传感器与检测技术.ppt

流量检测 6 1流量检测基本概念 6 1 1流量的概念和单位定义 短暂时间内流过某一流通截面的流体数量与通过时间之比 体积流量 用流体的体积来表示 qv 瞬时质量流量 用流量的质量来表示 qm 简称质量流量 累积流量 一段时间内流体体积流量或质量流量的累积值 累积体积流量 累积质量流量 6 1 2流量检测方法及流量计分类 6 1 2 1流量检测方法及流量计分类检测方法 体积流量检测 质量流量检测 流量计 由流量传感器和二次仪表构成 6 1 2 2流体特性和流量计的测量特性 流体特性1 黏滞性 衡量流体黏滞性大小的物理量称为动力黏度 2 层流和紊流 层流 流体在细管中流动的流线平行于管轴时的流动 紊流 流体在细管中流动的流线相对混乱的流动 利用雷诺数可以判断流动的形式 在层流流动状态时 流量与压力降成正比 在紊流流动状态时 流量与压力降的平方根成正比 雷诺数 雷诺数是表征流体流动时惯性力与粘性力之比 利用细管直径d 可求出雷诺数Rd Rd 2320时为层流 Rd 2320时为紊流 3 流体连续性方程 流体在管道内作稳定流动的情况 即流体在稳定流动 且不可压缩时 流过各截面流体的体积为常量 因此利用上式 很方便的求出流体流过管道不同截面时的流速 揭示流体在运动时压强 流速等运动要素随空间位置的变化关系 伯努利方程式 z 单位质量液体位能 位置水头 单位质量液体压能 压强水头 单位质量液体动能 流速水头 动能修正系数 一般为1 05 1 1 常取1 0 单位质量液体通过流段的平均能量损失 水头损失 4 流体的能量方程 2 流量计的测量特性 各种类型的流量计的共性 式中 qm为质量流量 x为流量计输出信号 理想的流量方程式为线性方程式 流量计的仪表系数与流出系数 仪表系数K 频率型流量计流量特性的主要参数 定义为单位流体流过流量计时流量计发出的脉冲数 流出系数C 定义为实际流量与理想流量的比值 流量方程式 流量与流量计输出信号之间关系的数学表达式 式中 K为仪表系数 m 3 N为脉冲数 次 V为流体体积 m3 流量范围及范围度流量范围 指可测最大流量和最小流量所限定的范围 范围度 最大流量与最小流量的比值 流量计范围度的大小受仪表的原理与结构所限制 测量精确度和误差流量计标出的精确度为基本误差 而现场使用中由于偏离标定条件会产生附加误差 所以要按有关规定计算附加误差 压力损失流量计通常是一个阻力件 会给流体造成能量消耗 所以 压力损失大小是流量计选型的一个重要指标 一 容积 volumn 式流量计原理 使被测流体充满具有一定容积的空间 然后把这部分流体从口排出 利用运动元件的往复次数或转速与流体的连续排出量成比例对被测流体进行连续的检测 故叫做容积式流量计 用来测量液体和气体的体积流量 主要用于测量累积流量 1 容积式流量计的测量机构与流量公式 组成 由测量室 运动部件 传动和显示部件构成 它的测量主体为具有固定标准容积的测量室 测量室由流量计内部的运动部件与壳体构成 在流体进 出口压力差的作用下 运动部件不断地将充满在测量室中的流体从入口排向出口 6 2体积流量检测方法 流量方程式 Q nV其中 V 测量室的固定容积 n 某一时间间隔内经过流量计排出流体的固定容积数 可由计数器通过传动部件测出 Q 被测流体的体积总量 在测量较小流量时 要考虑泄漏量的影响 通常仪表有最小流量的测量限度 2 几种容积式流量计 flowmeter 1 椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计的测量本体由一对相互啮合的椭圆齿轮和壳体构成 其工作原理如图所示 运动部件的形式 往复运动 活塞式油量表 和旋转运动 腰轮流量计 齿轮的转数通过变速机构驱动机械计数器来显示总流量 还可以通过电磁转换装置转换成脉动信号 对其计数就可得到总流量 两个齿轮每转动一圈 流量计将排出4个半月形容积的流体 通过椭圆齿轮流量计的总量可表示为 特点 适用于高粘度液体的测量 流量计基本误差 0 2 0 5 范围度为10 1 工作温度要低于120 以防止齿轮卡死 在使用时要注意防止齿轮的磨损与腐蚀 以延长仪表寿命 2 腰轮流量计原理与椭圆齿轮流量计相同 为减小两转子的磨损 在壳体外与腰轮同轴的齿轮作为传递转动力矩之用 因此比椭圆齿轮能保持长期稳定性 特点 可以测量液体和气体 也可以测高粘度流体 基本误差为 0 2 0 5 范围度为10 1 工作温度要低于120 压力损失小于0 02MPa 3 皮膜式家用煤气表 安装注意事项 选型时要考虑被测介质的物性参数和工作状态 如温度 粘度 压力 密度和流量范围等 流量计的安装地点应满足技术性能规定的条件 安装前必须进行检定 可以水平安装也可以垂直安装 流量计上游要加过滤器 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 安装时注意流量计外壳上的流向标志应与被测流体的流动方向一致 使用过程中 被测流体应该充满管道 并工作在仪表规定的流量范围内 当环境改变时 应对仪表进行修正 仪表要定期清洗和检定 3 容积式流量计的安装与使用 6 2 2差压式流量计 二 组成 一 基本原理在流通管道上设置流动阻力件 流体通过阻力件时将产生压力差 此压力差与流体流量之间有确定的数值关系 通过测量差压值可以求得流体流量 产生差压的装置 节流件 孔板 喷嘴 文丘利管等 动压管 均速管 弯管等 靶和浮子等 6 2 2 1节流式流量计 节流装置 产生差压 主体是一个局部收缩阻力件 改变流体流通截面 从而在节流元件前后形成压力差 根据伯努利方程 对截面I I 处沿管中心的流体有以下能量关系 根据流体的连续性方程得 可以根据流量的定义 计算流体的体积流量和质量流量 在实际计算过程中 应考虑几个因素 流量系数 由于用节流件的开孔面积代替最小收缩截面 p有不同取压位置等因素的影响 必然造成测量偏差 为此引入流量系数 则流量方程式为 流量系数是一个影响因素复杂的实验系数 对于节流法测量流量具有重要的意义 实验证明 在管道直径 节流件型式 开孔尺寸和取压位置确定的情况下 只与流体的雷诺数Re有关 当Re大于临界值时 流量系数可以认为是一个常数 因此节流式流量计应工作在临界雷诺数以上 通常要求流速不低于一定值 与Re及 的关系对于不同的节流件形式各有相应的经验公式计算 并列有图表可查 可膨胀系数 对于可压缩流体 考虑流体通过节流件时的膨胀效应 再引入可膨胀系数作为因流体密度改变引起流量系数改变的修正 可压缩流体的流量方程式 流出系数C 用流出系数C代替流量系数 进行修正 两个系数的关系是 利用流出系数来分析各种因素对流量的影响显得更加方便 在不同 和不同的Re下 C的变化范围要比 的变化范围小许多 尤其是对各种文丘里管 在一定条件下 C是一个不随管径 直径比和雷诺数变化的常数 这就简化了节流装置的计算 节流式流量计的流量方程式普遍形式 如图节流装置产生的差压信号 通过压力传输管道引至差压计 经差压计转换成电信号或气信号送至显示仪表 节流式流量计的组成 组成 由节流元件 引压管路 三阀组和差压计四部分构成 标准节流装置示意 三种标准节流件比较 压力损失 孔板 喷嘴 文丘里管成本 孔板 喷嘴 文丘里管精度 孔板 喷嘴 文丘里管 节流装置取压方式 角接取压 法兰取压 a 标准节流装置的使用条件 节流装置仅适用于圆形测量管道 在节流装置前后的直管段上 内壁表面应无可见坑凹 毛刺和沉积物 对相对粗糙度和管道圆度均有规定 管径大小也有一定限制 D最小 50mmb 节流式流量计的安装 节流式流量计应按照手册要求进行安装 以保证测量精度 节流装置安装时要注意节流件开孔必须与管道同轴 节流件方向不能装反 管道内部不得有突出物 在节流件装置附近 不得安装测温元件或开设其他测压口 节流式流量计的安装与使用条件流量系数是在一定的条件下通过实验得到的 因此对管道选择流量计的安装和使用均有规定 c 取压口位置和引压管路的安装 与测压仪表的要求类似 应保证差压计能够正确 迅速地反映节流装置产生的差压值 引压导管应按被测流体的性质和参数要求使用耐压 耐腐蚀的管材 引压管内径不得小于6mm 长度最好在16m以内 引压管应垂直或倾斜敷设 其倾斜度不得小于1 12 倾斜方向视流体而定 d 差压计用于测量差压信号 其差压值远远小于系统的工作压力 因此 导压管与差压计连接处应安装截断阀 截断阀后装平衡阀 在仪表投入时 平衡阀可以起到单向过载保护作用 在仪表运行过程中 打开平衡阀 可以进行仪表的零点校验 差压计的安装示意图如图6 8所示 根据被测流体和节流装置与差压计的相对位置 差压信号管路有不同的敷设方式 图 a 被测流体是液体的情况 要保证导压管中充满液体 图 b 气体的情况 要保证导压管中只有气体 减少测量误差 图 c 被测流体是蒸汽的情况 在靠近节流装置处安装冷凝器是为了保证两导压管内的冷凝水位在同一高度 6 2 2 2均速管流量计 流体流经均速管产生与流量有确定关系的差压信号 均速管的实用流量方程式 D为管道内径 k为均速管流量系数 由实验确定 均速管流量计结构图 总压检出口的位置 r2 3 0 4597R r1 4 0 8881R 特点 结构简单 价格便宜 压力损失小 准确度及长期稳定性较好 尤其适用于大口径管道的流量测量 但它产生的差压信号较低 定时清洗 6 2 2 3弯管流量计 流体通过管道弯头时 受到角加速的作用而产生的离心力会在弯头的外半径侧与内半径侧之间形成差压 此差压的平方根与流体流量成正比 弯管流量计的流量方程式 弯管流量计示意 特点 结构简单 安装维修方便 无附加的压力损失 对介质的要求低 缺点 产生的压差非常小 是未标准化的仪表 只用于特殊的管道条件 6 2 2 4靶式流量计 靶 管流中垂直于流动方向安装的圆盘形阻挡件 流体经过时对靶产生作用力 此作用力与流速有一定关系 流量公式 靶式流量计结构原理1 力平衡转换器 2 密封膜片 3 杠杆 4 靶 5 测量导管 测力方法 通过杠杆机构引出靶上受力 力矩平衡方式 应变片力转换器特点 结构简单 适于测量高粘度 高脏污的流体 压力损失大 测量精度不高 6 2 2 5浮子流量计 1 测量原理及结构浮子的力平衡公式 浮子流量计测量原理 代入节流流量方程式得 原理 同样基于节流原理 但它的差压值基本保持不变 是通过节流面积的变化反映流量的大小 故又称恒压降变截面流量计 也有称作转子流量计 A0为环隙面积 与浮子高度h对应 对于小锥度锥形管 近似有 电远传浮子流量计工作原理1 浮子 2 锥形管 3 连动杆 4 铁心 5 差动线圈 流量方程式 分类 直读式浮子流量计 主要由玻璃锥管 浮子和支撑结构组成 流量表尺直接刻在锥管上 由浮子位置高度读出流量值 远传式浮子流量计 采用金属锥形管 它的信号远传方式有电动和气动两种类型 测量转换机构将浮子的移动转换为电信号或气信号进行远传及显示 浮子流量计的使用和安装 a 浮子流量计的刻度换算 浮子流量计是一种非通用性仪表 出厂时需单个标定刻度 测量液体的流量计用常温水标定 测量其他的浮子流量计用常温常压的空气标定 在实际测量时 如果被测介质不是水或空气 则流量计的指示值与实际流量值之间存在差别 因此 要对其进行刻度换算修正 对于一般液体介质 只需进行密度校正 对于气体介质 由于 f 或 0 上式可简化为 例 某浮子流量计测二氧化碳气的流量 测量时被测气体的温度是40 压力是49 03kPa 表压力 若流量计的读数为120m3 h 问实际流量是多少 已知标定时绝对压力P 98 06kPa t 20 此时二氧化碳的重度为18 07N m3 空气的重度为11 82N m3 解 b 浮子流量计的安装与使用 安装使用前必须核对所须测量范围 工作压力和介质温度是否与被选流量计相符 图 仪表应垂直安装在管道上 流体必须自下而上通过流量计 不应有明显的倾斜 流量计前后有截断阀 并安装有旁路管道 仪表投入时前后阀门要缓慢开启 投入运行后关闭旁路阀 最佳测量范围为上限的三分之一到三分之二刻度内 当被测介质的物性常数 密度 粘度 和状态常数 温度 压力 与流量计标定时不同时 必须要对指示值进行修正 玻璃转子流量计 流体入口 流体出口 转子 6 2 3速度式流量计 原理 均基于与流体流速有关的各种物理现象 6 2 3 1涡轮流量计利用安装在管道中可以自由转动的叶轮感受流体的速度变化核心部件 壳体 导流器 支承 涡轮和磁电转换器流量方程式f 信号脉冲频率 仪表常数 涡轮流量计结构示意1 导流体 2 轴承 3 涡轮 4 壳体 5 信号放大器 特点 可测液体 气体 但要求被测介质洁净 且液体的粘度不能太大 测量精度较高 0 5级 刻度为线性 输出频率信号便于远传及与计算机相连 仪表的工作范围较宽和较高的耐压能力 压力损失小 叶轮式风流量计 参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料 安装 一般应水平安装 并保证其前后有一定的直管段 为保证介质洁净 表前应装过滤装置 如果被测液体易气化或含有气体时 要在仪表前装消气器缺点 制造困难 成本高 由于涡轮高速转动 轴承易磨损 降低了长时期运行的稳定性 影响使用寿命 通常涡轮流量计主要用于测量精度要求高 流量变化快的场合 还用作标定其他流量的标准仪表 6 2 3 2涡街流量计 原理 流体流过非流线型阻挡体时会产生稳定的漩涡列 漩涡的产生频率与流体流速有着确定的关系 构成 漩涡发生体 圆柱体 三角柱体 卡门涡街 漩涡产生频率 St 斯特罗哈尔数 流体的体积流量为 K 仪表系数 一体式 圆柱形旋涡发生体 铂热电阻丝检测频率三棱柱形旋涡发生体 热敏电阻或压电晶体 旋涡频率的检测 利用旋涡产生时引起的波动进行测量 有一体式和两体式两类 一体式的检测元件放在旋涡发生体内 如热丝式 热敏电阻式和膜片式 两体式的检测元件放在旋涡发生体的下游 如压电式 超声式和摆旗式 旋涡发生体和检测方式一览表 涡街流量计特点及使用 适用于气体 液体和蒸汽介质的检测 测量几乎不受流体参数的变化影响 寿命长 压力损失小 输出为频率信号 有较宽的范围度30 1 测量精度较高 可以水平安装 也可以垂直安装 不足之处是流体流速分布情况和脉动情况将影响测量准确度 漩涡发生体被玷污也会引起误差 6 2 3 3电磁流量计 原理 导电流体在磁场中垂直于磁力线方向流过 在流通管道两侧的电极上将产生感应电势 感应电势的大小与流体速度有关 感应电势 流量方程式 电磁流量计的构成 直流励磁 直流励碰方式用直流电产生磁场或采用永久磁铁 它能产生一个恒定的均匀磁场 优点 受交流电磁场干扰影响很小 缺点 流体极化 电解质在电场中被电解 正负电极分别校相反极性的离子所包围 严重影响仪表的正常工作 适用非电解质液体 交流励磁 采用工频 50Hz 电源交流励磁方式 优点 消除了电极表面的极化干扰 由于磁场是交变的 所以输出信号也是交变信号 磁感应强度为 感应电动势为 被测体积流量为 电磁流量计的测量导管中无阻力件 压力损失小 其流速测量范围宽 为0 5 10m s 范围度可达10 1 流量计的口径可从几毫米到几米以上 流量计的精度0 5 1 5级 仪表反映快 流动状态对示值影响小 可以测量脉动流和两相流 如泥浆和纸浆的流量 利用电磁流量计测量流量 要求导电体有一定的电导率 因此不能测量气体 蒸汽和电导率低的石油流量 电磁流量计对直管段要求不高 前直管段长度为5D 10D 安装地点应尽量避免剧烈振动和交直流强磁场 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 要确保流体 外壳 管道间的良好接地和良好接触 电磁流量计的特点及应用 6 2 3 4超声流量计 原理 超声波在流体中传播 将受到流体速度的影响 检测接收的超声波信号可以测知流速 传播速度差法 超声波在流体中顺流传播与逆流传播的速度不同 包括时间差法 相差法 频差法 频差法不受声速影响 不必考虑流体温度变化对声速的影响 频差法 超声波换能器又称超声波探头 超声波换能器的工作原理有压电式 磁致伸缩式 电磁式等数种 在检测技术中主要采用压电式 超声波探头又分为直探头 斜探头 双探头 表面波探头 聚焦探头 冲水探头 水浸探头 高温探头 空气传导探头以及其他专用探头等 各种超声波探头 常用频率范围 0 5 10MHz 常见晶片直径 5 30mm 接触式直探头 纵波垂直入射到被检介质 外壳用金属制作 保护膜用硬度很高的耐磨材料制作 防止压电晶片磨损 保护膜 接插件 原因 同样体积的流体在不同的温度 压力 和成分的条件下 其密度是不同的 特别是气体更是这样 因此很多场合下要求测量质量流量 如炼钢时用氧气降低碳的含量 需吹入一定的氧气 要求知道的不是吹入多少体积的氧气 而是多少质量的氧气 由于压力温度经常变化 所以给出的体积流量是不能满足要求的 质量流量测量仪的分类 直接式和间接式直接式 质量流量计则直接输出与质量相对应的信号 反映质量流量的大小 间接式 采用密度或温度 压力补偿的办法 测体积流量的同时 测密度或温度 压力值 再运算求得质量流量 又称推导式质量流量计 6 3质量流量检测方法 根据质量流量与体积流量的关系 可以有多种仪表的组合以实现质量流量测量 常见的组合方式有如下几种 6 3 1 间接式质量流量测量方法 6 3 1 体积流量计与密度计的组合方式 差压式流量计与密度计的组合差压计输出信号正比于 qv2 密度计测量流体密度 仪表输出为统一标准的电信号 可以进行运算处理求出质量流量 其计算式为 其他体积流量计与密度计组合其他流量计可以用速度式流量计 如涡轮流量计 电磁流量计 或容积式流量计 这类流量计输出信号与密度计输出信号组合运算 即可求出质量流量 差压式流量 或靶式流量计 计与涡轮流量计 或电磁流量计 涡街流量计等 组合 通过运算得到质量流量 其计算式为 体积流量计与体积流量计的组合方式 流体密度是温度 压力的函数 通过测量流体温度和压力 与体积流量组合可求出流体质量流量 温度 压力补偿式质量流量计 间接式质量流量计特点 结构复杂 由于包括了其他参数仪表误差和函数误差等 其系统误差通常低于体积流量计 但目前已有多种型式的微机化仪表可实现计算功能 应用也较普遍 6 3 2直接式质量流量计 直接式质量流量常用检测方法 科里奥利式质量流量计 热式质量流量计 冲量式质量流量计 差压式质量流量计 涡轮式质量流量计 优点 输出信号直接反映质量流量 其测量不受流体的温度 压力 密度变化的影响 原理 基于牛顿第二定律 流体在振动管中流动时 将产生与质量流量成正比的科里奥利力 组成 由检测科里奥利力的传感器与转换器组成 6 3 2 1科里奥利质量流量计 科氏力流量计 当质量为m的质点以速度 在对O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O轴 切向加速度 即科里奥利加速度 t 其量值等于2 方向与O轴垂直 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 流量方程式 工作过程 扭角 与通过流体的质量有关 特点 可直接测得质量流量信号 不受被测介质物理参数的影响 精度较高 可以测量多种液体和浆液 也可以用于多相流测量 不受管内流态影响 因此对流量计前后直管段要求不高 其范围度可达100 1 但是它的压力损失较大 存在零点漂移 管路的振动会影响其测量精度 6 3 2 2热式质量流量计 基本原理 因为流体吸收或放出的热量均与该流体的质量成正比 因此可由加热流体所需要的能量或由此能量使流体温度升高之间的关系来测量流体的质量流量 工作原理 利用加热源对流体进行加热 在其前后各放一个测温元件 通过测温度变化及加热功率即可测质量流量 质量流量可表示为 分类 根据测量方法 恒定功率法 使加热功率恒定 测量温差可以求得质量流量 恒定温差法 使流体温差恒定 测出热量的输入功率就可以求得质量流量 根据加热源的位置 内热式和外热式 特点 适用于微小流量 结构简单 压力损失小 非接触式使用寿命长 缺点是灵敏度低 测量时还要进行温度补偿 6 3 2 3冲量式流量计 原理 冲量传感器感受被测介质的冲力 经转换放大输出与质量流量成比例的标准信号 冲量式流量计工作原理1 冲板 2 冲板轴 3 物料 4 输送机 对象 自由下落的固体粉料 浆状或块状物料的质量流量 水平分力 特点 结构简单 安装维修方便 使用寿命长 6 4流量标准装置 除标准节流装置外的各种仪表出厂前必须逐台标定 使用过程中一段时间也要校验 流量计的标定随流体的不同有很大的差异 需要建立各种类型的流量标准装置 但标准的建立很复杂 随介质 测量范围和管径大小的不同而不同 6 4 1液体流量标准装置介绍几种流量标定方法和装置 标准容积法标准质量法标准流量计法标准体积管的校正法 6 4 1 1 标准容积法标准容积法所使用的标准计量容器是经过精细分度的量具 其容积精度可达万分之几 根据需要可以制成不同的容积大小 图6 26所示为标准容积法流量标准装置示意图 校验方法有动态校验法和停止校验法 校验时要注意温度的影响 动态校验法 以一定的流量流入标准容器 读出一定时间间隔内标准容器量 或读出液面上升到一定高度所用时间 停止校验法 让一定体积的流体进入标准容器 测定开始流入到停止流入的时间间隔 注意 温度的影响 热胀冷缩作用使容积发生变化 特点 精度较高 但在标定大流量时制造精密的大型标准容器比较困难 原理 采用高精度流量计作为标准仪表对其他工作用流量计进行校正 用作高精度流量计的有容积式 涡轮式 电磁式和差压式等形式 特点 校验方法简单 但介质的性质和流量的大小要受到标准仪表的限制 6 4 1 2 标准质量法 原理 是以秤代替标准容器作为标准器 用秤量一定时间内流入容器内的流体总量的方法来求出被测液体的流量 实验方法也有停止法和动态法两种 特点 精确度较高 这种方法可以达到 0 1 的精度 6 4 1 3 标准流量计法 6 4 1 4 标准体积管的校正法 原理 采用标准体积管流量装置对较大流量进行的实流标定 广泛应用于石油工业标定液体总量仪表 特点 可以对较大的流量进行标定 并且有较高精度 但在标定中要对标准体积管的温度 压力及流过被校表的液体的温度压力进行修正 结构 有多种类型 图6 27为单球式标准体积管的原理示意图 对于气体流量计 常用的校正方法有 用标准气体流量计的校正法用标准气体容积的校正法使用液体标准流量计的置换法 还可以用音速喷嘴产生恒定流量值对气体流量计进行校正 二 气体流量标准装置 为保证钟罩下压力恒定及消除钟罩浸入深度变化而引起内部压力变化 在其上部经滑轮悬以相应的重物 钟罩式气体流量校正方法常用 但也要对温度 压力进行修正 容积标准有50L 500L和2000L 标准气体容积式校正的方法采用钟罩式气体流量校正 其系统示意图如图6 28所示 工作过程 被校表的累计流量一定