流量检测仪表.ppt

1、1,第9章流量检测仪表,2,基本要求,了解流量检测的重要意义 掌握流量的基本概念及表示方法 掌握流量的测量方法和原理：节流式流量计、转子流量计、涡街流量计、电磁流量计、靶式流量计、容积式流量计、质量流量计、涡轮流量计、超声波流量计,3,9.1流量检测基础知识 流量：是指单位时间内流动介质流经管道（或通道，统称流道）中某截面的数量，也称瞬时流量。 累积流量：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。,1.定义,4,体积流量 单位为 质量流量 单位为,关系：,累积总质量Qm ，单位kg 累积总体积Qv，单位m3,累积总量Q,9.1.1体积流量和质量流量,体积流量

2、通常要折算到标准压力和温度下的体积流量。（标准状态下）,5,流体的密度受流体的工作状态（如温度、压力）影响。 对于液体，压力变化对密度的影响非常小，一般可以忽略不计。 温度对密度的影响要大一些，一般温度每变化10时，液体密度的变化约在1%以内。所以当温度变化不是很大，测量准确度要求不是很高的情况下，往往也可以忽略不计。,6,对于气体，密度受温度、压力变化影响较大，如在常温常压附近，温度每变化10，密度变化约为3%；压力每变化10kPa，密度约变化3%。 因此在测量气体流量时，必须同时测量流体的温度和压力。 为了便于比较，常将在工作状态下测得的体积流量换算成标准状态下（温度为20，压力为101

3、325 Pa）的体积流量，用符号qVN表示，单位符号为Nm3/s。,7,9.1.2流量检测方法 1.体积流量 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 腰轮 刮板 旋转活塞,精度较高,8,间接法（速度法）： 测量平均流速 节流式 力学 转子 力学 涡轮 力学 电磁 电学 超声波 声学 涡街 力学 热线风速 热学 激光多普勒 光学,9,2.质量流量 直接式：检测元件的输出直接反映质量流量。 科里奥利质量流量计 间接式：用两个检测元件分别测出两个相应的参数，通过运算间接获取质量流量。 如：通过测量体积流量和密度

4、来间接测量质量流量。,10,9.2节流式流量计 节流式（也称差压式）流量计是基于流体流动的节流原理，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。 节流过程：流体流过阻力件流束的收缩造成压力变化的过程，称为节流过程。 节流件：阻力件称为节流件；由此构成的流量计称为节流式流量计。,11,标准节流元件 (a) 孔板； (b) 喷嘴； (c) 文丘里管,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。,12,其中孔板最简单又最为典型，加工制造方便，在工业生产过程中常被采用。 标准节流装置按照规定的技术

5、要求和试验数据来设计、加工、安装，无需检测和标定，可以直接投产使用，并可保证流量测量的精度。,13,（1）孔板装置及压力、流速分布图,1.检测原理（主要讨论标准孔板的原理）,14,测量原理 流体流过节流装置前后产生压力差p(p=p1-p2)，且流过的流量越大，节流装置前后的压差也越大，流量与压差之间存在一定关系，这就是差压式流量传感器测量原理。 ,15,孔板装置及压力、流速分布图,要准确测量出截面、处的压力有困难，因为产生最低静压力p2的截面的位置随着流速的不同会改变。 因此，在孔板前后的管壁上选择两个固定的取压点，来测量流体在节流装置前后的压力变化。 因而，所测得的压差与流量之间的关系，与测

6、压点及测压方式的选择是紧密相关的。,注意,模型演示,16,（2）节流基本方程式,流量基本方程式阐明流量与压差之间的定量关系。它是根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程式推导而得的。,17,（2）节流基本方程式,可以看出：,要知道流量与压差的确切关系，关键在于的取值。,流量与压力差P的平方根成正比。,18,2.流量方程式的讨论 (1)流量系数（或流出系数C） 与节流元件形式（m）、取压方式、Re，管 道情况等有关。,19,取压方式 取压方式(即取压点的位置)不同,流量系数不同。 目前主要的取压方式有：角接取压、法兰取压、 取压法 雷诺数 表示流体的流动状态，对于给定的流体和流动条件，它反映了

7、流体的流动速度。,20,直径比 只要直径比值一定，则流量系数只是雷诺数的函数。 管壁粗糙度 对于标准孔板的流量系数，角接取压法是在相对平均粗糙度K/D3810-4的管道中测定的，法兰取压法和 取压法是在K/D1010-4的管道中测定的，其中K是管道内壁绝对平均粗糙度。,21,(2)可膨胀系数,对于不可压缩性流体，则=1； 对于可压缩流体，例如各种气体及蒸气通过节流元件时，由于压力变化必然会引起密度的改变，即12，这时在公式中应引入体积膨胀系数，可压缩性流体体积膨胀系数小于1；,22,(3)节流件的开孔面积 与材料的热膨胀系数 管道和孔板的开孔直径一般是在20时的值， 当温度发生变化时，其直径也

8、要变化。 孔板： 管道：,23,(4)流体密度 流量方程式中所用的密度是指被测介质在节流元件前的工作状态（温度、压力）下的值。 当工作时,实际流体密度与设计时不同时，应进行修正。 式中在右上角加“”的符号表示实际工作状态下的密度和流量，无上标“”的表示设计值或显示值。,24,（5）压力损失 流体通过节流元件时，一部分能量用来克服摩擦阻力和消耗在节流件后形成涡流上，而通过节流元件流体的静压力并不能完全恢复，可按下式估算： 说明：越小， 越大,25,3.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。 标准节流件孔板 标准取压装置 直管段,孔板流量计,26,（1）标准节流元件孔

9、板,标准孔板是一块具有与管道同心圆形开孔的圆板，迎流一侧是有锐利直角入口边缘的圆筒形孔，顺流的出口呈扩散的锥形。,结构简单，加工方便，价格便宜。压力损失较大，测量精度较低，只适用于洁净流体介质，测量大管径高温高压介质时，孔板易变形。,标准孔板,27,（2）节流装置的取压方式 根据节流装置取压口位置可将取压方式分为理论取压、角接取压、法兰取压、径距取压与损失取压五种:,节流装置的取压方式,28,目前广泛采用的是角接取压法，其次是法兰取压法。 法兰取压法结构较简单，容易装配，计算也方便，但精度较角接取压法低些。 角接取压法比较简便，容易实现环室取压，测量精度较高。,29,标准孔板采用角接取压法和法

10、兰取压法，标准喷嘴为角接取压法。,1管道法兰；2环室；3孔板；4夹紧环,30,节流（差压）式流量检测系统结构示意图,4.节流式流量计,31,节流装置是将被测流体的流量值变换成差压信号p，节流装置输出的差压信号由压力信号管路输送到差压变送器（或差压计）。由流量基本方程式可以看出，被测流量与差压p成平方根关系，对于直接配用差压计显示流量时，流量标尺是非线性的，为了得到线性刻度，可加开方运算电路或加开方器。如差压流量变送器带有开方运算，变送器的输出电流就与流量成线性关系。显示仪表则显示流量的大小。,32,1-节流元件 2-引压管路 3-三组阀门 4-差压计,节流式流量计组成与实物图,33,举例9-1

11、,一台节流式流量计，满量程为10kg/s,当流量为满刻度的65%和30%时，试求流量值在标尺上的相应位置（距离标尺起始点），设标尺的总长度为100mm。,34,举例,一台节流式流量计，用于测量水蒸气流量，设计时的水蒸气密度为8.93kg/m3。但实际使用时被测介质的压力下降，使实际密度减小为8.12kg/m3。试求当流量计读数为8.5kg/s时，实际流量为多少？由于密度变化使流量计指示值产生的相对误差为多少？。,35,节流式流量计的特点 结构简单，工作可靠 管径D501000mm 量程比3：1 几乎能测各种工况下的介质， 但不能有脏污物，流体的雷诺数要大于某个临界值。,标准孔板,36,5.节流

12、式流量计的测量误差,在现场实际应用时，往往具有比较大的测量误差，有的甚至高达1020。,37,（1）误差产生的原因,被测流体工作状态的变动。 节流装置安装不正确。 孔板入口边缘的磨损。 导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏现象 差压计安装或使用不正确,38,导压管要正确地安装，防止堵塞与渗漏，否则会引起较大的测量误差。对于不同的被测介质，导压管的安装亦有不同的要求，下面分类讨论。,测量液体流量时的取压点位置,测量液体流量时的连接图,1节流装置；2引压导管；3放空阀；4平衡阀；5差压变送器；6贮气罐；7切断阀,（2）导压管的安装,39,a) 取压点应该位于节流装置的下半部，与水平线夹角为045。,b

13、) 引压导管最好垂直向下，如条件不许可，导压管亦应下倾一定坡度（至少120110），使气泡易于排出。,c) 在引压导管的管路中，应有排气的装置。, 测量液体的流量时，应该使两根导压管内都充满同样的液体而无气泡，以使两根导压管内的液体密度相等。,40, 测量气体流量时。,a) 取压点应在节流装置的上半部。,b) 引压导管最好垂直向上，至少亦应向上倾斜一定的坡度，以使引压导管中不滞留液体。,c) 如果差压计必须装在节流装置之下，则需加装贮液罐和排放阀，如图所示。,测量气体流量时的连接图,1节流装置；2引压导管；3差压变送器；4贮液罐；5排放阀,41, 测量蒸汽的流量时，要实现上述的基本原则，必须解

14、决蒸汽冷凝液的等液位问题，以消除冷凝液液位的高低对测量精度的影响。常见的接法见图所示。,测量蒸汽流量的连接图,1节流装置；2凝液罐；3引压导管； 4排放阀；5差压变送器；6平衡阀,42,隔离罐的两种形式,测量腐蚀性（或因易凝固不适宜直接进入差压计）的介质流量时，必须采取隔离措施。常用的两种隔离罐形式如图所示。,43,9.3转子流量计 又称恒压降变面积流量计，适用 于中小流量。 1.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。,模型演示,df,44,浮子受力分析： A0环状流通面积；Af浮子面积（最大） 阻力系数,df,45,浮子受力分析： A0环状流通面积；

15、Af浮子面积（最大）,df,46,2.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12%，量程比可达101； 易受工作介质密度，粘度，纯净度等影响,47,9.4 涡街流量计也称漩涡流量计(1)涡街流量计原理 在均匀流动的流体中,垂直地插入一个具有非流线型截面的柱体,称为漩涡发生体，是漩涡流量计的核心。漩涡发生体的形状主要有基本漩涡发生体（圆柱形、方柱形和三角柱形），也有组合式的。,48,9.4 涡街流量计也称漩涡流量计(1)涡街流量计原理 在漩涡发生体两侧会产生旋转方向相反、交替出现的漩涡，

16、并随着流体流动，在下游形成两列不对称的 “卡门涡街” 。,49,(1)涡街流量计原理,在一定的雷诺数Re范围内，体积流量qv与旋涡的频率f成线性关系。只要测出旋涡的频率f就能求得流过流量计管道流体的体积流量qv。,50,其体积流量方程式为:,漩涡产生的频率；v流体流速；d直径漩涡发生体的特征尺寸； St斯特劳哈尔数；D管道内径 ；A0在漩涡发生体处的流通截面积 A管道的截面积,单列旋涡产生的频率f为:,51,涡街流量计频率检测原理,(2) 漩涡频率测量漩涡频率的检测方法有很多，一般与漩涡发生体形状有关。热电丝圆柱体,52,热敏电阻三角柱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

17、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，即可测得漩涡产生的频率，从而测出流量。,压电元件组合式 超声波检测元件三角柱,53,(3) 涡街流量计的特点优点: 涡街流量计测量精度较高；量程比宽,可达30:1； 频率输出，便于数字化测量，f与v成正比； 使用寿命长，压力损失小，安装与维护比较方便； 测量几乎不受流体参数变化的影响，用水或空气标定后的流量计无须校正即可用于其它介质的测量； 易与数字仪表或计算机接口,对气体、液体和蒸汽介质均适用。,缺点:流体流速分布情况和脉动情况将影响测量准确度，因此适用于紊流流速分布变化小的情

18、况，并要求流量计前后有足够长的直管段。,54,涡街和旋进流量计,55,9.5 电磁流量计(1)检测原理法拉第电磁感应原理 当被测导电流体在磁场中沿垂直磁力线方向流动而切割磁力线时，在对称安装在流通管道两侧的电极上将产生感应电势，此电势与流速成正比。,56,流体流量方程为：,B为磁感应强度 ； D管道内径 ； v流体平均流速； E感应电势。,感应电势大小为：,57,（2）电磁流量计的结构,磁路系统 测量管 电极：测量感应电势 衬里 外壳 转换电路,58,MKULC2100 系列电磁流量计,59,（3）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

19、体导电，流量与流体的温度、压力、密度、粘度无关。 量程比较宽10：1。 反应速度快。,电磁流量计,60,61,9.6容积式流量计 常见的容积式流量计：椭圆齿轮流量计、腰轮(罗茨)流量计、刮板流量计、活塞式流量计、湿式流量计及皮囊式流量计等。 1.检测原理：使被测流体充满具有一定容积的空间，然后再把这部分流体从出口排出，根据单位时间内排出的流体体积可直接确定体积流量。,62,（1）椭圆齿轮流量计 椭圆齿轮流量计工作原理：,63,检测原理 在流入口流体压力作用下使转子转动，随着转子的转动，使流体从流入口流向流出口。 设转子与流量计壳体之间的容积已知，则通过测量转子的转速，就可得知流体流经流量计的流

20、量；如果测出转子转过的次数，就可获得流体的总体积。,模型演示,64,（2） 腰轮流量计腰轮流量计又称罗茨流量计，其工作原理与椭圆齿轮流量计相同。腰轮流量计的转子是一对不带齿的腰形轮，在转动过程依靠两齿和壳体之间的空间推移。,65,椭圆齿轮流量计 刮板流量计,66,2.容积式流量计的工作特点 精度高，可达0.20.5%。 主要测高粘度流体，测总流量。 量程比10：1。 对直管段无要求。 小流量时泄漏大，使读数偏低。 被测流体要求清洁，否则易堵或磨损。,67,9.7质量流量计 质量流量的检测方法主要有三大类 ： 直接式 间接式 补偿式,68,（1）直接式质量流量计科里奥利质量流量计 科里奥利质量流

21、量传感器是利用流体在直线运动的同时，处于一个旋转系中，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传感器。 ,69,科里奥利力分析图,当质量为m的质点在对P轴作角速度为旋转的管道内移动时，如图所示，质点具有两个分量的加速度及相应的加速度力： ,70, 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: 即科里奥利加速度at, 其量值为2v，方向与ar垂直。由于复合运动，在质点的at方向上作用着科里奥利力为2vm，而管道对质点作用着一个反向力，其值为-2vm。,71,当密度为的流体以恒定速度v在管道内流动时，任何一段长度为x的管道都受到一个大小为Fc的切向科里奥利力， 即,Fc=2 vA x,式中, A为管道的流通内截面积。 ,72,因为质量流量qm=vA，所以,Fc=2qmx,基于上式，如直接或间接测量在旋转管道中流动流体所产生的科里奥利力就可以测得质量流量，这就是科里奥利质量流量传感器的工作原理。,73,然而，通过旋转运动产生科里奥利力实现起来比较困难，目前常利用两管摆动的相位差来反映流经U型管的流量。 科氏力的演示实验（教材191图3.137）,74,科里奥利质量流量传感器结构原理图,目前的传感器均采用振动的方式