传感器与检测技术第4章流量传感器

第4章 流量检测技术,4.1 概述 4.2 差压式流量计 4.3 容积式流量计 4.4 速度式流量计 4.5 质量式流量计 4.6 流量计的选用,内容提要,本章介绍了流量的基本概念，流量的检测方法，常用流量计的分类、性能和主要参数； 重点讲述了压差式流量计、容积式流量计、速度式流量计的检测原理、主要特点及适用范围等；对压差式流量计的安装使用与容积式流量计的安装使用也作了一定的阐述， 最后介绍了选用流量计应考虑的因素以及选型步骤。 通过本章学习，要求掌握针对不同被测介质而选用对应流量计的方法和流量计的安装使用。,4.1 概述,4.1.1 流量检测基础 流量，是指单位时间内流过管道某截面流体的体积（称为体积流量）或质量（称为质量流量），在一段时间内流过的流体量就是流体总量，即瞬时流量对时间的积累。 测量流量的计量器具称为流量计，通常由一次装置和二次仪表组成。,一次装置安装于流体导管内部或外部，根据流体与一次装置相互作用的物理定律，产生一个与流量有确定关系的信号。一次装置又称为流量传感器。 二次仪表接受一次装置的信号，并转换成流量输出信号或显示信号。 由于用于流量测量的一次装置与二次仪表通常配套使用，所以将传感器与二次仪表通称为流量计。,流量计的分类,分为: 瞬时流量计 累积式流量计,流量的计量单位,体积流量的计量单位为米3/秒（m3/s）； 质量流量的计量单位为千克/秒（kg/s）； 累积体积流量的计量单位为米3（m3）； 累积质量流量的计量单位为千克（kg）。 除这些计量单位外，工程上还使用米3/时（m3/h）、升/分（L/min）、吨/小时（t/h）、升（L）、吨（t）等作为流量计量单位。,4.1.2 流量的检测方法,按测量对象划分:封闭管道用和明渠用两大类。 按测量目的分:总量测量和流量测量 其仪表分别称作总量表和流量表。 按测量原理分:力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、原子物理学原理等。,4.1.3 流量计的分类,表4-1 常用流量计分类及性能,4.1.4 流量计的主要技术参数,1. 流量范围 指流量计可测的最大流量与最小流量的范围。 2. 量程和量程比 流量范围内最大流量与最小流量值之差称为流量计的量程。 最大流量与最小流量的比值称为量程比。 3. 允许误差和精度等级 流量计在规定的正常工作条件下允许的最大误差，称为该流量计的允许误差。 4. 压力损失 通常用流量计的进、出口之间的静压差来表示。,4.2 差压式流量计,4.2.1 节流式流量计 4.2.2 靶式流量计 4.2.3 转子流量计 4.2.4 差压式流量计标准节流装置的安装要求 4.2.5 差压式流量计的使用,4.2.1 节流式流量计,节流式流量计：是在管道中安装某种节流元件，当流体流过节流元件时，产生压力差，通过测量压力差，就可实现流量的测量。 节流式流量传感器主要由节流装置和差压计（或差压变压器）和显示仪表。,节流装置是流量敏感检测元件，是安装在流体流动的管道中的阻力元件，其直径比管径小。如孔板、喷嘴、文丘利管。 节流装置的作用：把被测流体的流量转换成压差信号； 压差计的作用:对压差进行测量并显示测量值； 差压变送器的作用:能把差压信号传换为与流量对应的标准信号或气信号，以供显示、记录或控制。,1. 测量原理,节流式流量计的工作原理示意如图4-1所示。,图4-1 节流流量计工作原理示意图,静压：流体分子不规则运动而撞击于管壁上产生的压力； 动压：流体流动时产生的压力，只要管道内流体流动就具有一定的动压； 全压=静压+动压,孔板前后流体的速度与压力的分布图,静压差的大小p与流过管道的流体体积流量QV之间的关系为 （4-1） 式中，为实验方法所确定的流量系数； 为流体膨胀校正系数（可压缩流体1，不可压缩流体1）； S0为节流装置收缩最厉害的截面面积（）； 为流体密度（kg/m3）。,2. 主要特点 优点:具有结构简单、牢固、工作可靠、性能稳定、准确度适中、价格便宜、使用方便； 缺点：易受流体密度的影响，管道中有压力损失，只适用于对洁净流体的测量。 3. 适用范围 广泛用于石油、化工、冶金、电力、轻纺等行业。适用于对液体、蒸汽、气体的流量测量。,节流式流量计外形如图4-2所示。,图4-2 节流式流量计外形,4.2.2 靶式流量计,图 靶式流量计,1. 测量原理,（4-2） 式中：QV为体积流量（m3/s）；为直径比，d/D； D为测量管内径（m）；d为靶直径（m）； 为流体密度（g/m3）； F为靶受到的力（N）； 为流量系数，由实验确定。,2. 主要特点 靶式流量计与节流式相比具有结构简单，不需要安装引压管和其他辅助管件，安装维护方便和不易堵塞等特点；压力损失一般低于节流式流量计，约为孔板压力损失的一半。 3. 适用范围 靶式流量计可用于测量液体、气体和蒸汽的流量，尤其可用于测量高粘度的液体。 例如用于重油、沥青、含固体颗粒的浆液及腐蚀性介质的流量测量。,4.2.3 转子流量计,图4-5 转子流量传感器测流量原理图,1. 工作原理,转子在锥形管内的位置（高度）与被测流体的体积流量有关，他们的关系可用下式表示 （4-3） 式中，为转子对流体的阻力系数； df为转子的最大直径（m）； H为转子高度（m）；为锥形管的锥角（rad）；g为重力加速度；pf为转子的密度（kg/m3）；为流体的密度（kg/m3）；Sf为转子最大的横截面积（）。,2. 主要特点 转子流量计按锥形管制造材料的不同有玻璃管和金属管两大类. 3. 适用范围 转子流量计适合测量较小的流量，如可测量气体或液体的流量（粘度大的液体除外），比较适合于实验室或仪器装置中的流量指示和监视。,图4-6 转子流量计外形,4.2.4 差压式流量计标准节流装置的安装要求, 安装时，必须保证节流件的开孔和管道同心，节流装置端面与管道的轴线垂直。在节流件的上下游，必须配有一定长度的直管段。 导压管尽量按最短距离敷设在350m之内。为了不致在此管路中积聚气体和水分，导压管应垂直安装。水平安装时，其倾斜率不应小于1:10，导压管为直径1012mm的铜、铝或钢管。, 测量液体流量时，应将差压计安装在低于节流装置处。若一定要装在上方时，应在连接管路的最高点处安装带阀门的集气器，在最低点处安装带阀门的沉降器，以便排出导压管内的气体和沉积物，如图4-7所示。,图4-7 测量液体时差压计安装 1节流装置；2沉降器；3集气器, 测量气体流量，最好将差压计装在高于节流装置处。如一定要安装在下面，在连接导管的最低处安装沉降器，以便排除冷凝液及污物，如图4-8所示。,图4-8 测量气体时差压计安装 1差压计；2沉降器, 测量粘性的、腐蚀性的或易燃的液体流量时，应安装隔离器，如图4-9所示。隔离器的用途是保护差压计不受被测流体的腐蚀和沾污，隔离器是两个相同的金属容器，容器内充满化学性质稳定并与被测流体不相互作用和溶融的液体，差压计同时充满隔离液。,图4-9 测量腐蚀性液体时仪表安装,1差压计；2节流装置；3冲洗阀；4导压管；5隔离器；6沉降器；7排水阀；8平衡阀, 测量蒸汽流量时，差压计和节流装置之间的相对配置和测量液体流量相同。为保证导压管中的冷凝水处于同一水平面上，在靠近节流装置处安装冷凝器。冷凝器是为了使差压计不受700C以上高温流体的影响，并能使蒸汽的冷凝液处于同一水平面上，以保证测量精度。如图4-10所示。,图4-10 测量蒸汽流量时安装 1冷凝器；2沉降器；3差压计,4.2.5 差压式流量计的使用,1. 测量液体流量 2. 测量气体流量 3. 测量蒸汽,4.3 容积式流量计,4.3.1 椭圆齿轮流量计 4.3.2 腰轮流量计 4.3.3 旋转活塞式流量计 4.3.4 刮板式流量计 4.3.5 容积式流量计的安装与使用,原理：利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。 优点：测量精度高，被测流体粘度影响小，不要求前后有直管段等。,4.3.1 椭圆齿轮流量计,计量齿轮的转数计数机构,图4-11 椭圆齿轮流量计示意图,4.3.2 腰轮流量计,各测量元件不接触运行磨损小,图4-12 腰轮流量计原理示意图,图4-13 腰轮流量计外形,腰轮流量计的型号表示,腰轮流量计管道安装形式,4.3.3 旋转活塞式流量计,活塞的转数,图4-14 旋转活塞式流量计原理图,4.3.4 刮板式流量计,图4-15 凸轮式刮板流量计原理图,4.3.5 容积式流量计的安装与使用,安装时要注意被测流体的流动方向应与流量计外壳上的流向标志一致。 容积式流量计只能测量单相洁净的流体，安装前必须先清洗上游管线，在流量计上游要安装过滤器，以免杂质进入流量计内，卡死或损坏测量元件；当测量含气液体或易气化的液体时，还应考虑加装消气器；调节流量的阀门应位于流量计下游，为维护方便需设置旁通管路。 容积式流量计在使用过程中被测流体应充满管道，并工作在规定的流量范围内；当粘度、温度等参数超过规定范围时应对流量值进行修正；流量计需定期清洗和检定。,4.4 速度式流量计,4.4.1 涡轮流量计 4.4.2 叶轮式流量计 4.4.3 涡街流量计 4.4.4 电磁流量计 4.4.5 超声波流量计,速度式流量计的工作原理,原理：利用测量管道内流体的速度来测量流量。 若测得管道截面上的平均速度，则流体的体积流量=平均流速管道截面积 体积流量：当流体以体积表示时称为体积流量。 质量流量：当流体以质量表示时称为质量流量。,4.4.1 涡轮流量计,1. 工作原理 基于流体动量矩守恒原理工作 流量涡轮磁电转换装置前置放大显示仪表,将涡轮转速电脉冲信号,转速,脉冲,图4-16 涡轮流量计 1导流器；2壳体；3支承；4涡轮；5磁电转换器,涡轮流量计的结构,涡轮流量计主要由壳体、导流器、支承、涡轮和磁电转换器组成。 涡轮是测量元件，由导磁性较好的不绣钢制成，根据流量计直径的不同，其上装有28片螺旋形叶片，装在摩擦力很小的轴承上； 导流器由导向片及导向座组成，用以导直流体； 磁电转换装置由线圈和磁钢组成，安装在流量计壳体上。,2. 主要特点,涡轮流量计的优点： 具有测量精度高、复现性和稳定性好、量程范围宽、耐高压、对流量变化反应迅速等特点，输出为脉冲信号，抗干扰能力强，信号便于远传。 缺点：是制造困难、成本高。 由于涡轮高速转动，轴承易损，降低了长期运行的稳定性，影响使用寿命。,3. 适用范围,涡轮流量计可用于测量气体、液体流量。 注意事项：被测介质洁静，不适用于对粘度大的液体测量，主要用于精度要求高、流量变化快的场合，还用作标定其他流量计的标准仪表。 涡轮流量计应水平安装，并保证其前后有一定的直管段。 要求被测流体粘度低，腐蚀性小，不含杂质，以减小轴承磨损，一般应在流量计前加装过滤装置。 如果被测液体易气化或含有气体时，要在流量计前装消气器。 液体介质密度和粘度的变化对流量示值有影响，必要时应做修正。,4.4.2 叶轮式流量计,（a）原理图 （b）IC卡水表 图4-17 叶轮式流量计,4.4.3 涡街流量计,1. 测量原理 漩涡发生体：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。 形状有圆柱、三角柱、矩形柱、T形柱等。 卡门涡街：在该漩涡发生体两侧会产生旋转方向相反、交替出现的漩涡，并随着流体流动，在下游形成两列不对称的漩涡列，称之为“卡门涡街”，如图4-18所示。,当漩涡发生体的形状和尺寸确定后，可以通过测量漩涡产生频率来测量流体的流量。,图4-18 圆柱漩涡发生器,图4-19 三角柱涡街检测器,2. 主要特点,涡街流量计在管道内无可动部件，使用寿命长，压力损失小，水平或垂直安装均可，安装与维护比较方便； 测量几乎不受流体参数（温度、压力、密度、粘度）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他介质的测量；其输出是与体积流量成比例的脉冲信号，易与数字仪表或计算机相连接。,3. 适用范围,涡街流量计实际是通过测量流速测流量的，流体流速分布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况，并要求流量计前后有足够长的直管段。,图4-20 涡街流量计外形,4.4.4 电磁流量计,1. 测量原理 它是基于电磁感应原理制成的一种传感器,图4-21 电磁流量计原理图,B为磁感应强度；D为管道内径；u为流体平均流速。,被测导电流体切割磁力线时,电极上产生感应电势E,即E u,2. 主要特点,电磁流量计的测量导管中无阻力件，压力损失极小，且不受被测介质的物理性质（如温度、压力、粘度）的影响；此外电磁流量计结构也比较复杂，成本较高。 电磁流量计的安装地点应尽量避免剧烈振动和交直流强磁场，要选择在任何时候测量导管内都能充满液体。在垂直安装时，流体要自下而上流过仪表，水平安装时两个电极要在同一平面上。 电磁流量计的选择要根据被测流体情况确定合适的内衬和电极材料。其测量准确度受导管的内壁，特别是电极附近结垢的影响，使用中应注意维护清洗。,3. 适用范围,适用于含有颗粒、悬浮物、腐蚀性介质、脉动流量等流体的流量。 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。,图4-22 电磁流量计外形,4.4.5 超声波流量计,1. 超声波检测的物理基础 1）声波：其频率在162104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波 次声波：低于16 Hz的机械波 超声波：高于2104 Hz的机械波 微波：频率在310831011 Hz之间的波,声波的频率界限图,2) 特点,超声波的特点：频率高、衍射不严重、定向传播好、声强比一般声波强、传播中衰减小、穿透本领大等特点。 且碰到杂质或媒质的反界面产生反射显著，而发射和接收又较容易。 在超声波检测技术中主要利用它的反射、折射、衰减等物理性质。,2.超声波传感器的工作原理,压电式超声波传感器 磁致伸缩式超声波传感器,1)压电式超声波传感器,利用压电材料的压电效应原理来工作的。 逆压电效应：在晶体切片的两对面上加交变电场（或电压），晶体切片就产生伸长与缩短的现象。 发生器:利用逆压电效应的原理 接收器:利用正压电效应原理,石英晶体 压电陶瓷,电能,机械能,正压电效应,逆压电效应,2)磁致伸缩式超声波传感器,利用铁磁材料的磁致伸缩效应原理工作的 发生器 磁致伸缩效应：是指铁磁体在被外磁场磁化时，其体积和长度将发生变化的现象。 接受器 压磁效应：铁磁材料受到机械力的作用，它的内部产生应变，导致导磁率发生变化，产生压磁效应。,镍、铁钴钒合金、含锌镍的铁氧体,超声波传感器的应用,当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。 透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。 超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。,超声波传感器应用举例,质量检查,紧固件的安装错误检测,叠放高度测量,物件放置错误检测,透明塑料张力控制,机械手定位,纸卷直径检测,平整度测量,(1)超声波流量传感器原理,(测量流量原理分类) 时差法测流量 相位差法测流量 频率差法测流量,传播速度法,图4-23 超声测速原理,时差法,当R1按顺流方向、R2按逆流方向发射超声波时，超声波到达接收器T1和T2所需的时间t1和t2与流速之间的关系为 （4-5） 由于流体的流速相对声速而言很小，即c u，因此时差 （4-6） 而流体流速 （4-7）,相差法,设超声波换能器向流体连续发射形式为s(t)=Asin(t+0)的超声波脉冲，式中为超声波的角频率。 按顺流和逆流方向收到的信号相位分别为 1t1+0 2 t2+0 （4-8） 则顺流和逆流接收的信号之间有相位差 21t2ft （4-9） 式中，f为超声波振荡频率 则流体的流速 （4-10）,频差法,频差法是通过测量顺流和逆流时超声脉冲的循环频率之差来测量流量的。 顺流时脉冲循环频率和逆流时脉冲循环频率分别为 （4-11） 顺流和逆流时的声脉冲循环频差为 （4-12） 所以流体流速 （4-13）,同侧式超声波流量计的使用,（参考北京菲波仪表有限公司资料）,2）主要特点 超声波流量计可以从管道外部进行测量； 测量结果不受被测流体的粘度、导电率的影响； 其输出信号与被测流体的流量成线性关系。 3）适用范围 可测各种液体和气体的流量,超声波流量计现场使用,(2)超声波多普勒测量车速,超声波多普勒测量风速,风,风引起超声波的频率变大或变小,(3)超声波测距,空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。,(4)超声波测厚,石料测厚,超声波的衰减,声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。 其声压和声强的衰减规律满足以下函数关系：,式中:,、, 声波在距声源x处的声压和声强；,、, 声波在声源处的声压和声强；, 声波与声源间的距离；, 衰减系数。,手持式超声波测厚仪,某超声波测厚仪指标,显示方法128*32 LCD 点阵液晶显示（带背光） 显示位数：四位 测量范围：0.8200mm 示值精度：0.1mm 声速范围：1000 9999m/s 测量周期：2次/秒 自动关机时间：90秒 电源：二节七号（AAA）电池，可连续工作不少于72小时 使用温度：-10C 40C 存储温度：-20C 70C 外形尺寸：108x61x25mm 重量：230g （含电池）,超声波手持式测厚,混凝土测厚,木材测厚,小提琴 木料测厚,双晶超声波测厚探头,双晶超声波测厚探头（续）,(5)超声波测量液位和物位原理,在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。,超声波液位计原理,1液面 2直管 3空气超声探头 4反射小板 5电子开关,超声波测量液位和物位,喇叭形 超声发生器,(6)超声防盗报警器,图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发射器发射出频率 f=40kHz左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为 v，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移f。,4.5 质量流量计,4.5.1 间接式质量流量计 4.5.2 直接式质量流量计,4.5.1 间接式质量流量计,1. 节流式流量计与密度计的组合 （4-14） 节流式流量计的差压信号p正比于qv2,图4-25 节流式流量计与密度计结合,2. 体积流量计与密度计的组合,qm=qv （4-15）,图4-26 体积流量计与密度计结合,3. 体积流量计与体积流量计的组合,（4-16）,图4-27 体积流量计与体积流量计结合,4.5.2 直接式质量流量计,1. 热式质量流量计 利用外部热源对管道内的被测流体加热，热能随流体一起流动，通过测量因流体流动而造成的热量（温度）变化来反映出流体的质量流量。,图4-28 热式质量流量计,设cp为流体的定压比热，T为测得的两点温度差，根据传热规律，对流体加热功率P与两点间温差的关系可表示为 P qmcpT （4-17） （4-18） 设cp为流体的定压比热，T为测得的两点温度差，,2. 差压式质量流量计,利用孔板和定量泵组合实现流量测量。 pAp2p1K(qvq) pBp2p3K(qvq) （4-19） 孔板A、B前后的压差pp1p3与流体质量流量qm= qv成正比，测出压差p便可求出流体质量流量。,4.6 流量计的选用,4.6.1 选用流量计应考虑的因素 4.6.2 流量计选型的步骤,4.6.1 选用流量计应考虑的因素,选用流量计一般应从性能、流体特性、安装条件、环境条件和经济因素五个方面进行选型。 1. 性能方面 流量计的性能主要有：准确度、重复性、线性度、范围度、流量范围、信号输出特性、响应时间、压力损失等。 2. 流体特性方面 流体特性方面主要考虑的有温度、压力、密度、粘度、化学腐蚀、磨蚀性、结垢、混相、相变、电导率、声速、导热系数、比热容等。,3. 安装条件方面 不同原理的测量方法对安装要求差异很大。 4. 环境条件方面 环境条件方面主要考虑的因素有环境温度、湿度、电磁干扰、安全性、防爆、管道振动等。 5. 经济因素方面 经济方面只考虑流量计购置费是不全面的，还应调查其它费用，如附件购置费、安装费、维护和流量校准费、运行费和备件费等。,4.6.2 流量计选型的步骤,图4-31 流量计选型流程,思考题与习题,流量计主要有哪几类？各有什么特点？ 简述差压式流量计的基本构成及使用特点。 简述容积式流量计的工作原理及椭圆齿轮流量计的基本结构。 简述电磁流量计的工作原理及使用特点。 简述质量流量计的基本组合形式及各自的工作原理。,