第5章流量传感器及工程应用

第5章流量传感器及工程应用5.1流量测量概述5.2差压流量传感器5.3电磁流量传感器5.4涡轮流量传感器5.5漩涡流量传感器5.6质量流量传感器5.7流量传感器工程应用案例返回主目录5.1流量测量概述5.1.1流量测量的基本概念流量通常是指单位时间内流过某一横截面积的流体数量，又称作瞬时流量。而在某一段时间间隔内流过某一横截面积的流体数量，称为总量或累积流量。流量有体积流量和质量流量之分。1.体积流量根据体积流量的定义，体积流量qv可用下式表示式中，υ为微横截面积dA上的流速；A为流体流过的横截面积。(5-1)

2.质量流量根据质量流量定义，质量流量可用下式表示：(5-3)如果流体在横截面积A上的流速处处相等，且为υ，则体积流量可写成(5-2)式中，υ为微横截面积dA上的流速；A为流体流过的横截面积；ρ为流体密度。如果流体在横截面积A上的流速处处相等，且为υ，则质量流量可写成(5-4)5.1.2流量检测的方法和分类1.速度式速度式流量传感器大多是通过测量流体在管路内已知截面流过的流速大小来实现流量测量的。2.容积式容积式流量传感器是根据已知容器的容室在单位时间内所排出流体的次数来测量流体的瞬时流量和总量的。3.质量式质量流量传感器有两种，一种是根据质量流量与体积流量的关系，测出体积流量再乘被测流体的密度获得质量流量测量的间接式质量流量传感器；另一种是直接测量流体质量流量的直接式质量流量传感器5.2差压流量传感器5.2.1节流式流量传感器测量原理节流式流量传感器测量原理是利用管道内的节流元件，将管道内的流体瞬时流量转换成节流元件前后的压力差原理来实现流量测量的。1.节流装置节流装置由节流元件、取压装置和前后直管段组成。常用的节流元件有孔板、喷嘴、文丘里管，如图5‑1所示。图5‑1常用的节流元件2.流量方程式节流元件前后流速和压力分布情况如图5‑2所示。图5‑2节流元件前后流速和压力分布

假定所研究的流体是定常流动的理想流体，根据伯努利方程，则在截面A、B两处，能量方程为(5-5)

对于液体来说，在等温的条件下是不可压缩的，则上式可写成(5-6)

根据流体流动的连续性可知(5-7)将式(5‑6)和(5‑7)联立求解可得(5-8)

根据流量的定义，我们可以得到体积流量qv与压差之间的公式为(5-9)式中，

为A-A截面的流通面积；

为B-B截面流束的流通面积。式(5-9)需要根据节流元件前后取压点位置和开孔面积进行实验修正。修正后的体积流量公式为(5-10)

修正后的质量流量公式为式中，α为流量系数。(5-11)对于可压缩流体，例如各种气体及蒸气通过节流元件时，由于压力变化必然会引起密度ρ的改变，这时在公式中应引入流束膨胀系数ε，对于不可压缩性流体，则ε=1。可压缩性流体ε小于1，假设可压缩性流体密度用节流元件前的流体密度ρ1，则可压缩流体的流量公式变为(5-12)(5-13)式(5‑12)和(5‑13)称作流量公式。从流量公式可以看出，被测流量与压差的平方根成正比关系，但流量与压差

不呈线性关系。5.2.2常见差压流量传感器的结构差压流量传感器的结构一般由节流装置、引压导管和差压变送器三部分组成，其基本结构如图5‑3(a)所示。通常在流量检测系统中增加一个非线性补偿环节—开方器，如图5‑3(b)所示。图5‑3差压流量传感器的结构框图5.3电磁流量传感器5.3.1电磁流量传感器的工作原理电磁流量传感器的工作原理如图5-4所示。在一段不导磁、不导电的管道外面安装一对磁极，当有一定电导率的流体在管道中流动时，由法拉第电磁感应定律知，在流动介质的两端就会产生感应电动势。该感应电动势E的大小为式中，B为磁感应强度；D为管道内径；

υ为流体的平均流速。(5-14)图5‑4电磁流量传感器的工作原理

体积流量qv为

将式(5-14)代入式(5-15)得(5-16)(5-15)式中，Κ=πD/(4B)。显然，当磁感应强度B及管道内径D固定不变时，Κ为常数。式(5‑16)说明体积流量qv与两电极间的感应电动势E呈线性关系，若能测量出感应电动势E就能算出被测流体的体积流量qv。这就是它测量流量的原理。5.3.2电磁流量传感器的种类电磁流量传感器按它的励磁方式可分为直流励磁、交流正弦波励磁和低频方波励磁三种。直流励磁的优点是受交流磁场干扰小，缺点是在电极上产生的直流电势引起管内被测液体的电解，产生极化现象，破坏了原来的测量条件。交流正弦波励磁一般采用工频(50Hz)交流电来产生，它的优点是能消除极化现象，输出是交流信号，放大和转换比较容易，但也会带来一系列的干扰，如90°干扰、同相干扰等。低频方波励磁交流干扰影响小，又能克服极化现象，是一种比较好的励磁方式。注：电磁流量传感器只能测量导电介质的流体流量。但不能测量气体、蒸汽和石油制品等的流量。5.4涡轮流量传感器图5‑5涡轮流量传感器的结构5.4.1涡轮流量传感器的结构涡轮流量传感器的结构如图5-5所示。它由壳体、导流器、涡轮、轴承及信号检测器等组成，是一种速度式流量传感器。5.4.2涡轮流量传感器的工作原理为了能测量出涡轮的转速，涡轮由高导磁的不锈钢制成，线圈和永久磁铁组成磁电感应转换器。当流体通过涡轮叶片与管道间的空隙时，流体对叶片产生推力使涡轮旋转。在涡轮旋转的同时，高导磁性的涡轮叶片周期性地改变磁电系统的磁阻值，使通过线圈的磁通量发生周期性的变化，因而在线圈两端产生一个随涡轮旋转而变化的感应电动势。图5‑6(a)是涡轮圆周沿轴向剪开展成直线后的示意图。设叶片的倾斜角为α，流体以平行于轴线的速度υ作用到涡轮上，使涡轮旋转，则在叶片平均半径r处的切线速度u与流速υ的关系如图5‑6(b)所示，显然(5‑17)即式中，ω为涡轮的角速度(rad/s)；n为涡轮的转速(r/min)。设涡轮的叶片总数为Z，则该感应电动势的频率f与涡轮转速n成正比，即f=nZ/60(Hz)。将它代入式(5‑18)得若叶片缝隙间的有效流通面积为A，则瞬时体积流量qv为图5‑6涡轮展开示意图及流速分解(5‑18)(5‑20)令，则(5-21)式中，为仪表系数（1/m3）。仪表系数是一个由涡轮流量传感器结构决定的常数。式(5‑21)说明体积流量qv与感应电动势的频率f成正比。由此可知，若把该感应电动势的频率测量出来，就能求出流体的体积流量。这就是它的流量测量原理。涡轮流量传感器具有安装方便、精度高(可达0.1级)、反应快、刻度线性及量程宽等特点，此外还具有信号易远传、可直接与计算机配合进行流量计算和控制等。5.5漩涡式流量传感器5.5.1涡街流量传感器的工作原理在有流体流动的管道内放置一个非流线型的物体，物体的下游两侧就会交替出现漩涡列(见图5-7)。这两排平行但不对称的漩涡列称为卡曼涡列(也称为涡街)。图5‑7卡曼涡列实验证明，对于圆柱体,当两列漩涡的间距h与同列中相邻漩涡的间距l满足h/l=0.281时，卡曼涡列的频率是稳定的。并且每一列漩涡的频率f与流速v、圆柱体直径D0的关系为(5-22)式中，St为斯特劳哈尔系数，无量纲。设管道的直径为D，则管道内流体的体积流量为(5-23)令，则(5-24)式中，f为漩涡发生的频率(Hz)；为仪表常数(1/m3)。5.5.2涡街流量传感器的结构漩涡频率检测元件一般安装在漩涡发生体上。圆柱形漩涡发生体的漩涡频率检测元件采用铂热电阻丝，铂热电阻丝安装在圆柱体的空腔内，如图5-8所示。图5‑8圆柱体漩涡频率检测原理图5‑9三角柱体漩涡频率检测原理目前漩涡发生体的形状繁多，检测漩涡发生频率的方法和检测技术也因发生体的形状不同而异。但基本的检测原理都是测量漩涡的发生频率。图5‑9是三角柱漩涡发生体漩涡频率检测方法原理图。它是将两只热敏电阻埋在三角柱正面，然后与其它两只固定电阻构成一个电桥，给电桥通上恒定电流使热敏电阻的温度升高。漩涡式流量传感器在管道内没有可动部件，使用寿命长，线性测量范围宽，几乎不受温度、压力、密度、粘度等变化的影响，压力损失小，传感器的输出是与体积流量成正比的脉冲信号，这种传感器对气体、液体均适用。5.6质量流量传感器目前，质量流量传感器大致分为两类：①单一式：即传感器输出信号大小直接反映质量流量大小②组合式：通过测量与质量流量有关的物理量。然后用质量流量方程式计算出质量流量。5.6.1直接式质量流量传感器1.科里奥利测量原理

如图5‑10所示，当质量为m的质点，在绕P轴作角速度为ω旋转的管道内以速度υ移动时，则质点具有两个分量的加速度及相应的力：①法向加速度：即向心加速ar其量值为ω2r，方向朝向P轴。②切向加速度：即科里奥利加速度at，图5‑10科里奥利力分析图根据牛顿第二定律，质点在切向加速度at的方向上将产生一个作用到管道上的作用力Fc=2ωυm，这个力就叫做科里奥利力。同时管道对质点也有一个反向作用力，其值为-2ωυm。当密度为ρ的流体以恒定速度υ在管道内流动时，一个长度为Δx的管道内流体的质量为ρAΔx,它受到的科里奥利力ΔFc为(5-25)式中，

为管道的内横截面积。将质量流量qm=ρυA与(5-25)式联立得(5-26)式(5‑26)说明，如能直接或间接测量在旋转管道中流动流体所产生的科里奥利力就可以测得质量流量。2.科里奥利质量流量传感器结构

图5‑11是科里奥利质量流量传感器结构原理图。图5‑11科里奥利质量流量传感器结构原理图5.6.2组合式质量流量传感器1.差压式流量传感器与密度传感器组合

差压式流量传感器的输出信号是差压信号，它正比于ρqv2，而密度传感器的输出信号与ρ成正比。若将它们的输出信号进行乘法运算后再开方即可得到与质量流量成正比的信号。即(5-27)式中，

。2.体积流量传感器与密度流量传感器组合

体积流量传感器的输出信号与qv成正比，而密度传感器的输出信号与ρ成正比。若将它们的输出信号进行乘法运算就可得到与质量流量成正比的信号。即式中，K=K1K2。(5-28)3.差压式流量传感器与体积流量传感器组合

差压式流量传感器的输出信号与ρqv2成正比，而体积流量传感器的输出信号与qv成正比，将这两个传感器的输出信号进行除法运算也可得到质量流量。即式中，K=K1/K2。(5-29)5.7流量传感器工程应用案例5.7.1流量传感器的选用原则选用流量传感器时，一般的原则是首先要根据实际测量要求，考虑工艺容许压力损失，最大最小额定流量，使用场合特点及被测流体的性质和状态，同时还要考虑传感器的测量精度等级与显示方式以及价格等诸多因素。既要保证完成测量任务，又要保证安全可靠长期运行，还要经济实惠。5.7.2差压式流量测量显示系统案例差压式流量测量方法一般是采用节流装置来实现的。其差压式流量检测显示系统结构示意图如图5‑12所示。图5‑12差压式流量测量显示系统结构示意图

从图5‑12中看出，该系统由节流装置、引压管、差压变送器、开方器及显示仪表等组成。节流装置将被测流体的流量值变换成压差信号△p，通过引压管将压差信号输送到差压变送器。差压变送器把压差信号转换成4~20mA的电流输出。由流量公式可知，压差信号与流量不成线性关系，因此差压变送器的输出电流也与流量不成线性关系。为使流量显示刻度线性，再通过开方器与显示仪表相连。这就是仪表流量测量显示系统。根据流体介质特点，流量大小，合理选择节流装置、差压变送器、开方器和显示仪表，经现场标定即可实现流量的测量和显示。

若用计算机进行测量显示，可将开方器和显示仪表去掉，换成A/D转换器和计算机，见图5‑12中虚线框部分。A/D转换器的作用是将模拟信号转换成数字信号，共计算机使用。而流量的测量和显示可以通过计算机编程来实现。这就是计算机流量测量显示系统。5.7.3液体流量监控系统案例图5‑13是一般的差压式液体流量监控系统结构示意图。用调节器实现流量控制的系统如图5‑13(a)所示，它主要由节流装置，流量变送器、PID调节器(控制器)、执行机构及调节阀等组成。

图5‑13差压式液体流量监控系统结构示意图其中节流装置的作用是流量测量，流量变送器是把流量转换成标准电流信号，PID调节器是把接收到的电流信号与给定流量电流信号进行比较、判断后发出信号让执行机构把调节阀开打或关小，从而保证流量输出保持基本不变。5.7.4气体流量监控

系统案例图5‑14是小型气泵压缩机的结构框图。它主要由直流电机、气泵、气压缓冲器和压力表等组成。其中气泵产生的最大流量是1.0升/分。电动机额定工作电压为DC12V。其流量监测控制系统结构框图如图5‑15所示，

图5‑14小型气泵压缩机结构若用A/D、计算机和D/A取代PID，就构成了现在比较流行的计算机流量监控系统，如图5‑13(b)所示。

图5-15小型空气压缩机流量检测控制系统结构框图1.气泵流量调节方案由图5‑15可知，该系统的气体流量调节方案有两种：一种是利用电动/气动调节阀开度来调节流量。这种方法是在气泵转速保持不变的情况下，通过调节安装在管道上的电动/气动调节阀开度大小来实现流量调节的，这是工程中常用的一种。显然，调节阀开度越大，流量也越大。另一种是利用气泵转速的大小来调节流量。这种方法不用安装电动/气动调节阀，而是通过调节气泵电机的转速来实现管道内气体流量调节的。显然，电机转速越高，流量就越大。2