傳感器流量檢測

1、第5章 流量檢測第五章 流量檢測n在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學研究試驗中，流量都是一個很重要的參數(shù)。例如，在石油化工生產(chǎn)過程自動檢測和控制中，為了有效地操作、控制和監(jiān)測，需要檢測各種流體的流量。n流量檢測儀表是發(fā)展生產(chǎn)、節(jié)約能源、提高經(jīng)濟效益和管理水平的重要工具。5.1 流量的檢測方法n流量：是流體在單位時間內(nèi)通過管道或設備某橫截面處的數(shù)量。n體積流量：是單位時間內(nèi)通過的流體體積，用QV表示，單位為m3/s。vAQv5.1 流量的檢測方法n質(zhì)量流量：是單位時間內(nèi)通過的流體質(zhì)量，用Qm表示，單位為kg/s。n累積流量一段時間內(nèi)流體體積流量或質(zhì)量流量的累積值vAQQvmdtQmtm0dtQVtv05.1 流

2、量的檢測方法u流量測量方法：（1）速度式流量測量方法直接測出管道內(nèi)流體的流速，以此作為流量測量的依據(jù)。（2）容積式流量測量方法通過測量單位時間內(nèi)經(jīng)過流量儀表排出的流體的固定容積的數(shù)目來實現(xiàn)。（3）通過直接或間接的方法測量單位時間內(nèi)流過管道截面的流體質(zhì)量數(shù)。5.1 流量的檢測方法n工業(yè)上常用的流量計，按其測量原理分為以下四類：1. 差壓式流量計：主要利用管內(nèi)流體通過節(jié)流裝置時，其流量與節(jié)流裝置前后的壓差有一定的關(guān)系。屬于這類流量計的有標準節(jié)流裝置等。5.1 流量的檢測方法n 容積式流量計：主要利用流體連續(xù)通過一定容積之后進行流量累積的原理。屬于這類流量計的有橢圓齒輪流量計和腰輪流量計。5.1 流

3、量的檢測方法n 速度式流量計：主要利用管內(nèi)流體的速度來推動葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪的轉(zhuǎn)速和流體的流速成正比。屬于這類流量計的有葉輪式水表和渦輪式流量計等。n 其它類型流量計：如基于電磁感應原理的電磁流量計、渦街流量計等。5.2 差壓式流量計n差壓式流量計基于流體在通過設置于流通管道上的流動阻力件時產(chǎn)生的壓力差與流體流量之間的確定關(guān)系，通過測量差壓值求得流體流量。5.2.1 節(jié)流裝置的工作原理n當流體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時，流體將在節(jié)流件處形成局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后便產(chǎn)生了壓差。n流體流量愈大，產(chǎn)生的壓差愈大，這樣可依據(jù)壓差來衡量流量的大小。n基礎(chǔ)：流體連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律

4、）和伯努利方程（能量守恒定律）。5.2.1 節(jié)流裝置的工作原理連續(xù)性方程：n任取一管段，設截面、截面處的面積、流體密度和截面上流體的平均流速分別為A1、 、 和A2、 、 。 11v22v222111AvAv5.2.1 節(jié)流裝置的工作原理伯努利方程：n當理想流體在重力作用下在管內(nèi)定常流動時，對于管道中任意兩個截面和有如下圖所示：2vh1h21v1p2p5.2.1 節(jié)流裝置的工作原理221122121222vpvpghgh5.2.2 流量方程5.2.2 流量方程n由于流束在節(jié)流裝置后的最小收縮面積S2，實際上很難確切地知道它的數(shù)值，因此用節(jié)流裝置開孔的截面積S0來表示。20SS其中稱為流束的收縮

5、系數(shù)，其大小與節(jié)流裝置的類型有關(guān)。01221SvvmvS5.2.2 流量方程n設被測流體為不可壓縮的理想流體（液體），根據(jù)伯努利方程，對截面II、處沿管中心的流體有以下能量關(guān)系： 2211221222PvPv2122121222vvPP5.2.2 流量方程合并上列等式，可得：2122212()1vppm流過截面IIII的體積流量為：0222012220122()12()vSQv SvSppmSpp5.2.2 流量方程流過截面IIII的質(zhì)量流量為：0122 ()mvQQSpp流量公式中的流量系數(shù)與節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)形式、取壓方式、節(jié)流裝置開孔直徑、流體流動狀態(tài)（雷諾數(shù)）及管道條件等因素有關(guān)，是一個用

6、實驗確定的系數(shù)。對于標準節(jié)流裝置，值可直接從有關(guān)手冊中查出。5.2.3 流量系數(shù)的確定 流量公式中的流量系數(shù)與節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)形式、取壓方式、節(jié)流裝置開孔直徑、流體流動狀態(tài)（雷諾數(shù)）及管道條件等因素有關(guān)，是一個用實驗確定的系數(shù)。對于標準節(jié)流裝置，值可直接從有關(guān)手冊中查出。5.2.4 標準節(jié)流裝置n節(jié)流裝置安裝在流體管道中，使流體的流通截面發(fā)生變化，進而引起流體靜壓變化。n常用的節(jié)流裝置有文丘利管、噴嘴、孔板。5.2.4 標準節(jié)流裝置 文丘利管孔板 噴嘴5.2.4 標準節(jié)流裝置標準孔板：n標準孔板是一塊具有與管道同心圓形開孔的圓板，迎流一側(cè)是有銳利直角入口邊緣的圓筒形孔，順流的出口呈擴散的錐形。n

7、優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，價格便宜 n缺點：壓力損失較大，測量精度較低，只適用于潔凈流體介質(zhì)，測量大管徑高溫高壓介質(zhì)時，孔板易變形。5.2.4 標準節(jié)流裝置5.2.4 標準節(jié)流裝置標準噴嘴n標準噴嘴是一種以管道軸線為中心線的旋轉(zhuǎn)對稱體，主要由入口圓弧收縮部分與出口圓筒形喉部組成，有ISAl932噴嘴和長徑噴嘴兩種型式。 5.2.4 標準節(jié)流裝置ISA1932噴嘴5.2.4 標準節(jié)流裝置 長徑噴嘴5.2.4 標準節(jié)流裝置文丘利管文丘利管n文丘里管有兩種標準型式：經(jīng)典文丘利管與文丘利噴嘴。n優(yōu)點：壓力損失最低，有較高的測量精度，對流體中的懸浮物不敏感，可用于污臟流體介質(zhì)的流量測量，在大管徑流量測量

8、方面應用的較多。n缺點：尺寸大、笨重，加工困難，成本高，一般用在有特殊要求的場合。5.2.5 取壓方式n差壓式流量計是通過測量節(jié)流件前后壓力差p來實現(xiàn)流量測量的，而壓力差 p的值與取壓孔位置和取壓方式緊密相關(guān)。節(jié)流裝置的取壓方式有以下5種，各種取壓方式及取壓孔位置如圖所示。5.2.5 取壓方式5.2.5 取壓方式n 理論取壓：上游側(cè)取壓孔的軸線至孔板上游端面的距離為1D0.1D，下游側(cè)取壓孔的軸線至孔板上游端面的距離因 值不同而異。該距離理論上就是流束收縮到最小截面的距離。如圖中的11位置。5.2.5 取壓方式 角接取壓: 上下游取壓管位于孔板(或噴嘴)的前后端面處。角接取壓包括單獨鉆孔和環(huán)室

9、取壓。如圖中2-2位置。 法蘭取壓：取壓孔的軸線至孔板上、下游側(cè)端面之間的距離均為25.40.8mm（1inch)。取壓孔開在孔板上下游側(cè)的法蘭上如圖中3-3位置。5.2.5 取壓方式n 徑距取壓：上游側(cè)取壓孔的軸線至孔板上游端面的距離為1D0.1D，下游側(cè)取壓孔的軸線至孔極下游端面的距離為0.5D。如圖的4-4位置。n 管接取壓：上游側(cè)取壓孔的軸線至孔板上游端面的距離為2.5D，下游側(cè)取壓孔的軸線至孔板下游端面的距離為8D。如圖中的5-5位置。該方法使用很少。5.2.5 取壓方式n目前廣泛采用的是角接取壓法，其次是法蘭取壓法。角接取壓法比較簡便，容易實現(xiàn)環(huán)室取壓，測量精度較高。法蘭取壓法結(jié)構(gòu)

10、較簡單，容易裝配，計算也方便，但精度較角接取壓法低些。 5.2.6 差壓計n差壓計與節(jié)流裝置配套組成節(jié)流式流量計。差壓計經(jīng)導壓管與節(jié)流裝置連接，接受被測流體流過節(jié)流裝置時所產(chǎn)生的差壓信號，并根據(jù)生產(chǎn)的要求，以不同信號形式把差壓信號傳遞給顯示儀表，從而實現(xiàn)對流量參數(shù)的顯示、記錄和自動控制。5.2.6 差壓計n差壓計的種類很多，凡可測量差壓的儀表均可作為節(jié)流式流量計中的差壓計使用。目前工業(yè)生產(chǎn)中大多數(shù)采用差壓變送器。n它們可將測得的差壓信號轉(zhuǎn)換為0.02-0.1 MPa的氣壓信號和4-20mA的直流電流信號。5.3 容積式流量計n工作原理：在一定容積的空間里充滿的液體，隨流量計內(nèi)部的運動元件的移動

11、而被送出出口，測量這種送出流體的次數(shù)就可以求出通過流量計的流體體積。n優(yōu)點：測量精度高，被測流體粘度影響小，不要求前后直管段。n缺點：對介質(zhì)的清潔度要求較高，不允許有固體顆粒雜質(zhì)流過流量計。5.3.1 橢圓齒輪流量計5.3.1 橢圓齒輪流量計n每轉(zhuǎn)一周，四個相同月牙形腔（測量室）被形成、被封閉、被傳送、被卸出。兩個齒輪共送出4個標準容積的流體。n粘度愈大的介質(zhì)，從齒輪和計量空間隙中泄漏出去的泄漏量愈小，因此被測介質(zhì)的粘度愈大，對測量愈有利。 5.3.2 腰輪流量計腰輪流量計5.3.2 腰輪流量計n腰輪流量計又稱羅茨流量計，其工作原理與橢圓齒輪流量計相同。腰輪流量計的轉(zhuǎn)子是一對不帶齒的腰形輪，在

12、轉(zhuǎn)動過程依靠套在殼體外的與腰輪同軸上的嚙合齒輪來完成驅(qū)動。5.3.3 刮板式流量計 刮板式流量計5.3.3 刮板式流量計n轉(zhuǎn)子在流量計進、出口差壓作用下轉(zhuǎn)動，每當相鄰兩刮板進入計量區(qū)時均伸出至殼體內(nèi)壁且只隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而不滑動，形成具有固定容積的測量室，當離開計量區(qū)時，刮板縮入槽內(nèi)，流體從出口排出，同時后一刮板又與其另一相鄰刮板形成測量室。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，排出4份固定體積的流體，由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)就可以求得被測流體的流量。5.4 速度式流量計5.4.1 葉輪式流量計5.4.2 渦輪式流量計工作原理：n在一定范圍內(nèi)，渦輪的轉(zhuǎn)速與流體的平均流速成正比，通過磁電轉(zhuǎn)換裝置將渦輪轉(zhuǎn)速變成電脈沖信號，以推導出被測流體

13、的瞬時流量和累積流量。5.4.2 渦輪式流量計5.4.2 渦輪式流量計n優(yōu)點：測量精度高，復現(xiàn)性和穩(wěn)定性好；量程范圍寬，刻度線性；耐高壓，壓力損失；對流量變化反應迅速，可測脈動流量；抗干擾能力強，信號便于遠傳及與計算機相連。n缺點：制造困難，成本高。n使用場合：通常渦輪流量計主要用于量精度要求高、流量變化快的場合，還用作標定其他流量的標準儀表。5.5 振動式流量計n流體振動流量計是上世紀60年代末期發(fā)展起來的一種較新的流量測量技術(shù)。它具有如下一些特點：可得到與流量成正比的頻率輸出信號；被測流體本身就是振動體，無機械可動部件，幾乎不受流體組成、密度、粘度、壓力等因素的影響；所以，該測量方法越來越

14、受到人們的重視。5.5.1 旋渦流量計n旋渦流量計又稱渦街流量計，其測量方法基于流體力學中的卡門渦街原理。n把一個旋渦發(fā)生體（如圓柱體、三角柱體等非流線型對稱物體）垂直插在管道中，當流體繞過旋渦發(fā)生體時會在其左右兩側(cè)后方交替產(chǎn)生旋渦，形成渦列，且左右兩側(cè)旋渦的旋轉(zhuǎn)方向相反。這種渦列就稱為卡門渦街。 5.5.1 旋渦流量計5.5.1 旋渦流量計n由于漩渦之間的相互影響，其形成通常是不穩(wěn)定的。馮.卡門對渦列的穩(wěn)定條件進行了研究，于1911年得到結(jié)論：只有當兩漩渦列之間的距離h和同列的兩漩渦之間的距離L之比滿足：n時，所產(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的。0.281HL5.5.1 旋渦流量計n流體流過圓柱體后漩渦

15、發(fā)生的頻率為：n其中St是與雷諾數(shù)有關(guān)的無量綱數(shù)，稱為斯特羅哈數(shù)。n則體積流量為：0.21tvvfSdd21()4vQAvDDd v5.5.1 旋渦流量計n旋渦頻率的檢測5.5.1 旋渦流量計n當旋渦在圓柱體下游側(cè)產(chǎn)生時，出于升力的作用，使得圓柱體下方的壓力比上方高一些，圓柱體下方的流體在上下壓力差的作用下，從圓柱體下方導壓孔進入空腔，通過隔板中央部分的小孔，流過鉑電阻絲，從上方導壓孔流出。5.5.1 旋渦流量計n如果將鉑電阻絲加熱到高于流體溫度的某溫度值，則當流體流過鉑電阻絲時，就會帶走熱量，改變其溫度，也即改變其電阻值。當圓柱體上方產(chǎn)生一個旋渦時，則流體從上導壓孔進入，由下導壓孔流出，又一

16、次通過鉑電阻絲，又改變一次它的電阻值。由此可知：電阻值變化與流動變化相對應，也既與旋渦的頻率相對應。所以，可由檢測鉑電阻絲電阻變化頻率得到渦頻率，進而得到流量值。5.5.1 旋渦流量計n優(yōu)點：渦街流量計測量精度較高；量程比寬；使用壽命長，壓力損失小，安裝與維護比較方便；測量幾乎不受流體參數(shù)變化的影響，用水或空氣標定后的流量計無須校正即可用于其它介質(zhì)的測量；易與數(shù)字儀表或計算機接口，對氣體、液體和蒸汽介質(zhì)均適用。5.5.1 旋渦流量計n缺點：流體流速分布情況和脈動情況將影響測量準確度，因此適用于紊流流速分布變化小的情況，并要求流量計前后有足夠長的直管段。 5.6 電磁流量計n電磁流量計是根據(jù)法拉

17、第電磁感應定律制成的一種測量導電液體體積流量的儀表。5.6 電磁流量計n在均勻磁場中，垂直于磁場方向有一個直徑為D的管道。管道由不導磁材料制成，當導電的液體在導管中流動時，導電液體切割磁力線，因而在磁場及流動方向垂直的方向上產(chǎn)生感應電動勢，如安裝一對電極，則電極間產(chǎn)生和流速成比例的電位差。則體積流量與感應電動勢成正比：EBDv244vDDEQvB5.6 電磁流量計5.6 電磁流量計n優(yōu)點：壓力損失小，適用于含有顆粒、懸浮物等流體的流量測量；可以用來測量腐蝕性介質(zhì)的流量；流量測量范圍大；流量計的管徑小到1mm，大到2m以上；測量精度為0.5-1.5級；電磁流量計的輸出與流量呈線性關(guān)系；反應迅速，

18、可以測量脈動流量。n缺點：被測介質(zhì)必須是導電的液體，不能用于氣體、蒸汽及石油制品的流量測量；流速測量下限有一定限度；工作壓力受到限制。結(jié)構(gòu)也比較復雜，成本較高。5.7 超聲流量計超聲波流量計的特點：n可作非接觸測量；無流動阻撓測量，無額外壓力損失；適用于大型圓形管道和矩形管道；多普勒超聲流量計可測量固體含量較多或含有氣泡的液體；超聲流量計可測量非導電性液體，在無阻撓流量測量方面是對電磁流量計的一種補充。5.7.1 時間差法測量流量n時間差法的基本原理為：測量超聲波脈沖在順流和逆流傳播過程中的速度之差來得到被測流體的流速。5.7.1 時間差法測量流量n在測量管道中，裝兩個超聲波發(fā)射換能器F1和F

19、2以及兩個接收換能器J1和J2，F(xiàn)1J1和F2J2與管道軸線夾角為a，管徑為D，流體由左向右流動，速度為v，此時由F1到J1超聲波傳播速度為： F2到J2超聲波傳播速度為：1cosccu2cosccu5.7.1 時間差法測量流量n如果超聲波發(fā)生器發(fā)射一短小脈沖，其順流傳播時間為：n而逆流傳播的時間為：1/sincosDtcu2/sincosDtcu5.7.1 時間差法測量流量2122221222222cotcos2cot2cottan42cot8vDutttcuucDutttcctuDDctQAuDctD 5.7.2 多普勒頻移法測量流量一、頻差法n頻差法法是通過測量順流和逆流時超聲脈沖的重復

20、頻率差去測量流速。在單通道法中脈沖重復頻率是在一個發(fā)射脈沖被接收器接收之后，立即發(fā)射出一個脈沖，這樣以一定頻率重復發(fā)射。5.7.2 多普勒頻移法測量流量n對于順流和逆流重復發(fā)射頻率為：1cos/sincufD21cos2 cossin/sincuuffDD5.7.2 多普勒頻移法測量流量213sin2sin24sin2vfffuDD fufQuSD 5.7.2 多普勒頻移法測量流量二、多普勒法n多普勒法是利用聲學多普勒原理確定流體流量的。多普勒效應是當聲源和目標之間有相對運動，會引起聲波在頻率上的變化，這種頻率變化正比于運動的目標和靜止的換能器之間的相對速度。5.7.2 多普勒頻移法測量流量多

21、普勒效應：n對于多普勒效應中聲源頻率與接受者感受到的頻率之間的關(guān)系，要分三種情況考慮：1. 波源靜止，觀測者相對于媒質(zhì)以u向波源運動，則頻率為：/cucucuffcfc5.7.2 多普勒頻移法測量流量n 觀測者靜止，波源相對于媒質(zhì)以u向觀測者運動n 波源相對于媒質(zhì)以u1向觀測者運動觀測者相對于媒質(zhì)以u2向波源運動。 ()ccffcu Tcu21cuffcu5.7.2 多普勒頻移法測量流量n圖是超聲多普勒流量計示意圖。超聲換能器安裝在管外。從發(fā)射晶體T發(fā)射的超聲波束遇到流體中運動著顆?；驓馀荩俜瓷浠貋碛山邮站wR接收。發(fā)射信號與接收信號的多普勒頻率偏移與流體流速成正比。如忽略管壁影響，并假設流

22、體沒有速度梯度，以及粒子是均勻分布的。5.7.2 多普勒頻移法測量流量n超聲換能器A向流體發(fā)出頻率為f1的超聲波，到達反射體時的頻率f1為n經(jīng)照射域內(nèi)液體中反射體反射的超聲波產(chǎn)生多普勒頻移，接收換能器B收到頻率為f2的超聲波，其值為：11coscuffc211coscosccufffcucu5.7.2 多普勒頻移法測量流量2111112 coscos2 cos2cos2cosvuffffcucuuffccfufScQuSff 5.7.2 多普勒頻移法測量流量超聲波流量計的特點優(yōu)點：n流體中不插入任何元件，對流速無影響，也沒有壓力損失；n能用于任何液體，也能測量氣體的流量；n非接觸式儀表，適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量；n量程比較寬；n輸出與流量之間呈線性。5.7.2 多普勒頻移法測量流量缺點：n只能用于測量200以下的流體；n結(jié)構(gòu)復雜，成本較高。5.8 質(zhì)量流量的測量問題引出：為什么需要質(zhì)量流量計?n 在工業(yè)生產(chǎn)中，由于物料平衡，熱平衡以及儲存、經(jīng)濟核算等所需要的都是質(zhì)量，并非體積；n 在測量工作中，常需將測出的體積流量，乘以密度換算成質(zhì)量流量，設備復雜，測量耗時；1. 密度隨溫度、壓力而變化，在溫度、壓力變化比較頻繁的情況下，難以達到測量的目的。5.8.