现代检测技术及应用 第9章 流量检测

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1、第9章 流量检测,适配教材现代检测技术及应用 李现明主编，高等教育出版社2012年第1版,引语,流量检测与温度检测、压力检测、物位检测并称为过程检测四大参数。 在这四大参数中，流量检测最为复杂。 这是由流体物性的复杂性和流动状态的复杂性所决定的。 针对特定被测对象选择流量测量方法和仪表，即使长期从事流量测量的人员，有时也颇费斟酌。,9.1 常用流量检测方法,9.1.1 流量的基本概念 1 体积流量 单位时间内通过某截面的流体的体积，称之为体积流量。 可用下式表示 ：体积流量，单位为m3/s; ： 截面积； ： 截面A中某一微元面积dA上的流速,2 质量流量 单位时间内通过某截面的流体的质量，称

2、之为质量流量。,在一段时间内流过截面A的流体质量的总量，称为 累积质量流量。,9.1.2 常用体积流量检测方法,体积流量检测方法可分为直接和间接检测方法。 直接体积流量检测方法，又称为容积法，它是在单位时间内以固定的、标准的体积对流动介质连续不断地进行度量，以排出流体固定容积数来计算流量。 间接体积流量检测方法，也称速度法，它是首先测量管道内的平均流速，然后乘以管道截面积，求得流体的体积流量。 下述体积流量常用检测方法中，除第一类亦即容积法为直接检测方法外，其余节流式、电磁式、变面积式等检测方法等皆属于间接检测方法。,1 容积法 一般采用容积分界方法，由仪表壳体和活动壁组成流体计量室，流体经过

3、仪表时，在仪表的入口、出口之间产生压力差，推动活动壁旋转，将流体一份一份地排出。设计量室的容积为V0、当活动壁旋转n次时，流体流过的体积总量为nV0。根据计量室的容积和旋转频率可获得瞬时体积流量。 基于这种方法所形成的具体流量检测仪表产品有多种，主要包括：椭圆齿轮流量计、腰轮流量计（又称罗茨流量计）、刮板流量计、活塞式流量计、湿式流量计、皮囊式流量计等。其中腰轮式、湿式、皮囊式可测气体流量。 容积法受流体流动状态的影响较小，适用于测量高粘度、低雷诺数的流体。,图9.1 椭圆齿轮流量计测量原理图,在仪表的测量室中安装两个互相啮合的椭圆形齿轮，可绕轴自己转动。当被测介质流入仪表时，推动齿轮旋转。由

4、于两个齿轮所处位置不同，分别起主动轮、从动轮作用。 在图9.1(a)位置时，由于入口压力P1 大于出口压力P2 ，轮I受到一个顺时针的转矩，轮虽受到P1 和P2 的作用，但合力矩为零，轮I将带动轮旋转，于是将外壳与轮I之间标准测量室内的液体排入下游。 当齿轮转至图9.1(b)所示位置时，轮I受顺时针力矩，轮受逆时针力矩，两齿轮在P1 、P2 作用下继续转动。 当齿轮转至图9.1(c)位置时，类似图9.1(a)，只不过此时轮为主动轮，轮I为从动轮。上游流体又被封入轮形成的测量室内。 每转1周，两个齿轮共送出4个标准体积的流体(阴影部)。,通过设在测量室外部的机械式齿轮减速机构及滚轮计数机构，累计

5、椭圆齿轮的转数。 为了减小密封轴的摩擦，多采用永久磁铁做成的磁联轴节传递主轴转动,既保证了良好的密封，又减小了摩擦。 椭圆齿轮流量计实质上是一个把“瞬时流量”转换为“转速”，把“总量”转换为“转数”的敏感器，如果再配置相应的转速传感器，就可把“流量”转换为相应的“脉冲频率”，“总量”转换为相应的脉冲计数值，从而实现流量和总量的电测量。,容积式流量计的工作特性与流体的粘度、密度、工作温度、压力等因素有关。粘度的影响更大一些。 容积式流量计的误差多是负误差，原因是仪表中有活动壁，活动壁与壳体内壁间的间隙产生流体的泄漏。 在小流量时，由于转子所受力矩小，而它本身又有一定的摩擦阻力，因而泄漏量相对较大

6、。当流量达到一定数值后，泄漏量相对较小，误差较为恒定。当流量进一步加大时，由于流量计的入、出口间压力降增大，导致泄漏量又相应增大。 在相同的流量下，流体的粘度越低、越容易泄漏，误差也就越大。对于高粘度流体，泄漏相对较小，因此误差变化不大。流体流过容积式流量计的压力损失随流量的增加近似线性上升，粘度愈高，压损愈大。,容积式流量计的特点： 测量精度较高，累计流量精度可达0.20.5，有的甚至能达到0.1；量程比一般为10:1；测量口径在10150mm左右； 适宜测量较高粘度的液体流量。在正常的工作范围内，温度和压力对测量结果的影响很小； 安装方便。对仪表前、后直管段长度没有严格的要求； 由于仪表的

7、精度主要取决于壳体与活动壁之间的间隙，因此对仪表制造、装配的精度要求高，传动机构复杂； 要求被测介质干净，不含固体颗粒，否则会将仪表卡住，甚至损坏仪表。为此，要求在流量计前安装过滤器； 不适宜测量较大的流量。当测量口径较大时，成本高，重量和体积大，维护不方便。,2 节流式检测方法 利用节流件前后的差压与流速之间的关系，通过差压值获得流体的流速并进一步获得流量的方法。 节流式检测方法的物化产品为差压式流量计。 差压式流量计的使用量居各种流量检测仪表的首位。 选择节流式检测方法作为流量检测技术示例，对其进行较为深入的阐述。,3 电磁式检测方法 导电流体在磁场中运动时将产生感应电势，感应电势的大小正

8、比于流体的平均流速，这就是电磁式流量检测方法的基本原理。 电磁式流量检测物化产品为电磁流量计。 电磁流量计由传感器和转换器两部分组成，也可以做成整体式。 电磁流量计有许多优良特性，可应用于其他流量计不易应用的场合。例如，可进行脏污流体、腐蚀流体的测量。 20世纪80年代前后，电磁流量计在技术上有重大突破，使它成为目前使用广泛的一类流量计，而且在流量仪表中的百分数不断上升。为此将其作为流量检测技术示例，对其进行较为深入的阐述。,4 变面积式检测方法 它基于力平衡原理，通过设置在锥形管内的转子，把流体的流速转换成转子的位移，再进一步通过各种位移传感器转换为电信号。相应的物化产品为转子流量计。,图9

9、.2 转子流量计测量原理示意图,转子流量计由锥形圆管和管中的浮子(即转子)组成。 当被测流体自下而上流过锥形管与转子之间的环隙时，流速发生变化，致使转子上下部之间产生压力差。 此压力差形成的上托力，与转子的重力及浮力相平衡。 当流量增大时，上托力变大，使转子上移，锥形管环形截面变大，压差降低，上托力又变小，直至三力达到新的平衡状态，使转子稳定在一定高度。对应不同的流量，转子便有其相应高度上的平衡位置。转子高度与流量之间的关系可通过严格的数学推导获得。 转子流量计可分为玻璃锥管转子流量计和金属锥管转子流量计。前者流量标尺刻度在管壁上，可直接读取所测流量值。对于不透明介质，高温、高压介质以及需要指

10、示远传时，多采用金属锥管转子流量计。,转子位移的检测目前多采用差动变压器结构。转子的上端与差动变压器活动衔铁相连。转子的位移由隔离管外的差动变压器线圈转换成与流量相对应的输出电压。 转子流量计的特点： 适合检测中小管径、较低雷诺数的中小流量； 结构简单，使用方便，工作可靠，仪表前直管段长度要求不高； 基本误差约为仪表量程的，量程比可达10:1； 测量精度易受被测介质密度、粘度、温度、压力、纯净度、安装质量等的影响。,5 旋涡式检测方法 流体在流动中遇到一定形状的物体，会在其周围产生有规则的旋涡，旋涡释放的频率正比于流速。基于这种测量方法的物化产品为旋涡流量计，包括卡门涡街流量计和旋进式旋涡流量

11、计。,图9.3 涡街流量计测量原理图,卡门涡街流量计测量原理：在流体中垂直于流向插入一个非流线型的、对称形状的柱体，例如圆柱体、三角柱体、矩形柱体等。当流速大于一定值时，在柱体两侧将产生两排旋转方向相反、交替出现的漩涡，这两排平行的涡列称为卡门涡街，柱体称为漩涡发生体。伴随漩涡的产生，在柱体周围和下游的流体将产生有规律的振动，其振动频率(即漩涡产生的频率)与流速成正比。,图9.4 三角柱旋涡发生体及信号检测原理图 1三角柱旋涡发生体；2热敏电阻,漩涡频率的检测方式有5种： 用设置在旋涡发生体内的检测元件直接检测发生体两侧的差压。 在旋涡发生体上开设导压孔，在导压孔中装检测元件，检测发生体两侧的

12、差压。 检测旋涡发生体周围的交变环境。 检测旋涡发生体背面交变的差压。 检测尾流中的旋涡列。 采用热敏、应力、应变、电容、电磁、超声、光电、光纤等检测技术，综合上述五种旋涡检测方式，可以构成不同类型的涡街流量计。,举例: 如图9.4所示，采用三角柱漩涡发生体，通过设在柱体表面的热敏电阻检测周边的交变环境，实现漩涡频率的检测。三角柱旋涡发生器能得到比圆柱形发生体更稳定、更强烈的漩涡。 埋在三角柱正面的两支热敏电阻组成电桥的两臂，由恒流电源供以微弱的电流对其加热。 在产生漩涡一侧的热敏电阻处的流速较大，热敏电阻的温度降低，阻值升高，则电桥失去平衡并有电压输出。随着漩涡的交替产生，电桥输出与漩涡产生

13、频率相一致的交变电压信号。 该信号经放大、整形和D/A转换后，输至显示仪表进行流量显示。 温度与流量本无直接关系，但此处借助于漩涡发生体，就将流量检测这一比较难以解决的问题转换为温度检测这一比较容易解决的问题。,旋涡流量计的特点： 管道内无可动部件，使用寿命长； 线性范围宽； 几乎不受温度、压力、密度、粘度等变化的影响； 压力损失小； 精确度等级为0.5至1.0级； 仪表的输出是与体积流量成比例的脉冲信号。 旋涡流量计对气体、液体都适用。,6 涡轮式检测方法 流体对置于管内涡轮产生作用力，使涡轮转动，其转动速度在一定流速范围内与管内流体的流速成正比。基于该原理的物化产品是涡轮流量计。通过涡轮外

14、的磁电转换装置将涡轮的旋转转换成电脉冲。,图9.5 涡轮流量计测量原理示意图,涡轮流量计的优点： 高精确度。 重复性好。由于具有良好的重复性，如经常校准或在线校准可得极高的精确度，是贸易结算中优选的流量计。 输出脉冲频率信号，适于总量计量及与计算机连接，无零点漂移，抗干扰能力强。 信号分辨力强。可获得很高的频率信号，如34kHz。 范围度宽。中大口径可达40:110:1，小口径可达6:1。 结构紧凑轻巧，安装维护方便，流通能力大。 适用高压测量。表体上不必开孔，易制成高压仪表。 专用型传感器类型多。可根据用户特殊需要设计为各类专用型传感器，如低温型、双向型、井下型、混砂专用型等。 可制成插入型

15、。适用于大口径测量，压力损失小，价格低，可在不断流的前提下取出，安装维护方便。,涡轮流量计的缺点： 难以长期保持校准特性，需要定期校验。对于无润滑性的液体，液体中含有悬浮物或磨蚀性，造成轴承磨损及卡住等问题，限制了其使用范围。 不适于较高粘度介质(专门设计的高粘度型涡轮流量计除外)。 流体物性，例如密度、粘度等，对仪表特性有较大影响。气体涡轮流量计易受密度影响，而液体涡轮流量计对粘度变化反应敏感。由于密度和粘度与温度、压力关系密切，在现场温度、压力波动是难免的，要根据它们对精确度影响的程度采取补偿措施，才能保持高的计量精度。, 受流体流速分布畸变和旋转流的影响较大。传感器上下游侧需设置较长直管

16、段。如安装空间有限制，可加装流动调整器以缩短直管段长度。 不适于脉动流和多相流的测量。 对被测介质的清洁度要求较高，限制了其使用领域。虽可安装过滤器以适应脏污介质，但同时带来压损增大、维护量增加等副作用。,7 声学式检测方法 根据声波在流体中传播速度的变化，获得流体的流速。其物化产品为超声波流量计。设声波在静止流体中的传播速度为c，流体的流速为v。若在管道中安装两对声波传播方向相反的超声波换能器，如图9.6所示。,图9.6 超声波测量流量原理图,超声波流量计的超声换能器一般是设置在管壁外侧，如图9.7所示，图中采用了两对换能器。 实际应用时也可以用一对换能器，每一个换能器兼作声波的发射和接收。,图9.7 超声波流量计结构示意图,超声波流量计的优点： 可进行非接触测量。夹装式换能器不需要停流截管安装，只要在管道外部安装换能器即可。这是超声波流量计的独特优点，因此可作移动性测量，适用于管网流动状况评估测定。 无流动阻挠，无额外压力损失。 流量计的仪表系数可从实际测量管道及声道等几何尺寸计算求得。换言之，可采用干法标定，除带测量管段式超声波流量计外，一般