第三章流量傳感器34

1、1 1、流量的基本概念、流量的基本概念（）流量：單位時間內(nèi)流過管道橫截面的流體數(shù)量，稱為瞬時流量。 （）體積流量：當(dāng)流體的數(shù)量以體積表示時，稱“體積流量”，記作qv ，qV=Av，單位為，單位為m3/h或或L/s； 。 （）質(zhì)量流量：當(dāng)流體的數(shù)量以質(zhì)量表示量，稱“質(zhì)量流量”，記作qm， qm= Av，單位為，單位為t /h或或kg/s 。 （）累積流量：在某一段時間內(nèi)流過管道橫截面的流體總和稱為總（流）量或累積流量，記為q。 3.43.4流量檢測流量檢測例：設(shè)測得流速v =10m/s ，圓管道的直徑D =1m，則截面積A=0.79m2 ，流量qV= 7.9m3 /s 。通常指用來測量瞬時流量的

2、儀表叫流量計，而用來計總量的儀表稱為計量表、流量的測量方法、流量的測量方法測量流量的方法很多，有流速法、容積法、質(zhì)量法、水槽法等。流速法中，又有葉輪式、渦輪式、卡門渦流式（又稱渦街式）、熱線式、多普勒式、超聲式、電磁式、差壓節(jié)流式等。常見的流量計有：容積式流量計、 差壓式流量計、浮子流量計、 渦輪流量計、電磁流量計、插入式流量計、流體振蕩流量計（渦街流量計、 質(zhì)量流量計 )3.4.13.4.1差壓式流量計差壓式流量計差壓式流量計是一類應(yīng)用最廣泛的流量計,在各類流量儀表中其使用量占居首位。近年來,由于各種新型流量計的問世,它的使用量百分?jǐn)?shù)逐漸下降,但目前仍是最重要的一類流量計。節(jié)流式流量計外形節(jié)

3、流式流量計外形 氣體或液體管道氣體或液體管道及渦流發(fā)生錐體及渦流發(fā)生錐體 一、差壓式流量計組成一、差壓式流量計組成差壓式流量計主要由三部分組成：節(jié)流裝置、測量靜壓差的差壓計、顯示儀表。 （） 節(jié)流裝置是安裝在流體管道中，使流體的流通截面發(fā)生變化，引起流體靜壓變化的一種裝置。常用的節(jié)流裝置有文丘利管、噴嘴和孔板。（）將節(jié)流裝置前后產(chǎn)生的壓力差轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)的電信號。文丘利管壓力損失最小，而孔板壓力損失最大。 文丘利管孔板 噴嘴、 常用的節(jié)流裝置常用的節(jié)流裝置節(jié)流孔板節(jié)流孔板后取壓管后取壓管 、節(jié)流孔板節(jié)流孔板節(jié)流孔板節(jié)流孔板流速變快，流速變快，壓力變小壓力變小 流體入口流體入口狹窄部位狹窄部位、文

4、丘里噴嘴文丘里噴嘴文丘里噴嘴在文丘里噴嘴在管道中的位置管道中的位置前取壓口前取壓口 后取壓口后取壓口 、導(dǎo)壓管的配置、導(dǎo)壓管的配置節(jié)流孔板節(jié)流孔板后取壓管后取壓管 前取壓管前取壓管流體通過節(jié)流孔板時，流速加快，后取壓管處的壓力減小。 節(jié)流裝置輸出的壓力差是從節(jié)流裝置的前后節(jié)流裝置輸出的壓力差是從節(jié)流裝置的前后取壓孔取出的。從取壓孔到差壓變送器的導(dǎo)壓管取壓孔取出的。從取壓孔到差壓變送器的導(dǎo)壓管的配置也應(yīng)按照規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)安裝。如果被測流體的配置也應(yīng)按照規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)安裝。如果被測流體是氣體，導(dǎo)壓管應(yīng)從節(jié)流裝置的上方引出，以免是氣體，導(dǎo)壓管應(yīng)從節(jié)流裝置的上方引出，以免混雜在氣體中的液滴堵住取壓管；如果被測

5、流體混雜在氣體中的液滴堵住取壓管；如果被測流體是液體，導(dǎo)壓管應(yīng)從節(jié)流裝置的下方引出，以免是液體，導(dǎo)壓管應(yīng)從節(jié)流裝置的下方引出，以免混雜在液體中的氣體影響取壓?；祀s在液體中的氣體影響取壓。 導(dǎo)壓管配置圖導(dǎo)壓管配置圖當(dāng)充滿圓管的流體流經(jīng)在管道內(nèi)部安裝的節(jié)流裝置時，流束將在節(jié)流件處形成局部收縮，使流速增大，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生壓力差該壓力差通過差壓計檢出流體的體積流量或質(zhì)量流量與差壓計所測得的差壓值有確定的數(shù)值關(guān)系。二、工作原理二、工作原理 選定兩個截面，II是節(jié)流裝置前流體開始受節(jié)流裝置影響的截面S1；II-II是流束經(jīng)過節(jié)流裝置后收縮最厲害的流束截面S2，由伯努利方程式得221122

6、112212211211222314vpvpggS vS vSSvvppp（ ）（ ）又有將（ ）代入（ ），得由連續(xù)性方：（程）p1、p2流體在截面II和IIII處的靜壓力v1、v2流體在截面II和IIII處的平均流速結(jié)論：經(jīng)過節(jié)流元件，流速提高，靜壓力降低，即在節(jié)流元件前后產(chǎn)生壓力差。、優(yōu)點 (1)應(yīng)用最多的孔板式流量計結(jié)構(gòu)牢固,性能穩(wěn)定可靠,使用壽命長;(2)應(yīng)用范圍廣泛,至今尚無任何一類流量計可與之相比擬; (3)檢測件與變送器、顯示儀表分別由不同廠家生產(chǎn),便于規(guī)模經(jīng)濟生產(chǎn) 三、差壓式流量計特點三、差壓式流量計特點、缺點 (1)測量精度普遍偏低; (2)范圍度窄,一般僅3:14:1;

7、(3)現(xiàn)場安裝條件要求高; (4)壓損大(指孔板、噴嘴等)、應(yīng)用概況 差壓式流量計應(yīng)用范圍特別廣泛,在封閉管道的流量測量中各種對象都有應(yīng)用,如流體方面:單相、混相、潔凈、臟污、粘性流等;工作狀態(tài)方面:常壓、高壓、真空、常溫、高溫、低溫等;管徑方面:從幾mm到幾m;流動條件方面:亞音速、音速、脈動流等。它在各工業(yè)部門的用量約占流量計全部用量的1/41/3。3.4.2容積式流量計容積式流量計一、常見的容積式流量計容積式流量計按其測量元件分類,可分為橢圓齒輪流量計、刮板流量計、雙轉(zhuǎn)子流量計、旋轉(zhuǎn)活塞流量計、往復(fù)活塞流量計、圓盤流量計、液封轉(zhuǎn)筒式流量計、濕式氣量計及膜式氣量計等 、橢圓齒輪型容積流量計

8、(也稱奧巴爾容積流量計)的示意圖 該流量計由兩橢圓齒輪相互嚙合進行工作，圖中P1表示流量計進口流體壓力； P2表示出口流體壓力，顯然壓力P1大于P2。橢圓齒輪流量計橢圓齒輪流量計FPPFPP （）在圖21(a)中，上齒輪為主動輪，下齒輪為從動輪。下面轉(zhuǎn)子雖然受到流體的壓差作用，但不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，而上面齒輪在兩側(cè)差壓作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動由于兩個齒輪互相嚙合，故各自以O(shè)1，O2為軸心按箭頭方向旋轉(zhuǎn)，同時齒輪O1將半月形計量空間的流體排向出口。（）在圖21(b)位置時，兩個齒輪均在流體差壓作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，并在該力矩作用下沿箭頭方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)變到圖21(c)所示的位置（）在圖21(c)，齒輪位置

9、與圖21(a)相反，下齒輪為主動輪，上齒輪為從動輪。下齒輪在進出口流體差壓作用下旋轉(zhuǎn)，又一次將它與殼體之間的半月型“計量空間”中的流體排出。如此連續(xù)不斷運動，橢圓齒輪每轉(zhuǎn)一周，就排出四份“計量空間”流體體積因此，只要讀出齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)，就可以計算出排出的液體量。、腰輪流量計（羅茨流量計）腰輪容積流量計，也稱羅茨型容積流量計。這種流量計的工作原理和工作過程與橢圓齒輪型基本相同，同樣是依靠進，出口流體壓力差產(chǎn)生運動，每旋轉(zhuǎn)一周排出四份“計量空間”的流體體積量。所不同的是在腰輪上沒有齒，它們不是直接相互嚙合轉(zhuǎn)動，而是通過按裝在殼體外的傳動齒輪組進行傳動。、刮板式容積流量計刮板式流量計也是一種較常見的容積

10、式流量計。在這種流量計的轉(zhuǎn)子上裝有兩對可以徑向內(nèi)外滑動的刮板，轉(zhuǎn)子在流量計進、出口差壓作用下轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)動一周排出四份“計量空間”的流體體積與前一類流量計相同，只要測出轉(zhuǎn)動次數(shù)，就可以計算出排出流體的體積量。、優(yōu)點 (1)計量精度高; (2)安裝管道條件對計量精度沒有影響; (3)可用于高粘度液體的測量; (4)范圍度寬; (5)直讀式儀表無需外部能源可直接獲得累計,總量,清晰明了,操作簡便。 二、橢圓齒輪容積式流量計性能二、橢圓齒輪容積式流量計性能、缺點 (1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積龐大; (2)被測介質(zhì)種類、口徑、介質(zhì)工作狀態(tài)局限性較大; (3)不適用于高、低溫場合; (4)大部分儀表只適用于潔凈單

11、相流體; (5)產(chǎn)生噪聲及振動。 電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。3.4.3電磁流量計電磁流量計可以測量各種腐蝕性介質(zhì)：酸、堿、鹽溶液以及帶有懸浮顆粒的漿液。此流量計無機械慣性，反應(yīng)靈敏，可以測量脈沖流量，而且線性較好，可以直接進行等分刻度。只能測量導(dǎo)電液體，因此對于氣體、蒸氣以及含大量氣泡的液體，或者電導(dǎo)率很低的液體不能測量。由于測量管內(nèi)襯材料一般不宜在高溫下工作，所以目前一般的電磁流量計還不能用于測量高溫介質(zhì)。一、組成（）外殼（）外殼：用磁鐵材料制成，用以保護內(nèi)部冊路系統(tǒng)：用磁鐵材料制成，用以保護內(nèi)部冊路系統(tǒng)和隔離外部磁場的干擾。和

12、隔離外部磁場的干擾。（）磁路系統(tǒng)（）磁路系統(tǒng)：用于產(chǎn)生均勻的直流或交流磁場。：用于產(chǎn)生均勻的直流或交流磁場。（）測量管（）測量管：電磁流量計的主要部分，流過被測流體。：電磁流量計的主要部分，流過被測流體。測量管采用不導(dǎo)磁、低電導(dǎo)率并有一定機械強度的材料測量管采用不導(dǎo)磁、低電導(dǎo)率并有一定機械強度的材料制成，如不銹鋼、玻璃鋼、鋁等。制成，如不銹鋼、玻璃鋼、鋁等。（）襯里（）襯里：測量管道內(nèi)壁的一層耐磨、耐腐蝕、耐高：測量管道內(nèi)壁的一層耐磨、耐腐蝕、耐高溫材料。主要功能是增加測量管道的耐磨與耐腐蝕性，溫材料。主要功能是增加測量管道的耐磨與耐腐蝕性，防止感應(yīng)電勢被金屬測量管管壁短路。防止感應(yīng)電勢被金屬

13、測量管管壁短路。（）電極（）電極：正確引出感應(yīng)電勢信號。：正確引出感應(yīng)電勢信號。1 1直流勵磁直流勵磁 直流勵碰方式用直流電產(chǎn)生磁場或采用永久磁鐵，但是，使用直流磁場易使通過測量管道的電解質(zhì)液體被極化極化，即電解質(zhì)在電場中被電解，產(chǎn)生正負(fù)離子，在電即電解質(zhì)在電場中被電解，產(chǎn)生正負(fù)離子，在電場力的作用下，負(fù)離子跑向正極，正離子跑向負(fù)極。場力的作用下，負(fù)離子跑向正極，正離子跑向負(fù)極。這樣，將導(dǎo)致正負(fù)電極分別被相反極性的離子所包圍，嚴(yán)重影響儀表的正常工作所以，直流勵磁一般只用于測量非電解質(zhì)液體，如液態(tài)金屬等二、工作原理二、工作原理法拉第電磁感應(yīng)定律法拉第電磁感應(yīng)定律如圖所示，設(shè)在均勻磁場中，垂直于磁

14、場方向有一個直徑為D的管道。管道由不導(dǎo)磁材料制成，當(dāng)導(dǎo)電的液體在導(dǎo)管中流動時，導(dǎo)電液體切割磁力線，因而在磁場及流動方向垂直的方向上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，如安裝一對電極，則電極間產(chǎn)生和流速成比例的電位差。 式中，c為感應(yīng)電動勢：B為磁感應(yīng)強度， D為管道內(nèi)徑；v為液體在管道內(nèi)平均流速。EBDv2244444vvvEEBDvvBDDDEDEqvBDBBqEDBKDEKq令常數(shù) 2 2交流勵磁交流勵磁 目前，工業(yè)上使用的電磁流量計，大都采用工頻(50Hz)電源交流勵磁方式，即它的磁場是由正弦交變電流產(chǎn)生的，所以產(chǎn)生的磁場也是一個交變磁場。交變磁場變送器的主要優(yōu)點是消除了電極表面的極化干擾另外，由于磁場是交

15、變的，所以輸出信號也是交變信號。sinsinvEBD vtEK qt優(yōu)點 (1)測量通道是段光滑直管,不會阻塞,適用于測量含固體顆粒的液固二相流體,如紙漿、泥漿、污水等; (2)不產(chǎn)生流量檢測所造成的壓力損失,節(jié)能效果好; (3)所測得體積流量實際上不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的明顯影響; (4)流量范圍大,口徑范圍寬; (5)可應(yīng)用腐蝕性流體。三、電磁流量計性能三、電磁流量計性能(1)不能測量電導(dǎo)率很低的液體,如石油制品; (2)不能測量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體; (3)不能用于較高溫度。缺點3.4.浮子流量計浮子流量計浮子流量計是以浮子在垂直錐形管中隨著流量變化而升降，

16、改變它們之間的流通面積來進行測量的體積流量儀表，又稱轉(zhuǎn)子流量計。在美國、日本常稱作變面積流量計（Variable Area Flowmeter）或面積流量計。玻璃轉(zhuǎn)子流量計玻璃轉(zhuǎn)子流量計流體入口流體入口流體出口流體出口轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子金屬轉(zhuǎn)子流量計 金屬浮子流量計的流量檢測元件是由一根自下向上擴大的垂直錐形管和一個沿著錐管軸上下移動的浮子組所組成。一一. .工作原理工作原理轉(zhuǎn)子流量計利用流體節(jié)流作用測量流體的體積流量。從轉(zhuǎn)子的懸浮高度直接讀取流量數(shù)值。如果流體流量恒定不變，那么轉(zhuǎn)子就穩(wěn)定在平衡位置上；如果流體流量發(fā)生變化，則轉(zhuǎn)子原平衡位置對應(yīng)的環(huán)形流通截面上的流速隨之改變，轉(zhuǎn)子所受向上的作用力也相應(yīng)變

17、化，從而便產(chǎn)生新的位移，直至達到新的平衡位置。由此可見，被測流體流量的大小可以通過轉(zhuǎn)子在錐管中高度位置的變化來反映。 當(dāng)被測流體自錐管下端流入流量計時，由于流體的作用，浮子上下端面產(chǎn)生一差壓，該差壓即為浮子的上升力。當(dāng)差壓值大于浸在流體中浮子的重量時，浮子開始上升。隨著浮子的上升，浮子最大外徑與錐管之間的環(huán)形面積逐漸增大，流體的流速則相應(yīng)下降，作用在浮子上的上升力逐漸減小，直至上升力等于浸在流體中的浮子的重量時，浮子便穩(wěn)定在某一高度上。這時浮子在錐管中的高度與所通過的流量有對應(yīng)的關(guān)系。工作原理演示示意圖（）工作原理演示示意圖（）工作原理演示示意圖（）工作原理演示示意圖（）工作原理演示示意圖（）

18、工作原理演示示意圖（）體積流量的基本方程式為：體積流量的基本方程式為：h優(yōu)點優(yōu)點大部分浮子流量計沒有上游直管段要求，或者說對上游直管段要求不高。較寬的流量范圍度，一般為10：1，最低為5：1，最高為25：1。流量檢測元件的輸出接近于線性。壓力損失較低。玻璃管浮子流量計結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉。現(xiàn)場指示流量使用方便二、浮子流量計的性能二、浮子流量計的性能缺點大部分結(jié)構(gòu)浮子流量計只能用于自下向上垂直流的管道安裝。浮子流量計應(yīng)用局限于中小管徑，普通全流型浮子流量計不能用于大管徑，玻璃管浮子流量計最大口徑100mm，金屬管浮子流量計為150mm，更大管徑只能用分流型儀表。使用流體和出廠標(biāo)定流體不同時，要作流

19、量示值修正。液體用浮子流量計通常以水標(biāo)定，氣體用空氣標(biāo)定，如實際使用流體密度、粘度與之不同，流量要偏離原分度值，要作換算修正。3.4.5渦輪流量計 渦輪流量計（以下簡稱TUF）是葉輪式流量（流速）計的主要品種，葉輪式流量計還有風(fēng)速計、水表等。渦輪流量計, 它采用多葉片的轉(zhuǎn)子(渦輪)感受流體平均流速,從而且推導(dǎo)出流量或總量的儀表一般它由傳感器和顯示儀兩部分組成,也可做成整體式。 插入式渦輪流量計插入式渦輪流量計一、工作原理 當(dāng)被測流體流過傳感器時，在流體作用下，葉輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比，葉輪的轉(zhuǎn)動周期地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值。檢測線圈中磁通隨之發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電勢

20、，即電脈沖信號，經(jīng)放大器放大后，送至顯示儀表顯示。TUF的實用流量方程為 q v ：體積流量，m3/s， q m ：質(zhì)量流量，kg/s；f流量計輸出信號的頻率，Hz；K流量計的儀表系數(shù)，P/m3。vmfqkqq v二、渦輪流量傳感器性能、優(yōu)點(1)高精度,在所有流量計中,屬于最精確的流量計之一(2)重復(fù)性好; (3)元零點漂移,抗干擾能力好; (4)范圍度寬; (5)結(jié)構(gòu)緊湊。 、缺點:(1)不能長期保持校準(zhǔn)特性; (2)流體物性對流量特性有較大影響3.4.6渦街流量計在特定的流動條件下，一部分流體動能轉(zhuǎn)化為流體振動，其振動頻率與流速（流量）有確定的比例關(guān)系，依據(jù)這種原理工作的流量計稱為流體振

21、動流量計。目前流體振動流量計有三類：渦街流量計、旋進（旋渦進動）流量計和射流流量計。 渦街流量計是在流體中安放一根（或多根）非流線型阻流體（bluff body），流體在阻流體兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則的旋渦，在一定的流量范圍內(nèi)旋渦分離頻率正比于管道內(nèi)的平均流速，通過采用各種形式的檢測元件測出旋渦頻率就可以推算出流體的流量。雷諾數(shù)雷諾數(shù)雷諾數(shù)是一個表征流體慣性力與粘性力之比的無量綱量，其定義為： 式中：v流體的平均速度，m/s；流速的特征長度，如在圓管中取管內(nèi)徑值，m；流體的運動粘度，m2/s。如雷諾數(shù)小，粘性力占主要地位，粘性對整個流場的影響都是重要的。如雷諾數(shù)很大，則慣性力是主要的，粘性

22、對流動的影響只有在附面層內(nèi)或速度梯度較大的區(qū)域才是重要的。eVlR一、工作原理一、工作原理在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體（阻流體），從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街，如圖所示,旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對稱地排列?？ㄩT渦街的產(chǎn)生與現(xiàn)象為說明卡門渦街的產(chǎn)生，我們來考慮粘性流體繞流圓柱體的流動。當(dāng)流體速度很低時，流體在前駐點速度為零，來流沿圓柱左右兩側(cè)流動，在圓柱體前半部分速度逐漸增大，壓力下降，后半部分速度下降，壓力升高，在后駐點速度又為零。這時的流動與理想流體統(tǒng)流圓柱體相同，無旋渦產(chǎn)生，如圖a所示 。 隨著來流速度增加，圓柱體后半部分的壓力梯度增大，引起流體附面層的分離，如圖

23、b所示。當(dāng)來流的雷諾數(shù)Re再增大，達到40左右時，由于圓柱體后半部附面層中的流體微團受到更大的阻滯，就在附面層的分離點S處產(chǎn)生一對旋轉(zhuǎn)方面相反的對稱旋渦在一定的留諾數(shù)Re范圍內(nèi)，穩(wěn)定的卡門渦街的及旋渦脫落頻率與流體流速成正比。 設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f，被測介質(zhì)來流的平均速度為U，旋渦發(fā)生體迎面寬度為d，表體通徑為D，根據(jù)卡曼渦街原理，有如下關(guān)系式 f=SrU1/d=SrU/md 式中U1-旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速，m/s；Sr-斯特勞哈爾數(shù)；m-旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比由上式可見，VSF輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響，即儀表系數(shù)在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)僅與旋渦發(fā)生體及管

24、道的形狀尺寸等有關(guān)。需檢測質(zhì)量流量，這時流量計的輸出信號應(yīng)同時但是作為流量計在物料平衡及能源計量中監(jiān)測體積流量和流體密度，流體物性和組分對流量計量還是有直接影響的。二、二、 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)VSF由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。（）傳感器包括旋渦發(fā)生體（阻流體）、檢測元件、儀表表體等；（）轉(zhuǎn)換器包括前置放大器、濾波整形電路、DA轉(zhuǎn)換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護罩等。近年來智能式流量計還把微處理器、顯示通訊及其他功能模塊亦裝在轉(zhuǎn)換器內(nèi)。 VSF結(jié)構(gòu)圖、旋渦發(fā)生體旋渦發(fā)生體，它可分為單旋渦發(fā)生體和多旋渦發(fā)生體兩類，。單旋渦發(fā)生體的基本形有圓柱、矩形柱和三角柱，其他形狀皆為這些基本形的變形。三角柱形旋渦發(fā)生體是應(yīng)用最廣泛的一種，。圖中D為儀表口徑。為提高渦街強度和穩(wěn)定性，可采用多旋渦發(fā)生體，不過它的應(yīng)用并不普遍。 三角柱旋渦發(fā)生體d/D=0.20.3;c/D=0.10.2;b/d=11.5;=15o65o（）單旋渦發(fā)生體（）