第四讲（流量检测与变送器）ppt课件.ppt

第四讲 流量检测与变送器,教学目的与要求：了解流量的概念,流量检测仪表的分类，理解其工作原理;掌握各种流量计的特点及应用范围。,教学重点：节流式流量计、速度式流量计、容积式流量计。教学难点：节流式流量计、速度式流量计,一、基本概念,瞬时流量、累积流量。,体积流量、质量流量,流量测量仪表也称为流量计。它通常由一次仪表和二次仪表组成。一次仪表亦称为传感器，二次仪表称为显示装置或变送器。流量测量仪表的种类繁多，各适用于不同场合。,二、差压式流量计差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量。,节流现象流体在流过节流装置时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。节流装置包括节流件和取压装置。,节流件是能使管道中的流体产生局部收缩的元件，应用最广泛的是孔板，其次是喷嘴、文丘里管等。,节流原理 具有一定能量的流体，才可能在管道中流动。流动着的流体含有两种能量静压能和动能。,静压能表现在流体对管壁的压力，动能表现在流体有流动速度。这两种能量在一定条件下可以互相转化。,截面处能量=截面处能量+损耗,但是，根据能量守恒定律，在没有再加能量的情况下，流体所具有的静压能和动能，加上克服流动阻力的能量损失，其总和是不变的。即：,静压能 动能 静压能 动能 损耗,根据伯努力方程可列出：,式中：为流体在截面-与-之间的动能损失系数；g 为重力加速度；,1、2 为流体在截面-和-处的密度。如果流体是不可压缩的，那么1=2=,S1、S2分别为-和-处的流束截面积。,v1S1=v2S2,又因截面、处体积流量应相等，有,联立求解两式，可得出：,S0孔板的开孔面积。另外，取紧挨孔板前后的管壁压差（P1-P2）代替（P1-P2），为此引用系数 加以修正：,为简化计算，引入两个系数：截面收缩系数 孔板口对管道的面积比m,代入v2式，得,因体积流量：Q=v2 S0,称流量系数,将,令,体积流量,质量流量,结论：流量与节流件前后压差的平方根成正比。只要测得差压（P1-P2）便可测得流量。,则得到（不可压缩的流体）流量基本方程式：,如果流体是可压缩的（如蒸汽），则要对公式进行修正。,故流量系数与节流装置的结构形式、取压方式、开孔面积与管道截面积之比m、管壁粗糙度、流体流动状态等因素有关；很难准确计算，一般通过实验确定。因此，节流装置都是标准化的，由厂家提供数据。,因为,动能损失系数,标准节流装置 标准节流装置包括标准节流件和标准取压装置。节流装置标准化的具体内容有：节流装置的结构、尺寸、公差、光洁度、取压孔位置和使用条件等。标准节流件有：,孔板,喷嘴,文丘里管,标准取压方式,国家规定标准的取压方式有角接取压、法兰取压和DD/2取压。,角接取压,角接取压的两个取压口分别位于孔板上下端面与管壁的夹角处取压口可以是环隙取压口和单独钻孔取压口,环隙取压利用左右对称的两个环室把孔板夹在中间，通常要求环隙在整个圆周上穿通管道，或者每个夹持环应至少有四个开孔与管道内部连通，再利用导压管把孔板上下游的压力分别引出,当采用单独钻孔取压时，取压口的轴线应尽可能以90与管道轴线相交,显然，环隙取压由于环室的均压作用，便于测出孔板两端的平稳差压，能得到较好的测量精度，但是夹持环的加工制造和安装要求严格。当管径D500mm时，一般采用单独钻孔取压。,法兰取压和DD/2取压,法兰取压装置是由一对带有取压口的法兰组成取压口轴线距离孔板上、下端面均为25.4mm（1英寸）,DD/2取压装置是设有取压口的管段，上、下游取压口轴线与孔板上游端面的距离分为D和D/2（D为管道的直径）,标准节流装置使用条件流体应当清洁，充满圆管并连续稳定地流动。流体的雷诺数在104105以上，不发生相变。管道必须是直的圆形截面，直径大于50mm。为保证流体在节流装置前后为稳定的流动状态，在节流装置的上、下游必须配置一定长度的直管段。,差压式流量计适合于大于50mm的管道，且要求前后有一段一定长度的直管段。,差压式流量计的安装,误差产生的原因,被测流体工作状态的变动。节流装置安装不正确。孔板入口边缘的磨损。导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏现象差压计安装或使用不正确,在现场实际应用时，往往具有比较大的测量误差，有的甚至高达1020。,（1）导压管的安装,导压管要正确地安装，防止堵塞与渗漏，否则会引起较大的测量误差。对于不同的被测介质(液体、气体），导压管的安装亦有不同的要求，下面分类讨论。,a)取压点应该位于节流装置的下半部，与水平线夹角为045。,b)引压导管最好垂直向下，如条件不许可，导压管亦应下倾一定坡度（至少120110），使气泡易于排出。,c)在引压导管的管路中，应有排气的装置。,测量液体的流量时，应该使两根导压管内都充满同样的液体而无气泡，以使两根导压管内的液体密度相等。,（1）导压管的安装,测量液体流量时的连接图,1节流装置；2引压导管；3放空阀；4平衡阀；5差压变送器；6贮气罐；7切断阀,（1）导压管的安装,测量气体流量时，上述的这些基本原则仍然适用。,a)取压点应在节流装置的上半部。,b)引压导管最好垂直向上，至少亦应向上倾斜一定的坡度，以使引压导管中不滞留液体。,c)如果差压计必须装在节流装置之下，则需加装贮液罐和排放阀。,1节流装置；2引压导管；3差压变送器；4贮液罐；5排放阀,（1）导压管的安装,测量蒸汽流量的连接图,1节流装置；2凝液罐；3引压导管；4排放阀；5差压变送器；6平衡阀,测量蒸汽的流量时，要实现上述的基本原则，必须解决蒸汽冷凝液的液位问题，以消除冷凝液液位的高低对测量精度的影响。,（1）导压管的安装,由引压导管接至差压计或变送器前，必须安装切断阀1、2和平衡阀3，构成三阀组。,测量腐蚀性（或因易凝固不适宜直接进入差压计）的介质流量时，必须采取隔离措施。,（2）差压变送器安装,隔离罐的两种形式,1，2切断阀；3平衡阀,三、转子流量计在工业生产中经常遇到小流量的测量，因流体的流速低，要求测量仪表有较高的灵敏度，才能保证一定的精度。,差压式流量计对管径小于50mm、低雷诺数的流体的测量精度是不高的。而转子流量计则特别适宜于测量管径50mm以下管道的流量，测量的流量可小到每小时几升。,工作原理,孔板流量计：,节流面积不变,流量变化,压差发生变化,转子流量计：,压差不变,流量变化,节流面积发生变化,故：转子流量计是以定压降、变节流面积法测量流量的。,由于锥形管由下往上逐渐扩大，所以S0是转子浮起的高度的函数。,根据转子浮起的高度h就可以得出被测介质的流量大小。,1、锥形管是玻璃的，直接目视转子的位置。2、在转子内安装磁铁，锥形管外安装磁环随转子上下移动，触发显示。,转子位置信号的引出：,1,2,3、在转子内安装磁铁，锥形管外安装双霍尔磁场传感器，测出磁场的水平分量和垂直分量，可确定转子位置。,4、在转子上方安装一导磁棒，使差动变压器输出随转子位置变化。,从流量公式可知，流量值与被测流体密度有关。为了便于成批生产，生产厂是在工业标准状态下（20，0.10133MPa），用水或空气进行标度。,对液体测量，仪表示值代表20时水的流量值。对气体测量，则是代表20，0.10133MPa压力 下空气的流量值。实际使用时，须对指示值进行修正。,液体流量测量时的修正,如果某转子流量计的转子高度为h，如果介质为20的水，则流量qv0与h的关系满足：,式中：qv0为用水标定时的流量刻度 w为水的密度,如果介质不是20的水，则流量qvf与h的关系满足：,qvf和f分别为被测介质的实际流量和密度,如果被测介质的粘度和水的粘度相差不大，可以近似认为是常数，则有,刻度流量,实际流量,修正系数,例,现有一只以水标定的转子流量计用来测量苯的流量，已知转子的材料为不锈钢（密度7.9g/cm3），苯的密度为0.83g/cm3，请问流量计读数为3.6L/s时，苯的实际流量是多少？,解：,修正公式,因此,质量流量的修正公式,转子流量计的特点,转子流量计主要适合于检测中小管径、较低雷诺数的中小流量；流量计结构简单，使用方便，工作可靠，仪表前直管段长度要求不高；流量计的基本误差约为仪表量程的土2，量程比可达10：1 流量计的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。,四、靶式流量计使用悬在管道中央的靶作为节流元件，流体作用于靶上的推力与流速有定值关系。推力F 经杠杆引出，由力平衡变送器测出。,理论分析及实验证明，流体作用于靶上的推力F 与流体流速 v 的平方成正比,式中:k靶的推力系数；Sd 靶的受力面积；流体比重；g 重力加速度；v 靶与管璧间环形间隙中流体平均流速,式中，,流量系数,和差压式流量计相似，流量和力是开方关系。可用于较小的雷诺数状态，特别是于高粘度的流体，如重油、沥青等的流量测量。精度为23%。,则,而通过管道的体积流量 Q=S0v,五、容积式流量计直接测量,基本工作原理,“一碗一碗”计量,转子每旋转一周，就排出四个由椭圆齿轮与外壳围成的半月形空腔的流体体积(4V)。在V一定的情况下，只要测出流量计的转速n就可以计算出被测流体的流量,流量方程,特点和要求,计量精度高，一般可达0.20.5级，有的甚至能达到0.1级安装直管段对计量精度影响不大，量程比一般为10:1一般只适用于10150mm的中小口径。容积式流量计对被测流体的粘度变化不敏感，特别适合于测量高粘度的流体（例如重油、树脂等）甚至糊状物的流量，但要求被测介质干净，不含固体颗粒，所以一般情况下，流量计前要装过滤器。由于受零件变形的影响，容积式流量计一般不宜在高温或低温下使用。,椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计是利用两个相互啮合的椭圆形齿轮在流体的推动下，连续转动来测流量的。,当流体要流过椭圆齿轮时，进口侧压力p1大于出口侧压力p2，在此压力差的作用下，产生作用力矩使椭圆齿轮转动。,图（a）位置时，由于p1 p2，所产生的合力矩使A轮顺时针方向转动。A带动B转动。转至（b）位置，A轮与B轮均为主动轮。转至（c）位置，合力矩使B轮带动A轮转动。A、B轮转动时，连续将半月形容积内的流体排出。,此图表示椭圆齿轮转动了1/4周的情况，其排出的流体为一个半月形容积V0。所以，椭圆齿轮每转一周所排出的被测介质量为半月形容积的4倍。故通过椭圆齿轮流量计的体积流量Q为：Q=4nV0 n齿轮转速,如果累计齿轮转速，则得到体积总量。,V0,特点由于椭圆齿轮流量计是基于容积式原理测量的，与流体的粘度、密度、雷诺数等参数无关。因此，安装时不需要有直管段，对流体的流动状态无要求，特别适用于高粘度介质的流量测量。测量精度高，最高可达0.1%。,椭圆齿轮流量计的使用温度不能过高，否则可能使齿轮膨胀卡死。另外被测流体中不能含有固体颗粒，否则会引起齿轮磨损以至损坏。,1、涡轮流量计在测量管道内，安装一个可以自由转动的涡轮，当流体通过时，流体的动能使涡轮旋转。流体的流速越大，涡轮转速也就越高。,因此，测出涡轮的转速或转数，就可确定流过管道的流体流量或总量。日常生活中使用的某些自来水表、油量计等，都是利用这种原理制成的，都属于速度式仪表。,六、速度式流量计,涡轮上的螺旋形叶片用高导磁系数的不锈钢材料制成。,导流器用以稳定流体的流向,外壳由非导磁的不锈钢制成,涡轮流量计的工作过程 当流体通过涡轮叶片与管道之间的间隙时，叶片前后的压差力推动叶片旋转。高导磁性的涡轮叶片就周期性地扫过磁钢底部，,使磁路的磁阻发生周期性的变化，线圈中的磁通量也跟着发生周期性的变化，线圈中便感应出脉冲电信号。其频率与涡轮的转速成正比，即与流量成正比。,输出脉冲频率 f 与被测流量 Q 之间的关系：f=NQ,N仪表常数,插入式,特点涡轮转速不用轴输出，没有齿轮传动误差和密封问题，因而涡轮流量计测量精度高（可达0.2级），耐高压（静压可达50MPa）。输出信号为频率信号，不易受干扰，便于远传。要求流体清洁，安装时，应加装过滤器，且前后要有一定的直管段。,2、电磁流量计在流量测量中，当被测介质是具有导电性的液体介质时，可以应用电磁感应的方法来测量流量。,工作原理在管道两侧安放磁铁，流动的液体当作切割磁力线的导体，产生的感应电动势与流体的流速成正比关系。当磁感应强度B不变、管道直径一定时，流体切割磁力线而产生的感应电势E的大小仅与流体的流 v 速有关。,式中：Ex 感应电势；B 磁感应强度；D 管道直径；v 流体速度。,当BD一定时，感应电势E与流速v成正比。,v=BDE,感应电势的方向由右手定则判断，其大小为：E=BDv,体积流量Q与流速v的关系为：,将 v=BDE代入可得：,式中,称为仪表常数,感应电势E与被测流量Q成正比关系。,变送器结构 变送器由测量管和转换器两部分组成。测量管两侧分别绕有马鞍形的励磁线圈。为了避免直流磁场产生的直流感应电势使电极周围导电液体电解，导致电极表面极化，而减小感应电势，一般采用交流励磁。,为了避免磁力线被测量管的管壁短路，并使测量导管在磁场中尽可能地降低涡流损耗，测量导管应由非导磁的高阻材料制成，如不锈钢。但内壁必须涂一层绝缘衬里，如环氧树脂。以防止感应电势被短路。,优点：测量导管内无任何阻碍物，因而被测流体的压力损失很小。可以测量各种导电液体的流量，如酸、碱、盐溶液，流体可以含有固体颗粒、悬浮物或纤维等。输出信号与流量之间的关系不受流体的物理性质（例温度、压力、粘度等）变化和流动状态的影响。测量响应速度快，可用来测量脉动流量。,由于感应电势数值很小，后级采用高放大倍数的放大器，很容易受外界电磁场干扰的影响。,缺点只能用来测量导电液体的流量，要求导电率不小于水的导电率。不能测量气体、蒸汽及石油制品等的流量。,3、旋涡式流量计利用流体遇到阻碍物后产生的旋涡来测量流量。可以用来测量管道中的液体、气体和蒸汽的流量。旋涡式流量计有两类：旋进型旋涡流量计和卡曼型旋涡流量计（常称涡街流量计）。,涡街流量计测量原理在测量管道中垂直插入一个非流线形的柱状物（圆柱或三角柱）作为阻流体。当流体受到阻碍物阻挡时，会在阻碍物的下游处产生两列平行、且上下交替出现的旋涡。因为这些旋涡有如街道旁的路灯，故有“涡街”之称，又因此现象首先被卡曼（Karman）发现，也称作“卡曼涡街”。,实验表明，当两列旋涡的间距h和同列相邻两个旋涡之间的距离 l 之比能满足hl0.218时，所产生的涡街是稳定的。满足如下关系：,f 单侧旋涡发生频率St 斯特劳哈尔系数v 流体平均流速d 圆柱体直径,式中：,公式表明，St 为常数时，单侧旋涡的发生频率 f 与流体平均流速v成正比。,测得 f 便可算出体积流量Q,A1管道中旋涡发生体处流通截面积。,旋涡流量计的特点是精确度高、测量范围宽、没有运动部件、压力损失小。,旋涡频率的检测 旋涡频率的检测方法很多。如：热敏检测法、超声波检测法、电容检测法、应力检测法等。这些方法都是利用旋涡的局部压力、密度、流速等的变化作用于敏感元件，产生电信号，再经放大整形，得到脉冲信号输出。例1：热敏检测法,如图所示，圆柱形内腔的中心位置上安装一个铂电阻，通以电流时产生热量，使内腔温度高于腔外。当流体产生旋涡时，产生旋涡的一侧流体流速低，静压高，使一部分流体由导压孔进入内腔，向未产生旋涡的一侧流出，带走一部分热量，铂丝温度降低，电阻减小。每产生一个旋涡，铂电阻就变小一次。,测量出铂电阻变化的频率就测定了旋涡频率，也就测得了流量。,铂丝阻值的变化频率，采用一个不平衡电桥进行转换，经放大和整形，再变换成直流电流信号输出，供显示，累积流量或进行自动控制。,例2：超声波检测法如图所示，A为发射换能器，发射出超声波。B为接收换能器，接收A发射的超声波。,由于旋涡的旋转方向、压力和流体密度的周期变化，导致了对超声波的折射、反射和吸收等效应，而形成了对超声波束的调制作用，这时B所接收到的不再是一个等幅波信号，其幅度变化的次数与旋涡个数一致，从而测得流速的大小。,4、超声波流量计 超声波流量测量属于非接触式测量。它通过发射超声波，穿过流动的流体，被接收后，经过信号处理反映出流体的流速。根据流速便能算出流量。超声波的测量有多种不同的方式。如：传播时间法、旋涡法、多普勒效应法等。,传播时间法 根据声波在流体中的传播速度顺流时会增大、逆流时会减小的原理测流速。检测方法有：时差法测超声波在顺流、逆流时的传播时间差 相位差法测超声脉冲在顺流、逆流时的相位差 频差法测超声脉冲在顺流、逆流时的重复频率,因频差法可以不受声速变化影响，使用较多。,频差法原理 根据超声脉冲在顺流、逆流时的重复频率差测量流速。顺流发射的一组换能器和逆流发射的一组换能器各自组成发射接收的闭路循环系统。测量时由发射换能器发射一个脉冲，经过流体传播，被接收换能器接收放大后，再送至发射换能器发射第二个脉冲。如此循环，两组发射接收的循环频率分别为,可见，只要测出一定时间内两组闭路循环系统的脉冲循环频率之差，就可测得流速。而流速乘以管道截面积则得流量。,两组频率差值为,则流速,特点：超声波流量计属非接触式测量，不会影响被测流体的流动状况。测量液体流量精度可达0.2级，测量气体流量精度可达0.5级。量程范围可达201。,要求流体清洁，以避免对超声波束的干扰。测量管前后要有足够长的直管段，以保证流速均匀。,七、质量流量计,质量流量计大致分为两大类：直接式 即直接检测与质量流量成比例的量，检测元件直接反映出质量流量。,推导式 即用体积流量计和密度计组合的仪表来测量质量流量，同时检测出体积流量和流体密度，通过运算得出与质量流量有关的输出信号。,1.直接式质量流量计科里奥利质量流量计科里奥利质量流量计（简称CMF）是利用流体在振动管中流动时，产生与质量流量成正比的科里奥力而制成的一种直接式质量流量仪表。,图2-29 科里奥利力分析图,1.直接式质量流量计,科氏力流量计测量原理,科氏力流量计的测量原理是基于流体在振动管中流动时，将产生与质量流量成正比的科里奥利力。,图2-30 科里奥利质量流量传感器 A驱动线圈 B检测探头,优点,能够直接测量质量流量，不受流体物性（密度、黏度等）的影响，测量精度高；测量值不受管道内流场影响，没有上、下游直管段长度的要求；可测各种非牛顿流体以及黏滞和含微粒的浆液。,缺点,它的阻力损失较大；零点不稳定；管路振动会影响测量精度。,1.直接式质量流量计,2.推导式质量流量计 推导式质量流量计是由体积流量计和密度计组合而成的，其形式可以分为,1）检测Q2 的流量计和密度计的组合方式。2）检测 Q 的流量计和密度计的组合方式。3）检测Q2 的流量计和检测Q 的流量计的组合方式。,2.间接式质量流量计,（1）测量体积流量Q的仪表与密度计配合,涡轮流量计与密度计配合,质量流量,（2）测量Q2的仪表与密度计配合,差压流量计与密度计配合,（3）测量Q2的仪表与测量Q的仪表配合,差压流量计与涡轮流量计配合,图2-31 Q2 检测器与密度计组合的质量流量计原理图,图2-32 Q 检测器 和密度计组合的质量流量计原理图,图2-33 Q2 检测器和 Q 检测器组合的质量流量计原理,小结,作业：1-7,谢谢,骑封篙尊慈榷灶琴村店矣垦桂乖新压胚奠倘擅寞侥蚀丽鉴晰溶廷箩侣郎虫林森-消化系统疾病的症状体征与检查林森-消化系统疾病的症状体征与检查,骑封篙尊慈榷灶琴村店矣垦桂乖新压胚奠倘擅寞侥蚀丽鉴晰溶廷箩侣郎虫林森-消化系统疾病的症状体征与检查林森-消化系统疾病的症状体征与检查,