第三章-检测仪表与传感器(流量检测)(1).ppt

第三章检测仪表与传感器 流量检测及仪表 Instrumentationandsensor 3 3流量检测及仪表flowdetectionandinstrument 教学内容 各种流量计的结构 测量原理及使用特点 差压式流量计转子流量计椭圆齿轮流量计涡轮流量计电磁流量计超声波流量计等 一 概述 流量 1 定义 单位时间内流过管道某一截面的流体数量 瞬时流量 总流量 某一段时间内流过管道流量的总和 流量的表示方法 质量流量 M 体积流量 Q 流体密度 t 时间 两者关系 流量计总量计常用的流量单位 t h kg h kg s m3 h L h L min 2 流量计的种类 1 速度式流量计 以测量流体的速度为依据得到流量 如 压差式流量计转子流量计电磁流量计涡轮流量计靶式流量计堰式流量计 2 容积式流量计 受流体的流动状态影响小 适用于高粘度 低雷诺数的流体 以单位时间内所排出流体的固定容积数目为依据 如 椭圆齿轮流量计 液体型 活塞式流量计等 3 质量式流量计 以测量流过的质量M为依据 分为 直接式 直接测量 间接式 用 和 计算 二 压差式流量计differentialpressureflowmeter 工作原理 结构简单 使用寿命长 适应性较广 能测各种工况下单相流体和高压下流体流量 应用广泛 利用流体流经节流装置时产生的压力差来测量流量 基于流体的节流原理 特点 广泛应用于 气体 蒸汽和液体的流量测量 孔板流量计 日本进口DPF差压式流量计 差压式流量计的组成 节流装置 将被测流量 压力差包括节流件 孔板 喷嘴 文丘里管 取压装置 导压管 差压计 测量压差而显示流量 节流装置 引压管线 差压变送器 差压计 Q P I0 差压式流量计 孔板 引压管 差压计 1 节流现象与流量基本方程式 1 节流现象throttle 流体在管道中流动时 在节流装置前后的管壁处 流体的静压力产生差异的现象 孔板 喷嘴 文丘里管 常用的节流件 节流件 例如 斜面 45 15 能使流体产生局部收缩的元件 2 测流量的基本原理 流体流经节流装置前后产生的压力差与流量有关 流动流体的能量 包括静压能和动能 总能量 静压能 动能 损失的能量 摩擦阻力损失 p1 p2 1 2 3 P1 P2 P3 P P1 P2 P P1 P3 1 2 3 孔板装置及压力 流速分布图 节流装置前流体压力 正压 后流体压力 负压 P1 P2 不易测出 实际上在孔板前后选两个固定的取压点P1 P2 注意 测得的压差与流量之间的关系 与测压点及测压方式的选择紧密相关的 3 流量基本方程 流量系数 膨胀校正系数F0 孔口截面积 1 流体密度 P 实际测得的压力差 流量与压力差的平方根成正比 节流装置的结构形式 取压方式 与许多因素有关 孔口边缘锐度 管道粗糙度 雷诺数Re表示流体的流动状态 测量湍流流体 不随Re变化 选用标准节流装置 测量湍流流体 为常数 2 标准节流装置standardthrottlingset 结构 尺寸 加工要求 取压方式 使用条件等标准化的节流装置 标准孔板 标准喷嘴 标准文丘里管 标准孔板 标准喷嘴 标准文丘里管 角接取压标准孔板 角接取压标准孔板 带前10D后5D测量管 标准喷嘴 标准文丘里管 标准孔板 简单 方便 适于大流量测量缺点 压力损失大 标准喷嘴和文丘里管 压力损失较小缺点 结构较复杂 不易加工 1 常用标准节流装置的特点 标准节流装置 仅适于测量管道 50 Re在104 105以上的流体 且流体应当清洁 充满全部管道 不发生相变 2 标准节流装置的选用 加工制造 安装 价格方面 孔板最简单 文丘里管最复杂 要求压力损失较小时 喷嘴 文丘里管 有腐蚀性 脏污 颗粒状杂质的介质 喷嘴较孔板好 喷嘴精度较高 所需的直管段较短 高温 高压介质 孔板和喷嘴低压介质 文丘里管 3 节流装置的安装使用 节流装置的开孔和管道轴线同心 端面与管道轴线垂直 节流装置前后应有直管道 内壁不应有凸出物和明显的粗糙或不平的地方 用于直径D 50mm的管道中 被测介质应充满全部管道且连续流动 管内流束 流动状态 应稳定 被测介质应不发生相变 在实际使用时 由于使用不当 往往测量误差较大 注意 选型合理 设计 加工准确 安装 维护正确 符合使用条件等 测量条件较好时 测量误差为 1 2 3 差压式流量计测量误差 1 造成测量误差的原因 被测流体工作状态的变动 如温度 压力 湿度 粘度 Re等 节流装置安装不正确 有 一侧是流体入口端 孔板90 锐角一侧是入口端 孔板入口边缘的磨损 P偏小 指示值偏低 导压管安装不正确 或有堵塞 渗漏等现象 测量液体流量 取压点在下面 且有排气装置 测量气体流量 取压点在上面 测量蒸汽流量 需装凝液罐 差压计安装或使用不正确 测量液体流量时的取压点的位置 0 45 如果从底部引出 液体中的固体杂质会沉积引起引压管线堵塞 P1 P2 切断阀 平衡阀 差压计阀安装示意图 测量腐蚀性或易凝固介质 应装隔离罐 注意 4 适用范围 广泛用于石油 化工 冶金 电力 轻纺等行业 适用于液体 蒸汽 气体的流量测量 1 作用 将 P 统一标准的气压或电流信号 可以连续测量压差 4 力矩平衡式差压变送器momentbalancepressuretransducer DDZ 电动力矩平衡差压变送器 自平衡检测仪表 一般为0 5级 差压 压力 变送器 P1 Fi O1 F1 F2 F3 Ff I0 RL 主杠杆 测量膜片 轴封膜片 推板 矢量板 连杆 副杠杆 检测片 差动变压器 反馈线圈 放大器 调零弹簧 永久磁钢 量程调整螺丝 矢量板 O2 DDZ 型力矩平衡差压变送器 F2 F3 F1 P2 2 工作原理 测量膜片 主杠杆 矢量板 推板 连杆 P 测量力 偏转 偏转 移动 副杠杆平衡 放大器输出 0与 P成比例 顺时针 F1 F2 向上 副杠杆 逆时针 铁芯 差动变压器 电压 放大器 0 反馈线圈 Ff 副杠杆 当Mf M2 顺时针 偏转 K 电动压力变送器放大系数 K越大 量程范围越小 K与变送器的结构及电磁特性有关 改变K 即改变变送器的结构或电磁特性 调整 可在4 15 之间调整 量程范围的调整 三 转子流量计rotaryflowmeter 适于小管径 50mm 小流量的测量 气体 液体 粘度大的除外 压力损失小 反应快 结构简单 价格便宜 精度受所测介质压力 温度 粘度影响比较大 1 特点 LZB WB系列玻璃转子流量计 日本进口FM PZ玻璃管浮子 转子流量计 日本进口FC C18玻璃管浮子 转子流量计 适于测量工业机械中的低流量 2 结构 由一个锥形管和一个转子组成 P1 P2 40 3 转子流量计的工作原理图 流体流量 转子高度 流量数值 3 工作原理 流体通过时 受到节流作用 在转子前后产生 P Q增加 P增大 转子上升 h增高 转子与壁隙增大 P减小 转子重力不变 直到向上的力 重力 转子停止上升 Q h 测出h 即得Q 转子在压差力和重力的共同作用下平衡 压差与流速有关 压差决定转子的位置 由转子高度可直接读取通过的流量 转子位置h 电气信号 平衡条件 因为 P产生的向上的力 浮力 重力 1 F0 h v 转子的体积 t 转子的密度 f 被测流体的密度A 转子的最大横截面g 重力加速度 仪表常数h 转子浮起的高度 差压式 恒截流面积 变压差化转子流量计 恒压降 变截流面积 转子流量计有 玻璃管转子流量计LZB金属管转子流量计LZ 对仪表前直管段要求不高 适于高温 高压和强腐蚀性介质 可用于易燃 易爆危险场合 金属管浮子流量计 4 电远传式转子流量计 LZD系列 转子高度信号 电信号 显示仪表供显示 记录 调节控制 流量变送部分电动显示部分 分两大部分 广泛适用于国防 化工 石油 冶金 电力 环保 医药 和轻工等部门的液体 气体流量测量和自动控制 适应 腐蚀性流体 如氯气 盐水 盐酸 硝酸和硫酸等 的流量测量 LZ B型金属管转子流量计 1 流量变送部分 差动变压器 铁芯 初级线圈 次级线圈 骨架 差动变压器结构 1 2 3 e1 e2 U 4 5 6 流量Q h 铁芯 铁芯在中点上方 输出u e1 e2 0铁芯在中点时 输出u e1 e2 0铁芯在中点下方 输出u e1 e2 0 流量变送原理 将转子与铁芯相连 转子随流量变化的运动带动铁芯一起移动 就可将h位号 电信号u输出 转换原理 2 电动显示部分 变送 测量 T1 T2 LZD系列电远传式转子流量计 u2 u1 Q h T1的铁芯 输出电信号u1 放大器放大 可逆电机转动 指针移动凸轮转动 T2中铁芯 输出u2 放大器 当u1 u2时 T2中铁芯不动 指针指示出相应的Q 电动显示 5 转子流量计的指示值修正 转子流量计的刻度是在工业基准状态20 293K 0 10133MPa下标定的 测液体流量 以水标定刻度测气体流量 以空气标定刻度实际使用时 若不是工业基准状态 须对指示值进行修正 1 对液体流量进行修正 只需对 修正 指示值 实际值 1 当所测的液体不是水时 用不锈钢转子 t 7 9g cm3 7900kg m3 密度修正系数 2 当转子的密度变化时 形状不变 测水 增大测量范围 3 当流体不是水 且转子的密度变化 例1 现用一只以水标定的转子流量计来测量苯的流量 已知转子材料为不锈钢 t 7 9g cm3 苯的密度为 f 0 83g cm3 试问流量计读数为3 6L s时 苯的实际流量是多少 2 对气体转子流量计刻度修正 当气体不是空气 且不在基准状态 刻度修正公式为 Q0 指示的刻度值 Nm3 h Q1 所测介质在工业基准状态下的流量 Nm3 h 0 1 空气和非空气在标态下密度 kg Nm3P1 T1 所测介质的绝对压力MPa和绝对温度KP0 0 1033MPaT0 293K 例2 某厂用转子流量计来测定温度为27 表压为0 16MPa的空气流量 问转子流量计读数为38Nm3 h时 空气的实际流量时多少 用一个用水标定的转子流量计来测量苯的流量 流量计的读数为28m3 h 已知转子密度为7920kg m3的不锈钢 苯的密度为0 831kg L 求苯的实际流量是多少 例 解 所以苯的实际流量是31 08m3 h 四 靶式流量计 尤其某些粘度较高或含有悬浮性介质的流量 可用于测量液体 气体和蒸汽的流量 例如 重油 沥青 含固体颗粒的浆液及腐蚀性介质 1 结构 F 靶 输出力杠杆 推杆 悬臂块 R1 3 R2 4 R3 R1 电源E 输出Uab a b RW R1 R2 R4 R3 2 工作原理 流体 靶子 冲击力 输出力杠杆 悬臂块微弯曲变形 半导体应变片R1 R3增大 R2 R4减小 电桥输出Uab 毫伏测量仪表 显示流量值 智能数显靶式流量计 数显靶式流量计 管螺纹靶式流量计 电容式靶式流量计 结构简单 安装维护方便 不易堵塞 压力损失较低 3 主要特点 五 椭圆齿轮流量计 容积式 ellipticalwheelflowmeter 对被测流体的粘度变化不敏感 易于测量粘度高的流体如 重油 聚乙烯醇 树脂等 甚至糊状物的流量 主要用于测量油类等昂贵介质或其他高粘度介质的累计流量 LC椭圆齿轮流量计 1 结构 外壳 两个互相啮合的齿轮 P1 P2 椭圆齿轮流量计的工作原理图 A 主动轮B 从动轮 A B 主动轮 A 从动轮B 主动轮 a b c A B A A B B 测量室 2 动作过程 由于P1 P2 对齿轮A合力矩顺时针 对B轮合力矩为零 A轮为主动轮 a b 过程中 A轮受的合力矩慢慢减小 B轮所受的合力矩慢慢增大 c 位置时 A轮所受的合力矩为0 B轮所受的合力矩增大 逆时针 B轮为主动轮 3 工作原理 流体 P1 P2 两齿轮交替产生旋转力矩而旋转 被测液体以半月形容积为单位一次一次由进口排至出口 n 椭圆齿轮的旋转速度 V0 半月形测量室容积 流量表示为 4 主要特点 最适于测量高粘度的流体 所测流量不能太小 流体不能有固体颗粒 机械夹杂物 使用温度 10 60 之内 精度高 0 2 0 5 压力损失小对直管段无要求 安装使用较方便结构复杂 入口端需加装过滤器 六 涡轮流量计turbineflowmeter 涡轮 转换器 流量 转速 放大器 电信号 f Q n 计数器 从叶轮流量计 水表 基础上发展起来的 涡轮流量计 涡轮流量计 液体涡轮流量计 气体涡轮流量计 1 结构 外壳 非导磁材料涡轮 流体使涡轮转动导流器 稳定流体流向 支撑叶轮磁电感应转换器 将转速信号 电脉冲信号 关键部分 放大器 涡轮 磁电感应转换器 放大器 外壳 导流器 涡轮流量计 2 工作过程 流体通过间隙 压差 涡轮旋转 涡轮周期性扫过磁钢 磁路的磁阻周期性变化 线圈中磁通量周期性变化 交流电信号 前置放大器放大 电子计数器或电子频率计 以累计或指示流量 f 转数 用于测量气体 液体 粘度大的除外 的流量 3 特点 测量精度高 0 5级常作标准表 受介质密度 粘度变化影响 耐高压 反应快 可测脉动流量 输出电频率信号 便于远传 被测介质不能带机械杂物 需装过滤器 设备复杂 造价高 抗干扰能力小 前后需有一定的直管段 七 电磁流量计 速度式 electromagneticflowmeter 测量导电性的液体介质 酸 碱 盐溶液 含有固体颗粒或纤维液体 变送器 转换器 Q Ex 显示仪表 0 10mA 电磁流量计 化工 冶金 造纸 水处理等行业 1 结构 变送器 测量导管 不导磁 一对磁极 永久性磁铁或交变的 将介质的流量 感应电势Ex 转换器 把Ex 统一的0 10mA直流信号输出 以进行指示 记录或与电动单元组合仪表配套使用 B N S EX 电磁流量计原理图 2 工作原理 当导电液体以某一流速 流过管道时 因切割磁力线 在管壁两端产生感应电势Ex 当磁感应强度B不变 管道直径D一定时 Ex的大小仅与流体的流速 有关 将此Ex经放大 转换 传送给显示仪表 指示出流量 又 Ex 感应电势K 比例系数B 磁感应强度D 管道直径v 液体速度K 仪表常数 3 特点 只能测量导电的液体 酸 碱 盐液体 各种高粘度的导电液体 含有纤维和固体颗粒 各种腐蚀性液体 不受介质的温度 压力 密度 粘度等影响 可用来测量脉动流量 压力损失较小 结构复杂 成本高 要求环境高 要远离磁源 无振动 不能测量气体 蒸汽 石油制品等的流量 八 漩涡流量计 涡街流量计 vortexsheddingflowmeter 测量各种管道中的液体 气体 蒸汽的流量 柱状物 Q 漩涡 f 铂丝 阻值变化 电压 电桥 0 10mA 或4 20mA 1 原理 利用有规则的漩涡剥离现象 元件 柱状物作为漩涡发生体 涡街流量计 输出指示计 外壳 漩涡发生体 转换部分 压电元件 测量气体 蒸汽或液体的体积流量 标况的体积流量或质量流量的体积流量计 并可作为流量变送器 涡街流量计 日本进口SSF卡尔曼涡街流量计 1 涡列的产生 h D h D 卡曼涡街 在流体中垂直插入一个非流线形的柱状物 在下游产生两列不对称但有规律的交替漩涡 卡曼涡街 通常不稳定 当h 0 281时 才稳定 单列漩涡频率 Sf 斯特劳哈尔系数 流体平均流速m sd 圆柱直径m 目前常用的阻流体形状有 圆柱体 压力损失小 但漩涡偏弱 三角柱体 漩涡强烈 压力损失稍大 方柱体 漩涡强烈 压力损失较大 2 漩涡频率的检测 热学法 用铂电阻丝 将f R 热学法电容法压差法 流体 漩涡发生体 产生静压差 流体由一侧进入 另一侧排出 铂丝温度下降 阻值减小 铂丝阻值交替变化的频率与漩涡频率相对应 由铂丝阻值变化的频率可求出Q 采用不平衡电桥将铂丝阻值变化的频率进行转换 放大和整形 再转换成0 10mA或4 20mA直流电流输出 以供显示 积累 控制 2 特点 无运动部件 无机械磨损 工作可靠 压力损失小 几乎不受流体性质的影响 精度高 可达1级 测量范围宽 可测液体 气体流量 输出脉冲信号 易于和数字仪表及计算机配合使用 九 质量流量计 直接测量单位时间内所流过介质的质量M 输出的信号与介质的M成比例 结构较复杂 只用于压力变化较大的可压缩流体 质量流量计分两大类 1 直接式 直接得到与质量流量成比例的信号 2 间接式或推导式 将体积流量计与密度计组合 同时检测出流体的Q和 通过运算器得出与M成比例的输出信号 1 直接式质量流量计 1 科里奥利质量流量计 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原理制成的 测量重油 沥青 乳液等高粘度流体 及高压气体 广泛用于石油 电力 化工 冶金 食品等行业 科里奥利力的产生 at ar Fc o 科里奥利力产生的原理 Fc 科里奥利力 上海中隆实业有限公司 中国上海 艾默生过程管理公司 新型大流量高准ELITE 科里奥利流量计 3寸高准Elite流量计用在卡车装料的流量测量 对掺气 高达30 和高粘度 高达10Pa s 流体的测试设备计算流量计的尺寸 组成 传感器 产生科里奥利力 变送器 使传感器产生振动 测量时间差 t的大小 并将其转换为质量流量 形状 直管型和弯管型 测量管数目 单管型和多管型 O O 科氏力流量计结构 支撑管 驱动器 电磁位置检测器 测量管 F1 F2 U形测量管端面振动扭转示意图 r1 r2 U形管科里奥利质量流量计 测量原理 驱动器 U形管 电磁位置检测器 转换器 振动 科式力 扭转 时间差 显示流量 流体 支撑管 特点 准确度高 一般为 0 25 最高可达