工业流量检测技术的发展和应用

1、w w 主要内容：流量检测技术的发展主要内容：流量检测技术的发展w 流量计的分类、原理及特点流量计的分类、原理及特点w 流量计的单位及标识流量计的单位及标识w 什么是自动检测什么是自动检测 自动检测是在测量和检验过程中自动检测是在测量和检验过程中完全不需要或仅需要很少的人工完全不需要或仅需要很少的人工干预干预而自动进行并完成的。实现自动检测可以提高工厂自动化水平而自动进行并完成的。实现自动检测可以提高工厂自动化水平和程度，减少人为干扰因素和人为差错，从而提高生产过程或设备和程度，减少人为干扰因素和人为差错，从而提高生产过程或设备的的可靠性及运行效率可靠性及运行效率。w自动检测的任务是什么自动检

2、测的任务是什么 自动检测的任务主要有两种：自动检测的任务主要有两种： 1.1.将被测参数直接测量并显示出来，以告诉人们或其他系统有关将被测参数直接测量并显示出来，以告诉人们或其他系统有关被测对象的变化情况被测对象的变化情况测量测量； 2. 2.用做自动控制系统的前端系统，以便根据参数的变化情况作出用做自动控制系统的前端系统，以便根据参数的变化情况作出相应的控制决策，实施自动控制相应的控制决策，实施自动控制控制控制。 近代流量测量：近代流量测量：1717世纪世纪-20-20世纪世纪托托里拆利奠定差压式流里拆利奠定差压式流量计的理论基础，这量计的理论基础，这是流量检测的里程碑是流量检测的里程碑 现

3、代流量测量：现代流量测量：2020世纪世纪6060年代至今年代至今微电子技术和计算微电子技术和计算机技术的飞跃发展机技术的飞跃发展 流量检测是研究物质量变的科学，质量互变规律是事物联系发展流量检测是研究物质量变的科学，质量互变规律是事物联系发展的基本规律，因此其检测对象已不限于传统意义上的管道液体，凡需的基本规律，因此其检测对象已不限于传统意义上的管道液体，凡需掌握量变的地方都有流量检测的问题。掌握量变的地方都有流量检测的问题。流量和压力、温度并列为三大流量和压力、温度并列为三大测量参数。对于一定的流体，只要知道这三个参数就可计算其具有的测量参数。对于一定的流体，只要知道这三个参数就可计算其具

4、有的能量，在能量转换的测量中必须测量此三个参数。能量，在能量转换的测量中必须测量此三个参数。能量转换是一切生能量转换是一切生产过程和科学实验的基础，因此流量仪表和压力、温度仪表一样得到产过程和科学实验的基础，因此流量仪表和压力、温度仪表一样得到最广泛的应用。最广泛的应用。 古代流量测量：流量检测的发展可追溯到古代的水利工程和城市古代流量测量：流量检测的发展可追溯到古代的水利工程和城市供水系统。古罗马凯撒时代已采用孔板测量居民的饮用水水量。公元供水系统。古罗马凯撒时代已采用孔板测量居民的饮用水水量。公元前前10001000年左右古埃及用堰法测量尼罗河的流量。年左右古埃及用堰法测量尼罗河的流量。我

5、国著名的都江堰水我国著名的都江堰水利工程应用宝瓶口的水位观测水量大小等等。利工程应用宝瓶口的水位观测水量大小等等。 测量原理有测量原理有力力学原理、热学原理、学原理、热学原理、声学原理、电学原声学原理、电学原理、光学原理和原理、光学原理和原子物理学原理子物理学原理等。等。 按照目前最流按照目前最流行、最广泛的分类行、最广泛的分类法分为法分为: : 浮子流量浮子流量计、差压式流量计、计、差压式流量计、容积式流量计、电容积式流量计、电磁流量计、涡街流磁流量计、涡街流量计、质量流量计、量计、质量流量计、超声流量计、靶式超声流量计、靶式流量计等。流量计等。 w流量计的种类流量计的种类 流量测量方法和仪

6、表的种类繁多，分类方法也很多。至今为止，可流量测量方法和仪表的种类繁多，分类方法也很多。至今为止，可供工业用的流量仪表种类达上百种之多。供工业用的流量仪表种类达上百种之多。品种如此之多的原因就在于至品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。件都适用的流量仪表。 这上百种流量仪表，每种产品都有它特定的适用性，也都有它的局这上百种流量仪表，每种产品都有它特定的适用性，也都有它的局限性。限性。w 浮子流量计又称转子流量计，是变面积式流量计的一种，浮子流量浮子流量计又称转子流

7、量计，是变面积式流量计的一种，浮子流量计的流量检测元件是由计的流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管一根自下向上扩大的垂直锥形管和和一个沿着锥管一个沿着锥管轴上下移动的浮子轴上下移动的浮子组所组成。组所组成。特点：特点：优点为优点为：是结构简：是结构简单，易维护，价格单，易维护，价格低廉；低廉；缺点为缺点为：压压损大，损大，精度差，一精度差，一般作为直观流动指般作为直观流动指示或者测量准确度示或者测量准确度不高的现场指示仪不高的现场指示仪表。表。w工作原理：工作原理： 被测流体从下向上经过锥管和浮子形成的环隙时，被测流体从下向上经过锥管和浮子形成的环隙时，浮子上下端产生浮子上下端产生差压

8、形成浮子上升的力，差压形成浮子上升的力，直到上升力等于浸在流体中浮子重量时，浮子直到上升力等于浸在流体中浮子重量时，浮子便稳定在某一高度，便稳定在某一高度，浮子在锥管中高度和通过的流量有对应关系浮子在锥管中高度和通过的流量有对应关系。 差压式流量计是根据安装于差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压管道中流量检测件产生的差压, ,已知的已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。 经典流经典流体力学原理体力学原理-伯努利方程伯努利方程（飞机的（飞机的动力学原理也是这个）：动力学原理也是这个）：伯努利方程是理想流体定常流动的

9、动力学方程，意为流体在忽略粘性伯努利方程是理想流体定常流动的动力学方程，意为流体在忽略粘性损失的流动中，流线上任意两点的损失的流动中，流线上任意两点的压力势能、动能与位势能之和保持压力势能、动能与位势能之和保持不变，不变，即总能量守恒即总能量守恒。 p+(1/2)v2+gh=C式中式中p、v分别为流体的压强、密度和速度；分别为流体的压强、密度和速度；h为铅垂高度；为铅垂高度；g为重为重力加速度；力加速度；C为常量。为常量。特点：特点： 优点是优点是：结构：结构牢固，性能稳定可牢固，性能稳定可靠，应用范围广泛，靠，应用范围广泛，检测件与变送器、检测件与变送器、显示仪表分别由不显示仪表分别由不同厂

10、家生产，便于同厂家生产，便于规模经济生产；规模经济生产； 缺点是缺点是：测量：测量精度普遍偏低，范精度普遍偏低，范围度窄，现场安装围度窄，现场安装条件要求高，压损条件要求高，压损大。大。w种类繁多：孔板流量计、喷嘴流量计、文丘里流量计、种类繁多：孔板流量计、喷嘴流量计、文丘里流量计、V V锥流量计等。锥流量计等。 w工作原理工作原理 在流体的管道上装有一个节流装置，其内装有一个孔板，中心开有在流体的管道上装有一个节流装置，其内装有一个孔板，中心开有一个圆孔，其孔径比管道内径小，在孔板前流体稳定的向前流动，一个圆孔，其孔径比管道内径小，在孔板前流体稳定的向前流动，流过流过孔板时由于孔径变小，截面

11、积收缩，使稳定流动状态被打乱，因而流速孔板时由于孔径变小，截面积收缩，使稳定流动状态被打乱，因而流速加快，流体的静压随之降低，于是在孔板前后产生压力降落，即差压。加快，流体的静压随之降低，于是在孔板前后产生压力降落，即差压。流量与差压的平方根成正比。流量与差压的平方根成正比。 w种类繁多：种类繁多：孔板流量计、喷嘴流量计、文丘里流量计、孔板流量计、喷嘴流量计、文丘里流量计、V V锥流量计锥流量计等。等。 w工作原理工作原理 在流体的管道上装有一个节流装置，其内装有一个孔板，中心开有在流体的管道上装有一个节流装置，其内装有一个孔板，中心开有一个圆孔，其孔径比管道内径小，在孔板前流体稳定的向前流动

12、，一个圆孔，其孔径比管道内径小，在孔板前流体稳定的向前流动，流过流过孔板时由于孔径变小，截面积收缩，使稳定流动状态被打乱，因而流速孔板时由于孔径变小，截面积收缩，使稳定流动状态被打乱，因而流速加快，流体的静压随之降低，于是在孔板前后产生压力降落，即差压。加快，流体的静压随之降低，于是在孔板前后产生压力降落，即差压。流量与差压的平方根成正比。流量与差压的平方根成正比。 容积式流量计容积式流量计与差压式流量计、与差压式流量计、浮子流量计并列为浮子流量计并列为三类使用量最大的三类使用量最大的流量计流量计，常应用于，常应用于昂贵介质（油品、昂贵介质（油品、天然气等）的总量天然气等）的总量测量。测量。

13、容积式流量计又称定排量流量计，它利用机械测量元件把流体连续容积式流量计又称定排量流量计，它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分不断地分割成单个已知的体积部分, ,根据测量室逐次重复地充满和排放根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。w工作原理：工作原理： 流体一次次地充满流量计的流体一次次地充满流量计的“计量空间计量空间”，然后又不断地被送往出然后又不断地被送往出口。在给定流量计条件下，口。在给定流量计条件下，该计量空间的体积是确定的，该计量空间的体积是确定的，只要测得转子只要测得转子的转动次数，就可以得

14、到通过流量计的流体体积的累积值。的转动次数，就可以得到通过流量计的流体体积的累积值。 优点为优点为：范围度宽，操作简便；：范围度宽，操作简便；缺点为缺点为：被测介质种类、口径、介质工：被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大，不适用于高、低温场合，噪声及振动大。作状态局限性较大，不适用于高、低温场合，噪声及振动大。 w 涡街流量计是在流体中安放一个涡街流量计是在流体中安放一个非流线型旋涡发生体非流线型旋涡发生体，使流体在发，使流体在发生体两侧交替地分离，释放出两串规则地交错排列的旋涡，且在一定范生体两侧交替地分离，释放出两串规则地交错排列的旋涡，且在一定范围内旋涡分离频率与流量成正比的流量计

15、。围内旋涡分离频率与流量成正比的流量计。 卡门涡街卡门涡街是粘性不可压缩流体动力学所研究的一种现象。流体绕流是粘性不可压缩流体动力学所研究的一种现象。流体绕流高大烟囱、高层建筑、电线、油管道和换热器的管束时都会产生卡门高大烟囱、高层建筑、电线、油管道和换热器的管束时都会产生卡门涡街，出现涡街时，涡街，出现涡街时，流体对物体会产生一个周期性的交变横向作用力流体对物体会产生一个周期性的交变横向作用力，如果力的频率与物体的固有频率相接近，就会引起共振，甚至使物体如果力的频率与物体的固有频率相接近，就会引起共振，甚至使物体损坏。损坏。 特点：特点： 优点为优点为：结构：结构简单，安装维护方简单，安装维

16、护方便，精度高，范围便，精度高，范围宽，压损小，适于宽，压损小，适于总量计算；总量计算； 缺点为缺点为：不耐：不耐强振动，不适用于强振动，不适用于高粘度，低流速，高粘度，低流速，小口径测量小口径测量。w工作原理：工作原理： 流体在管道中经过涡街流量变送器时，流体在管道中经过涡街流量变送器时，在三角柱的旋涡发生体后上在三角柱的旋涡发生体后上下交替产生正比于流速的两列旋涡下交替产生正比于流速的两列旋涡，旋涡的释放频率与流过旋涡发生体，旋涡的释放频率与流过旋涡发生体的流体平均速度及旋涡发生体特征宽度有关，通过测量旋涡频率就可以的流体平均速度及旋涡发生体特征宽度有关，通过测量旋涡频率就可以计算出流过旋

17、涡发生体的流体平均速度计算出流过旋涡发生体的流体平均速度v v，再由式，再由式q=vAq=vA可以求出流量可以求出流量q q，其中其中A A为流体流过旋涡发生体的截面积。为流体流过旋涡发生体的截面积。w 电磁流量计是根据电磁感应定律，在非磁性管道中，利用测量电磁流量计是根据电磁感应定律，在非磁性管道中，利用测量导电导电流体平均速度流体平均速度而显示流量的流量计。而显示流量的流量计。 电磁流量计的工作原理是基于电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律的。电磁感应的。电磁感应定律就是导体在磁场中切割磁力线运动时在其两端产生感应电动势。定律就是导体在磁场中切割磁力线运动时在其两

18、端产生感应电动势。特点：特点： 优点是优点是：压损：压损小，测量范围大，小，测量范围大，抗腐蚀；抗腐蚀； 缺点是缺点是：不能：不能测量导电率低的液测量导电率低的液体，不耐高低温。体，不耐高低温。w工作原理：工作原理： 导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，相当于法拉第试导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，相当于法拉第试验中的导电金属杆。验中的导电金属杆。当有导电性液体流过时，与流动方向垂直的方向上当有导电性液体流过时，与流动方向垂直的方向上会产生与流量成比例的感应电动势会产生与流量成比例的感应电动势，感应电动势的方向遵循，感应电动势的方向遵循“右手定则右手定则（把右手放入磁场中，

19、若磁感线垂直进入手心当磁感线为直线时，相当（把右手放入磁场中，若磁感线垂直进入手心当磁感线为直线时，相当于手心面向于手心面向N N极，大拇指指向导线运动方向，则四指所指方向为导线中极，大拇指指向导线运动方向，则四指所指方向为导线中感应电动势的方向）感应电动势的方向）”，其值如下式：，其值如下式： E=kBDVE=kBDV 式中式中E E为感应电动势，为感应电动势，k k为系数，为系数，B B为磁感应强度，为磁感应强度，D D为测量管内径，为测量管内径，V V为为平均流速。平均流速。w 质量流量计主要有质量流量计主要有科里奥利质量流量计科里奥利质量流量计（主测液体）和（主测液体）和热式质热式质量

20、流量计量流量计（主测气体）两种。（主测气体）两种。 力学概念：力学概念：科里奥利力科里奥利力 科里奥利力科里奥利力是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。科里奥利力来自于运动。科里奥利力来自于运动物体所具有的惯性。物体所具有的惯性。 当一个质点相对于惯性系做直线运动时，相对于旋转体系，其轨当一个质点相对于惯性系做直线运动时，相对于旋转体系，其轨迹是一条曲线。立足于旋转体系，迹是一条曲线。立足于旋转体系，我们认为有一个力驱使质点运动轨我们认为有一个力驱使质点运动轨迹形

21、成曲线迹形成曲线，这个力就是科里奥利力（注意力的方向）。从物理学的，这个力就是科里奥利力（注意力的方向）。从物理学的角度考虑，科里奥利力与离心力一样，都角度考虑，科里奥利力与离心力一样，都不是真实存在的力不是真实存在的力，而是惯，而是惯性作用在非惯性系内的体现。性作用在非惯性系内的体现。 质量流量计用质量流量计用测量管以测量管以固有的频固有的频率及一定的振幅振率及一定的振幅振荡荡来代替恒定的角来代替恒定的角速度速度，当流体流，当流体流过测量管时就会受过测量管时就会受到科里奥利力作用。到科里奥利力作用。 由于在流体出由于在流体出入口的监测点流体入口的监测点流体运动方向相反，所运动方向相反，所以其

22、产生的科里奥以其产生的科里奥利力方向也是相反利力方向也是相反的，的，入口处的科里入口处的科里奥利力抑制了检测奥利力抑制了检测点处的振动，而出点处的振动，而出口处的科里奥利力口处的科里奥利力增益了检测点处的增益了检测点处的振动振动，所以导致本，所以导致本应具有振动同相位应具有振动同相位的两个监测点出现的两个监测点出现了了相位差相位差即时间即时间差差tt。w工作原理工作原理 以单直管形测量管为例（经典的是以单直管形测量管为例（经典的是U U形测量管，但单直管形测量管的原形测量管，但单直管形测量管的原理比较直观）。理比较直观）。特点：特点： 优点是优点是：测量：测量准确，可测范围宽，准确，可测范围宽

23、，对流体粘度不敏感，对流体粘度不敏感，可做多参数测量；可做多参数测量； 缺点是缺点是：易零：易零漂，不能测低密度漂，不能测低密度流体，不抗振动，流体，不抗振动，不适于大管径，压不适于大管径，压损大。损大。 省略数学推导过程，这里省略数学推导过程，这里直接给出结果，直接给出结果，质量流量和时质量流量和时间差成比例关系间差成比例关系，只要检测出，只要检测出时间差时间差tt就可得到质量流量就可得到质量流量q q。 w 超声流量计是通过检测流体流动对超声束超声流量计是通过检测流体流动对超声束( (或超声脉冲或超声脉冲) )的作用的作用以测量流量的仪表。根据对信号检测的原理超声流量计可分为以测量流量的仪

24、表。根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播传播速度差法速度差法( (时差法、相位差法和频差法时差法、相位差法和频差法) )、多普勒法、波束偏移法等、多普勒法、波束偏移法等。 传播速度差法类比：顺水行舟与逆水行舟。传播速度差法类比：顺水行舟与逆水行舟。 超声流量计和超声流量计和电磁流量计一样，电磁流量计一样，因仪表流通通道因仪表流通通道未未设置任何阻碍件，设置任何阻碍件，均属无阻碍流量计均属无阻碍流量计，是适于解决流量测是适于解决流量测量困难问题的一类量困难问题的一类流量计。流量计。 优点为优点为：可做：可做非接触式测量，为非接触式测量，为无流动阻挠测量，无流动阻挠测量，无压力损失，可测无压力

25、损失，可测量非导电性液体；量非导电性液体； 缺点为缺点为：传播传播速度差法只能用于速度差法只能用于清洁液体和气体。清洁液体和气体。w工作原理：工作原理： 声波在流体中传播，声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小则减小，同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与被，同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与被测流体流速的关系求取流速，称之为传播速度差法。按测量具体参数测流体流速的关系求取流速，称之为传播速度差法。按测量具体参数不同，分为时差法、相位差法和频差法，三种方法没有本质的区别。不同，分为时差法、相位差法和频差法，三

26、种方法没有本质的区别。 w工作原理：工作原理： 当介质在测量管中流动时，因其自身的动能与靶板产生压差，而产当介质在测量管中流动时，因其自身的动能与靶板产生压差，而产生对靶板的作用力，生对靶板的作用力，使靶板产生微量的位移使靶板产生微量的位移，其作用力的大小与介质流，其作用力的大小与介质流速的平方成正比，其数学公式：速的平方成正比，其数学公式： F = C F = Cd dAVAV2 2/2/2 式中式中F:F:靶板所受的作用力，靶板所受的作用力，C Cd d：流体阻力系数，：流体阻力系数，A A：靶板对测量管轴向：靶板对测量管轴向投影面积，投影面积，：工况下介质密度，：工况下介质密度，V V：

27、介质在测量管中的特征流速：介质在测量管中的特征流速特点：特点：优点为优点为：压损小，重复性好，抗干扰；：压损小，重复性好，抗干扰；缺点为缺点为：量程窄，精度不高，零漂严重。：量程窄，精度不高，零漂严重。wNmNm3 3/h/h和和m m3 3/h/h？ Nm Nm3 3/h/h（标立米每小时）是流体在（标立米每小时）是流体在标准温度和压力标准温度和压力(STP)(STP)下的体积流下的体积流量。国际纯化学及应用化学协会（量。国际纯化学及应用化学协会（IUPACIUPAC）和美国国家标准局（）和美国国家标准局（NISTNIST）规定，标准温度为规定，标准温度为273.15 K273.15 K即即

28、00, , 标准压力为标准压力为100KPa100KPa（近似于（近似于1 1标准大标准大气压气压101.325KPa101.325KPa）。）。 m m3 3/h/h（标立米每小时）是流体在（标立米每小时）是流体在工况温度工况温度(25(25摄氏度）和压力（实际摄氏度）和压力（实际压力）压力）下的体积流量。下的体积流量。 NmNm3 3/h/h和和m m3 3/h/h如何转换？如何转换？ 我们根据我们根据理想气体状态方程理想气体状态方程，算出工况和标况下气体的某一量的比，算出工况和标况下气体的某一量的比，就得到就得到NmNm3 3和和m m3 3的比。的比。 例如，我们假设质量一定，根据例如

29、，我们假设质量一定，根据PV/T=CPV/T=C，P P1 1V V1 1/T/T1 1=P=P2 2V V2 2/T/T2 2，标号，标号1 1为为标况，标况，2 2为工况，这样就可以算出为工况，这样就可以算出V V1 1/V/V2 2=(P=(P2 2T T1 1)/(P)/(P1 1T T2 2) )，这个比值就是，这个比值就是NmNm3 3和和m m3 3的比。的比。 有何区别？有何区别？气体和液体的温压补偿气体和液体的温压补偿wEx dEx dIIC T4 IP67IIC T4 IP67？ ExEx：防爆公用标志。：防爆公用标志。 隔爆型电气设备（隔爆型电气设备（d d）：）：是指把

30、能点燃爆炸性混合物的部件封闭在一是指把能点燃爆炸性混合物的部件封闭在一个外壳内，该个外壳内，该外壳能承受内部爆炸性混合物的爆炸压力外壳能承受内部爆炸性混合物的爆炸压力并阻止和周围的并阻止和周围的爆炸性混合物传爆的电气设备。爆炸性混合物传爆的电气设备。 增安型电气设备（增安型电气设备（e e）：正常运行条件下，不会产生点燃爆炸性混合）：正常运行条件下，不会产生点燃爆炸性混合物的火花或危险温度物的火花或危险温度，并在结构上采取措施，提高其安全程度，以避免，并在结构上采取措施，提高其安全程度，以避免在正常和规定过载条件下出现点燃现象的电气设备。在正常和规定过载条件下出现点燃现象的电气设备。 本安型电

31、气设备（本安型电气设备（i i）：）：在正常运行或在标准试验条件下所产生的在正常运行或在标准试验条件下所产生的火火花或热效应均不能点燃爆炸性混合物花或热效应均不能点燃爆炸性混合物的电气设备。的电气设备。 iaia等级等级：在正常工作状态下，以及电路中存在：在正常工作状态下，以及电路中存在一个故障或两个故障一个故障或两个故障时，均不能点燃爆炸性气体混合物。时，均不能点燃爆炸性气体混合物。 ibib等级等级：在正常工作状态下，以及电路中存在：在正常工作状态下，以及电路中存在一个故障一个故障时，不能点时，不能点燃爆炸性气体混合物。燃爆炸性气体混合物。 ia ia型仪表适用于型仪表适用于0 0区和区和1 1区，区， ibib型仪表仅适用于型仪表仅适用于1 1区。区。 0 0区区：爆炸性气体环境：爆炸性气体环境连续出现或长时间存在连续出现或长时间存在的场所。的场所。 1 1区区：在正常运行时，：在正常运行时，可能出现可能出