传感器 流量检测

1、第5章 流量检测第五章 流量检测n在工农业生产和科学研究试验中，流量都是一个很重要的参数。例如，在石油化工生产过程自动检测和控制中，为了有效地操作、控制和监测，需要检测各种流体的流量。n流量检测仪表是发展生产、节约能源、提高经济效益和管理水平的重要工具。5.1 流量的检测方法n流量：是流体在单位时间内通过管道或设备某横截面处的数量。n体积流量：是单位时间内通过的流体体积，用QV表示，单位为m3/s。vAQv5.1 流量的检测方法n质量流量：是单位时间内通过的流体质量，用Qm表示，单位为kg/s。n累积流量一段时间内流体体积流量或质量流量的累积值vAQQvmdtQmtm0dtQVtv05.1 流

2、量的检测方法u流量测量方法：（1）速度式流量测量方法直接测出管道内流体的流速，以此作为流量测量的依据。（2）容积式流量测量方法通过测量单位时间内经过流量仪表排出的流体的固定容积的数目来实现。（3）通过直接或间接的方法测量单位时间内流过管道截面的流体质量数。5.1 流量的检测方法n工业上常用的流量计，按其测量原理分为以下四类：1. 差压式流量计：主要利用管内流体通过节流装置时，其流量与节流装置前后的压差有一定的关系。属于这类流量计的有标准节流装置等。5.1 流量的检测方法2. 容积式流量计：主要利用流体连续通过一定容积之后进行流量累积的原理。属于这类流量计的有椭圆齿轮流量计和腰轮流量计。5.1

3、流量的检测方法3. 速度式流量计：主要利用管内流体的速度来推动叶轮旋转，叶轮的转速和流体的流速成正比。属于这类流量计的有叶轮式水表和涡轮式流量计等。4. 其它类型流量计：如基于电磁感应原理的电磁流量计、涡街流量计等。5.2 差压式流量计n差压式流量计基于流体在通过设置于流通管道上的流动阻力件时产生的压力差与流体流量之间的确定关系，通过测量差压值求得流体流量。5.2.1 节流装置的工作原理n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，于是在节流件前后便产生了压差。n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。n基础：流体连续性方程（质量守

4、恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）。5.2.1 节流装置的工作原理连续性方程：n任取一管段，设截面、截面处的面积、流体密度和截面上流体的平均流速分别为A1、 、 和A2、 、 。 11v22v222111AvAv5.2.1 节流装置的工作原理伯努利方程：n当理想流体在重力作用下在管内定常流动时，对于管道中任意两个截面和有如下图所示：2vh1h21v1p2p5.2.1 节流装置的工作原理势能mgh1mgh2动能1/2mv121/2mv22压力能mp1/1mp2/2221122121222vpvpghgh5.2.2 流量方程5.2.2 流量方程n由于流束在节流装置后的最小收缩面积S2，实际上很难

5、确切地知道它的数值，因此用节流装置开孔的截面积S0来表示。20SS其中称为流束的收缩系数，其大小与节流装置的类型有关。01221SvvmvS5.2.2 流量方程n设被测流体为不可压缩的理想流体（液体），根据伯努利方程，对截面II、处沿管中心的流体有以下能量关系： 2211221222PvPv2122121222vvPP5.2.2 流量方程合并上列等式，可得：2122212()1vppm流过截面IIII的体积流量为：0222012220122()12()vSQv SvSppmSpp5.2.2 流量方程流过截面IIII的质量流量为：0122 ()mvQQSpp流量公式中的流量系数与节流装置的结构形

6、式、取压方式、节流装置开孔直径、流体流动状态（雷诺数）及管道条件等因素有关，是一个用实验确定的系数。对于标准节流装置，值可直接从有关手册中查出。5.2.3 流量系数的确定 流量公式中的流量系数与节流装置的结构形式、取压方式、节流装置开孔直径、流体流动状态（雷诺数）及管道条件等因素有关，是一个用实验确定的系数。对于标准节流装置，值可直接从有关手册中查出。5.2.4 标准节流装置n节流装置安装在流体管道中，使流体的流通截面发生变化，进而引起流体静压变化。n常用的节流装置有文丘利管、喷嘴、孔板。5.2.4 标准节流装置 文丘利管孔板 喷嘴5.2.4 标准节流装置标准孔板：n标准孔板是一块具有与管道同

7、心圆形开孔的圆板，迎流一侧是有锐利直角入口边缘的圆筒形孔，顺流的出口呈扩散的锥形。n优点：结构简单，加工方便，价格便宜 n缺点：压力损失较大，测量精度较低，只适用于洁净流体介质，测量大管径高温高压介质时，孔板易变形。5.2.4 标准节流装置5.2.4 标准节流装置标准喷嘴n标准喷嘴是一种以管道轴线为中心线的旋转对称体，主要由入口圆弧收缩部分与出口圆筒形喉部组成，有ISAl932喷嘴和长径喷嘴两种型式。 5.2.4 标准节流装置ISA1932喷嘴5.2.4 标准节流装置 长径喷嘴5.2.4 标准节流装置文丘利管文丘利管n文丘里管有两种标准型式：经典文丘利管与文丘利喷嘴。n优点：压力损失最低，有较

8、高的测量精度，对流体中的悬浮物不敏感，可用于污脏流体介质的流量测量，在大管径流量测量方面应用的较多。n缺点：尺寸大、笨重，加工困难，成本高，一般用在有特殊要求的场合。5.2.5 取压方式n差压式流量计是通过测量节流件前后压力差p来实现流量测量的，而压力差 p的值与取压孔位置和取压方式紧密相关。节流装置的取压方式有以下5种，各种取压方式及取压孔位置如图所示。5.2.5 取压方式5.2.5 取压方式1. 理论取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为1D0.1D，下游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离因 值不同而异。该距离理论上就是流束收缩到最小截面的距离。如图中的11位置。5.2.5 取压方

9、式2. 角接取压: 上下游取压管位于孔板(或喷嘴)的前后端面处。角接取压包括单独钻孔和环室取压。如图中2-2位置。3. 法兰取压：取压孔的轴线至孔板上、下游侧端面之间的距离均为25.40.8mm（1inch)。取压孔开在孔板上下游侧的法兰上如图中3-3位置。5.2.5 取压方式4. 径距取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为1D0.1D，下游侧取压孔的轴线至孔极下游端面的距离为0.5D。如图的4-4位置。5. 管接取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为2.5D，下游侧取压孔的轴线至孔板下游端面的距离为8D。如图中的5-5位置。该方法使用很少。5.2.5 取压方式n目前广泛采用的

10、是角接取压法，其次是法兰取压法。角接取压法比较简便，容易实现环室取压，测量精度较高。法兰取压法结构较简单，容易装配，计算也方便，但精度较角接取压法低些。 5.2.6 差压计n差压计与节流装置配套组成节流式流量计。差压计经导压管与节流装置连接，接受被测流体流过节流装置时所产生的差压信号，并根据生产的要求，以不同信号形式把差压信号传递给显示仪表，从而实现对流量参数的显示、记录和自动控制。5.2.6 差压计n差压计的种类很多，凡可测量差压的仪表均可作为节流式流量计中的差压计使用。目前工业生产中大多数采用差压变送器。n它们可将测得的差压信号转换为0.02-0.1 MPa的气压信号和4-20mA的直流电

11、流信号。5.3 容积式流量计n工作原理：在一定容积的空间里充满的液体，随流量计内部的运动元件的移动而被送出出口，测量这种送出流体的次数就可以求出通过流量计的流体体积。n优点：测量精度高，被测流体粘度影响小，不要求前后直管段。n缺点：对介质的清洁度要求较高，不允许有固体颗粒杂质流过流量计。5.3.1 椭圆齿轮流量计5.3.1 椭圆齿轮流量计n每转一周，四个相同月牙形腔（测量室）被形成、被封闭、被传送、被卸出。两个齿轮共送出4个标准容积的流体。n粘度愈大的介质，从齿轮和计量空间隙中泄漏出去的泄漏量愈小，因此被测介质的粘度愈大，对测量愈有利。 5.3.2 腰轮流量计腰轮流量计5.3.2 腰轮流量计n

12、腰轮流量计又称罗茨流量计，其工作原理与椭圆齿轮流量计相同。腰轮流量计的转子是一对不带齿的腰形轮，在转动过程依靠套在壳体外的与腰轮同轴上的啮合齿轮来完成驱动。5.3.3 刮板式流量计 刮板式流量计5.3.3 刮板式流量计n转子在流量计进、出口差压作用下转动，每当相邻两刮板进入计量区时均伸出至壳体内壁且只随转子旋转而不滑动，形成具有固定容积的测量室，当离开计量区时，刮板缩入槽内，流体从出口排出，同时后一刮板又与其另一相邻刮板形成测量室。转子旋转一周，排出4份固定体积的流体，由转子的转数就可以求得被测流体的流量。5.4 速度式流量计5.4.1 叶轮式流量计5.4.2 涡轮式流量计工作原理：n在一定范

13、围内，涡轮的转速与流体的平均流速成正比，通过磁电转换装置将涡轮转速变成电脉冲信号，以推导出被测流体的瞬时流量和累积流量。5.4.2 涡轮式流量计5.4.2 涡轮式流量计n优点：测量精度高，复现性和稳定性好；量程范围宽，刻度线性；耐高压，压力损失；对流量变化反应迅速，可测脉动流量；抗干扰能力强，信号便于远传及与计算机相连。n缺点：制造困难，成本高。n使用场合：通常涡轮流量计主要用于量精度要求高、流量变化快的场合，还用作标定其他流量的标准仪表。5.5 振动式流量计n流体振动流量计是上世纪60年代末期发展起来的一种较新的流量测量技术。它具有如下一些特点：可得到与流量成正比的频率输出信号；被测流体本身

14、就是振动体，无机械可动部件，几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响；所以，该测量方法越来越受到人们的重视。5.5.1 旋涡流量计n旋涡流量计又称涡街流量计，其测量方法基于流体力学中的卡门涡街原理。n把一个旋涡发生体（如圆柱体、三角柱体等非流线型对称物体）垂直插在管道中，当流体绕过旋涡发生体时会在其左右两侧后方交替产生旋涡，形成涡列，且左右两侧旋涡的旋转方向相反。这种涡列就称为卡门涡街。 5.5.1 旋涡流量计5.5.1 旋涡流量计n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

15、之比满足：n时，所产生的涡街才是稳定的。0.281HL5.5.1 旋涡流量计n流体流过圆柱体后漩涡发生的频率为：n其中St是与雷诺数有关的无量纲数，称为斯特罗哈数。n则体积流量为：0.21tvvfSdd21()4vQAvDDd v5.5.1 旋涡流量计n旋涡频率的检测5.5.1 旋涡流量计n当旋涡在圆柱体下游侧产生时，出于升力的作用，使得圆柱体下方的压力比上方高一些，圆柱体下方的流体在上下压力差的作用下，从圆柱体下方导压孔进入空腔，通过隔板中央部分的小孔，流过铂电阻丝，从上方导压孔流出。5.5.1 旋涡流量计n如果将铂电阻丝加热到高于流体温度的某温度值，则当流体流过铂电阻丝时，就会带走热量，改

16、变其温度，也即改变其电阻值。当圆柱体上方产生一个旋涡时，则流体从上导压孔进入，由下导压孔流出，又一次通过铂电阻丝，又改变一次它的电阻值。由此可知：电阻值变化与流动变化相对应，也既与旋涡的频率相对应。所以，可由检测铂电阻丝电阻变化频率得到涡频率，进而得到流量值。5.5.1 旋涡流量计n优点：涡街流量计测量精度较高；量程比宽；使用寿命长，压力损失小，安装与维护比较方便；测量几乎不受流体参数变化的影响，用水或空气标定后的流量计无须校正即可用于其它介质的测量；易与数字仪表或计算机接口，对气体、液体和蒸汽介质均适用。5.5.1 旋涡流量计n缺点：流体流速分布情况和脉动情况将影响测量准确度，因此适用于紊流

17、流速分布变化小的情况，并要求流量计前后有足够长的直管段。 5.6 电磁流量计n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液体体积流量的仪表。5.6 电磁流量计n在均匀磁场中，垂直于磁场方向有一个直径为D的管道。管道由不导磁材料制成，当导电的液体在导管中流动时，导电液体切割磁力线，因而在磁场及流动方向垂直的方向上产生感应电动势，如安装一对电极，则电极间产生和流速成比例的电位差。则体积流量与感应电动势成正比：EBDv244vDDEQvB5.6 电磁流量计5.6 电磁流量计n优点：压力损失小，适用于含有颗粒、悬浮物等流体的流量测量；可以用来测量腐蚀性介质的流量；流量测量范围大；流量计的管径

18、小到1mm，大到2m以上；测量精度为0.5-1.5级；电磁流量计的输出与流量呈线性关系；反应迅速，可以测量脉动流量。n缺点：被测介质必须是导电的液体，不能用于气体、蒸汽及石油制品的流量测量；流速测量下限有一定限度；工作压力受到限制。结构也比较复杂，成本较高。5.7 超声流量计超声波流量计的特点：n可作非接触测量；无流动阻挠测量，无额外压力损失；适用于大型圆形管道和矩形管道；多普勒超声流量计可测量固体含量较多或含有气泡的液体；超声流量计可测量非导电性液体，在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充。5.7.1 时间差法测量流量n时间差法的基本原理为：测量超声波脉冲在顺流和逆流传播过程中的速度之

19、差来得到被测流体的流速。5.7.1 时间差法测量流量n在测量管道中，装两个超声波发射换能器F1和F2以及两个接收换能器J1和J2，F1J1和F2J2与管道轴线夹角为a，管径为D，流体由左向右流动，速度为v，此时由F1到J1超声波传播速度为： F2到J2超声波传播速度为：1cosccu2cosccu5.7.1 时间差法测量流量n如果超声波发生器发射一短小脉冲，其顺流传播时间为：n而逆流传播的时间为：1/sincosDtcu2/sincosDtcu5.7.1 时间差法测量流量2122221222222cotcos2cot2cottan42cot8vDutttcuucDutttcctuDDctQAu

20、DctD 5.7.2 多普勒频移法测量流量一、频差法n频差法法是通过测量顺流和逆流时超声脉冲的重复频率差去测量流速。在单通道法中脉冲重复频率是在一个发射脉冲被接收器接收之后，立即发射出一个脉冲，这样以一定频率重复发射。5.7.2 多普勒频移法测量流量n对于顺流和逆流重复发射频率为：1cos/sincufD21cos2 cossin/sincuuffDD5.7.2 多普勒频移法测量流量213sin2sin24sin2vfffuDD fufQuSD 5.7.2 多普勒频移法测量流量二、多普勒法n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运动，会引起声波在频率上的

21、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相对速度。5.7.2 多普勒频移法测量流量多普勒效应：n对于多普勒效应中声源频率与接受者感受到的频率之间的关系，要分三种情况考虑：1. 波源静止，观测者相对于媒质以u向波源运动，则频率为：/cucucuffcfc5.7.2 多普勒频移法测量流量2. 观测者静止，波源相对于媒质以u向观测者运动3. 波源相对于媒质以u1向观测者运动观测者相对于媒质以u2向波源运动。 ()ccffcu Tcu21cuffcu5.7.2 多普勒频移法测量流量n图是超声多普勒流量计示意图。超声换能器安装在管外。从发射晶体T发射的超声波束遇到流体中运动着颗粒或气泡，再

22、反射回来由接收晶体R接收。发射信号与接收信号的多普勒频率偏移与流体流速成正比。如忽略管壁影响，并假设流体没有速度梯度，以及粒子是均匀分布的。5.7.2 多普勒频移法测量流量n超声换能器A向流体发出频率为f1的超声波，到达反射体时的频率f1为n经照射域内液体中反射体反射的超声波产生多普勒频移，接收换能器B收到频率为f2的超声波，其值为：11coscuffc211coscosccufffcucu5.7.2 多普勒频移法测量流量2111112 coscos2 cos2cos2cosvuffffcucuuffccfufScQuSff 5.7.2 多普勒频移法测量流量超声波流量计的特点优点：n流体中不插入任何元件，对流速无影响，也没有压力损失；n能用于任何液体，也能测量气体的流量；n非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量；n量程比较宽；n输出与流量之间呈线性。5.7.2 多普勒频移法测量流量缺点：n只能用于测量200以下的流体；n结构复杂，成本较高。5.8 质量流量的测量问题引出：为什么需要质量流量计?1. 在工业生产中，由于物料平衡，热平衡以及储存、经济核算等所需要的都是质量，并非体积；2. 在测量工作中，常需将测出的体积流量，乘以密度换算成质量流量，设备复杂，测量耗时；3. 密度随温度、压力而变化，在温度、压力变化比较频繁的情况下，难以达到测量的目的