接地（接地电阻100以下）。分离型原则上接地应在传感器一侧，转换器接地应在同一接地点。如传感器装在有阴极腐蚀保护管道上，除了传感器和接地环一起接地外，还要用较粗铜导线（16mm2）饶过传感器跨接管道两连接法兰上，使阴极保护电流于传感器之间隔离。有时后杂散电流过大，如电解槽沿着电解液的泄漏电流影响EMF正常测量，则可采取流量传感器与其连接的工艺之间电气隔离的办法。同样有阴极保护的管线上，阴极保护电流影响EMF测量时，也可以采取本方法。第44页/共268页四、电磁流量计转换器安装和连接电缆一体型EMF无单独安装转换器；分离型转换器安装在传感器附近或仪表室，场所选择余地较大，环境条件比传感器好些，其防护等级是IP65或IP64（防尘防溅级）。转换器和传感器间距离受制于被测介质电导率和信号电缆型号，即电缆的分布电容、导线截面和屏蔽层数等。要用制造厂随仪表所附（或规定型号）的信号电缆。电导率较低液体和传输距离较长时，也有规定用三层屏蔽电缆。一般仪表“使用说明书”对不同电导率液体给出相应传输距离范围。单层屏蔽电缆用于工业用水或酸碱液通常可传送距离100m。为了避免干扰信号，信号电缆必须单独穿在接地保护钢管内，不能把信号电缆和电源线安装在同一钢管内。第45页/共268页五、涡街流量计1.概述在特定的流动条件下，一部分流体动能转化为流体振动，其振动频率与流速（流量）有确定的比例关系，依据这种原理工作的流量计称为流体振动流量计。目前流体振动流量计有三类：涡街流量计、旋进（旋涡进动）流量计和射流流量计。流体振动流量计具有以下一些特点：1）输出为脉冲频率，其频率与被测流体的实际体积流量成正比，它不受流体组分、密度、压力、温度的影响；2）测量范围宽，一般范围度可达10：1以上；3）精确度为中上水平；4）无可动部件，可靠性高；5）结构简单牢固，安装方便，维护费较低；6）应用范围广泛，可适用液体、气体和蒸气。第46页/共268页五、涡街流量计本文仅介绍涡街流量汁（以下简称VSF或流量计）。VSF是在流体中安放一根（或多根）非流线型阻流体（bluffbody），流体在阻流体两侧交替地分离释放出两串规则的旋涡，在一定的流量范围内旋涡分离频率正比于管道内的平均流速，通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率就可以推算出流体的流量。第47页/共268页五、涡街流量计早在1878年斯特劳哈尔（Strouhal）就发表了关于流体振动频率与流速关系的文章，斯特劳哈尔数就是表示旋涡频率与阻流体特征尺寸，流速关系的相似准则。人们早期对涡街的研究主要是防灾的目的，如锅炉及换热器钢管固有频率与流体涡街频率合拍将产生共振而破坏设备。涡街流体振动现象用于测量研究始于20世纪50年代，如风速计和船速计等。60年代末开始研制封闭管道流量计-涡街流量计，诞生了热丝检测法及热敏检测法VSF。70、80年代涡街流量计发展异常迅速，开发出众多类型阻流体及检测法的涡街流量计，并大量生产投放市场，像这样在短短几年时间内就达到从实验室样机到批量生产过程的流量计还绝无仅有。第48页/共268页五、涡街流量计我国VSF的生产亦有飞速发展，全国生产厂达数十家，这种生产热潮国外亦未曾有过。应该看到，VSF尚属发展中的流量计，无论其理论基础或实践经验尚较差。至今最基本的流量方程经常引用卡曼涡街理论，而此理论及其一些定量关系是卡曼在气体风洞（均匀流场）中实验得出的，它与封闭管道中具有三维不均匀流场其旋涡分离的规律是不一样的。至于实践经验更是需要通过长期应用才能积累。一般流量计出厂校验是在实验室参考条件下进行的，在现场偏离这些条件不可避免。工作条件的偏离到底会带来多大的附加误差至今在标准及生产厂资料中尚不明确。这些都说明流量计的迅速发展需求基础研究工作必须跟上，否则在实用中经常会出现一些预料不到的问题，这就是用户对VSF存在一些疑虑的原因，它亟需探索解决。VSF已跻身通用流量计之列，无论国内外皆已开发出多品种。全系列、规格齐全的产品，对于标准化工作亦很重视，流量计存在一些问题是发展中的正常现象。第49页/共268页五、涡街流量计2.工作原理与结构在流体中设置旋涡发生体（阻流体），从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街，如图1所示。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。设旋涡的发生频率为f，被测介质来流的平均速度为U，旋涡发生体迎面宽度为d，表体通径为D，根据卡曼涡街原理，有如下关系式f=SrU1/d=SrU/md（1）式中U1-旋涡发生体两侧平均流速，m/s；Sr-斯特劳哈尔数；m-旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比图1卡曼涡街第50页/共268页管道内体积流量qv为qv=D2U/4=D2mdf/4Sr(2)K=f/qv=D2md/4Sr-1(3)式中K-流量计的仪表系数，脉冲数/m3（P/m3）。K除与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外，还与斯特劳哈尔数有关。斯特劳哈尔数为无量纲参数，它与旋涡发生体形状及雷诺数有关，图2所示为圆柱状旋涡发生体的斯特劳哈尔数与管道雷诺数的关系图。由图可见，在ReD=21047106范围内，Sr可视为常数，这是仪表正常工作范围。当测量气体流量时，VSF的流量计算式为(4)图2斯特劳哈尔数与雷诺数关系曲线式中qVn，qV-分别为标准状态下（0oC或20oC，101.325kPa）和工况下的体积流量，m3/h；Pn，P-分别为标准状态下和工况下的绝对压力，Pa；Tn，T-分别为标准状态下和工况下的热力学温度，K；Zn，Z-分别为标准状态下和工况下气体压缩系数。由上式可见，VSF输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响，即仪表系数在一定雷诺数范围内仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸等有关。但是作为流量计在物料平衡及能源计量中需检测质量流量，这时流量计的输出信号应同时监测体积流量和流体密度，流体物性和组分对流量计量还是有直接影响的。第51页/共268页五、涡街流量计3.结构VSF由传感器和转换器两部分组成，如图3所示。传感器包括旋涡发生体（阻流体）、检测元件、仪表表体等；转换器包括前置放大器、滤波整形电路、DA转换电路、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。近年来智能式流量计还把微处理器、显示通讯及其他功能模块亦装在转换器内。第52页/共268页五、涡街流量计第53页/共268页五、涡街流量计（1）旋涡发生体旋涡发生体是检测器的主要部件，它与仪表的流量特性（仪表系数、线性度、范围度等）和阻力特性（压力损失）密切相关，对它的要求如下。1）能控制旋涡在旋涡发生体轴线方向上同步分离；2）在较宽的雷诺数范围内，有稳定的旋涡分离点，保持恒定的斯特劳哈尔数；3）能产生强烈的涡街，信号的信噪比高；4）形状和结构简单，便于加工和几何参数标准化，以及各种检测元件的安装和组合；5）材质应满足流体性质的要求，耐腐蚀，耐磨蚀，耐温度变化；6）固有频率在涡街信号的频带外。第54页/共268页五、涡街流量计（a）单旋涡发生体（b）双、多旋涡发生体图4 旋涡发生体 第55页/共268页五、涡街流量计图5 三角柱旋涡发生体d/D=0.20.3;c/D=0.10.2;b/d=11.5;=15o65o第56页/共268页五、涡街流量计检测元件流量计检测旋涡信号有5种方式。1）用设置在旋涡发生体内的检测元件直接检测发生体两侧差压；2）旋涡发生体上开设导压孔，在导压孔中安装检测元件检测发生体两侧差压；3）检测旋涡发生体周围交变环流；4）检测旋涡发生体背面交变差压；5）检测尾流中旋涡列。根据这5种检测方式，采用不同的检测技术（热敏、超声、应力、应变、电容、电磁、光电、光纤等）可以构成不同类型的VSF，（如表1所示）。转换器检测元件把涡街信号转换成电信号，该信号既微弱又含有不同成分的噪声，必须进行放大、滤波、整形等处理才能得出与流量成比例的脉冲信号。第57页/共268页五、涡街流量计检测方法有热敏式、超声式、应变式、应力式、电容式、光电式、电磁式，前置放大器有恒流放大器、选频放大器、电荷放大器、调谐-振动放大器、光电放大器、低频放大器。第58页/共268页五、涡街流量计优点VSF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）。适用流体种类多，如液体、气体、蒸气和部分混相流体。精确度教高（与差压式，浮子式流量计比较），一般为测量值的（1%2%）R。范围宽度，可达10：1或20：1。压损小（约为孔板流量计1/41/2）。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，如图8所示。第59页/共268页五、涡街流量计图8 不同测量介质的斯特劳哈尔数 第60页/共268页五、涡街流量计局限性VSF不适用于低雷诺数测量（ReD2104），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。力敏检测法VSF对管道机械振动较敏感，不宜用于强振动场所。与涡轮流量计相比仪表系数较低，分辨率低，口径愈大愈低，一般满管式流量计用于DN300以下。仪表在脉动流、混相流中尚欠缺理论研究和实践经验。第61页/共268页五、涡街流量计应力式VSF应力式VSF应用检测方式1）4）（见二、2.），它把检测元件受到的升力以应力形式作用在压电晶体元件上，转换成交变的电荷信号，经电荷放大、滤波、整形后得到旋涡频率信号。压电传感器响应快、信号强、工艺性好、制造成本低、与测量介质不接触、可靠性高。仪表的工作温度范围宽，现场适应性强，可靠性较高，它是目前VSF的主要产品类型。但是，它对管道振动较敏感，是其主要缺点，几年来，生产厂家做了大量工作以弥补此缺陷：如对仪表本身结构，检测位置以及信号处理等采取措施；在管道安装减震方式下功夫；向用户提供选点咨询指导等，已经取得一定的进展，当然如测量对象有较强的振动还是不用为好。第62页/共268页五、涡街流量计电容式VSF电容式VSF应用检测方式1）、2），安装在涡街流量传感器中的电容检测元件相当于一个悬臂梁（见图10）。当旋涡产生时，在两侧形成微小的压差，使振动体绕支点产生微小变形，从而导致一个电容间隙减少（电容量增大），另一个电容间隙增大（电容量下降），通过差分电路检测电容差值。当管道有振动时，不管振动是何方向，由振动产生的惯性力同时作用在振动体及电极上，使振动体与电极都在同方向上产生变形，由于设计时保证了振动体与电极的几何结构与尺寸相匹配，使它们的变形量一致，差动信号为零。这就是电容检测元件耐振性能好的原因。虽然由于制造工艺的误差，不可能完全消除振动的影响，但大大提高了耐振性能。试验证明，其耐振性能超过1g。电容式另一个优点是可耐高温达400oC，温度对电容检测元件的影响有两方面：温度使电容间介电常数发生变化和电极的几何尺寸随温度而变，这些导致电容值发生变化，另一方面由于温度升高金属热电子发射造成电容的漏电流增大。试验证明，当温度升高至400oC时无论电容值变化或漏电流增大都未影响仪表的基本性能。第63页/共268页五、涡街流量计图10 电容式检测元件 第64页/共268页五、涡街流量计热敏式VSF热敏式VSF采用检测方式2）、3），如图11所示。旋涡分离引起局部流速变化，改变热敏电阻阻值，恒流电路把桥路电阻变化转换为交变电压信号。这种仪表检测灵敏度较高，下限流速低，对振动不敏感，可用于清洁、无腐蚀性流体测量。第65页/共268页五、涡街流量计图11 热敏式涡街流量计R11，R12-热敏电阻第66页/共268页五、涡街流量计超声式VSF超声式VSF采用检测方式5），如图12所示。由图可见，在管壁上安装二对超声探头T1，R1，T2，R2，探头T1，T2发射高频、连续声信号，声波横穿流体传播。当旋涡通过声束时，每一对旋转方向相反的旋涡对声波产生一个周期的调制作用，受调制声波被接收探头R1，R2转换成电信号，经放大、检波、整形后得旋涡信号。仪表有较高检测灵敏度，下限流速较低，但温度对声调制有影响，流场变化及