第二章-流量测量..ppt

第五节流量检测 概述 流量是指单位时间内流动介质流经管道 或通道 中某截面的数量 也称瞬时流量 而在某一段时间内流过的流体总和 即瞬时流量在某一段时间内的累积值 称为累积流量 体积流量 平均速度 单位为质量流量单位为 流量测量 流量检测方法的分类 体积流量 质量流量体积流量 直接法 间接法直接法 容积法 直接测出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 椭圆齿轮流量计腰轮流量计刮板流量计活塞式流量计等等 流量测量 间接法 速度法 测量平均流速节流式流量计力学转子流量计力学涡轮流量计力学涡街流量计力学电磁流量计电学超声波流量计声学热线风速仪热学 流量测量 质量流量直接式 科里奥利质量流量计间接式 差压流量计与密度计组合差压流量计与速度流量计组合靶式流量计与速度流量计组合 流量测量 1 根据节流原理 当流体流经节流元件 阻力件 时 在节流元件两端产生差压 该差压的大小与流量 流速 成正比 2 作为流量测量的节流元件有标准节流元件和特殊节流元件 其中标准节流元件有标准孔板 标准喷嘴 标准文丘里管 节流式流量计 标准孔板节流现象 标准孔板检测原理对于不可压缩理想流体 则根据伯努利方程有 V10V20为截面1 2管道中心流速截面1 2处平均流速与管中心的流速有如下关系 流体的连续性方程 节流式流量计 流体流量简化为 为流量系数 m d D d 孔板开孔直径 D 管道内径孔板开口面积为A0 截面1 2的面积为A1 A2 收缩系数 A2 A0 流体流量为 引压管 节流式流量计的组成 原理总结 节流装置 差压变送器 显示仪表 控制器 流体在管道中正常流动 v p 节流件使流体收束 流速增大 压力降低 节流件前后出现 压差 压差 与流量有关 再采用差压变送器 将差压信号转换为统一的标准信号 便于显示及控制 组成框图 标准节流装置节流装置包括节流件 取压装置和符合要求的前 后直管段 孔板流量计 节流式流量计 节流式流量计 特点 结构简单 工作可靠 管径D 50 1000mm 量程比3 1 几乎能测各种工况下的介质 但不能有脏污物 标准孔板 节流式流量计 检测原理 基于电磁感应定律当导电流体 相当于导体 在磁场中作垂直于磁场方向流动而切割磁力线时 在两电极上也会产生感应电势 其方向由右手定则判断 其大小为 因为 则 k是仪表常数 电磁流量计 电磁流量计的结构磁路系统 直流磁场简单 但使管道中的导电液体电解 电极极化 常采用交变磁场 按励磁绕组不同主要有两种结构 集中绕组和分组绕组式 测量管 材质要不导磁 低导电率 低导热率 具有一定强度 可选用不锈钢 玻璃钢 高强度塑料等材料 电磁流量计 电极 测量感应电势衬里 直接接触被测介质 主要作用是增加测量管的耐磨与耐蚀性 防止感应电势被金属测量管管壁短路外壳 一般用铁磁材料制成 它是保护励磁线圈的外罩 并可隔离外磁场的干扰转换电路 流体流动产生的感应电势十分微弱 而且各种干扰因素的影响也很大 转换电路的目的是将感应电势放大并能抑制主要的干扰信号 电磁流量计 电磁流量计的特点 测量导管中无可动部件 压力损失小 并可测含有杂物 悬浮物等流体的流量 只要流体导电 结果与流体的温度 压力 密度 粘度无关 量程比较宽10 1 反应速度快 可测脉动流量 电磁流量计 电磁流量计 电磁流量计 主要缺点 被测流体必须是导电的 不能测量气体 蒸汽和石油制品等的流量 由于衬里材料的限制 一般使用温度为0 200 因电极嵌装在测量导管上的 使工作压力限制 一般 0 25MPa 电磁流量计 电磁流量计的安装可以水平安装 也可以垂直安装 直管段要求 前10D 后5D以上 远离磁场 变送器前后管道有时带有较大的杂散电流 一般要把管道和变送器外壳连接在一起 共同接地 椭圆齿轮流量计 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 模型演示 腰轮流量计 刮板流量计 容积式流量计特点和要求 计量精度高 一般可达0 2 0 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10 150mm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 可就地显示 远传显示 容积式流量计特点和要求 刮板流量计 椭圆齿轮流量计 腰轮流量计 又称恒压降变面积流量计 适用于中小流量 检测原理流体在锥形管中自下而上流动 其中的浮子 转子 将稳定在某一个位置 转子流量计 对浮子受力分析 浮子重力 浮力 流体阻力 A0 管道流通面积 Af 浮力面积 最大 C 阻力系数Vf 浮子体积 转子流量计 转子流量计 流量修正1 介质为水的流量方程当转子流量计的转子高度为h时 流量qv0与h的关系满足 式中 qv0为用水标定时的流量刻度 t w分别为浮子和水的密度V为浮子体积h为浮子高度 为仪表常数 转子流量计 2 介质不是水的流量方程流量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 转子流量计 3 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 则它们的流量关系有 此即为液体介质流量修正公式 转子流量计分类1 金属转子与玻璃转子2 转子流量计根据显示方式的不同可分为两类 直接指示型的转子流量计 电远传转子流量计 转子流量计 转子流量计的特点主要适用于中小管径 较低雷诺数的中小流量的检测 结构简单 使用方便 工作可靠 仪表前直管段长度要求不高 基本误差约为仪表量程的 1 2 量程比可达10 1 易受工作介质密度 粘度 纯净度等影响 转子流量计 转子流量计 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 转子流量计 解 质量流量的修正公式 因此 因此 1878年斯特劳哈尔 Strouhal 就发表了关于流体振动频率与流速关系的文章 涡街流体振动现象用于测量研究始于20世纪50年代 如风速计和船速计等 60年代末开始研制封闭管道流量计 涡街流量计 诞生了热丝检测法及热敏检测法VSF 70 80年代涡街流量计发展异常迅速 开发出众多类型阻流体及检测法的涡街流量计 并大量生产投放市场 涡街流量计 VSF 涡街流量计漩涡流量计有两种 卡门漩涡流量计 应用自然振荡的卡门漩涡列原理而制成 旋进式漩涡流量计 应用强迫振荡的漩涡旋进原理而制成 卡曼涡街产生原理 在流体中设置旋涡发生体 阻流体 从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡 这种旋涡称为卡曼涡街 根据卡曼涡街原理 有如下关系式 涡列频率 斯特罗哈数 涡列发生体两侧流体的平均流速 涡列发生体迎流面的最大宽度 涡列发生体两侧的流通截面积 体积流量 斯特罗哈数St主要与漩涡发生体的形状和雷诺数有关 形状确定后 在一定雷诺数范围内St为常数 涡街稳定条件 流体流经柱体时 速度上升 压力下降 节流 在圆柱体后速度下降 压力上升 当ReD 60时 从旋涡发生体两侧会产生旋向相反 且交替出现的旋涡 当涡街宽度h 相邻旋涡间距l 0 2806时 涡街达到稳定 2 3涡街结构 VSF由传感器和转换器两部分组成 传感器包括旋涡发生体 阻流体 检测元件 仪表表体等 转换器包括前置放大器 滤波整形电路 D A转换电路 输出接口电路 端子 支架和防护罩等 图2涡街流量计 旋涡频率检测方法 大致分为两类 1 检测旋涡发生时流速变化 采用的元件有热丝 热敏电阻 超声波探头等 2 检测旋涡发生时压力变化 采用的检测元件有压电元件 应变元件 膜片 压电 膜片 电容等 热电阻法 把圆柱做成空心 中间放入一个加热的电阻丝 在隔板层开几个导压孔 当一侧产生涡列时 P变化 脉动 另一侧未变 所以流体经过导压孔突然流过电阻丝 使之冷却 温度降低 电阻减小 另一侧再产生涡列时 流体再次冷却 电阻减小 测出电阻下降的次数就可以推出频率f 电磁检测法 旋涡发生体后设置一个信号电极 并使电极处于一个磁感应强度为B的永久磁场中 流体旋涡的振动使电极同频率振动 切割磁力线产生感应电动势 热敏电阻法 在三角柱体的迎流面上对称的嵌入两个热敏电阻 热敏电阻中通入恒定的电流 使之温度在流体静止的情况下比流体高出10 左右 未起漩时 流体的温度相同 交替旋转时 发生漩涡的一侧 能量损失 因此流速降低 此侧对电阻的冷却作用下降 可以产生一个脉冲 转换器 检测元件把涡街信号转换成电信号 该信号既微弱又含有不同成分的噪声 必须进行放大 滤波 整形等处理才能得出与流量成比例的脉冲信号 不同检测方式应配备不同特性的前置放大器 如表1所列 表1检测方式与前置放大器 图5转换器原理框图 Rosemount涡街 缩径型 双头型 法兰型 夹持型 分体型 多参数型 安装使用注意事项 1 涡街流量计对管道流速分布畸变 旋转流和流动脉动等敏感 对现场管道安装条件应充分重视 遵照生产厂使用说明书的要求执行 2 涡街流量计可安装在室内或室外 3 传感器在管道上可以水平 垂直或倾斜安装 但测量液体和气体时为防止气泡和液滴的干扰 安装位置要注意 混相流体的安装 涡街流量计对上 下游直管段长度的要求 涡街流量计的特点精度高0 2 1 0 量程比100 1 20 1 几乎不受流体性质变化的影响结构简单 频率输出 便于数字化测量 f与v成正比 涡轮流量计 1 基本工作原理涡轮流量计是从叶轮流量计 水表 基础上发展起来的流体冲击涡轮叶片 使涡轮旋转 涡轮的旋转速度随流量的变化而变化 通过涡轮外的磁电转换装置可将涡轮的旋转转换成电脉冲 转动的频率与流量等相关 涡轮流量计 流量方程 涡轮角速度 仪表转换系数 与叶轮半径和流体性质相关系数 涡轮流量计特点和要求1 流量与涡轮转速之间成线性关系 量程比一般为1O 1 2 涡轮流量计的测量精度较高 可达到0 5级以上 3 反应迅速 可测脉动流量 4 主要用于中小口径的流量检测 涡轮流量计 质量流量的检测方法主要有两大类 直接式 间接式直接式 直接测量被测流体的质量流量 测量原理有以下几种 1 利用能量的传递 转换相关原理测量 如量热式质量流量计等 2 利用力和加速度相关原理测量 如科里奥利式质量流量计 间接式 先测中间量 后推算出质量流量 测量方法有以下几种 1 双通道检测法 即测量两个与流量有关的中间量 并对这两个中间量作运算处理 推出被测参数的质量流量 2 组合法 即通过体积流量和密度的组合测出得出质量流量 3 补偿法 通过测量被测流体的温度和压力将被测流体的体积流量自动换算成标态下的体积流量 从而间接测出质量流量 质量流量计 组合式质量流量计它是在管道上串联多个 常见的是两个 检测元件 或仪表 建立各自的输出信号与流体的体积流量 密度等之间的关系 通过组合 联立求解方程间接推导出流体的质量流量 组合式质量流量计 主要的组合方式有 1 q2检测器和密度计的组合方式能检测管道中流体的流量计有节流流量计和动压流量计 把它们与密度计组合起来就成为能间接求出质量流量的质量流量计 此种形式的质量流量计的原理如下图所示 组合式质量流量计 组合式质量流量计 图 q2检测器与密度计组合的质量流量计原理图 组合式质量流量计 2 qV检测器和密度计的组合方式能用来检测管道中流体的体积流量qV的检测器有容积流量计 电磁流量计 超声波流量计 涡轮流量计等 组合式质量流量计 图qV检测器和密度计组合的质量流量计原理图 组合式质量流量计 3 q2检测器和qV检测器的组合方式这种方式的原理图如下图所示 即由节流流量计那样的 q2检测器和容积流量计或涡轮流量计那样的qV检测器组合而成 组合式质量流量计 图 q2检测器和qV检测器的组合质量流量计原理 直接式质量流量计直接式质量流量检测方法有许多种 由两个用弹簧连接的涡轮构成的涡轮转矩式方法 应用麦纳斯效应的检测方法和基于科里奥利力的检测方法等 质量流量计 科里奥利式质量流量计 科里奥利式质量流量计 英文缩写CMF 研究起始于上世纪50年代 1977年 高准公司 MicroMotion 制成世界上第一台科里奥利式质量流量计 到80年代中后期各仪表厂家相继开发 科里奥利式质量流量计 1 科里奥利式质量流量计基本工作原理 科里奥利质量流量计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仪表 利用两管的振动 摆动 相位差来反映流经该U形管的质量流量 将充水软管 水不流动 两端悬挂 使其中段下垂成U形 静止时 U形的两管处于同一平面 并垂直于地面 左右摆时 两管同时弯曲 仍然保持在同一曲面 图a 若将软管与水源相接 使水由一端流入 从另一端流出 如图b和c 当U形管受外力作用向右