第六章-流量的检测..ppt

1,FlowMeasurement,流量测量,第6章,2,基本概念压差式流量计流体阻力式流量计测速式流量计振动式流量计质量流量计总量流量计,内容,3,第一节基本概念,Basicconcepts,4,流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量，前者称体积流量qv（m3/s)，后者称质量流量qm(kg/s)。,如果在截面上速度分布是均匀的，则：,流量的概念,5,流体总量：某一段时间内流过的流体量，即瞬时流量对时间的积分。,流量计：用来测量流量的仪表的统称。测量总量的仪表称为流体计量表或总量计。,6,1、流量是三大工业过程控制量(压力、温度、流量)之一；2、石油、天然气、化工原料等流体的计量直接关系到国家利益；3、自来水、灌溉、污水处理等关系到国计民生。,二.流量测量的重要性,Importanceoffluidflowmeasurement,7,大型化工企业中，流量是控制工艺过程和保证产品质量的关键因素。,8,三.所用的一些技术术语,Sometechnicalterms,1、粘度2、压缩性3、层流、紊流4、雷诺数,9,1粘度(Viscosity),粘度表征流体的流动阻力，如左下图。,y,x,流体层间剪切应力为：,动力粘度dynamicviscosity(Pa.s),运动粘度kinematicviscosity(m2/s),10,不可压缩性(incompressibility):液体，其密度随温度而变化。可压缩性(compressibility):气体，其密度随温度和压力而变化。,2压缩性,11,层流(laminarflow)流体沿直线顺着与管道平行的流线规律运动。,3层流和紊流,流体在细管中的两种流动形式。,紊流(turbulentflow)流体质点的运动是紊乱的。,12,4雷诺数(Reynoldsnumber),利用雷诺数可以判断流动的形式。,Re2000紊流,结论：流动状态由流体比重、管道直径、流速、流体粘度决定。,13,连续性方程伯努利方程,四.基本流体方程,14,(EquationofContinuity),流体在管道内作稳定流动的情况（流场中任意点的流速不随时间变化的流动）：,1连续性方程,1,2,截面积：A1A2流速：密度：12,为某截面积上的平均速度,不可压缩的流体在稳定流动时，流过各截面流体的体积为常量。,15,2伯努利方程,(BernoullisEquation),动能,压力能,势能,+,流体能,16,3伯努利方程的构成,h1,h2,能量守恒：,17,五.流量计分类,容积式,总量流量计,瞬时流量计,速度式,压差式,流体阻力式,测速式,流体振动式,容积流量计,质量流量计,18,第二节压差式流量计,Differentialpressureflowmeter,19,一.压差式管道用流量计,A1,v1,P1,A2,v2,P2,压差式管道流量计示意图。,A截面积v流速P压力,20,1伯努利方程的一般式,h1,h2,21,水平放置：,不可压缩液体：,2伯努利方程的特例,22,利用流体连续性方程，体积流量：,测节流装置上、下游的压力差,23,主要由两部分组成：节流装置和测量静压差的差压计。,3节流式流量计,节流装置安装在流体管道中，使流体的流通截面发生变化，进而引起流体静压变化。,常用的节流装置有文丘利管、喷嘴、孔板。,24,文丘利管压力损失最小，而孔板压力损失最大。,4常用的节流装置,文丘利管,喷嘴,孔板,25,26,文丘利管流量计实物图,27,28,(Openchannelmeasurement),二.压差式明渠用堰式流量计,H堰顶与上游水面距离h堰后离原始液面的深度，该处流速为。,29,v1很小,（A为总面积）,体积流量：,30,1矩形槽渠,修正后：,如下图可得：,C为堰释放系数,31,2三角槽渠,槽宽L不是常数,32,修正后：,C为堰释放系数,堰槽流量计由堰槽和与之配套的液位传感器及流量显示仪表组成。,33,第三节流体阻力式流量计,Fluidresistanceflowmeter,34,管道内置入一阻力体。,根据阻力体不同，这类流量计有：转子(浮子)流量计靶式流量计,一.工作原理,流量大小,阻力体受力变化,阻力体运动位置变化,35,浮子受力：B:流体内浮子的浮力F:流体作用于浮子的力W:浮子的重力,W,F,B,锥体,浮子,环隙,1.转子(浮子)流量计,结构：锥形管浮子,转子(浮子)流量计原理图,36,力平衡条件：,转子(浮子)流量计的测量原理,重力浮力阻力,37,该环形流通面积为A0，则体积流量为：,38,则体积流量：,39,R,r,h,qv与h近似成线性关系。,40,流体流量的修正：标定流体的密度为0，实测流体的密度为，则在同一个A0处有：,从仪表刻度上读出的流量值乘上修正系数Cg，为实测值。,41,结构简单；使用维护方便；测量范围宽；工作可靠且线性刻度；适用性广。,转子(浮子)流量计的特点,42,其测量元件是一个在测量管中心并垂直于流向的被称为“靶”的圆板。通过测量流体作用在靶上的力而实现流量测量。,2.靶式流量计,结构：流量变送器显示,可用于低雷诺数、高粘度、含固体颗粒的浆液及腐蚀介质流量测量。,43,流体和靶表面的摩擦力压差阻力,靶式流量计的测量原理,当流体的雷诺数达到一定数值，阻力系数保持常数，阻力如右式：,44,流量与靶输出力F的平方根成正比。测量靶所受的力F，就可以测定被测介质的流量。,因此可得环隙中的平均流速：,45,流量计分类,容积式,总量流量计,瞬时流量计,速度式,压差式,流体阻力式,测速式,流体振动式,容积流量计,质量流量计,46,第四节测速式流量计,Velocity-inferedflowmeter,47,1.电磁流量计2.涡轮流量计3.超声波流量计,测速式流量计的分类,48,基本结构:均匀磁场非导磁管道一对电极,一.电磁流量计,工作原理:法拉第电磁感应定律。导体作切割磁力线运动时会感应电势。,49,测量原理,导电液体在内径为D，磁场强度为B的导管内以平均速度v流动时，产生的电位差为：,则体积流量与感应电动势成正比：,50,1直流励磁2交流励磁3低频方波励磁,励磁方式,51,优点：受交流电磁场干扰小；缺点：电解质液体易被极化。,1.直流励磁,用直流激励或永久磁铁产生恒定磁场。,一般只用于测量非电解质液体，如液态金属等。,52,极化：即电解质在电场中被电解，产生正负离子，在电场力的作用下，负离子跑向正极，正离子跑向负极。这样，将导致正负电极分别被相反极性的离子所包围，严重影响仪表的正常工作。,1.直流励磁,53,大都采用工频(50Hz)交流励磁；优点：消除了电极表面的极化干扰；缺点：电磁干扰大。,2.交流励磁,则体积流量与感应电动势成正比：,感应电动势：,54,3.低频方波励磁,综合了直流励磁方式和交流励磁方式的优点。其频率通常为工频的12l10。,在半个周期内，磁场是恒稳的直流磁场，它具有直流励磁的特点，受电磁干扰影响很小；整个时间过程中，方波信号又是一个交变的信号，它能克服直流励磁易产生的极化现象。,55,1.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；2.无机械惯性，反应灵敏，可以测量脉冲流量；3.线性较好,可直接进行等分刻度；4.只能测量导电液体，不能测量气体、蒸气以及大量气泡的液体或者电导率很低的液体；5.不能用于测量高温介质。,电磁流量计的特点,56,以动量矩守恒原理为基础，涡轮的旋转速度随流量的变化而变化，从涡轮的转速可求出流量值；,二.涡轮流量计,57,qv=f/K,f流量计输出信号的频率；K流量计的仪表系数；,58,1）高精确度，基本误差可达0.251.5，在所有流量计中，它属于最精确的。2）重复性好，短期重复性可达0.05-0.2；3）输出脉冲频率信号，无零点漂移，抗干扰能力强。4）测量范围度宽，中大口径可达40：1-10：1。5）结构紧凑轻巧，安装维护方便。6）适用高压测量，仪表表体上不必开孔，易制成高压型仪表。7）难以长期保持校准特性，需要定期校验。,涡轮流量计的特点,59,超声波流量计的原理：流速不同会使超声波在流体中传播的速度发生变化，通过分析计算改变的超声波信号，可以检测到流体的流速，进而可以得到流量值。,三.超声波流量计,主要介绍传播速度差法和多普勒法。,60,通过测量超声波脉冲在顺流和逆流传播过程中的速度之差来得到到被测流体的流速。,1.传播速度差法,测量速差的方法有：时差法、相差法和频差法。,F1到J2超声波传播速度为：,F2到J1超声波传播速度为：,得到：,61,1）时差法,测量顺、逆流传播时由于超声波传播速度不同而引起的时间差。,顺流传播时间为：,逆流传播时间为：,时间差为：,62,1）时差法,因此可得出流速：,流量正比于时间差：,63,测量顺、逆流传播时超声波信号的相位差。,2）相差法,F1和F2发射角频率为w的连续超声波，则J1和J2到的信号相位差为：,流量正比于相位差：,64,脉冲重复频率的定义:在单通道中一个发射脉冲被接收器接收之后，立即发射出另一个脉冲，这样以一定频率重复发射,这个频率称为脉冲重复频率。,频差法是目前常用的测量方法，它是在前两种测量方法的基础上发展起来的,测量顺、逆流传播时超声脉冲的重复频率差。,3）频差法,65,顺流和逆流重复发射频率分别为:,3）频差法,频率差为：,流量正比于频率差：,66,多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动，会引起反射声波与声源在频率上的变化，这种频率变化正比于运动目标和静止的换能器之间的相对速度。,2.多普勒法,利用声学多普勒原理确定流体流量。,67,从发射晶体T1发射的超声波束遇到流体中运动着颗粒或气泡，再反射回来由接收晶体R1接收。发射信号与接收信号的多普勒频率偏移与流体流速成正比。,多普勒法原理,（忽略管壁影响，并假设流体没有速度梯度，以及粒子是均匀分布的。）,68,超声波流量计的特点,优点：流体中不插入任何元件，对流速无影响，也没有压力损失；能用于任何液体，也能测量气体的流量；非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量；量程比较宽，可达5：1；输出与流量之间呈线性等优点。缺点：只能用于测量200以下的流体；结构复杂，成本较高。,69,流量计分类,容积式,总量流量计,瞬时流量计,速度式,压差式,流体阻力式,测速式,流体振动式,容积流量计,质量流量计,70,第五节振动式流量计,vibrationflowmeter,71,利用流体流过阻碍物时产生稳定的漩涡，通过测量其漩涡产生频率而实现流量计量。,1.典型结构:涡街流量计,由涡街流量传感器和流量显示仪表两部分构成。,（Vortexflowmeter),72,在流动的流体中放置一根其轴线与流向垂直的非流线型柱形体(如三角柱、圆柱等)，称之为漩涡发生体。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。,2.理论基础:“卡门涡街”原理,73,74,冯.卡门对涡街的稳定条件进行了研究，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之比满足下面的关系时，所产生的涡街才是稳定的。,75,3.圆柱体后漩涡发生的频率,柱体后漩涡发生的频率为：,其中St是与雷诺数有关的无量纲数，称为斯特罗哈数。,则体积流量为：,76,结构说明：圆柱体表面开有导压孔，与圆柱体内部空腔相通，空腔由隔板分成二部分。现象：当旋涡在圆柱体下侧产生时，出于升力的作用圆柱体下方的压力比上方高，反之当旋涡在圆柱体上侧产生时，上方压力比下方高。,旋涡频率的可能检测方案:1.铂电阻丝温度计法2.膜片法3.压电晶体法4.超声波法,4.漩涡频率的检测,77,被测流体本身就是振动体，无机械可动部件，几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响；可得到与流量成正比的频率输出信号；应用范围广泛，可适用液体、气体和蒸气。测量范围宽，一般范围度可达10：1以上；精确度为中上水平；,5.振动式流量计的特点,78,流量计分类,容积式,总量流量计,瞬时流量计,速度式,压差式,流体阻力式,测速式,流体振动式,容积流量计,质量流量计,79,第六节质量流量计,massflowmeter,80,1.在工业生产中，由于物料平衡，热平衡以及储存、经济核算等所需要的都是质量，并非体积；2.在测量工作中，常需将测出的体积流量，乘以密度换算成质量流量，设备复杂，测量耗时；3.密度随温度、压力而变化，在温度、压力变化比较频繁的情况下，难以达到测量的目的。用质量流量计来直接测量质量流量，则无需再进行上述人工换算。,为什么需要质量流量计?,81,1直接式2推导式3补偿式,质量流量计大致分为三大类：,82,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。,1,直接式质量流量计,直接式质量流量计有两种：,1)科里奥利质量流量计2)热式质量流量计,83,1)科里奥利质量流量计,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。,法向加速度：即向心加速度ar，其量值为2r，方向朝向P轴。切向加速度at：即科里奥利加速度，其量值为v，方向与ar垂直。,84,1)科里奥利质量流量计,科里奥利力：,当密度为的流体在旋转管道中以恒定速度v流动时，任何一段长度x的管道都受到一个切向的科里奥利力Fc的作用。,因此，测得科里奥利力就可得到质量流量。,85,科里奥利质量流量传感器,1)科里奥利质量流量计,测量管振动激励系统中的驱动线圈A,检测测量管挠曲的光学检测探头或电磁检测探头B,86,缺点：对外界振动干扰较为敏感，为防止管道振动影响，大部分型号的流量传感器安装固定要求较高。不能用于较大管径，目前尚局限于150（200）mm以下。大部分型号重量和体积较大。价格昂贵。约为同口径电磁流量计的28倍；,1)科里奥利质量流量计,优点：精度高、量程比大、动态特性好可测量流体范围广泛，包括高粘度液的各种液体、含有固形物的浆液等。流体密度变化对测量值得值的影响微小。,87,2)热式质量流量计,利用传热原理，即流动中的流体与热源之间热量交换关系来测量流量，当前主要用于测量气体。,88,组合体积流量计和密度计来测量质量流量，通过运算得