自动检测技术及仪表控制系统

1、6 流量检测主要内容流量检测的根本概念体积流量检测方法容积式、差压式和速度式容积式椭圆齿轮式、腰轮式和皮膜式差压式节流式、均速管、弯管、靶式和浮子等速度式涡轮、涡街、电磁和超声波流量计等质量流量检测方法直接式和间接式直接式科里奥利、热式和冲量式质量流量计间接式利用体积流量和质量流量之间的关系将多种仪 表组合如体积流量计和密度计组合、体积流量计和体积 流量计组合流量规范安装液体流量规范安装和气体流量规范安装一、流量(flow)的概念和单位1.定义：流体的流量指在短时间内流过某一流通截面的流体数量与经过时间之比。(瞬时流量)2.分类：6.1 流量检测的根本概念 单位根据表示方法的不同而有不同的单位

2、。2.分类：6.1 流量检测的根本概念其中：qm为质量流量/s；M为流体质量；t为时间s；为流体密度kg/m3 ；为流体平均流速m/s；A为流通截面积。质量流量：单位时间内经过的流体的质量分量流量：单位时间内经过的流体的分量其中：qw为分量流量，N/s；w为流体分量，N。其中：V为体积总量；M为质量总量；t为丈量时间。质量流量是表示流量的最好方法，由于其它两种可由它求出。体积流量：单位时间内经过的流体的体积其中：qV为体积流量，m3/s；为流体体积，m3。累积流量：在某段时间内流体经过的体积或质量流量总量称为累积流量或流过总量。它是体积流量或质量流量在该段时间中的积分，表示为：1.流量检测方法

3、及流量计分类流量检测方法：可归为体积流量检测和质量流量检测流量计：丈量流量的仪表称为流量计。流量计通常由一次安装和二次仪表组成，一次安装产生一个与流量有确定关系的信号，亦称流量传感器，二次仪表那么给出相应的流量值大小。见表61。总量计：丈量流体总量的仪表称为计量表或总量计。分类 按丈量单位分为质量流量计和体积流量计按丈量原理分为容积式、速度式和压差式流量计按丈量方法分为直接丈量式和间接丈量式二、流量检测方法及流量计分类2.流量计的丈量特性各种类型的流量计的共性式中：qm为质量流量，x为流量计输出信号。理想的流量方程式为线性方程式。流量计的仪表系数与流出系数：仪表系数K：频率型流量计流量特性的主

4、要参数。定义为单位流体流过流量计时流量计发出的脉冲数：流出系数C：定义为实践流量与理想流量的比值：流量方程式：流量与流量计输出信号之间关系的数学表达式：式中：K为仪表系数，m-3；N为脉冲数，次；V为流体体积，m3。流量范围及范围度流量范围：指可测最大流量和最小流量所限定的范围。范围度：最大流量与最小流量的比值。流量计范围度的大小受仪表的原理与构造所限制。丈量准确度和误差 流量计标出的准确度为根本误差。而现场运用中由于偏离标定条件会产生附加误差，所以要按有关规定计算附加误差。压力损失 流量计通常是一个阻力件，会给流体呵斥能量耗费。所以，压力损失大小是流量计选型的一个重要目的。6.2 体积流量检

5、测方法一、容积(volumn)式流量计原理：使被测流体充溢具有一定容积的空间，然后把这部分流体从口排出，利用运动元件的往复次数或转速与流体的延续排出量成比例对被测流体进展延续的检测，故叫做容积式流量计。用来丈量液体和气体的体积流量，主要用于丈量累积流量。1.容积式流量计的丈量机构与流量公式组成：由丈量室、运动部件、传动和显示部件构成。它的丈量主体为具有固定规范容积的丈量室，丈量室由流量计内部的运动部件与壳体构成。在流体进、出口压力差的作用下，运动部件不断地将充溢在丈量室中的流体从入口排向出口。容积式流量计、差压式流量计、速度式流量计流量方程式： Q=nV 其中：V丈量室的固定容积， n某一时间

6、间隔内经过流量计排出流体的固定容积数，可由计数器经过传动部件测出， Q被测流体的体积总量。在丈量较小流量时，要思索走漏量的影响，通常仪表有最小流量的丈量限制。2.几种容积式流量计(flowmeter)(1)椭圆齿轮番量计 椭圆齿轮番量计的丈量本体由一对相互啮合的椭圆齿轮和壳体构成，其任务原理如下图。运动部件的方式：往复运动活塞式油量表和旋转运动腰轮番量计。 齿轮的转数经过变速机构驱动机械计数器来显示总流量，还可以经过电磁转换安装转换成脉动信号，对其计数就可得到总流量。两个齿轮每转动一圈，流量计将排出4个半月描画积的流体。经过椭圆齿轮番量计的总量可表示为：特点：适用于高粘度液体的丈量。流量计根本

7、误差0.2%0.5%。范围度为10：1；任务温度要低于120，以防止齿轮卡死。在运用时要留意防止齿轮的磨损与腐蚀，以延伸仪表寿命。(2)腰轮番量计原理与椭圆齿轮番量计一样。为减小两转子的磨损，在壳体外与腰轮同轴的齿轮作为传送转动力矩之用，因此比椭圆齿轮能坚持长期稳定性。特点：可以丈量液体和气体，也可以测高粘度流体。根本误差为0.2%0.5%，范围度为10：1；任务温度要低于120，压力损失小于0.02MPa。(3) 皮膜式家用煤气表安装本卷须知：选型时要思索被测介质的物性参数和任务形状(如温度、粘度、压力、密度和流量范围等。流量计的安装地点应满足技术性能规定的条件，安装前必需进展检定。可以程度

8、安装也可以垂直安装。流量计上游要加过滤器，调理流量的阀门应位于流量计下游。为维护方便需设置旁通管路。安装时留意流量计外壳上的流向标志应与被测流体的流动方向一致。运用过程中，被测流体应该充溢管道，并任务在仪表规定的流量范围内；当环境改动时，应对仪表进展修正；仪表要定期清洗和检定。3.容积式流量计的安装与运用任务原理：在流通管道上设置流动阻力件，流体经过阻力件时将产生压力差，此压力差与流体流量之间有确定的数值关系，经过丈量差压值可以求得流体流量。组成：产生差压的安装(流体流过差压产生安装构成静压差和差压计丈量差压值产生差压的安装：节流件孔板、喷嘴、文丘利管等；动压管、均速管、弯管等；靶和浮子等。

9、差压式流量计： 节流式流量计、均速管流量计、弯管流量计、靶式流量计、浮子流量计二、差压式流量计1.节流(throttle)式流量计可丈量液体、气体、或蒸汽 节流式流量计中产生差压的安装称节流安装，其主体是一个部分收缩的阻力件，称为节流元件。经过节流元件改动流体流通截面，从而在节流元件前后构成压力差。常见的节流安装如下图：孔板、喷嘴、文丘里管节流安装取压管及内部的节流孔板节流孔板后取压管 前取压管流体经过节流孔板时，流速加快，后取压管处的压力减小。节流安装外形节流孔板后取压管 节流式流量计外形节流安装的另一种方式文丘里管或文丘里喷嘴 文丘里喷嘴的压力损失较小。流体入口狭窄部位节流安装分类：规范节

10、流安装和非规范节流安装两大类。规范节流安装的型式曾经规范化，在规定了取压方式和前后直管段长度、流体的种类和流动条件下，有规范的流量差压关系；而非规范节流安装由于运用条件差别大，故没有规范化，用于处理脏污和高粘度流量的丈量。节流式流量计的特点：构造简单，无可动部件；可靠性高，复现性能好；适用性较广，它适用于各种工况下的单相流体，适用的管道直径范围宽，可以配用通用差压计；安装又规范化。 其缺陷是安装要求严厉；流量计前后要求较长的直管段；丈量范围窄，普通范围度为3：1；压力损失较大；对于较小直径的管道丈量比较困难(D2000，紊流； Re喷嘴文丘里管本钱：孔板喷嘴文丘里管精度：孔板喷嘴 或0，上式可

11、简化为：例：某转子流量计测二氧化碳气的流量，丈量时被测气体的温度是40，压力是49.03kPa表压力，假设流量计的读数为120m3/h，问实践流量是多少？ 知标定时绝对压力P=98.06kPa,t=20，此时二氧化碳的重度为18.07N/m3, 空气的重度为11.82N/m3。解：b.浮子流量计的安装与运用安装运用前必需核对所须丈量范围、任务压力和介质温度能否与被选流量计相符。 如图：仪表应垂直安装在管道上，流体必需自下而上经过流量计，不应有明显的倾斜。流量计前后有截断阀，并安装有旁路管道。仪表投入时前后阀门要缓慢开启，投入运转后封锁旁路阀。最正确丈量范围为上限的三分之一到三分之二刻度内。当被

12、测介质的物性常数密度、粘度和形状常数温度、压力与流量计标定时不同时，必需求对指示值进展修正。玻璃转子流量计流体入口流体出口转子丈量原理：基于与流体速度有关的各种物理景象，仪表的输出与流速有确定的关系，即可知流体的体积流量。种类很多，各有特点和适用范围。1.涡轮番量计(turbine flowmeter) 涡轮番量计是利用安装在管道中可以自在转动的叶轮感受流体的速度变化，从而测定管道内的流体流量。(1)涡轮番量计的构成和流量方程式 构造：如图6-16所示： 流量计主要由壳体、导流器、支承、涡轮和磁电转换器组成，涡轮是丈量元件。三、速度式流量计涡轮(turbine)流量计、涡街(eddy)流量计、

13、电磁(electromagnetic)流量计、超声波(ultrasonic)流量计图6-16 涡轮番量计构造表示图1-紧固环 2-壳体 3-前导流件 4-止推片5-叶轮 6-磁电转换器 7-轴承 8-后导流件涡轮：丈量元件，由导磁系数较高的不锈钢资料制成，轴芯上装有数片呈螺旋形或直形的叶片，流体作用于叶片，使涡轮转动壳体和前后导流件：由非导磁系数较高的不锈钢资料制成，导流件由四片相互垂直的直片组成，用以去掉来流中的旋涡，使流体平行于轴线流动。轴承：导流件上装有滚动轴承或滑动轴承，用来支撑转动的涡轮。磁电转换器：将涡轮的转速转换为电信号。正对着叶轮，永久磁铁产生的磁力线穿过线圈中的铁芯和流量计的

14、壳体，经叶片和空气而闭合。当叶轮在被测流体的推进下转动时，叶片正对着铁芯和偏离铁芯时磁路的磁阻变化最大，此时线圈中磁通发生很大的变化，从而在线圈中感应出交变电势来。电势的频率是叶片经过铁芯处的频率，与叶轮的转速成正比，而叶轮的转速与流体的流速成正比。流量方程式表示为：式中：qv体积流量； f信号脉冲频率； 仪表常数，其与涡轮构造等要素有关，流量较小时，随流量的添加而增大，只需到达一定值时近似为常数，在运用范围内应坚持其为常数，对每台流量计，仪表常数是用实践流体标定而获得的。 涡轮番量计的显示仪表是一个脉冲频率丈量和计数的仪表，根据单位时间的脉冲数和一段时间的脉冲数，分别显示瞬时流量和累积流量。

15、2涡轮番量计的特点和运用特点：可测液体、气体流量，但要求被测介质干净，且液体的粘度不能太大。丈量精度较高0.5级；刻度为线性；输出频率信号便于远传及与计算机相连；仪表的任务范围较宽和较高的耐压才干；压力损失小。安装：普通应程度安装，并保证其前后有一定的直管段。为保证介质干净，表前应装过滤安装。假设被测液体易气化或含有气体时，要在仪表前装消气器。缺陷：制造困难，本钱高。由于涡轮高速转动，轴承易磨损，降低了长时期运转的稳定性，影响运用寿命。通常涡轮番量计主要用于丈量精度要求高、流量变化快的场所，还用作标定其他流量的规范仪表。叶轮式风流速、流量计 参考北京北方大河仪器仪表 资料任务原理：属旋涡流量计

16、类型，它是利用流体振荡的原理进展流量丈量。当流体流过非线性阻挠体时会产生稳定的旋涡，旋涡的产生频率与流体速度有着确定的对应关系，丈量频率的变化，就可以得知流体的流量。流量方程：2.涡街流量计(eddy flowmeter)旋涡的频率检出方式：利用旋涡产生时引起的动摇进展丈量，有一体式和两体式两类。一体式的检测元件放在旋涡发生体内，如热丝式、热敏电阻式和膜片式。如P85图6-17。两体式的检测元件放在旋涡发生体的下游，如压电式、超声式和摆旗式。涡街流量计特点及运用：适用于气体、液体和蒸汽介质的检测，丈量几乎不受流体参数的变化影响。寿命长、压力损失小，输出为频率信号，有较宽的范围度30:1,丈量精

17、度较高。可以程度安装，也可以垂直安装。缺乏之处是流体流速分布情况和脉动情况将影响丈量准确度，漩涡发生体被玷污也会引起误差。上海肯特智能卡门涡街流量计演示 气体或液体管道及涡流发生锥体 原理：基于电磁感应原理，可以丈量具有一定电导率的液体的体积流量。导电流体在磁场中垂直于磁力线方向流过，根据右手定那么，在流通管道两侧的电极上将产生感应电势，感应电势的大小与流体速度有关，经过丈量此电势可求得流体流量。优点：丈量的准确度不受被测液体的粘度、密度、温度以及电导率的影响但不能太小，丈量管中没有任何妨碍被测液体流动的部件，所以几乎没有压力损失。适中选择丈量管中的绝缘内衬和丈量电极的资料，就可以丈量各种腐蚀

18、性溶液的流量，尤其是在丈量含有固体颗粒的液体如泥浆、纸浆和矿浆等的流量时，更显示优越性。3.电磁流量计(electromagnetic flowmeter)如图，感应电势E与流速的关系由下式表示：式中，C为常数；B为磁感应强度；D为管道内径；为流体平均流速。(1)电磁流量计的组成及流量方程式当仪表构造参数确定之后，感应电势与流速v成对应关系，那么流体体积流量可以求得。其流量方程式可写作：式中，K为仪表常数；对于固定的电磁流量计，K为定值。构造如图，丈量主体由磁路系统、丈量导管、电极和调整转换安装组成。电磁流量计转换部分的输出电流I0与平均流速成正比。4 电磁流量计的丈量导管中无阻力件，压力损失

19、小；其流速丈量范围宽，为0.510m/s；范围度可达10：1；流量计的口径可从几毫米到几米以上；流量计的精度0.51.5级；仪表反映快，流动形状对示值影响小，可以丈量脉动流和两相流，如泥浆和纸浆的流量。利用电磁流量计丈量流量，要求导电体有一定的电导率，因此不能丈量气体、蒸汽和电导率低的石油流量。 电磁流量计对直管段要求不高，前直管段长度为5D10D。安装地点应尽量防止猛烈振动和交直流强磁场。在垂直安装时，流体要自下而上流过仪表，程度安装时两个电极要在同一平面上。要确保流体、外壳、管道间的良好接地和良好接触。(2)电磁流量计的特点及运用原理：超声波在流体中传播速度受流体的流速影响，检测接纳的超声

20、波信号可测得流速，从而测得流量。特点：非接触式，从管道外丈量，故无压力损失；丈量结果不受被测流体的粘度、电导率的影响，可测各种液体或气体的流量，可测口径很大的管道内的流量，包括河流的流速；输出信号与被测流量成线性关系。典型方法：传播速度差法、多普勒效应法、声束偏移法、相关法。4.超声流量计(ultrasonic flowmeter)原理：利用超声波在流体中顺流传播和逆流传播的速度变化来丈量流体流速。分类：时间差法、频差法典型方法： P87-图6-20 传播速度差法丈量原理构造：在上下游各有两个超声波发生器T1、T2，对应有接纳器R1、R2，那么传播时间： 顺流时间：t1=L/(c+v)，逆流时

21、间： t2=L/(c-v)时差法：t=t2-t12Lv/c2缺陷：声速c对丈量结果影响较大。频差法：令f1=1/t1=(c+v)/L， f2=1/t2=(c-v)/L f=f1-f22v/L 优点：丈量不受声速c的影响，不用思索流体温度变化对声速的影响。传播速度差法缘由：同样体积的流体在不同的温度、压力、和成分的条件下，其密度是不同的，特别是气体更是这样，因此很多场所下要求丈量质量流量。如炼钢时用氧气降低碳的含量，需吹入一定的氧气，要求知道的不是吹入多少体积的氧气，而是多少质量的氧气。由于压力温度经常变化，所以给出的体积流量是不能满足要求的。质量流量丈量仪的分类：直接式和间接式直接式：质量流量

22、计那么直接输出与质量相对应的信号，反映质量流量的大小。间接式：采用密度或温度、压力补偿的方法，测体积流量的同时，测密度或温度、压力值，再运算求得质量流量，又称推导式质量流量计。6.3 质量流量检测方法根据质量流量与体积流量的关系，可以有多种仪表的组合以实现质量流量丈量。常见的组合方式有如下几种：一、间接式质量流量丈量方法1.体积流量计与密度计的组合方式差压式流量计与密度计的组合 差压计输出信号正比于qv2 ，密度计丈量流体密度，仪表输出为一致规范的电信号，可以进展运算处置求出质量流量。其计算式为：其他体积流量计与密度计组合 其他流量计可以用速度式流量计，如涡轮番量计、电磁流量计，或容积式流量计

23、。这类流量计输出信号与密度计输出信号组合运算，即可求出质量流量：差压式流量或靶式流量计计与涡轮番量计或电磁流量计、涡街流量计等组合，经过运算得到质量流量。其计算式为：2.体积流量计与体积流量计的组合方式 流体密度是温度、压力的函数，经过丈量流体温度和压力，与体积流量组合可求出流体质量流量。3.温度、压力补偿式质量流量计间接式质量流量计特点：构造复杂，由于包括了其他参数仪表误差和函数误差等，其系统误差通常低于体积流量计，但目前已有多种型式的微机化仪表可实现计算功能，运用也较普遍。优点：输出信号直接反映质量流量，其丈量不受流体的温度、压力、密度变化的影响。运用较多的是科里奥利质量流量计，此外还有热

24、式质量流量计和冲量式质量流量计等。二、直接式质量流量计科里奥利质量流量计、热式质量流量计、冲量式质量流量计原理：基于牛顿第二定律流体在振动管中流动时，将产生与质量流量成正比的科里奥利力。组成：由检测科里奥利力的传感器与转换器组成。1.科里奥利质量流量计科氏力流量计任务过程：扭角与经过流体的质量有关电磁安装U形管以o-o轴固定频率振动方向垂直于U管平面液体流动中产生科里奥利加速度构成作用于U形管的力矩(F1-F2)U形管以M为轴发生扭曲质量流量与U形管扭角的关系式为： 式中为扭角；Ks为改动弹性系数；为振动角速度；r为U形管跨度半径。也可由传感器测出U形管两侧经过中心平面的时间差t来丈量，其关系

25、式为： 此时，所得丈量值与U形管的振动频率f及角速度均无关。振动管外形还有平行直管、形管或环形管等，也有用两根U形管等方式。图6-23所示为U型管和型管科氏力流量计构造表示图。1-支承管 2-检测管 3-电磁检测器 4-电磁鼓励器 5-壳体特点：可直接测得质量流量信号，不受被测介质物理参数的影响，精度较高；可以丈量多种液体和浆液，也可以用于多相流丈量；不受管内流态影响，因此对流量计前后直管段要求不高；其范围度可达100：1。但是它的压力损失较大，存在零点漂移，管路的振动会影响其丈量精度。2.热式质量流量计任务原理：利用加热源对流体进展加热，在其前后各放一个测温元件，经过测温度变化及加热功率即可

26、测质量流量。质量流量可表示为：根本原理：由于流体吸收或放出的热量均与该流体的质量成正比。因此可由加热流体所需求的能量或由此能量使流体温度升高之间的关系来丈量流体的质量流量。分类：根据丈量方法：恒定功率法：使加热功率恒定，丈量温差可以求得质量流量。恒定温差法：使流体温差恒定，测出热量的输入功率就可以求得质量流量。根据加热源的位置：内热式和外热式。特点：适用于微小流量。构造简单，压力损失小。非接触式运用寿命长。缺陷是灵敏度低，丈量时还要进展温度补偿。3.冲量式质量流量计适用于丈量自在下落的固体粉料从粉末到块状物以及浆状物料的质量流量。组成：冲量传感器及显示仪表组成。冲量传感器感受被测介质的冲力，经转换放大输出与质量成比例的规范信号。特点：构造简单，安装维修方便。运用寿命长。任务原理：如图6-25，6.4 流量规范安装除规范节流安装外的各种仪表出厂前必需逐台标定，运用过程中一段时间也要校验。流量计的标定随流体的不同有很大的差别，需求建立各种类型的流量规范安装。但规范的建立很复杂，随介质、丈量范围和管径大小的不同而不同。一、液体流量规范安装引见几种流量标定方法和安装：规范容积法规范质量法规范流量计法规范体积管的校正法1.规范容积法规范容积法所运用的规范计量容器是经过精细分