第3.2章 流量检测方法及仪表

1、昆明理工大学昆明理工大学杨彪杨彪20102011学年下学年下第三章第三章检测仪表及传感器检测仪表及传感器昆明理工大学知识结构知识结构第第5章章 自动控制仪表自动控制仪表第第6章章 执行器执行器第第2章章 过程特性过程特性第第3章章 检测仪表与传感器检测仪表与传感器第第4章章 显示仪表显示仪表第第1章自动控制系统基本概念章自动控制系统基本概念第第7章章 简单控制系统简单控制系统 第第8章章 复杂控制系统复杂控制系统第第9章章 新型控制系统新型控制系统第第10章章 计算机控制系统计算机控制系统昆明理工大学压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表本章内容物位检测方法及仪表物位检测方法及仪表流量检测方法及

2、仪表流量检测方法及仪表温度检测方法及仪表温度检测方法及仪表数字式显示记录仪表数字式显示记录仪表昆明理工大学第三节第三节 流量检测方法及仪表流量检测方法及仪表 第三章 检测仪表与传感器昆明理工大学 流量测量技术和仪表的应用领域流量测量技术和仪表的应用领域 工业生产过程能源计量一次能源（煤炭、原油、瓦斯气、石油气、天然气一次能源（煤炭、原油、瓦斯气、石油气、天然气）二次能源（电力、焦炭、煤气、成品油、液化石油二次能源（电力、焦炭、煤气、成品油、液化石油气、蒸汽）及含能工质（压缩空气、氧、氮、氢、气、蒸汽）及含能工质（压缩空气、氧、氮、氢、水）等水）等生物技术 交通运输 环保工程 空气污染空气污染(

3、 (烟废气排放烟废气排放 ) )、水污染、水污染 管道输送管道输送 昆明理工大学流量检测方法及仪表流量检测方法及仪表v应用容积法检测流量（应用容积法检测流量（腰轮流量计）v应用动、静压能转换原理检测流量应用动、静压能转换原理检测流量（差压式流量计)v应用改变流通面积的方法检测流量应用改变流通面积的方法检测流量(转子流量计)v应用电磁感应原理检测流量应用电磁感应原理检测流量(电磁流量计)v应用超声波检测流量应用超声波检测流量(超声波流量计)本节主要内容本节主要内容昆明理工大学流量检测的基本概念流量检测的基本概念瞬时流量瞬时流量单位时间内流体通过一定截面积的数量。单位时间内流体通过一定截面积的数量

4、。体积流量体积流量用流体的体积来表示（用流体的体积来表示（q qv v），单位为），单位为m m3 3/h/h。质量流量质量流量用流量的质量来表示（用流量的质量来表示（q qm m），单位为），单位为kg/hkg/h。累积流量累积流量 一段时间内流体体积流量或质量流量的累积值一段时间内流体体积流量或质量流量的累积值累积体积流量dtqVtv0流量计量流量计量对在一定通道内流动流体的流量进行测量。对在一定通道内流动流体的流量进行测量。dtqmtm0累积质量流量流量测量的任务流量测量的任务： 根据测量目的，被测流体的种类、状态、测量场所等根据测量目的，被测流体的种类、状态、测量场所等条件，研究各种相

5、应的测量方法，并保证流量值的正确传递。条件，研究各种相应的测量方法，并保证流量值的正确传递。昆明理工大学体积流量的测量方法 （1 1）容积法：）容积法：在单位时间内以标准固定体积对流动介质连续不断地进行度在单位时间内以标准固定体积对流动介质连续不断地进行度量，以排出流体固定容积数来计算流量。量，以排出流体固定容积数来计算流量。椭圆齿轮流量计、旋转活塞式流量计和刮板流量计。椭圆齿轮流量计、旋转活塞式流量计和刮板流量计。受流体的流动状态影响小，适用于测量高粘度、低雷诺数的受流体的流动状态影响小，适用于测量高粘度、低雷诺数的流体。流体。（2 2）速度法：）速度法：这种方法是先测出管道内的平均流速，再

6、乘以管道截面这种方法是先测出管道内的平均流速，再乘以管道截面积求得流体的体积流量。积求得流体的体积流量。 较宽的使用条件，可用于各种工况下的流体的流量检测，较宽的使用条件，可用于各种工况下的流体的流量检测，利用平均流速计算流量，管路条件的影响大，流动产生涡流以利用平均流速计算流量，管路条件的影响大，流动产生涡流以及截面上流速分布不对称等都会给测量带来误差。及截面上流速分布不对称等都会给测量带来误差。 昆明理工大学 质量流量的测量方法(1 1) )直接法： 利用检测元件，使输出信号直接反映质量流量。 利用孔板和定量泵组合实现的差压式检测方法； 利用同轴双涡轮组合的角动量式检测方法； 应用麦纳斯效

7、应的检测方法 基于科里奥利力科里奥利力效应的检测方法。（2）间接法： 用两个检测元件分别测出两个相应参数，通过运算间接获取流体的质量流量。 qv2检测元件和检测元件的组合； qv检测元件和检测元件的组合； qv2检测元件和qv检测元件的组合。昆明理工大学应用容积法检测流量应用容积法检测流量 单位时间内所排出固定容积的数目作为测量依据 测量原理测量原理设：V0计量室的容积 n转子的旋转次数0nVV 则排出的流体总量 根据转子的形状分为：椭圆齿轮流量计（液体型）椭圆齿轮流量计（液体型）腰轮流量计（气体型和液体）腰轮流量计（气体型和液体）刮板式流量计（液体型）刮板式流量计（液体型）昆明理工大学腰轮流

8、量计腰轮流量计测量原理测量原理 腰形轮每转动一周，就把转子与壳体之间所构成的具有一腰形轮每转动一周，就把转子与壳体之间所构成的具有一定容积的计量室流体的四倍体积，从流入口送到流出口。定容积的计量室流体的四倍体积，从流入口送到流出口。 04nVV 计量室体积腰轮转速体积流量昆明理工大学 腰轮流量计 腰轮流量计是一种容积式流量测量仪表，用以测量封闭管中流体的体积流量。 就地显示累积流量，并有远传输出接口，与相应的光电式电脉冲转换器和流量积算仪配套，可进行远程测量，显示和控制。 精度高，重复性好，范围度大，对流量计前后直管段要求不高。 适用较高粘度流体，流体粘度变化对示值影响较小。 适用无腐蚀性能的

9、流体，如原油，石油制品 (柴油，润滑油等)。腰轮流量计腰轮流量计 昆明理工大学应用动压能和静压能转换的原理检测流量应用动压能和静压能转换的原理检测流量 节流元件附近流速和压力分布情况 检测原理检测原理 当流体流经管道内的节流件时，流体将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低1，于是在节流件前后便产生了压差。流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。 基础：基础：流体连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）。 压差影响因素：压差影响因素：流量、节流装置形式、管道内流体的物理性质（密度、粘度）昆明理工大学应用动压能和静压能转换的原理检测流量应用动压能和静

10、压能转换的原理检测流量 检测原理检测原理昆明理工大学应用动压能和静压能转换的原理检测流量应用动压能和静压能转换的原理检测流量 检测原理检测原理昆明理工大学应用动压能和静压能转换的原理检测流量应用动压能和静压能转换的原理检测流量 检测原理检测原理昆明理工大学应用动压能和静压能转换的原理检测流量应用动压能和静压能转换的原理检测流量 检测原理检测原理昆明理工大学 流量基本方程式流量基本方程式根据流体力学的伯努力方程和流体的连续性方程，可以推导出流量与压差之间的流量方程式，即 体积流量 /20pQ 质量流量 p20式中 流量系数 流束膨胀系数 A0节流装置的开孔截面积 流体密度 节流装置前后实际测得的

11、压力差流量与压力差的平方根成正比流量与压力差的平方根成正比昆明理工大学差压式流量计差压式流量计 测量对象测量对象：流体方面，单相、混相、洁净、脏污；工作状态工作状态：常压、高压、真空、常温、高温、低温；管径方面管径方面：从几毫米到几米；流动条件流动条件：亚音速流、临界流、脉动流历史悠久、技术成熟、应用最广泛。节流式特点： 结构简单、使用寿命长，适应能力强， 几乎能测量各种工况下的流量。差压式流量计 孔板引压管差压计昆明理工大学差压式流量计分类表差压式流量计分类表 分类原则 分 类 类 型 按产生差压的作用原理分类1）节流式；2）动压头式；3）水力阻力式；4）离心式；5）动压增益式；6）射流式按

12、结构形式分类1）标准孔板；2）标准喷嘴；3）经典文丘里管；4）文丘里喷嘴；5）锥形入口孔板；6）1/4圆孔板；7）圆缺孔板；8）偏心孔板；9）楔形孔板；10）整体（内藏）孔板；11）线性孔板；12）环形孔板；13）道尔管；14）罗洛斯管；15）弯管；16）可换孔板节流装置；17）临界流节流装置按用途分类1）标准节流装置；2）低雷诺数节流装置；3）脏污流节流装置；4）低压损节流装置；5）小管径节流装置；6）宽范围度节流装置；7）临界流节流装置；昆明理工大学 差压式流量计组成差压式流量计组成节流装置节流装置：安装于管道中产生差压，节流件前后的差压与流量成开方关系。引压导管引压导管：取节流装置前后产

13、生的差压，传送给差压变送器。差压变送器差压变送器：产生的差压转换为标准电信号(4-20mA)。昆明理工大学昆明理工大学 标准节流元件标准节流元件 标准孔板标准孔板结构简单，安装方便，适合大流量的测量标准喷嘴标准喷嘴标准文丘里管标准文丘里管结构复杂，压力损失比孔板小昆明理工大学节流孔板节流孔板后取压管后取压管 前取压管前取压管流体通过节流体通过节流孔板时，流孔板时，流速加快，流速加快，后取压管处后取压管处的压力减小。的压力减小。节流装置（取压管及内部的节流孔板）流量测量仪表流量测量仪表-1.差压式差压式昆明理工大学节流装置的另一种形式文丘里管或文丘里喷嘴 文丘里喷嘴的文丘里喷嘴的压力损失较小。压

14、力损失较小。流体入口流体入口狭窄部位狭窄部位昆明理工大学 环室取压 单独钻孔取压 法兰取压 标准喷嘴取压方式 标准孔板的几种取压方式 取压方式昆明理工大学选用考虑要点 安装条件方面 流件前后有必要直管段长度 引压管线 仪表性能方面(1) 精确度、重复性、线性度、流量范围 压力损失流体特性方面 流体物性参数的确定 (2)流体的腐蚀、磨蚀、结垢、脏污等环境条件方面昆明理工大学应用改变流通面积的方法检测流量应用改变流通面积的方法检测流量 变面积式测量方法示意图 检测原理检测原理锥形管锥形管-由下往上逐渐扩大管由下往上逐渐扩大管转子转子-阻力件阻力件 组成组成 当流体自下而上流经锥形当流体自下而上流经

15、锥形管与转子之间的环形流通面管与转子之间的环形流通面积时，由于受到流体的冲击，积时，由于受到流体的冲击，转子便要向上运动。转子便要向上运动。 昆明理工大学流体入口流体入口流体出口流体出口转子转子第第5.4 节节 流量测量仪表流量测量仪表-1.流体阻力式流量计流体阻力式流量计昆明理工大学zzzAgVkhQ)(2gVfzz1gVfz2zvf223 流量基本方程式流量基本方程式设：作用在转子上的力有转子本身垂直向下的重力设：作用在转子上的力有转子本身垂直向下的重力f f1 1； 流体对转子所产生的垂直向上的浮力流体对转子所产生的垂直向上的浮力f f2 2； 流体作用在转子上的向上冲力流体作用在转子上

16、的向上冲力f f3 3；则有则有当转子处于平衡时，则有当转子处于平衡时，则有 0321fff zzzAgVv)(2 设设:A:A0 0为环隙流通面积，为环隙流通面积， 则转子流量计的体积流量为则转子流量计的体积流量为 zzzAgVAvAQ)(200 昆明理工大学 转子流量计指示值修正转子流量计指示值修正仪表出厂前标度：20，0.10133MP 液体-水 气体-空气液体流量的修正QsyzyszYNkQQ)()(气体流量的修正 01010101QTPTPQ修改量程 zzzAgVkhQ)(2昆明理工大学用一个用水标定的转子流量计来测量苯的流量，流量计的读数为28 m3/h，已知转子密度为7920 k

17、g/m3的不锈钢，苯的密度为0.831 kg/L，求苯的实际流量是多少？hmQQsyzyszNy/08.3111. 128831. 0) 192. 7(1)831. 092. 7283（）（）（苯例例已知：s=1 kg/L，y=0.831 kg/L，z=7.92 kg/L， QN =28 m3/h，代入修正公式式可得： 解所以苯的实际流量是31.08m3/h。昆明理工大学电磁流量计电磁流量计电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电导电液体体积流量的仪表。可以测量各种腐蚀性介质：酸、碱、盐溶液以及带有悬浮颗粒的浆液。此流量计无机械惯性，反应灵敏，可以测量脉冲流量，而且线性较好，可以直

18、接进行等分刻度。只能测量导电液体，因此对于气体、蒸气以及含大量气泡的液体，或者电导率很低的液体不能测量。由于测量管内衬材料一般不宜在高温下工作，所以目前一般的电磁流量计还不能用于测量高温介质。昆明理工大学昆明理工大学昆明理工大学昆明理工大学电磁流量计电磁流量计 电磁流量计电磁流量计电磁流量计昆明理工大学多普勒法多普勒法 多普勒法是利用声学多普勒原理确定流体流量的多普勒效应是当声源和目标之间有相对多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动，会引起声波在频率上的变化，这种频率运动，会引起声波在频率上的变化，这种频率变化正比于运动的目标和静止的换能器之间的变化正比于运动的目标和静止的换能器之间的相对速度

19、。相对速度。)1 (cvffsso昆明理工大学涡街流量计实现流量测量的理论基础是流体力学中著名的“卡门涡街”原理。在流动的流体中放置一根其轴线与流向垂直的非流线轴线与流向垂直的非流线性柱形体性柱形体(加三角柱、圆柱等)，称之为漩涡发生体，见图。当流体沿漩涡发生体绕流时，会在漩涡发生体下游产生如图所示不对称但有规律的交替漩涡列，这就是所谓的卡门涡街。涡街流量计昆明理工大学由于漩涡之间的相互影响，其形成通常是不稳定的。冯.卡门对涡列的稳定条件进行了研究，于1911年得到结论：只有当两漩涡列之间的距离h和同列的两漩涡之间的距离L之比满足 时，所产生的涡街才是稳定的。 281. 0hL涡街流量计昆明理

20、工大学圆柱体后漩涡发生的频率 与旋涡发生体处的流速 有下列确定关系：dvSftfv25Re3 10 2 10涡街流量计昆明理工大学圆柱体圆柱体后漩涡发生的频率 与旋涡发生体处的流速 有下列确定关系：是与雷诺数有关的无量纲数，称为斯特罗哈数。 (圆柱体 三角柱体 )dvSftfvtS25Re3 10 2 1016. 0tS21. 0tSdvf21. 021. 0fdv 21. 00fdAqv涡街流量计昆明理工大学一、直接式质量流量计一、直接式质量流量计科里奥利质量流量计科里奥利质量流量计 科里奥利质量流量计(简称CMF)是利用流体流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。 质量流量计质量流量计-1.科里奥利质量流量计科里奥利质量流量计昆明理工大学如图所示，当质量m的质点以速度v在对P轴作角速度为旋转的管道内移动时，质