《传感器及实用检测技术课件 第6章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器及实用检测技术课件 第6章（121页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,第6章流量传感器及检测,6.1概述6.2电磁流量计6.3涡街流量计6.4超声波流量计6.5流量标准装置6.6实用流量传感器产品选型,6.1概述,6.1.1流量测量的意义,1.过程控制领域在过程控制领域,流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数,在各种工业行业,都需要对生产过程中的流体进行测量与控制,2.能源计量领域石化行业的主要产品为流体,在石油工业中,从石油开采、储运、炼制直到贸易销售,任何一个环节都离不开流量计。除此之外,在煤气、成品油、液化石油气、蒸汽、压缩空气、氧气、氮气、水的计量中,也要使用大量的流量计,3.环境保护领域人们为了控制大气污染,必须对污染大气的烟气以及其他
2、温室气体排放量进行监测;为了控制废液和污水对地表水源和地下水源的污染,人们必须对废液和污水进行处理,对排放量进行控制。,4.科学试验领域在科学试验领域,种类繁多的流量计提供了大量的实验数据。除了上述的应用领域之外,流量计在现代农业、水利建设、生物工程、管道输送、航天航空、军事领域等也都有广泛的应用。,6.1.2流量的相关概念1.流体流体是指气体或液体等形状容易改变的物体,通常是液体和气体的总称。当流体的粘滞性和可压缩性很小时,可近似看作是理想流体,它是人们为研究流体的运动和状态而引入的一个理想模型。,2.流量指单位时间内流过管道或明渠横截(断)面液体的量。流量表示方法：质量流量和体积流量（1）
3、质量流量单位：为T/h、kg/h,质量通常用Qm表示;(2）体积流量单位:为m3/h、L/s等,体积流量通常用Qv表示。如:单位时间内泵排出液体的体积为立方米/小时(m3/h)或升/秒(L/s)。m3/h与L/s的关系如下：,L/s=3.6m3/h=0.06m3/min=60L/min,将体积流量乘流体密度,便可求得质量流量:Qm=QV。流量按测量的时间可分瞬时流量(FlowRate)与累计流量(TotalFlow)两种。瞬时流量:单位时间内通过封闭管道或明渠有效截面的量。累计流量:在某一段时间间隔内(可以是一天、一周、一月、一年),流体流过封闭管道或明渠有效截面的累计量。通过将瞬时流量对时间
4、积分可求得累计流量。,3.流量计用于测量流量的仪表一般称为流体计量表或流量计。流体的性质各不相同,例如液体和气体在可压缩性上差别很大,其密度受温度、压力的影响也相差悬殊。另外,各种流体的粘度、腐蚀性、导电性等也不一样,很难用同一种方法测量其流量。,6.1.3流量的测量方法1.体积流量测量1)节流差压法通常在管道中安装一个直径比管径小的节流件,如孔板、喷嘴、文丘利管等,于是在节流件前后产生静压差,而静压差的大小和流过的流体流量有一定的函数关系,所以通过测量节流件前后的压差即可求得流量。,2)容积法它是由壳体和活动壁构成流体计量室,当流体流经该测量装置时,在其入口、出口之间产生压力差,此压力差推动
5、活动壁旋转,将流体一份一份地排出,记录总的排出份数,则可得出一段时间内的累积流量。容积式流量计有椭圆齿轮流量计、腰轮(罗茨式)流量计、刮板式流量计、膜式煤气表及旋转叶轮式水表等。,3)流速法测出流体的流速,再乘以管道截面积即可得出流量。如动压管式、热量式、电磁式和超声式等。,4)流体阻力法流体阻力法是利用流体流动给设置在管道中的阻力体以作用力,而作用力大小和流量大小有关的原理测量流体流量的。常用的靶式流量计、转子流量计,5)流体振动法在管道中设置特定的流体流动条件,使流体流过后产生振动,而振动的频率与流量有确定的函数关系,从而实现对流体流量的测量。旋进式、卡门涡街式两种。,2.质量流量测量分别
6、为间接式和直接式。1)间接式间接式质量流量测量是在直接测出体积流量的同时,再测出被测流体的密度或测出压力、温度等参数求出流体的密度。因此,测量系统的构成将由测量体积流量的流量计(如节流差压式、涡轮式等)和密度计或带有温度、压力等的补偿环节组成,其中还有相应的计算环节。,2)直接式直接式质量流量测量是直接利用热、差压或动量来检测。如双涡轮质量流量计,6.1.4流量计的分类流量计的种类繁多,主要可按以下几种方法进行分类:1.按测量原理分类；2.按流量计结构原理分类；,1.按测量原理分类(1)力学原理;(2)电学原理;(3)声学原理;(4)热学原理;(5)光学原理;(6)原子物理原理.(1)力学原理
7、:1/.利用伯努利定理制成的差压式流量计、转子式流量计;2/.利用动量定理制成的冲量式流量计、可动管式流量计;3/.利用牛顿第二定律制成的直接质量式流量计;4/.利用流体动量原理制成的靶式流量计;5/.利用角动量定理制成的涡轮式流量计;6/.利用流体振荡原理制成的旋涡式流量计、涡街式流量计;7/.利用总静压力差制成的皮托管式流量计以及容积式流量计和堰、槽式流量计等等。,(2)电学原理:利用此类原理的仪表有电磁式、差动电容式、电感式、应变电阻式流量计等。(3)声学原理:利用声学原理进行流量测量的有超声波式、声学式(冲击波式)流量计等。(4)热学原理:利用热学原理测量流量的有热量式、直接量热式、间
8、接量热式流量计等。(5)光学原理:激光式、光电式流量计等是利用此类原理制成的仪表。(6)原子物理原理:核磁共振式、核幅射式流量计等是利用此类原理制成的仪表。,2.按流量计结构原理分类大致上可归纳为以下几种类型1)容积式流量计，2)叶轮式流量计，3)差压式流量计(变压降式流量计)，4)变面积式流量计(等压降式流量计)，5)动量式流量计，6)冲量式流量计，7)电磁流量计，8)超声波流量计，9)流体振荡式流量计，10)质量流量计。,1)容积式流量计容积式流量计相当于一个有标准容积的容器,它接连不断地对流动介质进行度量。流量越大,度量的次数越多,输出的频率就越高。适用范围：测量高粘度、低雷诺数的流体。
9、适于测量液体流量的椭圆齿轮流量计、腰轮流量计(罗茨流量计)、旋转活塞和刮板式流量计;适于测量气体流量的伺服式容积流量计、皮膜式流量计和转筒流量计等。,2)叶轮式流量计工作原理是将叶轮置于被测流体中,受流体流动的冲击而旋转,以叶轮旋转的快慢来反映流量的大小。典型的叶轮式流量计是水表和涡轮流量计,机械传动输出式或电脉冲输出式。一般机械式传动输出的水表准确度较低,误差约2,但结构简单,造价低电脉冲信号输出的涡轮流量计的准确度较高,一般误差为0.20.5。,3)差压式流量计(变压降式流量计)差压式流量计由一次装置和二次装置组成。一次装置称流量测量元件,它安装在被测流体的管道中,产生与流量(流速)成比例
10、的压力差,供二次装置进行流量显示。二次装置称显示仪表,它接收测量元件产生的差压信号,并将其转换为相应的流量进行显示。差压式流量计的一次装置常为节流装置或动压测定装置(皮托管、均速管等);这种利用差压测量流量的方法历史悠久,比较成熟,世界各国一般都用在比较重要的场合,约占各种流量测量方式的70。发电厂的蒸汽、给水、凝结水等的流量测量都采用这种表计。,4)变面积式流量计(等压降式流量计)放在上大下小的锥形流道中的浮子受到自下而上流动的流体的作用力而移动,当此作用力与浮子的“显示重量”(浮子本身的重量减去它所受流体的浮力)相平衡时,浮子即静止,浮子静止的高度可作为流量大小的量度。由于流量计的通流截面
11、积随浮子高度不同而异,而浮子稳定不动时上下部分的压力差相等,因此该类流量计称为变面积式流量计或等压降式流量计。该类流量计的典型仪表是转子(浮子)流量计。,5)动量式流量计利用流体的动量来反映流量大小的流量计称为动量式流量计。由于流动流体的动量P与流体的密度及流速v的平方成正比,即Pv2。当通流截面确定时,v与容积流量Q成正比,故PQ2。设比例系数为A,则。因此,测得P,即可反映流量Q。这种形式的流量计,大多利用检测元件把动量转换为压力、位移或力等,然后测量流量。这种流量计的典型仪表是靶式和转动翼板式流量计。,6)冲量式流量计利用冲量定理测量流量的流量计称为冲量式流量计。适用范围:它多用于测量颗
12、粒状固体介质的流量,还用来测泥浆、结晶型液体和研磨颗粒等的流量,测量范围从每小时几公斤到近万吨。典型的仪表是水平分力式冲量流量计,其测量原理是当被测介质从一定高度h自由下落到有一定倾斜角的检测板上时产生一个冲力,冲力的水平分力与质量流量成正比,故测量这个水平分力即可反映质量流量的大小。按信号的检测方式,该类流量计分位移检测型和直接测力型。,7)电磁流量计电磁流量计是应用导电体在磁场中运动产生感应电动势,而感应电动势又和流量大小成正比,通过测电动势可反映管道流量的原理而制成的,其测量精度和灵敏度都较高。适用范围:工业上多用以测量水、矿浆等介质的流量,可测最大管径达2m,而且压损极小。缺点：但对于
13、导电率低的介质,如气体、蒸汽等不能应用。电磁流量计造价较高,且信号易受外磁场干扰,影响了在工业管流测量中的广泛应用。近年来，随着技术的不断发展，电磁流量计不断改进更新，向智能化方向发展。,8)超声波流量计超声波流量计是基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测介质的平均流速和声波本身速度的几何和的原理而设计的。它也是由测流速来反映流量大小的。超声波流量计虽然在20世纪70年代才出现,但由于它可以制成非接触式,并可与超声波水位计联动进行开口流量测量,对流体又不产生扰动和阻力,因而很受欢迎,是一种很有发展前途的流量计。利用多普勒效应制造的超声多普勒流量计近年来得到广泛的关注,被认为是非接触式测量双相
14、流的理想仪表。,9)流体振荡式流量计流体振荡式流量计是利用流体在特定流道条件下流动时将产生振荡,且振荡的频率与流速成比例这一原理设计的。当通流截面一定时,流速与导容积流量成正比,因此,测量振荡频率即可测得流量。这种流量计是20世纪70年代开发和发展起来的,由于它兼有无转动部件和脉冲数字输出的优点,因此很有发展前途。目前典型的产品有涡街流量计、旋进旋涡流量计。,10)质量流量计由于流体的容积受温度、压力等参数的影响,用容积流量表示流量大小时需给出介质的参数。在介质参数不断变化的情况下,往往难以达到这一要求,从而造成仪表显示值失真。因此,质量流量计就得到广泛的应用和重视。质量流量计分直接式和间接式
15、两种。直接式质量流量计利用与质量流量直接有关的原理进行测量,目前常用的有量热式、角动量式、振动陀螺式、马格努斯效应式和科里奥利力式等质量流量计。间接式质量流量计是用密度计与容积流量直接相乘求得质量流量的。,6.2电磁流量计6.2.1电磁流量计的测量原理根据法拉第电磁感应定律,当导体在磁场中运动切割磁力线时,在导体的两端即产生感生电势e,其方向由右手定则确定,其大小与磁场的磁感应强度B、导体在磁场内的长度l及导体的运动速度v成正比,如果B、l、v三者互相垂直,则,eBlu,图61为电磁流量计的原理图。流体管道由不导磁材料制成,在管道壁外加上两个相对的电极,在沿垂直于两电极和导电的流体方向加上磁场
16、,当导电的液体在导管中流动时,导电液体切割磁感应线,于是在两电极间产生与管内径、磁通密度和流体流速成正比的电动势。其电动势的大小可用公式(61)表示:,U=BDv,(61),式中:U电极两端产生的电动势;B磁场磁感应强度;D管道的直径;v流体在管道中的平均流速。,图61电磁流量计原理图,根据体积流量的定义可知:,V管道截面积r2=D2/4,(62),则有,(63),则流体的体积流量为,(64),从式(64)可知:(1)电压与流体的流量有关。一般来说,流体的流量越大,电压就越大。(2)电压与流体的管径有关。管道直径越小,电压就越大。(3)电压与磁场强度有关。磁场强度越大,电压越大。当流体的管径确定,磁场强度恒定时,电压仅仅与流体的流量成正比。由式(64)可得出：需要强调的是,用电磁流量计测量流量时必须保证以下几个条件:(1)磁场是均匀分布的恒定磁场。(2)被测流体的流速轴对称分布。(3)被测液体是非磁性的。(4)被测液体的电导率均匀且各向同性。,(65),6.2.2电磁流量计的结构电磁流量计在结构上一般由电磁流量计传感器和电磁流量计转
