第3.2章流量检测方法及仪表41页.ppt

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1、化工仪表及自动化,昆明理工大学杨彪20102011学年下,第三章,检测仪表及传感器,19:46:56,昆明理工大学,知识结构,第5章 自动控制仪表,第6章 执行器,第2章 过程特性,第3章 检测仪表与传感器,第4章 显示仪表,第1章自动控制系统基本概念,第7章 简单控制系统,第8章 复杂控制系统,第9章 新型控制系统,第10章 计算机控制系统,19:46:56,昆明理工大学,压力检测方法及仪表,本章内容,物位检测方法及仪表,流量检测方法及仪表,温度检测方法及仪表,数字式显示记录仪表,19:46:56,昆明理工大学,第三节 流量检测方法及仪表,第三章 检测仪表与传感器,19:46:56,昆明理工

2、大学,流量测量技术和仪表的应用领域,工业生产过程,能源计量,一次能源（煤炭、原油、瓦斯气、石油气、天然气）,二次能源（电力、焦炭、煤气、成品油、液化石油气、蒸汽）及含能工质（压缩空气、氧、氮、氢、水）等,生物技术,交通运输,环保工程,空气污染(烟废气排放)、水污染,管道输送,19:46:56,昆明理工大学,流量检测方法及仪表,应用容积法检测流量（腰轮流量计）应用动、静压能转换原理检测流量（差压式流量计)应用改变流通面积的方法检测流量(转子流量计)应用电磁感应原理检测流量(电磁流量计)应用超声波检测流量(超声波流量计),本节主要内容,19:46:56,昆明理工大学,流量检测的基本概念,累积体积流

3、量,流量计量对在一定通道内流动流体的流量进行测量。,累积质量流量,流量测量的任务：根据测量目的，被测流体的种类、状态、测量场所等条件，研究各种相应的测量方法，并保证流量值的正确传递。,19:46:56,昆明理工大学,体积流量的测量方法,（1）容积法：在单位时间内以标准固定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。椭圆齿轮流量计、旋转活塞式流量计和刮板流量计。受流体的流动状态影响小，适用于测量高粘度、低雷诺数的流体。,（2）速度法：这种方法是先测出管道内的平均流速，再乘以管道截面积求得流体的体积流量。较宽的使用条件，可用于各种工况下的流体的流量检测，利用平均流速计算流量，

4、管路条件的影响大，流动产生涡流以及截面上流速分布不对称等都会给测量带来误差。,19:46:56,昆明理工大学,质量流量的测量方法,(1)直接法：利用检测元件，使输出信号直接反映质量流量。利用孔板和定量泵组合实现的差压式检测方法；利用同轴双涡轮组合的角动量式检测方法；应用麦纳斯效应的检测方法 基于科里奥利力效应的检测方法。,（2）间接法：用两个检测元件分别测出两个相应参数，通过运算间接获取流体的质量流量。qv2检测元件和检测元件的组合；qv检测元件和检测元件的组合；qv2检测元件和qv检测元件的组合。,19:46:56,昆明理工大学,应用容积法检测流量,单位时间内所排出固定容积的数目作为测量依据

5、,测量原理,设：V0计量室的容积 n转子的旋转次数,根据转子的形状分为：椭圆齿轮流量计（液体型）腰轮流量计（气体型和液体）刮板式流量计（液体型）,19:46:56,昆明理工大学,腰轮流量计,测量原理,腰形轮每转动一周，就把转子与壳体之间所构成的具有一定容积的计量室流体的四倍体积，从流入口送到流出口。,19:46:56,昆明理工大学,腰轮流量计,腰轮流量计是一种容积式流量测量仪表，用以测量封闭管中流体的体积流量。就地显示累积流量，并有远传输出接口，与相应的光电式电脉冲转换器和流量积算仪配套，可进行远程测量，显示和控制。精度高，重复性好，范围度大，对流量计前后直管段要求不高。适用较高粘度流体，流体

6、粘度变化对示值影响较小。适用无腐蚀性能的流体，如原油，石油制品(柴油，润滑油等)。,腰轮流量计,19:46:56,昆明理工大学,应用动压能和静压能转换的原理检测流量,节流元件附近流速和压力分布情况,检测原理,当流体流经管道内的节流件时，流速将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。基础：流体连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）。压差影响因素：流量、节流装置形式、管道内流体的物理性质（密度、粘度）,19:46:56,昆明理工大学,流量基本方程式,根据流体力学的伯努力方程和流体的

7、连续性方程，可以推导出流量与压差之间的流量方程式，即 体积流量,质量流量,式中 流量系数 流束膨胀系数 A0节流装置的开孔截面积 流体密度 节流装置前后实际测得的压力差,流量与压力差的平方根成正比,19:46:56,昆明理工大学,差压式流量计,测量对象：流体方面，单相、混相、洁净、脏污；工作状态：常压、高压、真空、常温、高温、低温；管径方面：从几毫米到几米；流动条件：亚音速流、临界流、脉动流,历史悠久、技术成熟、应用最广泛。,节流式特点：结构简单、使用寿命长，适应能力强，几乎能测量各种工况下的流量。,差压式流量计,孔板,引压管,差压计,19:46:56,昆明理工大学,差压式流量计分类表,19:

8、46:56,昆明理工大学,差压式流量计组成,节流装置：安装于管道中产生差压，节流件前后的差压与流量成开方关系。引压导管：取节流装置前后产生的差压，传送给差压变送器。差压变送器：产生的差压转换为标准电信号(4-20mA)。,19:46:56,昆明理工大学,标准节流元件,标准孔板,结构简单，安装方便，适合大流量的测量,标准喷嘴,标准文丘里管,结构复杂，压力损失比孔板小,19:46:56,昆明理工大学,节流孔板,后取压管,前取压管,流体通过节流孔板时，流速加快，后取压管处的压力减小。,节流装置（取压管及内部的节流孔板）,流量测量仪表-1.差压式,19:46:56,昆明理工大学,节流装置的另一种形式文

9、丘里管或文丘里喷嘴,文丘里喷嘴的压力损失较小。,流体入口,狭窄部位,19:46:56,昆明理工大学,环室取压 单独钻孔取压 法兰取压 标准喷嘴取压方式 标准孔板的几种取压方式,取压方式,19:46:56,昆明理工大学,选用考虑要点,安装条件方面,流件前后有必要直管段长度,引压管线,仪表性能方面(1)精确度、重复性、线性度、流量范围 压力损失,流体特性方面 流体物性参数的确定(2)流体的腐蚀、磨蚀、结垢、脏污等,环境条件方面,19:46:56,昆明理工大学,应用改变流通面积的方法检测流量,变面积式测量方法示意图,检测原理,锥形管-由下往上逐渐扩大管转子-阻力件,组成,当流体自下而上流经锥形管与转

10、子之间的环形流通面积时，由于受到流体的冲击，转子便要向上运动。,19:46:56,昆明理工大学,流体入口,流体出口,转子,第5.4 节 流量测量仪表-1.流体阻力式流量计,19:46:56,昆明理工大学,流量基本方程式,设：作用在转子上的力有转子本身垂直向下的重力f1；流体对转子所产生的垂直向上的浮力f2；流体作用在转子上的向上冲力f3；,则有,当转子处于平衡时，则有,设:A0为环隙流通面积，则转子流量计的体积流量为,19:46:56,昆明理工大学,转子流量计指示值修正,仪表出厂前标度：20，0.10133MP 液体-水 气体-空气,19:46:56,昆明理工大学,用一个用水标定的转子流量计来

11、测量苯的流量，流量计的读数为28 m3/h，已知转子密度为7920 kg/m3的不锈钢，苯的密度为0.831 kg/L，求苯的实际流量是多少？,例,已知：s=1 kg/L，y=0.831 kg/L，z=7.92 kg/L，QN=28 m3/h，代入修正公式式可得：,解,所以苯的实际流量是31.08m3/h。,19:46:56,昆明理工大学,电磁流量计电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。,可以测量各种腐蚀性介质：酸、碱、盐溶液以及带有悬浮颗粒的浆液。此流量计无机械惯性，反应灵敏，可以测量脉冲流量，而且线性较好，可以直接进行等分刻度。只能测量导电液体，因此对于气

12、体、蒸气以及含大量气泡的液体，或者电导率很低的液体不能测量。由于测量管内衬材料一般不宜在高温下工作，所以目前一般的电磁流量计还不能用于测量高温介质。,19:46:56,昆明理工大学,如图所示，设在均匀磁场中，垂直于磁场方向有一个直径为D的管道。管道由不导磁材料制成，当导电的液体在导管中流动时，导电液体切割磁力线，因而在磁场及流动方向垂直的方向上产生感应电动势，如安装一对电极，则电极间产生和流速成比例的电位差。,式中，E为感应电动势：B为磁感应强度，D为管道内径；v为液体在管道内平均流速。,19:46:56,昆明理工大学,电磁流量计,电磁流量计,电磁流量计,19:46:56,昆明理工大学,多普勒

13、法 多普勒法是利用声学多普勒原理确定流体流量的多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动，会引起声波在频率上的变化，这种频率变化正比于运动的目标和静止的换能器之间的相对速度。,19:46:56,昆明理工大学,涡街流量计实现流量测量的理论基础是流体力学中著名的“卡门涡街”原理。在流动的流体中放置一根其轴线与流向垂直的非流线性柱形体(加三角柱、圆柱等)，称之为漩涡发生体，见图。当流体沿漩涡发生体绕流时，会在漩涡发生体下游产生如图所示不对称但有规律的交替漩涡列，这就是所谓的卡门涡街。,涡街流量计,19:46:56,昆明理工大学,由于漩涡之间的相互影响，其形成通常是不稳定的。冯.卡门对涡列的稳定条件进行了

14、研究，于1911年得到结论：只有当两漩涡列之间的距离h和同列的两漩涡之间的距离L之比满足 时，所产生的涡街才是稳定的。,涡街流量计,19:46:56,昆明理工大学,圆柱体后漩涡发生的频率 与旋涡发生体处的流速 有下列确定关系：,涡街流量计,19:46:56,昆明理工大学,圆柱体后漩涡发生的频率 与旋涡发生体处的流速 有下列确定关系：是与雷诺数有关的无量纲数，称为斯特罗哈数。(圆柱体 三角柱体),涡街流量计,19:46:56,昆明理工大学,一、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利力而制成的一种直接式质量流量

15、仪表。,质量流量计-1.科里奥利质量流量计,19:46:56,昆明理工大学,如图所示，当质量m的质点以速度v在对P轴作角速度为旋转的管道内移动时，质点具有两个分量的加速度及相应的加速度力：1.法向加速度ar，即向心加速度ar，其量值为2r，方向朝向P轴。2.切向加速度at，即科里奥利加速度，其量值为2v，方向与ar垂直。由理论力学可知，当某一质量为m的物体在旋转参考系中以速度v运动时，将受到一个力的作用，其值为,质量流量计-1.科里奥利质量流量计,19:46:56,昆明理工大学,在电磁装置的作用下，激发U型管振动，振动方向垂直于U型管所在平面。所以，U型管中的流体在沿管道流动的同时，又随管道作垂直运动，此时流体将产生科里奥利加速速，并以科里奥利力作用于U型管。由于流体在U型管两侧的流动方向相反（v不同）所以作用于U型管两侧的科氏力大小相等方向相反，从而产生一个作用力矩。U型管在此作用下发生扭曲，扭曲的扭角与通过的流体质量流量有关。,质量流量计-1.科里奥利质量流量计,19:46:56,昆明理工大学,在U型管两侧中心平面处按装两个电磁传感器，可测得扭角的大小，其与质量流量 关系为：示中：,质量流量计-1.科里奥利质量流量计,19:46:56,昆明理工大学,也可以由传感器测出U型管两侧通过中心平面的时间差 来测量质量流量：示中：,质量流量计-1.科里奥利质量流量计,