傳感器應用學習情境五流量計的制作

—流量檢測1、制作一個流量計的差壓式傳感器檢測電路，測量精度為1%.2、LED顯示流量。

[學習情境要求]知識目標：1、掌握流量計的結(jié)構(gòu)、流量方程和安裝測試特點；2、掌握流量計的特點與使用；3、掌握其他流量計的特點與使用；4、了解幾種不同的質(zhì)量流量計；能力目標：能夠根據(jù)不同的介質(zhì)、不同的環(huán)境、不同的測量條件選擇適合的流量計和安裝方式；素質(zhì)目標：1、培養(yǎng)耐心細致的工作態(tài)度；2、培養(yǎng)嚴謹扎實的工作作風；3、培養(yǎng)團結(jié)協(xié)作的合作能力。

[學習情境目標]差壓節(jié)流式流量計

節(jié)流裝置是差壓式流量傳感器的流量敏感檢測元件，是安裝在流體流動的管道中的阻力元件。所謂節(jié)流裝置，就是在管道中段設置一個流通面積比管道狹窄的孔板或者文丘里噴嘴，使流體經(jīng)過該節(jié)流裝置時，流束局部收縮，流速提高，壓強減小。常用的節(jié)流元件有孔板、文丘里管。

它們的結(jié)構(gòu)形式、相對尺寸、技術(shù)要求、管道條件和安裝要求等均已標準化，故又稱標準節(jié)流元件。

節(jié)流式流量計的缺點是流體通過節(jié)流裝置后，會產(chǎn)生不可逆的壓力損失。另外，當流體的溫度t、壓力p1變化時，流體的密度將隨之改變。所以必須進行溫度、壓力修正。標準節(jié)流元件(a)孔板(b)文丘里管節(jié)流孔板后取壓管

節(jié)流孔板流速變快，壓力變小

一.流量測量的基本工作原理單位時間內(nèi)流體通過一定截面積的數(shù)量。體積流量－用流體的體積來表示（qv），單位為m3/h。瞬時質(zhì)量流量－用流量的質(zhì)量來表示（qm），簡稱質(zhì)量流量，單位為kg/h。

[知識準備]1.流量2.流量檢測的方法和分類按檢測量的不同分為：體積流量質(zhì)量流量

[知識準備]檢測管道內(nèi)流速的方法

①差壓流量檢測法（節(jié)流式檢測方法）；②電磁式檢測方法；③變面積式檢測方法；④旋渦式檢測方法；⑤渦輪式檢測方法；⑥聲學式檢測方法；⑦熱學式檢測方法。

[知識準備]2.質(zhì)量流量的測量方法（1）直接法：

利用檢測元件，使輸出信號直接反映質(zhì)量流量。 利用孔板和定量泵組合實現(xiàn)的差壓式檢測方法； 利用同軸雙渦輪組合的角動量式檢測方法； 應用麥納斯效應的檢測方法; 基于科里奧利力效應的檢測方法。（2）間接法：

用兩個檢測元件分別測出兩個相應參數(shù)，通過運算間接獲取流體的質(zhì)量流量。①ρqv2檢測元件和ρ檢測元件的組合；②qv檢測元件和ρ檢測元件的組合；③ρqv2檢測元件和qv檢測元件的組合。

[知識準備]二.差壓式流量計（DPF）①歷史悠久、技術(shù)成熟、應用最廣泛。②按檢測件的作用原理分:

節(jié)流式、動壓頭式、水力阻力式、離心式、動壓增益式和射流式等幾大類，③節(jié)流式和動壓頭式應用最為廣泛。④節(jié)流式特點：結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長，適應能力強，幾乎能測量各種工況下的流量。

[知識準備]1.差壓式流量計組成及測量原理1)差壓式流量計組成差壓式流量計組成框圖節(jié)流裝置：安裝于管道中產(chǎn)生差壓，節(jié)流件前后的差壓與流量成開方關(guān)系引壓導管：取節(jié)流裝置前后產(chǎn)生的差壓，傳送給差壓變送器。差壓變送器：產(chǎn)生的差壓轉(zhuǎn)換為標準電信號（4-20mA）。

[知識準備]2)測量原理

孔板附近的流速和壓力分布

[知識準備]2.節(jié)流裝置按其標準化程度分：

①標準節(jié)流裝置

按照標準文件設計、制造、安裝和使用，無須經(jīng)實流校準即可確定其流量值并估算流量測量誤差;

②非標準節(jié)流裝置

成熟程度較差，尚未列入標準文件的檢測件。

[知識準備]1).標準型節(jié)流裝置

節(jié)流裝置=節(jié)流元件+取壓裝置+上下游測量導管圖5.3.3標準型節(jié)流裝置（a）孔板（b）噴嘴

[知識準備]①標準孔板

標準孔板圖

[知識準備]③標準噴嘴ISA1932噴嘴

[知識準備]雙波紋管雙波紋管差壓計膜片式差壓計

[流量傳感器性能檢測]1.節(jié)流裝置的安裝（1）孔板的圓柱形銳孔和噴嘴的喇叭形曲面部分應對著流體的流向。（2）根據(jù)不同的被測介質(zhì)，節(jié)流裝置取壓口的方位應在所規(guī)定的范圍內(nèi)，即在如下圖所示箭頭所指的范圍（3）必須保證節(jié)流件中心與管道同心，其端面與管道軸線垂直。節(jié)流件上、下游必須配有足夠長度的直管段（4）在靠近節(jié)流裝置的引壓導管上，必須安裝切斷閥。

[流量傳感器性能檢測]3.差壓計的安裝安裝差壓計時，要注意其使用時規(guī)定的工作條件與現(xiàn)場周圍條件（如溫度、濕度、腐蝕性、振動等）是否相吻合，若差別明顯時應考慮采取預防措施或更改安裝地點。差壓式流量計結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、工作可靠、使用壽命較長、適應性強、價格較低，幾乎可以測量各種工況下的介質(zhì)的流量，應用非常普遍。但也存在測量精度普遍偏低、現(xiàn)場安裝要求高、壓力損失大、測量范圍窄等缺點。

[流量傳感器性能檢測]4.不同被測介質(zhì)的流量測量（1）液體流量的測量建議將差壓計裝在節(jié)流裝置的下方，防止液體中的氣體積存在引壓管路內(nèi)，如圖5.8(a)所示；如果差壓計必須裝在上方，應注意從節(jié)流裝置引出的導壓管先向下面而后再彎向上面，以便形成U形液封，如圖5.8(b)所示。測量勃性大、腐蝕性強或易燃的液體時，應在靠近差壓計側(cè)的引壓管路上分別安裝一個充有隔離液的隔離罐，差壓計同時充灌隔離液，以保護差壓計。

[流量傳感器性能檢測]節(jié)流孔板后取壓管

前取壓管流體通過節(jié)流孔板時，流速加快，后取壓管處的壓力減小。

[流量傳感器性能檢測]（2）氣體流量的測量建議將差壓計裝在節(jié)流裝置的上方，如圖5.9（a）所示，防止液體污物和灰塵等進入導壓管；必須裝在下方時，在最低處應加裝沉降器，如圖5.9(b)所示。圖5.9測量氣體時差壓流量計安裝示意圖差壓式（也稱節(jié)流式）流量變送器外形圖

流體通過流量計時，在流量計進、出口之間產(chǎn)生一定的壓力差，從而推動運動部件轉(zhuǎn)動或移動，將流體一次次充滿計量空間（儀表殼體和儀表內(nèi)的運動部件構(gòu)成一個具有一定容積的計量空間），并由入口排向出口。計量空間的體積是確定的，只要測得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動次數(shù)，就可得到通過流量計的流體體積的累積值。

容積流量計測量原理溶劑單位時間內(nèi)所排出固定容積的數(shù)目作為測量依據(jù)

測量原理設：V0——計量室的容積

n——轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)次數(shù)則排出的流體總量

根據(jù)轉(zhuǎn)子的形狀分為：橢圓齒輪流量計（液體型）腰輪流量計（氣體型和液體）刮板式流量計（液體型）容積式流量計又稱排量流量計（PositiveDisplacementFlowmeter），簡稱PD流量計或PDF，在流量儀表中是精度最高的一類。它利用機械測量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個已知的體積部分，根據(jù)計量室逐次、重復地充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來測量流量體積總量。根據(jù)它的結(jié)構(gòu)不同，主要有橢圓齒輪流量計、腰輪流量汁、活塞式流量計、刮板式流量計等。橢圓齒輪流量計每轉(zhuǎn)一周，兩個齒輪共送出四個標準體積的流體。容積式流量計橢圓齒輪流量計優(yōu)點：a.計量精度高，通常在昂貴介質(zhì)或需要精確計量的場合使用。

b.在旋轉(zhuǎn)流和管道阻流件流速場畸變時對計量精確度沒有影響，沒有前置直管段要求。這一點在現(xiàn)場使用中有重要的意義。

c.可用于高粘度流體的測量。d.直讀式儀表，無需外部能源，可直接獲得累計總量。缺點：a.被測介質(zhì)種類及工況（溫度、壓力）、口徑局限大（中小口徑），適應范圍窄。

b.一般不適用于高低溫場合。目前可使用溫度范圍大致在-30～+160℃，壓力最高為10MPa。

c.大部分PDF儀表只適用潔凈單相流體，含有顆粒、臟污物時上游需裝過濾器，既增加壓損，又增加維護工作；d.安全性差

[流量傳感器性能檢測]（3）蒸汽流量的測量方案與測量液體時大體相同，不同的是在靠近節(jié)流裝置截止閥后面的導壓管路上，應分別裝設冷凝器，以保持兩根引壓管內(nèi)的冷凝液柱高度相等，并防止高溫蒸汽與差壓計直接接觸，如圖5.10所示。圖5.10測量蒸汽時差壓流量計安裝示意圖腰輪流量計(羅茨流量計)腰形輪每轉(zhuǎn)動一周，就把轉(zhuǎn)子與殼體之間所構(gòu)成的具有一定容積的計量室流體的四倍體積，從流入口送到流出口。計量室體積腰輪轉(zhuǎn)速體積流量腰輪流量計除可測液體外，還可測量氣體，精度可達0.1％，并可做標準表使用；最大流量可達1000m3/h。腰輪上沒有齒，它們不是直接相互嚙合轉(zhuǎn)動，而是通過按裝在體外的傳動齒輪組進行傳動腰輪流量計腰輪流量計流量檢測方法及儀表腰輪流量計

腰輪流量計是一種容積式流量測量儀表，用以測量封閉管中流體的體積流量。就地顯示累積流量，并有遠傳輸出接口，與相應的光電式電脈沖轉(zhuǎn)換器和流量積算儀配套，可進行遠程測量，顯示和控制。精度高，重復性好，范圍度大，對流量計前后直管段要求不高。適用較高粘度流體，流體粘度變化對示值影響較小。適用無腐蝕性能的流體，如原油，石油制品(柴油，潤滑油等)。

腰輪流量計

上述兩種轉(zhuǎn)子型式的容積流顯計，可用于各種液體流量的測量，尤其是用于油流量的準確測量，在高壓力、大流量的氣體流量測量中，這類流量計也有應用．由于橢圓齒輪容積流量計直接依靠測量輪嚙合，因此對介質(zhì)的清潔要求較高，不允許有固體顆粒雜質(zhì)流過流量計．容積式流量計(三).刮板式流量計特點1）測量準確度高；2）測量范圍度較寬；3）一般不受流動狀態(tài)的影響，也不受雷諾數(shù)大小的限制；但是易受物性參數(shù)的影響；4）安裝方便，流量傳感器前不需要直管段；5）可測量高黏度、潔凈單相流體的流量，測量含有顆粒、臟污物的流體時需安裝過濾器；6）機械結(jié)構(gòu)較復雜，體積龐大笨重，一般只適用于中小口徑；7）測量過程中會產(chǎn)生較大噪聲，甚至使管道振動。電磁流量計1．測量原理電磁流量計由變送器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，被測流體的流量經(jīng)變送器后變換成相應的感應電動勢，再由轉(zhuǎn)換器將感應電動勢轉(zhuǎn)換成標準的直流電信號，送至調(diào)節(jié)器或指示器進行控制或顯示。2.結(jié)構(gòu)

電磁流量計主要由測量管、勵磁系統(tǒng)、電極、襯里、外殼及轉(zhuǎn)換器等組成。圖4.14電磁流量計測量原理圖4.15電磁流量計結(jié)構(gòu)示意圖渦輪流量計

1．測量原理在一定的流體介質(zhì)黏度和一定的流量范圍內(nèi)，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與通過渦輪的流體流量成正比，通過測量渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度可以確定流體的體積流量。2.結(jié)構(gòu)渦輪流量計主要由渦輪及軸承、導流體、磁電轉(zhuǎn)換裝置、外殼和信號放大器等部分組成。1-導流體；2-軸承；3-渦輪；4-殼體；5-信號放大器圖4.16渦輪流量計7.3.3超聲波流量計1．時差法流體的體積流量為

圖4.17時差法測量原理當聲速c已知時，只需測出時差t就可以求出流體的體積流量。但由于聲速c受溫度影響比較大，時間差t的數(shù)量級別又很小，超聲波流量測量對電子線路要求較高，為測量帶來了困難。2.相位差法

與時差法相比，這種測量方法避免了測量微小時差t，取而代之的是測量數(shù)值相對較大的相位差，有利于提高測量精確度。但由于流速仍與聲速c有關(guān)，因此無法克服聲速受溫度的影響造成的測量誤差。3.頻率差法只需測出頻率差f，就可求出流體流量。式中沒有包括聲速c，即使超聲波換能器斜置在管壁外部，聲速變化所產(chǎn)生的誤差影響也是很小的。所以，目前的超聲波流量計多采用頻率差法。應用概況及選用考慮因素1.PDF由于具有精確的計量特性，在石油、化工、涂料、醫(yī)藥、食品以及能源等工業(yè)部門計量昂貴介質(zhì)的總量或流量。PDF最大用途是