《传感器与检测技术 教学课件 ppt 作者 魏学业 第6章 流量式传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器与检测技术 教学课件 ppt 作者 魏学业 第6章 流量式传感器（98页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第6章流量式传感器,第6章流量式传感器,在工业自动化生产中，特别是化工、制药和供水等工业中，流量是必须测量和控制的参数。随着产品质量的提高，对流量检测的精度要求也越来越高，需要检测的流量种类也越来越多。由于测量仪表的工作条件不同和测量对象的物理特性不同，应选用适当的流量传感器。,6.1 流量的基础知识,6.1.1 流量及其表示方法,流体在单位时间内流过管道内某一截面的数量，称为流体的瞬时流量。而在某一段时间内流过管道某一截面的总和，称为流体的总量或累积流量，也称为积分流量。流体的总量除以流体流过的时间间隔，就可得到该时间段的平均流量。工程上讲的流量常指瞬时流量，下面若无特别说明指的就是瞬时流量
2、。瞬时流量有体积流量和质量流量之分。,6.1 流量的基础知识,6.1.1 流量及其表示方法,体积流量 是指流体在单位时间内通过某截面的体积，单位为m3/s。根据定义，体积流量可表示为 式中：A为管道的横截面面积（m2）； 为管道内平均流速（m/s）；V为流体体积（m3）；t为时间（s）。,6.1 流量的基础知识,6.1.1 流量及其表示方法,体积流量 用体积流量表征流体时，必须同时给出流体的压力和温度，因为流体的体积在不同的压力和温度下是不同的。对于液体，压力的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、压力的影响较大，因此对于气体流量检测，通常将
3、某一条件下测得的体积流量转换成标准状态下（温度是20，气压是760mmHg）的体积流量，这样做的目的是便于比较。,6.1 流量的基础知识,6.1.1 流量及其表示方法,质量流量 是指流体在单位时间内通过某截面的质量，单位为kg/s。根据定义，质量流量可表示为 式中：m为流体的质量（kg）；为流体的密度（kg/m3）； v为管道内平均流速（m/s）。,6.1 流量的基础知识,6.1.1 流量及其表示方法,流体的主要物理性质 （1）流体的密度 单位体积的质量称为流体的密度，用数学表达式表示为 式中：m为流体质量（kg）；为流体的密度（kg/m3），V为流体的体积（m3）,6.1 流量的基础知识,6
4、.1.1 流量及其表示方法,流体的主要物理性质 （2）流体黏度 流体运动过程中阻滞剪切变形的黏滞力与流体的速度梯度和接触面积成正比，并与流体黏性有关，其数学表达式为 上式称为牛顿黏性定律。式中：F为黏滞力；A为接触面积； 表示流体垂直于速度方向的速度梯度； 为流体黏性的比例系数。,6.1 流量的基础知识,6.1.1 流量及其表示方法,流体的主要物理性质 （3）雷诺数 雷诺数是流体流动的惯性力与黏滞力之比，表示为 式中： 为雷诺数（无量纲数）；v为流动横截面的平均流速（m/s）； 为动力黏度（ ）；L为特征长度（m）； 为流体的密度（kg/m3）； 为运动黏度（m2/s）。,6.1 流量的基础知
5、识,6.1.1 流量及其表示方法,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）稳定流和不稳定流 当流体流动时，若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，而且与时间有关，则流体的这种流动称为不稳定流。,6.1 流量的基础知识,6.1.1 流量及其表示方法,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 、 、 和 、 、 ，如图6-1所示。根据
6、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,6.1 流量的基础知识,6.1.1 流量及其表示方法,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 、 、 和 、 、 ，如图所示。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,6.1 流量的基础知识,6.1.1 流量及其表示方法,（2）伯努利方程 当理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： （6-1） 式中：g为重力加速度；Z1 、Z2为截面和相对基准线的高度；P1、P2为截面和上流体的静压力；v1、v2为
7、截面和上流体的平均流速。,6.1 流量的基础知识,6.1.1 流量及其表示方法,（2）伯努利方程 式（6-1）即不可压缩流体的伯努利方程，表明理想流体做稳定流动时，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。 实际流体具有黏性，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做功，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 式中：hwg为截面和之间单位质量实际流体流动产生的能量损失。,6.1 流量的基础知识,6.1.2 流量的测量方法,流体的状态（如介质的温度、压力等）及流体的黏度、腐蚀性、导电性也不同，很难用一种原理或方法测量
8、不同流体的流量。某些场合的流体是高温、高压的，某些场合是气液两相或液固两相的混合流体。目前测量流量的方法很多，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3大类。,6.1 流量的基础知识,6.1.2 流量的测量方法,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的已知截面流过的流速大小实现流量测量。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差压、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。,6.1 流量的基础知识,6.1.2
9、流量的测量方法,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。常用的有椭圆齿轮式、刮板式等。 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；另一种是直接式质量流量传感器，如热电式、惯性力式、动量矩式等质量流量传感器。直接法测量具有不受流体的压力、温度、黏度等变化影响的特点，是一种正在发展中的质量流量传感器。,6.2 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
10、成节流装置前后的压力差，然后用压力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成与流量对应的标准电流信号或电压信号。,6.2 差压式流量传感器,6.2.1 节流式流量计,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6-3所示。 图6-3 节流式流量计组成,1节流元件； 2引压管路； 3三阀组； 4差压计,6.2 差压式流量传感器,6.2.1 节流式流量计,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，如图所示。 （1）节流装置。是差压式流量计的流量敏感元件，是安装在管道中的阻力元件，它产生差压，此压
11、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。 （2）引压导管。引压导管用于将节流装置前后产生的差压传送给差压变送器。 （3）差压变送器。差压变送器用于将节流装置前后产生的差压转换成标准的电信号，如420mA的电流信号。,1节流元件； 2引压管路； 3三阀组； 4差压计,6.2 差压式流量传感器,6.2.1 节流式流量计,节流装置的工作原理 在管道中安置一个中间带有小孔的阻力件，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。把流体通过阻力件时流束的收缩
12、造成压力变化的过程称为节流过程，其中的阻力件称为节流元件。,6.2 差压式流量传感器,6.2.1 节流式流量计,节流装置的工作原理 （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3部分组成。几种常见的节流装置有孔板、喷嘴和文丘里管，如图所示。,6.2 差压式流量传感器,6.2.1 节流式流量计,节流装置的工作原理 （1）节流装置 作为流量检测用的节流元件有标准的和非标准的两种。标准节流件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管。标准节流装置仅适用于测量管道直径大于50mm，雷诺数在104-105以上的流体，而且流体应当清洁，充满全部管道，不发生相变。 非标准的可以利用已有实验数
13、据进行估算，但必须用实验方法单独标定。非标准节流件主要用于特殊介质或特殊工况条件的流量检测,6.2 差压式流量传感器,6.2.1 节流式流量计,节流装置的工作原理 （1）节流装置 3种节流装置的优缺点对比见表,6.2 差压式流量传感器,6.2.1 节流式流量计,节流装置的工作原理 （1）节流装置 最常用的节流装置是孔板，其次是喷嘴，文丘里管应用得要少一些。标准孔板是一块具有与管道同心圆形开孔的圆板，迎流一侧是有锐利直角入口边缘的圆筒形孔，顺流的出口呈扩散的锥形，如图所示。优点是结构简单，加工方便，价格便宜，但是在测量中压力损失较大，测量精度较低，只适用于洁净流体介质，测量大管径高温高压介质时，
14、孔板易变形。,6.2 差压式流量传感器,6.2.1 节流式流量计,节流装置的工作原理 （1）节流装置 标准喷嘴分ISA1932喷嘴和长径喷嘴两种。喷嘴在管道内的部分是圆的，由圆弧形的收缩部分和圆筒形喉部组成。ISA1932喷嘴如图所示，它由垂直于中心线平面入口部分A，两端圆弧曲面B和C构成的入口收缩部圆筒形喉部E与防止出口边缘损伤的保护槽F组成。当d=2D/3时，该平面的径向宽度为零；当d2D/3时，在管道内的喷嘴上游端面不包括平面入口部分，如图6-6（b）所示。,6.2 差压式流量传感器,6.2.1 节流式流量计,节流装置的工作原理 （2）取压方式 根据节流装置取压口位置可将孔板取压方式分为
15、理论取压、角接取压、法兰取压、径距取压与损失取压5种，如图所示。 图6-7 节流装置的取压方式 1-1理论取压；2-2角接取压；3-3法兰取压；4-4径距取压；5-5损失取压,6.2 差压式流量传感器,6.2.1 节流式流量计,节流装置的工作原理 （2）取压方式 理论取压。上游取压管的中心位于距孔板前端面一倍管径D处，下游取压管的中心位于流速最大、收缩最小的断面处。如图6-7中的1-1所示。这种取压方式应用于管道内径D100mm的情况，对于小直径管道，因为法兰的相对厚度较大，不宜采用该法。 角接取压。上、下游的取压管位于孔板前后端面处，如图6-7中的2-2所示，通常有环室或夹紧环取压。环室取压是在紧贴孔板的上、下游形成两个环室，通过取压管测量两个环室压力差；夹紧环取压是在紧靠孔板上、下游两侧钻孔，直接取出管道压力进行测量2-2。两种方法相比，环室取压均匀，测量误差小，对直管段长度要求较短，多用于管道直径小于400mm处，而夹紧环取压多用于管道直径大于200mm处。,6.2 差压式流量传感器,6.2.1 节流式流量计,节流装置的工作原理 （2）取压方式 法兰取压。不论管道直径大小，上下游取压管中心均位于距离孔板两侧相应端面25.4mm处，如图6-7中的3-3所示。 径距取压。上游的取压管的中心位于距离孔板前端一倍管道直径D处，下游取压管的中心位于距离孔板前端D/2处，如
