山东建筑大学热工检测课第9章.ppt

,第1节容积式流量测量方法,基本依据是，单位时间内被测流体充满(或排出)某一定容容器的次数。即有qv=nV式中，V为定容容器的容积;n为单位时间内被测流体充满(或排出)定容容器的次数。,形式：椭圆齿轮式、腰轮式、刮板式、活塞式等。特点：流动状态对测量的影响小，精度高；有一定的压力损失；不宜用于高温、高压、脏污介质的测量。,椭圆齿轮流量计原理图1外壳2椭圆形转子(齿轮)3测量室,湿式气体流量计动画,容积式仪表的准确度受流量大小、流体黏性的影响很小，特别适用于小口径管道流量和高粘度流体流量测量。在测量总量时，准确度高，一般可达+（0.10.5）%，但仪表有转动部分，惯性较大，动态特性不好。,容积式流量计误差特性曲线,从图可知，在流量较小时，误差向负的方向倾斜。,容积式流量计误差特性曲线,这是由于在小流量时流体的泄漏量(流体通过运动件和外壳之间或通过阀的间隙直接从输入口流至出口，称这种仅经过而不流入流量计内的流体为泄漏)相对比较大，误差就很大，,容积式流量计误差特性曲线,因此，流速仪只有在一定流量以上(如1520满量程)使用时才能保证有足够的准确度。当流量过大时，由于仪表进出口差压增大，误差也要增大。,第2节速度型流量计,原理：速度型流量计以流体一元流动的连续方程为理论依据，即当流通截面确定时，流体的体积流量与截面上的平均流速成正比。,形式：差压式、转子式、涡轮式、层流式，电磁式、声波式.特点：使用性能好，精度高；可用于高温、高压介质的测量，流动状态、Re对测量的影响大。,流体有粘性，当它在管内流动时，即使是在同一管路截面上，流速也因其流经的位置不同而不同。越接近管壁，由于管壁与流体的粘滞作用，流速越低；管中心部分的流速最快。流体流动状态不同将呈现不同的流速分布。,研究具有圆形截面的管内流动情况，当管内流体为层流状态时，沿半径方向上的流速分布可用下式表示：,研究具有圆形截面的管内流动情况，管内流体为紊流状态时，沿半径方向上的流速分布为：,随流体雷诺数不同而变化的系数,圆管内的流速分布,一涡轮流量计,构造：导流器、涡轮、壳体、转速传感器、二次仪表。,壳体（表体）：承受被测流体的压力、固定安装检测部件和连接管道；壳体采用不导磁不锈钢或硬铝合金制造,导向体：对流体起导向整流以及支撑叶轮的作用，通常选用不导磁不锈钢或硬铝材料制作,涡轮（叶轮）：流量计的检测元件，高导磁性材料,轴与轴承：支撑叶轮旋转,信号检测器：感应线圈和永久磁铁一起固定在壳体上。国内常用变磁阻式,原理：当被测流体流经涡轮并推动其转动时，高导磁性的涡轮叶片就周期性地扫过磁电转换器的永久磁铁，使磁路的磁阻产生相应的变化，,原理:致使通过感应线圈的磁通量也随之发生周期性变化，从而在线圈内产生交变的感应电动势，即输出交流电脉冲信号。,脉冲信号的变化频率f就是涡轮转过叶片的频率，它与涡轮的转速n成正比，即,f=zn,f为磁电转换器输出的电脉冲频率；z为涡轮的叶片数目；n为涡轮转速。,结论：涡轮的转速n与被测流体的平均流速成正比，亦即与被测流量的大小成正比。,因此，转换器输出的电脉冲频率与被测流量qv之间的关系可表达为,式中，为流量计的仪表常数，也称流量系数，它与涡轮流量变送器的结构以及被测流体的性质等因素有关，一般通过试验标定的方法确定。,特性曲线,即仪表常数在流量测量范围内的变化特性。,特性曲线,仪表常数分为二段，即线性段和非线性段。,线性段的特性与传感器结构尺寸及流体粘性有关,非线性段，特性受轴承摩擦力，流体粘性阻力影响较大,二涡街流量计,工作原理: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，如图所示,旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列,L,h,当两列旋涡间距为h，同列中相邻旋涡间距为L，对于圆柱体当满足h/L=0.281时，旋涡体稳定。,单侧的旋涡产生的频率f与柱体附近的流体流速V、柱体尺寸d的关系,St为斯特劳哈尔系数,管道直径为D。在d/D小于0.3时，体积流量为：,漩涡频率的测量,在三角柱体的迎流面对称地嵌入两个热敏电阻组成桥路的两臂，以恒定电流加热使其温度稍高于流体，在交替产生的漩涡的作用下，两个电阻被周期地冷却，使其阻值改变，阻值的变化由桥路测出，即可测得漩涡产生频率，从而测出流量,LUGB型涡街流量传感器,采用国际先进技术而特别设计LUGB型涡街流量传感器，性能更稳定，抗振性能更好，是替代差压式(如孔板等)和其他流量传感器量理想的流量传感器。,主要特点：无可动部件，长期运行可靠性较高，输出信号是与流量成正比的脉冲信号，无零点漂移，方便同计算机联网；量程比大，可达1：10，而差压式流量计只有1：3；,主要特点：在一定的雷诺数内，输出的频率不受流体物性和组分的变化影响，测量精度高；压力损失较小，结构简单而牢固，安装、维护较方便。,涡街流量计不适用于低雷诺数测量（ReD2104），故在高粘度、低流速、小口径情况下应用受到限制。应根据上游侧不同形式的阻流件配置足够长的直管段或装设流动调整器（整流器）。对管道机械振动较敏感，不宜用于强振动场所。,主要用途：1、生产企业：车间能源考核：测量蒸汽、压缩空气、水等；生产工艺过程：测原材料等；2、能源供给单位：测量蒸汽、热水、自来水等。,T柱形旋涡检测器,流体流过T柱形旋涡发生体，出现卡曼涡列时，使粘贴在T柱形旋涡发生体两侧的敏感元件交替地受到茹科夫斯基升力的作用，输出相应频率的电信号。敏感元件有应变片、压电陶瓷、电感变换元件、电容变化元件等。,美国罗斯蒙特公司的8800型智能旋涡流量变送器，其检测原理为压电方式，如下图所示。,三电磁流量计,当导体在磁场中切割磁力线时，将产生电动势，该电动势的大小与磁感应强度B、导体长度L、垂直于磁力线方向的运动速度成正比。若三者垂直，,法拉第定律,B磁感应强度GsD管道直径m平均流速m/s,工作原理,注意：1为了防止磁力线被测量导管的管壁短路，导管由非导磁的材料组成。2当采用导电材料作导管，测量导管与电极之间需要加内衬。,变送器结构,特点,优点：压力损失小，适用于含有颗粒、悬浮物等流体的流量测量；可以用来测量腐蚀性介质的流量；流量测量范围大；流量计的管径小到1mm，大到2m以上；测量精度为0.5-1.5级；电磁流量计的输出与流量呈线性关系；反应迅速，可以测量脉动流量缺点：被测介质必须是导电的液体，不能用于气体、蒸汽及石油制品的流量测量；流速测量下限有一定限度；工作压力受到限制。结构也比较复杂，成本较高。,HDLDE电磁流量计,广泛适用于石油、化工、冶金等领域，用于电导率大于5us/cm的导电液体的流量测量。测量管内无活动及阻流部件，无压力损失，测量不受介质的密度、粘度、温度、压力和导电率变化的影响。选用衬里材料及电极材料具有良好的耐腐蚀性和耐磨性。低频矩形波励磁，不受工频及现场各种杂散干扰影响。,四超声波流量计,顺向：,逆向：,c为静止流体中的声速,v为流体流速,一般情况下，,即:,上式可写成：,缺陷：必须已知声速c，并且声速常随着温度的变化而变化，给测量带来测量误差。因此需要进行声速修正。,时差法,顺向：,逆向：,声循环频率差：,结论：流速只与频率差有关，与声速无关，消除了声速的影响,声循环法,时差法超声波流量计测量系统框图,超声波传感器,是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。,超声波传感器,超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。,超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。,PT300+便携式超声波流量计,英国梅克罗尼公司,便携:主机体积小，仅相当于一本英文字典大小，设计符合人体力学，便于在操作现场单手控制，重量轻，不到1.5KG仪器主机和所有附件都可放置在随机配置的防水箱中，只需将便携箱带至现场就可以完成所有工作,使用方便，操作简单：使用者只需知道管道的尺寸和材质，就可以出色地检测出各项参数通过主机面板上的按键可以设置高级功能标准配置内存储器，可储存53000个数据，储存时间间隔从5秒钟到1小时可调，可随时将数据下载到计算机或打印机中,五热式流量计,将一根通电加热的细金属丝（称热线）置于气流中，热线在气流中的散热量与流速有关，而散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号,当流体的密度、比热容、导热系数一定时，流体流速V与热线散热量Q之间的关系,如热线的阻值为R，通过的电流为I，则,如保持阻值R不变，通过测量电流I来确定流速，称为恒温式如保持电流I不变，通过测量阻值R来确定流速，称为恒流式则,热式质量流量计示意图,电源：24VDC精度：13%F.S.流通管径：20200工作温度：-2060输出：420mA、05VDC、232接口,第3节差压式流量测量方法,根据伯努利方程，测量差压计算流量,测量气流总压和静压以确定气流速度的一种管状装置。皮托管的构造如图,一皮托管与均速管,测速时头部对准来流，总压孔感受来流总压p0，经内管传送至压力计。,头部为半球形,后为一双层套管,皮托管头部迎流方向开有一个小孔A，称为总压孔,在距头部一定距离处开有若干垂直于流体流向的静压孔B，感受来流静压p，经外套管也传至压力计。,对于不可压缩流动，根据伯努利方程，流体参数在同一流线上有如下关系：,得流速为：,p0为总压，p为静压，为气流密度，V为流速,当气体流动的马赫数大于0.3时，需要考虑气体的压缩性效应，用下式进行修正：,为气体的压缩性修正系数,测量点的选择,皮托管只能测量管道截面上某一点流速，而计算流量需要截面上的平均流速分两种情况：层流、紊流,（1）层流：,r0=0.7071R,（2）紊流：,r0=0.762R,所以如果知道被测流体的状态，可根据流体的流速分布情况布置测点,管道内流体的速度分布,测量点的选择,层流：从管中心算起，r0=0.7071R处的流速为截面的平均流速；,紊流以等环面法为例：,圆形管道将截面分成面积相等的数个同心圆环。一般n=5，直径小于300mm时，n=3按中间矩形法布置测点。在每一个圆环内布置测点，测点所在圆周恰将圆环面积平分，推荐均布四个。也可按切比雪夫法布置测点。平均流速等于各点平均,测量点的选择,对数-线性法布置测点,在半径上取五点时：,说明：A、求平均值时各测点测量值的权重为1；B、测点应安排在相互垂直的四个半径上。,在半径上取三点时：,矩形管内紊流流动情形,均速管（阿纽巴管）,测量平均动压，即测量平均流速。,二靶式流量计,在管道的中心设置一圆盘形靶子作为节流件，靶子与管壁之间形成环形流通截面。流体P使靶子受一推力，测出此力便可以知道流量,靶感受冲击力,使主、副杠杆转动，使检测片移动,引起电感量变化。用于低雷诺数、含固体颗粒的浆液及腐蚀介质流量测量。结构简单，安装维修方便，成本低。,三转子流量计,恒压降变截面,流量不同转子的高度不同,（1）当压差P对浮子产生向上的作用力与介质对浮子的浮力之和等于浮子重量时，浮子就处于平衡状态。,（3）随着流量减少，差压P减小，所以浮子下降，,（2）随着流量的增加，差压P增大，所以浮子上升。,看看原理吧,由上面两式,由于锥度小，,流量公式,流量公式,转子(浮子)流量计,转子流量计在出厂时，对于测量气体的流量计，是以空气标定流量的，对于测量液体的流量计是以水标定流量的。当转子流量计用于其他气体或液体流量测量时，应进行密度修正。对应的校正系数为：,（1）介质为液体,刻度校正,（2）介质为空气或,刻度校正,HH50系列智能金属管浮子流量计,第4节质量流量计,以测量与流体质量有关的物理效应为基础，分为直接式、推导式和温度压力补偿式三种。,一直接式质量流量计,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仪表。,工作过程：,扭角与通过流体的质量有关,当质量为m的质点以速度在对p轴作角速度旋转的管道内移动时，质点受到两个分量的加速度及其力。法向加速度：即向心力加速度r，其量值等于2r，方向朝向P轴。,切向加速度：即科里奥利加速度t，其量值等于2，方向与垂直方向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2m,当密度为的流体在旋转管道中以恒定速度流动时，任何一段长度x的管道都将受到一个Fc的切向科里奥利力。,由于质量流量为qm=A，所以,直接或间接测量在旋转管道中流动流体产生的科里奥利力就可以测的得质量流量，这是科里奥利质量流量计的基本原理。通过旋转运动产生科里奥利力是困难的，目前产品均代之以管道振动产生的,科里奥利质量流量计,流量计结构主体采用两根并排的U形管，让两根管的回弯部分相向微微振动起来，则两侧的直管会跟着振动，即它们会同时靠拢或同时张开，即两根管的振动是同步的，对称的。如果在管子同步振动的同时，将流体导入管内，使之沿管内向前流动，则管子将强迫流体与之一起上下振动。流体为了反抗这种强迫振动，会给管子一个与其流动方向垂直的反作用力，在这种被叫做科里奥利效应力的作用下，管子的震动不同步了，入口段管与出口段管在振动的时间先后商会出现差异，（差异是由于入口段和出口段流体流向是相反的），这叫做相位时间差。这种差异与流过管子的流体质量流量的大小成正比。如果通过电路能检测出这种时间差异的大小，则就能将质量流量的大小给确定了。,二推导式质量流量计,推导式质量流量计是同时测取流体的密度和体积流量，通过运算而推导出质量流量的。一般，它由速度型流量计和密度计组合而成。,1差压式流量计与密度计的组合,差压式流量计的差压输出值与qv2成正比，配合密度计进行乘法运算后开方可得到质量流量，,2差压式流量计与体积流量计的组合,差压式流量计差压输出值与qv2成正比，而体积流量计输出信号与qv成正比，将这两个信号进行除法运算得到质量流量,差压式流量计与体积流量