任务7　测定流体输送过程中的参数

化工生产过程中控制流体的参数主要包括流速、流量、压力、液位等，本任务中将学习和掌握参数的测定原理、仪器设备类型、仪器设备的优缺点以及适用的范围，学习根据生产工艺的要求选择适合的测量设备和安装方式等，掌握设备的操作、事故的判断与处理等。

子任务1　 测定流速、流量

流速或流量是工艺过程中进行调节与控制的参数，掌握测量流速的方法、原理和设备，掌握测速管、孔板流量计、文丘里管流量计、转子流量计、涡流流量计、电磁流量计以及超声波流量计等流量计的工作原理、适用范围以及优缺点，根据实际生产工艺要求，选择适合的测定流速与流量的设备。

知识储备

一、测速管

1.测速原理

测速管又称皮托管（pitot tube），如图1-98所示。它由两根弯成直角的同心套管组成，内管管口正对着管道中流体流动方向，外管的管口是封闭的，在外管前端壁面四周开有若干测压小孔。为了减小误差，测速管的前端经常做成半球形以减少涡流。测速管的内管与外管分别与U形压差计相连。

内管所测的是流体在A处的局部动能和静压能之和，称为冲压能。

内管A处：

由于外管壁上的测压小孔与流体流动方向平行，所以外管仅测得流体的静压能，即：

外管B处：

U形压差计实际反映的是内管冲压能和外管静压能之差，即：

则该处的局部速度为

　　 （1-51）

将U形压差计公式代入，可得

2.测速管的安装

①必须保证测量点位于均匀流段，一般要求测量点上、下游的直管长度大于50倍管内径，至少也应大于8～12倍。

②测速管管口截面必须垂直于流体流动方向，任何偏离都将导致负偏差。

③测速管的外径d0不应超过管内径d的1/50，即d0<d/50。

测速管的优点是流体流经测速管的能量损失较小，通常适于测量大直径管路中的气体流速，但不能直接测量平均流速，且压差读数较小，通常需配用微压压差计。当流体中含有固体杂质时，会堵塞测压孔，故不宜采用测速管。

二、孔板流量计

1.孔板流量计的工作原理

孔板流量计属于差压式流量计，是利用流体流经节流元件产生的压力差来实现流量测量的。孔板流量计的节流元件为孔板，即中央开有圆孔的金属板，其结构如图1-99所示。将孔板垂直安装在管道中，以一定取压方式测取孔板前后两端的压差，并与压差计相连，即构成孔板流量计。

如图1-99所示，流体在管道截面1-1'前，以一定的流速u1流动，因后面有节流元件，当到达截面1-1'后流束开始收缩，流速即增加。由于惯性的作用，流束的最小截面并不在孔口处，而是经过孔板后仍继续收缩，到截面2-2'达到最小，流速u2达到最大。流束截面最小处称为缩脉。随后流束又逐渐扩大，直至截面3-3'处，又恢复到原有管截面，流速也降低到原来的数值。

流体在缩脉处，流速最高，即动能最大，而相应压力就最低，因此当流体以一定流量流经小孔时，在孔前后就产生一定的压力差Δp=p1-p2。流量越大，Δp也就越大，所以利用测量压差的方法就可以测量流量。

孔板流量计的流量与压差的关系，可由连续性方程和伯努利方程推导。如图1-99所示，在1-1'截面和2-2'截面间列伯努利方程，暂时不计能量损失，有

变形得

或

由于上式未考虑能量损失，实际上流体流经孔板的能量损失不能忽略不计；另外，缩脉位置不定，A2未知，但孔口面积A0已知，为便于使用可用孔口速度u0替代缩脉处速度u2，同时两侧压孔的位置也不一定在1-1'和2-2'截面上，所以引入一校正系数C来校正上述各因素的影响，则上式变为：

　　 （1-52）

根据连续性方程，对于不可压缩性流体得：

将上式代入式（1-52），整理后得：

　　 （1-53）

令

则

　　 （1-54）

将U形压差计公式代入，得：u0=C0　　 （1-54a）

根据u0即可计算流体的体积流量：

　　 （1-55）

及质量流量：

　　 （1-56）

式中，C0称为流量系数或孔流系数，其值由实验测定。C0主要取决于管道流动的雷诺数Re、孔面积与管道面积比A0/A1，同时孔板的取压方式、加工精度、管壁粗糙度等因素也对其有一定的影响。对于取压方式、结构尺寸、加工状况均已规定的标准孔板，流量系数C0可以表示为：

式中，Re是以管道的内径d1计算的雷诺数，即：

对于按标准规格及精度制作的孔板，用角接取压法安装在光滑管路中的标准孔板流量计，实验测得的C0与Re、A0/A1的关系曲线如图1-100所示。从图中可以看出，对于A0/A1相同的标准孔板，C0只是Re的函数，并随Re的增大而减小。当增大到一定界限值之后，C0不再随Re变化，成为一个仅取决于A0/A1的常数。选用或设计孔板流量计时，应尽量使常用流量在此范围内。常用的C0值为0.6～0.7。

用式（1-52）或式（1-53）计算流体的流量时，必须先确定流量系数C0，但C0又与Re有关，而管道中的流体流速又是未知，故无法计算Re值，此时可采用试差法。即先假设Re超过Re界限值ReC，由A0/A1从图1-100中查得C0，然后根据式（1-52）或式（1-53）计算流量，再计算管道中的流速及相应的Re。若所得的Re值大于界限值ReC，则表明原来的假设正确，否则需重新假设C0，重复上述计算，直至计算值与假设值相符为止。

由式（1-52）可知，当流量系数C0为常数时，有：

表明U形压差计的读数R与流量的平方成正比，即流量的少量变化将导致读数R较大的变化，因此测量的灵敏度较高。此外，由以上关系也可以看出，孔板流量计的测量范围受U形压差计量程的限制，同时考虑到孔板流量计的能量损失随流量的增大而迅速地增加，故孔板流量计不适于流量较大的场合。

2.孔板流量计的安装

孔板流量计安装时，上、下游需要有一段内径不变的直管作为稳定段，上游长度至少为管径的10倍，下游长度为管径的5倍。

孔板流量计结构简单，制造与安装都方便，其主要缺点是能量损失较大。这主要是流体流经孔板时，截面的突然缩小与扩大形成大量涡流所致。如前所述，虽然流体经管口后某一位置［图1-99（a）中的3-3'截面］流速已恢复与孔板前相同，但静压力却不能恢复，产生了永久压力降，即Δpf=p1-p3。此压力降随面积比A0/A1的减小而增大。同时孔口直径减小时，孔速提高，读数R增大，因此设计孔板流量计时应选择适当的面积比A0/A1以期兼顾到U形压差计适宜的读数和允许的压力降。

孔板流量计的特点：恒截面、变压差，为差压式流量计。

三、文丘里流量计

孔板流量计的主要缺点是能量损失较大，其原因在于孔板前后的突然缩小与突然扩大。若用一段渐缩、渐扩管代替孔板，所构成的流量计称为文丘里流量计或文氏流量计，如图1-101所示。当流体经过文丘里管时，由于均匀收缩和逐渐扩大，流速变化平缓，涡流较少，故能量损失比孔板大大减少。

文丘里流量计的测量原理与孔板流量计相同，也属于差压式流量计。其流量公式也与孔板流量计相似，即：

　　 （1-57）

式中　CV——文丘里流量计的流量系数（约为0.98～0.99）；

A0——喉管处截面积，m2。

由于文丘里流量计的能量损失较小，其流量系数较孔板大，因此相同压差计读数R时，实际流量比孔板大。文丘里流量计的缺点是加工较难、精度要求高，因而造价高，安装时需占去一定管长位置。

四、转子流量计

1.转子流量计的结构与测量原理

转子流量计的结构如图1-102所示，是由一段上粗下细的锥形玻璃管（锥角在4°左右）和管内一个密度大于被测流体的固体转子（或称浮子）构成。流体自玻璃管底部流入，经过转子和管壁之间的环隙，再从顶部流出。

管中无流体通过时，转子沉在管底部。当被测流体以一定的流量流经转子与管壁之间的环隙时，由于流道截面减小，流速增大，压力随之降低，于是在转子上、下端面形成一个压差，将转子托起，使转子上浮。随转子的上浮，环隙面积逐渐增大，流速减小，压力增加，从而使转子两端的压差降低。当转子上浮至某一定高度时，转子两端面压差造成的升力恰好等于转子的重力时，转子不再上升，而悬浮在该高度。转子流量计玻璃管外表面上刻有流量值，根据转子平衡时其上端平面所处的位置，即可读取相应的流量。

2.转子流量计的流量方程

转子流量计的流量方程可根据转子受力平衡导出。在图1-103中，取转子下端截面为1-1'、上端截面为0-0'，用Vf、Af、ρf分别表示转子的体积、最大截面积和密度。当转子处于平衡位置时，转子两端面压差造成的升力等于转子的重力，即：

　　 （1-58）

p1、p0的关系可在1-1'和0-0'截面间列伯努利方程获得：

整理得：

将上式两端同乘以转子最大截面积Af，则有：

　　 （1-59）

由此可见，流体作用于转子的升力（p1-p0）Af由两部分组成：一部分是两截面的位差，此部分作用于转子的力即为流体的浮力，其大小为Af（z0-z1）ρg，即Vfρg；另一部分是两截面的动能差，其值为Af（-）。

将式（1-58）与式（1-59）联立，得：

　　 （1-60）

根据连续性方程：

将上式代入式（1-60）中，有：

整理得：

　　 （1-61）

考虑到表面摩擦和转子形状的影响，引入校正系数CR，则有：

　　 （1-62）

此式即为流体流过环隙时的速度计算式，CR又称为转子流量计的流量系数。

转子流量计的体积流量为：

　　 （1-63）

式中，AR为转子上端面处环隙面积。

转子流量计的流量系数CR与转子的形状和流体流过环隙时的Re有关。对于一定形状的转子，当Re达到一定数值后，CR为常数。

由式（1-61）可知，对于一定的转子和被测流体，Vf、Af、ρf、ρ为常数，当Re较大时，CR也为常数，故u0为一定值，即无论转子停在任何一个位置，其环隙流速u0是恒定的。而流量与环隙面积成正比即qV∝AR，由于玻璃管为下小上大的锥体，当转子停留在不同高度时，环隙面积不同，因而流量不同。

当流量变化时，力平衡关系式并未改变，也即转子上、下两端面的压差为常数，所以转子流量计的特点为恒压差、恒环隙流速而变流通面积，属于截面式流量计。与之相反，孔板流量计则是恒流通面积，而压差随流量变化，为差压式流量计。

3.转子流量计的刻度换算

转子流量计上的刻度，是在出厂前用某种流体进行标定的。一般液体流量计用20℃的水（密度为1000kg/m3）标定，而气体流量计则用20℃和101.3kPa下的空气（密度为1.2kg/m3）标定。当被测流体与上述条件不符时，应进行刻度换算。

假定CR相同，在同一刻度下，有：

　　 （1-64）

式中下标1表示标定流体的参数，下标2表示实际被测流体的参数。

对于气体转子流量计，因转子材料的密度远大于气体密度，式（1-64）可简化为：

　　 （1-64a）

转子流量计必须垂直安装在管路上，为便于检修，应设置如图1-104所示的支路。

转子流量计读数方便，流动阻力很小，测量范围宽，测量精度较高，对不同的流体适用性广。缺点是玻璃管不能经受高温和高压，在安装使用过程中玻璃容易破碎。

五、涡轮流量计

1.涡轮流量计的工作原理

涡轮流量计是一种速度式流量仪表，涡轮流量计的原理示意图如图1-105所示。在管道中心安放一个涡轮，两端由轴承支撑。当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。在一定的流量范围内，对一定的流体介质黏度，涡轮的旋转角速度与流体流速成正比。由此，流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到，从而可以计算得到通过管道的流体流量。

涡轮的转速通过装在机壳外的传感线圈来检测。当涡轮叶片切割由壳体内永久磁钢产生的磁力线时，就会引起传感线圈中的磁通变化。传感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器，对信号进行放大、整形，产生与流速成正比的脉冲信号，送入单位换算与流量计算电路得到并显示累积流量值；同时亦将脉冲信号送入频率电流转换电路，将脉冲信号转换成模拟电流量，进而指示瞬时流量值。

2.涡轮流量计的安装

①安装涡轮流量计前，管道要清扫，被测介质不洁净时，要加过滤器，否则涡轮、轴承易被卡住，测不出流量来；

②拆装流量计时，对磁感应部分不能碰撞；

③投运前先进行仪表系数的设定，仔细检查，确认仪表接线无误，接地良好，方可送电；

④安装涡轮流量计时，前后管道法兰要水平，否则管道应力对流量计影响很大。

涡轮流量计的优点是高精度，在所有流量计中，属于比较精确的流量计；重复性好；无零点漂移，抗干扰能力好。

流量计必须水平安装在管道上（管道倾斜在5°以内），安装时流量计轴线应与管道轴线同心，流向要一致。

涡轮流量计（如图1-106所示）在石油、有机液体、无机液、液化气、天然气和低温流体等流量测量上获得广泛应用，涡轮流量计在用量上仅次于孔板流量计。

六、电磁流量计

（1）电磁流量计工作原理　电磁流量计是基于法拉第电磁感应原理研制出的一种测量导电液体体积流量的仪表。根据法拉第电磁感应定律，导电体在磁场中做切割磁力线运动时，导体中产生感应电动势，该电动势的大小与导体在磁场中做垂直于磁场运动的速度成正比，由此再根据管径、介质的不同，将电动势转换成流量。电磁流量计外形图如图1-107所示。

（2）电磁流量计选型

①被测量液体必须是导电的液体或浆液；

②选择口径与量程，最好是正常量程超过满量程的一半，流速在2～4m/s之间；

③使用压力必须小于流量计耐压；

④不同温度及腐蚀性介质选用不同内衬材料和电极材料。

电磁流量计的优点：无节流部件，因此压力损失小，减少能耗，压力损失只与被测流体的平均速度有关，测量范围宽；只需经水标定后即可测量其他介质，无须修正；最适合作为结算用计量设备使用。由于技术及工艺材料的不断改进，以及稳定性、线性度、精度和寿命的不断提高和管径的不断扩大，电磁流量计得到了越来越广泛的应用。

电磁流量计的测量精度建立在液体充满管道的情形下，管道中有关空气的测量问题，目前尚未得到很好的解决。

七、超声波流量计

（1）超声波流量计工作原理　超声波流量计是近代发展起来的一种新型测量流量的仪表。只要能传播声音的流体均可以用此类流量计测量，并可测量高黏度液体、非导电性液体或气体流量。其测量流速的原理是：通过检测流体流动对超声束（或超声脉冲）的作用以测量流量。

超声波流量计（见图1-108）可分为传播速度差法（直接时差法、时差法、相位差法和频差法）、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。

（2）超声波流量计的安装

①在现场安装固定式超声波流量计数量大、范围广的情况下，可以配备一台同类型的便携式超声波流量计，用于核校现场仪表的情况；

②坚持一装一校，即对每一台新装超声波流量计在安装调试时进行核校，确保选位好、安装好、测量准；

③在线运行的超声波流量计发生流量突变时，要利用便携式超声波流量计进行及时核校，查清流量突变的原因，弄清楚是仪表发生故障还是流量确实发生了变化。

技能训练1-12

流量计有哪几个种类，流量计如何选择？

子任务2　 测定液位

测量罐体或箱体里液位的高度，控制液位的高度是保证生产正常运行重要的部分，本任务将主要学习测定液位的原理与相关的设备，掌握玻璃管、玻璃板等液位计的工作原理、适用范围以及优缺点，学会根据实际生产工艺要求，选择适合的测定液位的设备。

知识储备

一、液位测定的原理

在化工生产中，经常需要了解容器内液体的储存量，或对设备内的液位进行控制，因此，常常需要测量液位。测量液位的装置较多，但大多数是遵循流体静力学基本原理。

图1-109所示的是利用U形压差计进行近距离液位测量装置。在容器或设备1的外边设一平衡器2，其中所装的液体与容器中相同，液面高度维持在容器中液面允许到达的最高位置。用一装有指示剂的U形压差计3把容器和平衡室连通起来，压差计读数R即可指示出容器内的液面高度，关系为：

若容器或设备的位置离操作室较远，可采用图1-110所示的远距离液位测量装置。在管内通入压缩氮气，用调节阀调节其流量，测量时控制流量使在观察器中有少许气泡逸出。用U形压差计测量吹气管内的压力，其读数R的大小，即可反映出容器内的液位高度，关系为：

二、玻璃管式液位计

（1）工作原理与结构　液位计是基于连通器原理设计的，由玻璃管构成的液体通路。通路经接管用法兰或锥管螺纹与被测容器连接构成连通器，透过玻璃管观察到的液面与容器内的液面相同即液位高度。玻璃管式液位计如图1-111所示，主要由玻璃管、保护套、上下阀门及连接法兰（或螺纹）等组成。液位计若使用特殊材料或增加一些附属部件，即可达到防腐或保温的功能。

（2）适用范围及特点　管式液位计具有优良的性能（如耐高温、高压等）。另外，具有结构简单、经济实用、安装方便、工作可靠、使用寿命长等优点。其作为基本的液位指示液位计，广泛运用在最简单的液位测量场合和自动化程度不很高的大型工程项目中。

三、玻璃板式液位计

（1）工作原理与结构　玻璃板式液位计如图1-112所示，是基于连通器原理设计的。由玻璃板及液位计主体构成的液体通路经接管用法兰或锥管螺纹与被测容器连接构成连通器，透过玻璃板观察到的液面即为容器内的液位高度。

液位计两端的针型阀不仅起截止阀的作用，其内部的钢球还具有逆止阀的功能，当液位计发生意外破损泄漏时，钢球可在介质压力作用下自动关闭液体通道，防止液体大量外流，起到安全保护作用。液位计改变零件的材料或增加一些附属部件即可达到防腐、保温、防霜、照明等功能。

（2）适用范围及特点　玻璃板式液位计具有结构简单、经济实用、安装方便、工作可靠、使用寿命长等优点。作为基本的液位指示液位计，该产品也广泛运用在最简单的液位测量场合和自动化程度不很高的大型工程项目中。

技术训练1-13

如图1-113所示的开口容器内盛有油和水。油层高度h1=0.6m，密度ρ1=800kg/m3；水层高度h2=0.7m，密度ρ2=1000kg/m3。（1）判断下列两关系是否成立，即pA=p'A，pB=p'B；（2）计算水在玻璃管内的高度h。

解：（1）pA=p'A的关系成立。因为A与A'两点在静止、连通着的同一流体内，并在同一水平面上，所以截面A—A'称为等压面。pB=pB'的关系不能成立。因为B及B'两点虽在静止液体的同一水平面上，但不是连通着的同一种流体，即截面B—B'不是等压面。

（2）由上面讨论可知：pA=p'A，用pa表示大气压，用流体静力学基本方程计算，即

于是

简化上式并将已知值代入得800×0.6+1000×0.7=1000h

解得

h=1.18m

即pA=p'A关系成立，pB=p'B的关系不成立；水在玻璃管内的高度为1.18m。

子任务3　 测定压力

压力（或压力差）是工艺过程中进行调节与控制的参数，本任务中我们将学习掌握测量压力的方法、原理和设备，掌握U形压差计、倒U形压差计、斜管压差计、双液体U管压差计等类型的压差计工作原理、适用范围以及优缺点，根据实际生产工艺要求，选择适合的测定压力的设备。

知识储备

一、U形压差计

U形压差计的结构如图1-114所示。它的主要部件为一根U形玻璃管，内装指示液。指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应，且其密度大于被测流体密度。常用的指示液有水银、四氯化碳、水和液体石蜡等，应根据被测流体的种类和测量范围合理选择指示液。

当用U形压差计测量设备内两点的压差时，可将U形管两端与被测两点直接相连，利用R的数值就可以计算出两点间的压力差。

设指示液的密度为ρ0，被测流体的密度为ρ。由图1-114可知，A和A'点在同一水平面上，且处于连通的同种静止流体内，因此，A和A'点的压力相等，即

pA=p'A

所以

整理得：

若被测流体是气体，由于气体的密度远小于指示剂的密度，即ρ0-ρ≈ρ0，因此上式可简化为：

U形压差计也可测量流体的压力，测量时将U形管一端与被测点连接，另一端与大气相通，此时测得的是流体的表压或真空度。

技能训练1-13

若将U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数R反映了什么？

二、倒U形压差计

若被测流体为液体，也可选用比其密度小的流体（液体或气体）作为指示剂，采用如图1-115所示的倒U形压差计形式。最常用的倒U形压差计是以空气作为指示剂，此时：

三、斜管压差计

当所测量的流体压力差较小时，可将压差计倾斜放置，即为斜管压差计，用以放大读数，提高测量精度，如图1-116所示。

此时，R与R'的关系为：

式中，α为倾斜角，其值越小，则读数放大倍数越大。

四、双液体U管压差计

双液体U管压差计又称为微压计，用于测量压力较小的场合。

如图1-117所示，在U管上增设两个扩大室，内装密度接近但不互溶的两种指示液A和C（ρA>ρC），扩大室内径与U管内径之比应大于10。这样扩大室的截面积比U管截面积大得多，即可认为即使U管内指示液A 的液面差R较大，但两扩大室内指示液的液面变化微小，可近似认为维持在同一水平面。

由上式可知，只要选择两种合适的指示液，使ρA-ρC较小，就可以保证较大的读数R。

技术训练1-14

如图1-118所示，水在水平管道内流动。为测量流体在某截面处的压力，直接在该处连接一U形压差计，指示液为水银，读数R=250mm，h=900mm。已知当地大气压为101.3kPa，水的密度ρ=1000kg/m3，水银的密度ρ0=13600kg/m3。试计算该截面处的压力。

解：图中A—A'面间为静止、连续的同种流体，且处于同一水平面，因此为等压面，即pA=pA'

而pA'=pa

于是

pa=p+ρgm+ρ0gR

则截面处绝对压力

或直接计算该处的真空度

由此可见，当U形管一端与大气相通时，U形压差计实际反映的就是该处的表压或真空度。

U形压差计在使用时为防止水银蒸气向空气中扩散，通常在与大气相通的一侧水银液面上充入少量水，计算时其高度可忽略不计。

技术训练1-15

如图1-119所示，水在管道中流动。为测得A—A'、B—B'截面的压力差，在管路上方安装一U形压差计，指示液为水银。已知压差计的读数R=150mm，试计算A—A'、B—B'截面的压力差。已知水与水银的密度分别为1000kg/m3和13600kg/m3。

解：图中，1-1'面与2-2'面间为静止、连续的同种流体，且处于同一水平面，因此为等压面，即：

p1=p'1　p2=p'2

又

所以

整理得

pA-pB=（ρ0-ρ）gR

由此可见，U形压差计所测压差的大小只与被测流体及指示剂的密度、读数R有关，而与U形压差计放置的位置无关。

代入数据　pA-pB=（13600-1000）×9.81×0.15=18540（Pa）

（2）用U形压差计测量某气体流经水平管道两截面的压力差，指示液为水，密度为1000kg/m3，读数R为12mm。为了提高测量精度，改为双液体U管压差计，指示液A为含40%乙醇的水溶液，密度为920 kg/m3，指示液C为煤油，密度为850 kg/m3。问读数可以放大多少倍？此时读数为多少？

解：用U形压差计测量时，被测流体为气体。

用双液体U管压差计测量时，可得：

因为所测压力差相同，联立以上二式，可得放大倍数

此时双液体U管的读数为