流量检测系统试验浙江大学过程控制基础及实验.docx

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流量检测系统试验浙江大学过程控制基础及实验

流量检测系统实验

流量试验实验装置图及功能：

1.水流量装置由储水罐、标准计量容器、涡轮流量计、电磁流量计、转子流量计、孔板流量计和水泵组成（图1）.

2.装置主体安装在一个不锈钢台面上，测量直管水平平置，留有充分的直管段，保证流型稳定。

各流量计用于读取相应管道内的流量值。

装置特色：

1.结构简单，操作方便，测量手段多样，

具有人性化的设计和工业通用型的特点。

2.使用自压式伸缩调节管，可方便各类实验仪表的安装、拆卸。

3.采用全不锈钢结构，使该实验系统可长期免维护。

4.实验仪表下安装集水槽结构使实验环境保持洁净。

5.通过实验使学生掌握水流量和空气流量仪表检定的基本方法和原理。

6.使学生了解检测流量的各种仪表，熟悉它们的构造、外形及其工作原理。

7.通过实验数据分析，进一步了解影响流量计测量精度的一些主要因素

实验一孔板流量计实验

一、实验目的

1.了解孔板流量计的工作原理、外形构造及使用方法。

2.熟悉利用节流元件测量流量的原理及测量方法。

3.通过整理实验数据、进一步了解影响孔板流量计测量精度的一些主要因素。

4.掌握流量仪表检定的基本方法。

二、实验仪器

1.流量检测实验装置

2.差压变送器

3.孔板流量计

4.仪表电源等

三、孔板流量计工作原理

差压式流量计中的典型流量计就是孔板流量计，其测量原理就是在管道中放置一个比管道内径还小的孔板，孔板也称为节流件，当管道充满流体且流体流经孔板时会造成流速在孔板附近局部收缩。

在孔板附近收缩处，流体的流速会增加，这样流体的静压力就会增加，在孔板前后会造成静压差。

产生的静压差和流体的流量有关，流量越大静压差也越大，通过测量静压差就可以来测量流体的流量，大量实验研究表明：

当流体源和孔板的形式选好后，孔板的上游和下游的直管段长度以及前后的取压位置确定后，孔板前后的静压差和流体的流量之间存在一定的函数关系。

如在管道内插入一片与管轴垂直并带有通常为圆孔的金属板，孔的中心位于管道的中心线上。

如图2所示，流体通过孔板时，圆流道突然缩小，使流速突然增加，压力降低；流体流过孔板后，由于惯性作用，流道截面并不立即扩大到整个管道截面，而是继续收缩至一个最小值，这个最小流道截面称为缩脉；随后流道截面逐渐扩大，流速逐渐减小并恢复。

在已知有关参数的条件下，根据流动连续性原理和伯努利方程可以推导出差压与流量之间的关系而求得流量。

图2孔板流量计原理示意图

孔板流量计属于节流式流量计，是目前工业生产中测量常用的一种流量仪表。

据调查统计，在炼钢厂、炼油厂等工业生产系统中使用的流量计有一半以上是节流式流量计。

孔板流量计之所以得到如此广泛的应用，主要因为它具有以下两个非常突出的优点：

①结构简单，安装方便，工作可靠，成本低，又具有一定准确度。

②有很长的使用历史，有丰富、可靠的实验数据，设计加工已经标准化，无需进行实际标定。

孔板流量计也有自身的缺点，由于介质流过孔板时会产生较大的压力损失，量程比较小，因此孔板流量计一般用于小管径场合，对于大管径仅能作为参考。

四、实验步骤

1.根据差压变送器的量程范围，均匀选取需要标定的点。

2.打开支路总阀，通过转子流量计下方的手阀调节流量，至待标定的流量值（差压值）。

3.待读数稳定后，记录差压变送器的示数（压差），关闭计量罐的排水阀门，同步开始计时。

4.待液柱上升至刻度标尺可读范围内，关闭手阀，同步停止计时，记录此时的液面指示的体

积数和时间长度。

5.排空计量罐中的存水，调节至一个新的流量值，重复步骤3、4、5。

共记录约5组数据。

6.关闭调节手阀，排空计量罐中的存水，依次关闭电控柜上的水泵、仪表和电源开关。

7.将所有的数据填入表格。

根据已学过的知识，QKP公式，计算出孔板流量计指示在不

同值时的K值。

式中Q——利用体积法进行计算；

△P——利用差压变送器读数得出。

五、实验数据记录

表1孔板流量计实验数据记录

1

2

3

4

5

计量罐体积（L）

10.02

10.08

10.45

10.33

10.27

时间长度（s）

84

46

33

27

22

标准流量（L/s）

0.119

0.219

0.317

0.382

0.467

差压变送器（kpa）

14.3

42.8

88

125.2

180.4

系数K

9.95*10-7

1.06*10-6

1.07*10-6

1.08*10-6

1.10*10-6

图3流量与开方差压关系图

用拟合直线的斜率得到K=1.13*10-6

本次实验线性结果较好，得到K值可近似为一常数，可能的误差来源为：

1.开关阀门与停止计时不是同一人，可能导致延时误差

2.读数为平均流量值，无法得到准确的瞬时流量，无法捕捉到流量波动，引起误差

3.放水时可能无法放尽所有水箱内所有水，导致误差

实验二涡轮、转子、电磁流量计实验

一、实验目的

1．了解孔板流量计、涡轮流量计、转子流量计、电磁流量计、涡街流量计的工作原理、外形构造及使用方法。

2．掌握流量检测仪表精度等级的校验方法。

3.掌握流量仪表检定的基本方法。

二、实验仪器及原理

1.流量检测实验装置

2.涡轮流量计、转子流量计、电磁流量计

3.仪表电源等

涡轮流量计：

涡轮流量计在测量仪表中是一种非常重要的仪表，因其具有诸多优点，例如测量精度高、重复性好、量程范围宽、输出脉冲信号等优点，而广泛应用于流量标准装置、航空航天燃料计量、天然气计量、油品精确计量和贸易结算、工业生产过程监控等领域。

流体流经传感器壳体，由于叶轮的叶片与流向有一定的角度，流体的冲力使叶片具有转动力矩，克服摩擦力矩和流体阻力之后叶片旋转，在力矩平衡后转速稳定，在一定的条件下，转速与流速成正比，由于叶片有导磁性，它处于信号检测器（由永久磁钢和线圈组成）的磁场中，旋转的叶片切割磁力线，周期性的改变着线圈的磁通量，从而使线圈两端感应出电脉冲信号，此信号经过放大器的放大整形，形成有一定幅度的连续的矩形脉冲波，可远传至显示仪表，显示出流体的瞬时流量和累计量。

在一定的流量范围内，脉冲频率f与流经传感器的流体的瞬时流量Q成正比，流量方程为：

Q3600f/k

（1）

式中：

f——脉冲频率[Hz]；

k——传感器的仪表系数[1/ml]，由校验单给出。

若以[1/L]为单位Qfk3.6/

Q——流体的瞬时流量（工作状态下）[m3/h]；

3600——换算系数。

图4涡轮流量计原理示意图

每台传感器的仪表系数由制造厂填写在检定证书中，k值设入配套的显示仪表中，便可显示出瞬时流量和累积总量。

电磁流量计：

电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的流量计。

当导体在磁场中作切割磁力线运动时，在导体中会产生感应电势，感应电势的大小与导体在磁场中的有效长度及导体在磁场中作垂直于磁场方向运动的速度成正比。

同理，导电流体在磁场中作垂直方向流动而切割磁感应力线时，也会在管道两边的电极上产生感应电势。

感应电势的方向由右手定则判定，感应电势的大小由下式确定：

Ex=BDv

（2）

式中Ex—感应电势，V；

B—磁感应强度，T

D—管道内径，m

v—液体的平均流速，m/s

图5电磁流量计原理示意图

然而体积流量Qv等于流体的流速v与管道截面积D2/4的乘积，将

（2）代入该式得：

Qv=（Πd/4B）*Ex（3）

由上式可知，在管道直径D己定且保持磁感应强度B不变时，被测体积流量与感应电势呈线性关系。

若在管道两侧各插入一根电极，就可引入感应电势Ex，测量此电势的大小，就可求得体积流量。

据法拉第电磁感应原理，在与测量管轴线和磁力线相垂直的管壁上安装了一对检测电极，当导电液体沿测量管轴线运动时，导电液体切割磁力线产生感应电势，此感应电势由两个检测电极检出，数值大小与流速成正比例，其值为：

EB*v*D*K（4）

式中：

E－感应电势；

K－与磁场分布及轴向长度有关的系数；

B－磁感应强度；

v－导电液体平均流速；

D－电极间距；（测量管内直径）

传感器将感应电势E作为流量信号，传送到转换器，经放大，变换滤波等信号处理后，成为标准的变送信号输出。

转子流量计：

被测流体以一定的流量通过转子流量计时，流体在环隙中的速度较大，压力较小，于是在转子的上、下端面形成一压差，转子将“浮起”，随着转子的上浮，环隙面积逐渐增大，环隙中的流速将减小，两端压差也随之降低，当转子上浮至某一高度时，转子上下端面的压差造成的升力恰好等于转子的净重力时，转子不再上升，悬浮于该高度上，当转子将上升至另一高度达到新的平衡。

图6转子流量计原理示意图

四、实验步骤

1.确认仪表安装到位、各类接线正确连接，确认储水罐水量充足、回流阀打开，经指导老师确认后，接通电源。

2.根据涡轮流量计、电磁流量计、转子流量计的量程范围，均匀选取需要标定的点。

3.打开支路总阀，通过转子流量计下方的手阀调节流量，至待标定的流量值。

4.待读数稳定后，记录涡轮流量计、电磁流量计、转子流量计的示数（瞬时流量），关闭计量罐的排水阀门，同步开始计时。

5.待液柱上升至刻度标尺可读范围内，关闭手阀，同步停止计时，记录此时的液面指示的体积数和时间长度。

6.排空计量罐中的存水，调节一个新的流量值，重复步骤3、4、5。

共记录约5组数据。

7.关闭调节手阀，排空计量罐中的存水，关闭电源。

8.将所有的数据填入表格。

计算涡轮流量计、电磁流量计、转子流量计在不同流量下的相对误差，校验其精度等级。

五、实验数据记录及分析

表2流量计标定数据表

涡轮流量计（m3/h）

电磁流量计（m3/h）

转子流量计（L/h）

测定时间/s

计量罐体积/L

标准流量（L/s）

0.69

0.685

700

52

10.21

0.196

1.69

1.715

2000

105

50.11

0.477

2.74

2.797

3000

64

50.35

0.787

3.18

3.249

3500

56

50.85

0.908

4.17

4.255

4500

42

50.35

1.199

表3流量计标定误差表

标准流量（m3/s）

被校流量示数（m3/s）

相对误差

涡轮流量计

1.96*10-4

1.92*10-4

2.0%

4.77*10-4

4.70*10-4

1.5%

7.87*10-4

7.61*10-4

3.3%

9.08*10-4

8.83*10-4

2.8%

1.20*10-5

1.16*10-3

3.3%

电磁流量计

1.96*10-4

1.90*10-4

3.1%

4.77*10-4

4.76*10-4

0.2%

7.87*10-4

7.77*10-4

1.3%

9.08*10-4

9.02*10-4

0.7%

1.20*10-5

1.18*10-3

1.7%

转子流量计

1.96*10-4

1.95*10-4

0.5%

4.77*10-4

5.56*10-4

16.6%

7.87*10-4

8.33*10-4

5.8%

9.08*10-4

9.72*10-4

7.0%

1.20*10-5

1.25*10-3

4.2%

六、思考题

1．有没有其他的孔板流量计标定方法？

和实验提供的方法，那个更合理？

为什么？

除了实验中使用的体积法，还可以通过测量液体的质量流量然后通过计算得到体积流量。

实验室用的体积法较合理，因为这样比质量流量法更方便，对任意液体都适用，而测量质量流量还需要知道液体的密度。

2．通过实验分析该装置检定流量仪表时其产生的误差来源有那些？

如何避免与消除？

本实验中的主要误差来源有随机误差，系统误差和人为因素（读数误差）。

随机误差可以通过多次实验来减小；系统误差可以通过通过提高装置精度或对实验管道进行检修清洗或将转子流量计换用对流速较小的测量方式来减小；读数误差可以通过多次读数取平均值来减小。

3．试分析影响K值变化的因素有哪些？

由公式可知，影响K值得参数有流量系数α，流体横截面面积𝐴0

4．查找资料，结合实验体会，分析涡轮流量计的测量范围、使用的介质、精度等级、对测量条件的要求等

测量范围：

中小口径流量检测量程比一般为10:

1

介质：

仅适用于洁净的被测介质

精度等级：

准确度较高。

可达到0.5级以上

测量条件：

涡轮前要加过滤装置，流量计前后有一定直管长度，介质密度和黏度变化时需要重新标定或进行补偿。

5．查找资料，结合实验体会，分析电磁流量计的测量范围、使用的介质、精度等级、对测量条件的要求等。

测量范围：

无上限，测量范围较宽0-200℃量程比一般为10:

1

介质：

被测体必须导电，不能测量气体、蒸汽和非导电液体的流量

精度等级：

一般优于0.5%

测量条件：

可以水平或垂直安装但要求被测液体充满管道，远离外部磁场，减少外部干扰。

把流量计前后1-1.5m处和流量计外壳连在一起共同接地。

6．查阅资料，结合实验体会，分析转子流量计的测量范围、使用的液体、精度等级、对测量条件的要求等。

测量范围：

中小管径低雷诺数的中小流量，量程比可达10:

1

介质：

为非标准状态下的空气或水时需要进行指示修正，溶液密度变化时也要进行修正

精度等级：

误差约为仪表量程的±1%

测量条件：

垂直安装

7．分析实验装置进行流量计校验时的误差来源有那些？

如何减少或避免

本实验中的主要误差来源有随机误差，系统误差和人为因素（读数误差）。

随机误差可以通过多次实验来减小；系统误差可以通过通过提高装置精度或对实验管道进行检修清洗或将转子流量计换用对流速较小的测量方式来减小；读数误差可以通过多次读数取平均值来减小。