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1、第四章 流量检测与流量传感器24.1流量的基本概念24.1.1流量及其表示方法24.1.2流量的测量方法54.2差压式流量传感器64.2.1节流式流量计的组成64.2.2节流装置的工作原理64.1.3节流式流量计的选用134.3速度式流量计154.4振动流量计254.5容积式流量计254.6质量流量计254.3.1直接式质量流量计科里奥利质量流量计254.3.2热式质量流量计284.3.3推导式质量流量计304.3.4温度、压力补偿式流量计33第四章 流量检测与流量传感器在工业自动化生产中，流量是需要经常监测和控制的重要参数之一。随着经济的发展和科学的进步，对于流量检测的精度要求越来越高，需要
2、检测的流量种类也越来越多，监测仪表的工作条件也各不相同。因此根据测量对象的物理特性，运用不同的物理原理和规律，设计和制造出各种仪表，应用于工艺流程中流量的和配比参数的控制，以及油、汽、水等的计量，是工业生产过程的自动监测和控制的重要环节，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。本章主要介绍流量的基本概念、常用的检测流量的传感器如差压式流量计、振动流量计、速度流量计、质量流量计、容积式流量计等的主要组成、工作原理和测量方法。4.1流量的基本概念4.1.1流量及其表示方法液体和气体统称为流体，单位时间内流过管道内某一截面的流体数量，称为瞬时流量。 而在某一段时间间隔内流
3、过管道某一截面的流体量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累积值，称为总量或累积流量，该总量可以用在该段时间间隔内的瞬时流量对时间的积分而得到，所以也叫积分流量。如用户的水表、气表等。累积流量除以流体流过的时间间隔，即为平均流量。工程上讲的流量常指瞬时流量，下面若无特别说明均指瞬时流量。瞬时流量有体积流量和质量流量之分。 （1）体积流量qv 体积流量qv是指单位时间内通过某截面的流体的体积，单位为m3/s。根据定义，体积流量可表示为 （4-1） 式中, S为管道截面面积（m2）；v为管道内平均流速(m/s)；V为流体体积（m3）；t为时间(s)。 流体的体积受流体的工作状态影响，在用体积表示流量
4、时，必须同时给出流体的压力和温度。对于流体，压力和温度的变化实际上引起流体密度的改变。对于液体，压力变化对密度的影响非常小，一般可以忽略不计。温度对密度的影响要大一些。对于气体，密度受温度、压力的变化影响较大。因此，对于气体流量检测，为便于比较，常将在工作状态下测得的体积流量转换成标准状态下 （20，760mmHg） 的体积流量。（2）质量流量qm 质量流量qm是指单位时间内通过某截面的流体的质量。根据定义，质量流量可表示为 （4-2）式中, 为流体的密度(kg/m3); m为流体的质量（kg）；v为管道内平均流速(m/s)。1流体的主要物理性质（1）流体的密度单位体积的流体所具有的质量称为流
5、体密度，用数学表达式表示为： （4-3）M 流体质量；流体的密度；V 流体体积。流体密度是温度和压力的函数，单位是(kg/m3)。 （2）流体粘度流体运动过程中阻滞剪切变形的粘滞力与流体的速度梯度和接触面积成正比，并与流体粘性有关，其数学表达式为： （4-4）上式称为牛顿粘性定律。 F 粘滞力； A接触面积； 流体垂直于速度方向的速度梯度； 表征流体粘性的比例系数。流体的动力粘度与流体密度的比值称为运动粘度，即 （4-5）动力粘度的单位为牛顿秒/米2（NS/m2），即帕斯卡秒（PaS）；运动粘度的单位为（m2/S）。（3）流体的压缩系数和膨胀系数在一定的温度下，流体体积随压力增大而缩小的特性，
6、称为流体的压缩性；在一定压力下，流体的体积随温度升高而增大的特性，称为流体的膨胀性。压缩系数：当流体温度不变而所受压力变化时，其体积的相对变化率： （4-6） 流体的体积压缩系数，（1Pa）；流体的原体积，(m3)； 流体压力增量，(Pa)； 流体体积变化量，(m3)；膨胀系数：在一定的压力下，流体温度变化时其体积的相对变化率，即 ： （4-7） 流体的体积膨胀系数(1)； 流体的原体积，(m3)； 流体体积变化量，(m3)； 流体温度变化量()。（4）雷诺数雷诺数是流体流动的惯性力与粘滞力之比，表示为： （4-8） 雷诺数（无量纲数）； 流动横截面的平均流速，（m/s）； 动力粘度，（NS/
7、m2）； 特征长度，（m）； 流体的密度，(kg/m3)； 运动粘度，（m2/S）。2管流类型(1) 单相流和多相流管道中只有一种均匀状态的流体流动称为单相流；两种以上不同相流体同时在管道中流动称为多相流。 (2) 可压缩和不可压缩流体的流动流体可分为可压缩流体和不可压缩流体， 所以流体的流动也可分为可压缩流体流动和不 可压缩流体流动两种。(3) 稳定流和不稳定流 当流体流动时，若其各处的速度和压力仅和流体质点所处的位置有关，而与时间无关，则流体的这种流动称为稳定流；若其各处的速度和压力不仅和流体质点所处的位置有关，而且与时间出有关，则流体的这种流动称为不稳定流 。(4) 层流与紊流 管内流体
8、有两种流动状态：层流和紊流。层流中流体沿轴向作分层平行流动，各流层质点没有垂直于主流方向的横向运动，互不混杂，有规则的流线。紊流状态管内流体不仅有轴向运动，而且还有剧烈的无规则的横向运动 。3流体流动的连续性方程和伯努利方程(1)连续性方程任取一管段，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、 、 ，如图4-1所示。根据物质不灭定律，单位时间流过任一截面的流体质量必定相等，即常数图4-1连续方程示意图若流体是不可压缩的，即，则常数即流体在稳定流动，且不可压缩时，流过各截面流体的体积为常量。因此可以方便地求出流体流过管道不同截面时的流速。(2) 伯努利方程当理
9、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关系式（伯努利方程），示意图如图4-2所示。 （4-8）g：重力加速度； Z1、Z2：截面和相对基准线的高度；p1、p2：截面和上流体的静压力； 、 ：截面和上流体的平均流速。 图4-2伯努利方程示意图式4-8即为不考虑压缩性的流体的伯努利方程，表明理想流体作稳定流动时，虽然管道上各个截面处流体的位置、压力和流速不同，但是它们的总能量不变。实际流体具有粘性，在流动过程中要克服流体与管壁以及流体内部的相互摩擦阻力而作功，这将使流体的一部分机械能转化为热能而耗散。因此，实际流体的伯努利方程可写为： 截面和之间单位质量实际流体流动产生
10、的能量损失。 4.1.2流量的测量方法生产过程中各种流体的性质各不相同， 流体的工作状态（如介质的温度、 压力等）及流体的粘度、腐蚀性、导电性也不同，很难用一种原理或方法测量不同流体的流量。尤其工业生产过程的情况复杂，某些场合的流体是高温、高压，有时是气液两相或液固两相的混合流体。所以目前流量测量的方法很多，测量原理和流量传感器（或称流量计）也各不相同，从测量方法上一般可分为速度式、容积式和质量式三大类。 （1）速度式流量计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v实现流量测量的。它是利用管道中流量敏感元件（如孔板、转子、涡轮、靶子、非线性物体等）把流体的流速变换成压差
11、、位移、转速、冲力、频率等对应的信号来间接测量流量的。差压式、转子、涡轮、电磁、旋涡和超声波等流量传感器都属于此类。 （2）容积式流量计容积式流量传感器是根据已知容积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。常用的容积式流量传感器有椭圆齿轮式、旋转活塞式和刮板式等。 （3）质量式流量计质量式流量传感器有两种，一种是根据质量流量与体积流量的关系，测出体积流量再乘以被测流体的密度的间接质量流量传感器， 如工程上常用的补偿式质量流量传感器，它采取温度、 压力自动补偿； 另一种是直接式质量流量传感器， 如热电式、 惯性力式、动量矩式质量流量传感器等。 直接法测量具有不受流体的压力
12、、 温度、 粘度等变化影响的， 是一种正在发展中的质量流量传感器。 4.2差压式流量传感器差压式流量传感器又称节流式流量计，它是利用管路内的节流装置，将管道中流体的瞬时流量转换成节流装置前后的压力差， 然后用差压传感器将差压信号转换成电信号，或直接用差压变送器把差压信号转换为与流量对应的标准电流信号或电压信号，以供测量、显示、记录或控制。在气动控制中，还可以转换成气动信号，然后用于显示、记录或控制。 4.2.1节流式流量计的组成节流式流量计由节流装置、引压导管和差压传感器 (或差压变送器)组成，如图4-3所示。节流装置：节流装置是差压式流量传感器的流量敏感检测元件，是安装在流体流动的管道中的阻
13、力元件，它产生差压，此压力差与流体流量之间有确定的数值关系，通过测量压力差值可以求得流体的流量。引压导管：将节流装置前后产生的差压传送给差压变送器。差压变送器：将节流装置前后产生的差压转换成标准的电信号（4mA20mA）。1-节流元件 2-引压管路 3-三阀组 4-差压计 图4-3节流式流量计组成节流式流量计的优点：结构简单，无可动部件；可靠性较高、复现性较好；适应性较广，它适用于各种工况下的单项流体，适用的管道直径范围宽，可以配用通用的差压计；装置已标准化。缺点是：测量的重复性、精确度在流量计中属于中等水平，由于众多因素的影响错综复杂，精确度难以提高；范围度窄，由于仪表信号(差压)与流量为平
14、方关系，一般范围度仅3:1-4:1；现场安装条件要求较高，如需较长的直管段(指孔板，喷嘴)，一般难以满足；检测件与差压显示仪表之间引压管线为薄弱环节，易产生泄漏、堵塞、冻结及信号失真等故障；压损大(指孔板，喷嘴)。4.2.2节流装置的工作原理如果在管道中安置一个固定的阻力件，它的中间是一个比管道截面小的孔，当流体通过该阻力件的小孔时，由于流体流束的收缩而使流速加快、静压力降低，其结果是在阻力件前后产生一个较大的压力差。它与流量（流速）的大小有关，流量愈大，差压也愈大，因此只要测出差压就可以推算出流量。把流体通过阻力件时流束的收缩造成压力变化的过程称节流过程。其中的阻力件称为节流件。1节流装置完整的节流装置由节流元件、取压装置和上下游测量导管三部分组成。几种常见的节流装置有孔板、喷嘴和文丘里管，如图4-4所示。作为流量检测用的节流件有标准的和特殊的两种。标准节流件
