自动检测技术及仪表控制系统

2019/9/2016流量检测主要内容★流量检测的基本概念★体积流量检测方法—容积式、差压式和速度式容积式—椭圆齿轮式、腰轮式和皮膜式差压式—节流式、均速管、弯管、靶式和浮子等速度式—涡轮、涡街、电磁和超声波流量计等★质量流量检测方法—直接式和间接式直接式—科里奥利、热式和冲量式质量流量计间接式—利用体积流量和质量流量之间的关系将多种仪表组合如体积流量计和密度计组合、体积流量计和体积流量计组合★流量标准装置—液体流量标准装置和气体流量标准装置2019/9/202一、流量(flow)的概念和单位1.定义：流体的流量指在短时间内流过某一流通截面的流体数量与通过时间之比。(瞬时流量)2.分类：①6.1流量检测的基本概念体的数量，指一段时间内通过流累积流量：或流过总量通过的流体的量瞬时流量：单位时间内②通过的流体的体积体积流量：单位时间内通过的流体的质量质量流量：单位时间内☎单位根据表示方法的不同而有不同的单位。2019/9/2032.分类：6.1流量检测的基本概念其中：qm为质量流量㎏/s；M为流体质量㎏；t为时间s；ρ为流体密度kg/m3；ν为流体平均流速m/s；A为流通截面积㎡。质量流量：单位时间内通过的流体的质量重量流量：单位时间内通过的流体的重量Agvdtdwqw其中：qw为重量流量，N/s；w为流体重量，N。2019/9/204其中：V为体积总量；M为质量总量；t为测量时间。☎质量流量是表示流量的最好方法，因为其它两种可由它求出。体积流量：单位时间内通过的流体的体积其中：qV为体积流量，m3/s；ν为流体体积，m3。累积流量：在某段时间内流体通过的体积或质量流量总量称为累积流量或流过总量。它是体积流量或质量流量在该段时间中的积分，表示为：2019/9/2051.流量检测方法及流量计分类流量检测方法：可归为体积流量检测和质量流量检测流量计：测量流量的仪表称为流量计。流量计通常由一次装置和二次仪表组成，一次装置产生一个与流量有确定关系的信号，亦称流量传感器，二次仪表则给出相应的流量值大小。见表6－1。总量计：测量流体总量的仪表称为计量表或总量计。分类按测量单位分为质量流量计和体积流量计按测量原理分为容积式、速度式和压差式流量计按测量方法分为直接测量式和间接测量式二、流量检测方法及流量计分类2019/9/206'qqCmm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。2019/9/207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。2019/9/2086.2体积流量检测方法一、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。——容积式流量计、差压式流量计、速度式流量计2019/9/209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）。2019/9/2010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：2019/9/2011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2019/9/2012★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2019/9/2013工作原理：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。组成：产生差压的装置(流体流过差压产生装置形成静压差）和差压计（测量差压值）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。差压式流量计：节流式流量计、均速管流量计、弯管流量计、靶式流量计、浮子流量计二、差压式流量计2019/9/20141.节流(throttle)式流量计——可测量液体、气体、或蒸汽节流式流量计中产生差压的装置称节流装置，其主体是一个局部收缩的阻力件，称为节流元件。通过节流元件改变流体流通截面，从而在节流元件前后形成压力差。常见的节流装置如图所示：孔板、喷嘴、文丘里管2019/9/2015节流装置（取压管及内部的节流孔板）节流孔板后取压管前取压管流体通过节流孔板时，流速加快，后取压管处的压力减小。2019/9/2016节流装置外形节流孔板后取压管2019/9/2017节流式流量计外形2019/9/2018节流装置的另一种形式——文丘里管或文丘里喷嘴文丘里喷嘴的压力损失较小。流体入口狭窄部位2019/9/2019节流装置分类：标准节流装置和非标准节流装置两大类。①标准节流装置的型式已经标准化，在规定了取压方式和前后直管段长度、流体的种类和流动条件下，有标准的流量—差压关系；②而非标准节流装置由于使用条件差异大，故没有标准化，用于解决脏污和高粘度流量的测量。节流式流量计的特点：结构简单，无可动部件；可靠性高，复现性能好；适用性较广，它适用于各种工况下的单相流体，适用的管道直径范围宽，可以配用通用差压计；装置又标准化。其缺点是安装要求严格；流量计前后要求较长的直管段；测量范围窄，一般范围度为3：1；压力损失较大；对于较小直径的管道测量比较困难(D50mm)；精度不够高(±1%～±2%)。2019/9/2020假设流体为不可压缩的理想流体，流体流经孔板时，流束断面变化，流速显著增加，因而动能增加，为保证能量守恒，故静压力减小，流体流经孔板后，断面逐渐增加恢复到原来的状态，流速逐渐降低为原来值，静压力回升，但由于能量损失-部分用于摩擦、撞击和涡流，所以压力有损失，不能回到原来的值。(1)节流式流量计测量原理及流量方程式流束开始收缩，中央压力下降流束最小收缩截面，流速最快，静压最低2019/9/2021①能量守恒定律（伯努力方程）：对于管道中的不可压缩流体，任何两个垂直于流速的截面均有下式成立：2222222111vρpvρp②连续性定律：同一流管内流过两个截面的流体质量相等。连续性方程为：220111vAvA★测量原理：能量守恒定律和流动连续性定律为基础。)(2112142ppv2120//AADd令：则：2019/9/2022☎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α：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α，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，α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）。α与Re及β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。附：雷诺数：判别粘性流体流动状态的参数，Re=Lvρ/μ。L—流场几何尺寸；v—流体速度；ρ—流体密度；μ—运动粘滞系数(㎡/s)Re临界值一般取2000。Re2000，紊流；Re2000，层流。pdapaAqpdapaAqmv24224220202019/9/2023可膨胀系数ε：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：pdapAaqpdapAaqmv2422422020；流出系数C：用流出系数C代替流量系数α进行修正。两个系数的关系是:，称为渐进速度系数。其中：411ECEa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β和不同的Re下，C的变化范围要比α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：pdKCEpACEqpdKCEpACEqmv222220202019/9/2024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。(2)节流式流量计的组成和标准节流装置★组成：由节流元件、引压管路、三阀组和差压计四部分构成。2019/9/2025•标准孔板是一块中心开有圆孔的金属薄圆平板，圆孔的入口朝着流动方向，有尖锐的直角边缘。圆孔直径d由所选取的差压计量程而定，β＝0.2～0.75。其结构简单体积小，加工易成本低，应用多。精度低，压力损失大，用于清洁的流体。•标准喷嘴由两个圆弧曲面构成的入口收缩部分和与之相接的圆筒形喉部组成β＝0.32～0.8。压力损失小，精确度高；结构较复杂，体积大，加工困难，成本较高。用于高速蒸汽流量测量。•文丘里管具有圆锥形的入口收缩段和喇叭形的出口扩散段。压力损失少，精度高；加工难，成本高，用于低压损、高精度测量的场合。它的流道连续变化，所以可以用于赃污流体的流量测量，并在大管径流量测量方面应用较多。a、标准节流件—标准孔板、标准喷嘴、文丘里管2019/9/2026三种标准节流件比较：压力损失：孔