流量检测方法与仪表-差压式流量计
流量检测方法与仪表-差压式流量计
1、 流量检测方法与仪表
在工业生产过程中，物料的输送绝大部分是在管道中进行的，因此，这里主要介绍用于管道流动的流量检测方法。由于流量检测条件的多样性和复杂性，流量的检测方法非常多，是工业生产过程常见参数中检测方法最多的。据统计，目前在全世界流量检测的方法至少有百多种，其中有十几种是工业生产和科学研究中常用的。
按照检测量的不同，流量检测方法可以分为体积流量检测和质量流量检测，按照检测原理不同，流量检测方法有可分为速度法、容积法和质量法。
速度法是以流量测量管道内流体的平均流速，再乘以管道截面积求得流体的体积流量的。基于这种检测方法的流量检测仪表有差压式流量计、转子流量计、电磁流量计和超声波流量计等。
容积法是在单位时间以标准固定体积对流动介质连续不断地进行测量，以排出流体固定容积数来计算流量。基于这种检测方法的流量检测仪表有如椭圆齿轮流量计、活塞式流量计和刮板流量计等。
质量流量的检测分为直接法和间接法两种。直接式质量流量计直接测量质量流量，如角动量式、量热式和科氏力式等；间接式质量流量计是同时测出容积流量和流体的密度而自动计算出质量流量的。质量流量计测量精度不受流体的温度、压力和黏度等影响，是一种新型的正处于发展中的仪表。
2、差压式流量计
差压式流量计在流通管道内安装流动阻力元件，流体通过阻力元件时，流束将在节流件处形成局部收缩，使流速增大，静压力降低，于是在阻力件前后产生压力差。该压力差通过差压计检出，流体的体积流量或质量流量与差压计所测得的差压值有确定的数值关系。
通过测量差压值便可求得流体流量，并转换成电信号 ( 如 DC4mA ～ 20mA) 输出。把流体流过阻力元件使流束收缩造成压力变化的过程称节流过程，其中的阻力元件称为节流元件。
（1） 差压式流量计的基本结构
差压式流量计主要由节流装置、信号管路、差压变送器和显示仪表 / 控制器组成。节流装置将被测流体的流量转换成差压信号，信号管路把差压信号传输到差压变送器或差压计。
差压计对差压信号进行测量并显示出来，差压变送器将差压信号转换为与流量相对应的标准电信号或气信号，通过显示仪表进行显示、记录与控制。差压变送器的工作原理在前面已经阐述，这里不再介绍。
（2）基本原理
当流体流经节流装置时，流束发生收缩，流速增加，从而静压力降低，于是在节流装置前后产生差压△P（△P=P1－P2），差压△P与流量Q有一定关系，即流量Q与差压△P的平方根成正比，所以用差压计测量出△P就可以得到流量Q的大小，这就是差压法测流量的基本原理。
（3）标准节流装置
节流装置就是使管道中流动的流体产生静压力的装置，完整的节流装置由节流元件、取压装置和上下游测量导管 3 部分组成，有标准节流装置和非标准节流装置两大类。对于标准节流装置，在设计计算时都有统一的标准规定、要求和计算所需的有关数据及程序，可直接按照标准制造；安装和使用时不必进行标定，能保证一定的精度。非标准节流装置主要用于特殊介质或特殊工况条件的流量检测，它必须用实验方法单独标定。作为流量检测用的节流元件有标准的和特殊的两种。标准节流元件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管。标准孔板是用不锈钢或其他金属材料制造的薄板，具有圆形开孔并与管道同心，其直角入口边缘非常锐利，且相对于开孔轴线是旋转对称的，顺流的出口呈扩散的锥形，如图 2.48 所示。对标准孔板的特征尺寸要求为：节流孔径 d 不小于 12.5mm ，直径比 d/D 应在 0.2 ～ 0.75 之间， D 为管道直径，直孔厚度 h 应在 0.005D ～ 0.02D 之间，孔板的总厚度 H应在 h ～ 0.05D 之间，圆锥面的斜角α应在 30 °～ 45 °之间。
标准孔板结构简单，加工方便，价格低廉。单对流体造成的压力损失较大，测量精度较低，而且一般只使用于洁净流体介质的测量。在测量大管径高温高压介质时，孔板容易变形。
（4）节流装置的取压方式
差压式流量计是通过测量节流元件前后静压力差△ p 来实现流量测量的值与取压孔位置和取压方式紧密相关。根据节流装置取压口位置，取压方式分为理论取压、角接取压、法兰取压、径距取压与损失取压五种，如图 2.49 所示。国家规定标准的取压方式有角接取压、法兰取压和 D-D/2 取压。
压口和单独钻孔取压口。环隙取压利用左右对称的 4 个环室把孔板夹在中间，通常要求环隙在整个圆周上穿通管道，或者每个夹持环应至少有 4 个开孔与管道内部连通，每个开孔的中心线彼此互成等角度，再利用导压管把孔板上下游的压力分别引出。当采用单独钻孔取压时，取压口的轴线应尽可能以 90 °与管道轴线相交，环隙宽度和单独钻孔取压口的直径 a 通常在 4mm ～ 10mm 之间。显然，环隙取压由于环室的均压作用，便于测出孔板两端的平稳差压，能得到较好的测量精度，但是夹持环的加工制造和安装要求严格。当管径 D ＞ 500mm 时，一般采用单独钻孔取压。角接取压法比较简单，环室取压容易实现，测量精度较高。
法兰取压装置的上下游侧取压孔的轴线至孔板上、下游侧端面之间的距离均为25.4mm±0.8mm(1inch) 。取压孔开在孔板上下游侧的法兰上。法兰取压法结构简单，容易装配，计算也方便，但精度较角接取压法低些，仅适用于标准孔板。
（5） 转子流量计
转子流量计又名浮子流量计或面积流量计。浮子流量计具有结构简单，使用维护方便，对仪表前后直管段长度要求不高，压力损失小且恒定，测量范围比较宽，工作可靠且线性刻度，可测气体、蒸汽和液体的流量，适用性广等特点。浮子流量计主要由一根自下向上扩大的垂直锥管和一只可以沿着锥管的轴向自由移动的浮子组成，如图 2.50 所示。当被测流体自锥管下端流入流量计时，由于流体的作用，浮子上下端面产生一差压，该差压即为浮子的上升力。当差压值大于浸在流体中浮子的重量时，浮子开始上升。随着浮子的上升，浮子最大外径与锥管之间的环形面积逐渐增大，流体的流速则相应下降，作用在浮子上的上升力逐渐减小，直至上升力等于浸在流体中的浮子的重量时，浮子便稳定在某一高度上。这时浮子在锥管中的高度与所通过的流量有对应的关系。
对于不同的流体，由于密度发生变化，原来的流量刻度将不再适用。所以原则上，转子流量计应该用实际介质进行标定。
上面所介绍的转子流量计只适用于就地指示，对配有电远传装置的转子流量计，可以将反映流量大小的转子高度 h 转换为电信号，传送到其他仪表进行指示、记录和控制。图2.51 为电传式转子流量计的工作原理图。当流体流量变化时使转子转动，磁钢 1 和 2 通过带动杠杆 3 及连杆机构 6 、 7 、 8 使指针 10 在标尺 9 上就地指示流量。与此同时，差动变压器检测出转子的位移，产生差动电势通过放大和转换后输出电信号，通过显示仪表显示和通过控制仪表进行调节。
