流量检测技术及仪表92页PPT

4流量检测技术及仪表《过程检测技术及仪表》4.1概述4.2节流式流量计4.3电磁流量计4.4涡街式流量计4.5涡轮流量计4.6超声波流量计4.7光纤流量计4.8质量流量计4.9靶式流量计4.10均速管流量计4.11容积式流量计4.12弯管流量计4.13转子流量计内容安排：4.14相关流量计4.15流量标准装置4.16流量检测仪表的选用体积流量qv：单位时间内通过某截面的流体的体积,单位为m3/s。用流体的平均流束V表示,体积流量可写成qv=vA质量流量qm：单位时间内通过某截面的流体的质量,用平均流速表示,则为vmqvAqAvvdAqAmvdAq流量:单位时间内流过管道某一截面的流体数量，称为瞬时流量。瞬时流量有体积流量和质量流量。累积流量:在某一段时间间隔内流过管道某一截面的流体量的总和,即瞬时流量在某一段时间内的累积值,称为总量。4.1概述流量测量方法：（1）速度式流量计：通过测量流体在管路内已知截面流过的流速大小实现流量测量。管道中流量敏感元件（如孔板、转子、涡轮、靶子、非线性物体等）把流体的流速变换成压差、位移、转速、冲力、频率信号来间接测量流量。如:差压式、转子、涡轮、电磁、旋涡和超声波等流量传感器。（2）容积式流量计：根据已知容积的容室在单位时间内所排出流体的次数来测量流体的瞬时流量和总量。有椭圆齿轮、旋转活塞式和刮板等流量传感器。（3）质量式流量计：一种是根据质量流量与体积流量的关系,测出体积流量再乘被测流体密度的间接质量流量传感器。常用的温度、压力自动补偿的补偿式质量流量传感器。另一种是直接测量流体质量流量的直接式质量流量传感器。如热式、惯性力式、动量矩式质量流量传感器等。利用管路内的节流装置,将管道中流体的瞬时流量转换成节流装置前后的压力差。4.2节流式流量计节流式流量计又称差压式流量计。节流式流量计测量系统主要由节流装置、引压导管和差压变送器（或流量变送器或差压计）等组成。节流装置的作用是把被测流体的流量转换成压差信号,差压计则对压差进行测量并显示测量值。引压导管将节流装置前后产生的差压传送给差压变送器（或流量变送器）。差压变送器能把差压信号转换为与流量对应的标准电信号或气信号,以供显示、记录或控制。4.2.1节流装置节流装置是差压式流量传感器的流量敏感检测元件,安装在流体流动的管道中的阻力元件。常用的节流元件有孔板、喷嘴、文丘里管。工业生产过程中常采用孔板。孔板喷嘴文丘里管标准孔板是最为简单和典型的标准节流装置。孔板、喷嘴、文丘里管的结构形式、相对尺寸、技术要求、管道条件和安装要求等均已标准化，故又称标准节流装置。标准节流装置按照规定的技术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。圆缺孔板圆缺孔板形状似扇形，它的开孔是一个圆的一部分(圆缺部分)，这个圆的直径是管道直径的98%，如图所示。主要用于脏污介质含有固体微粒的液体和气体的流量测量，圆缺开孔一般位于下方，但对于含气泡的液体，其开孔位于上方。测量时管道应水平安装。适用范围：管径50mm≤D≤350mm(可达500mm)，0.35≤β≤0.75，雷诺数：104≤ReD≤106。取压方式采用法兰取压和缩流取压。偏心孔板这种孔板的孔是偏心的，它与一个和管道同心的圆相切，这个圆的直径等于管道直径的98%，如图所示。其取压方式也有两种：法兰取压和缩径取压。适用范围：管径100mm≤D≤1000mm，直径比0.46≤β≤0.84，雷诺数105≤ReD≤106。4.2.2节流原理与流量方程式4.2.2.1节流原理流体在装有节流装置的管道中流动时，会在节流装置前后的管壁处产生静压力差，这种现象称为节流原理。用节流元件测量流量时,流体流过节流装置前后产生压力差Δp(Δp=p1-p2),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。通过检测节流装置前后管壁处的静压差Δp就能得知流体的流量大小。v1v2v1p1p2p3p1-p3pv（a）（b）（c）ⅠⅡⅢp2′节流现象及流体流经节流装置时压力和流速分布图4.2.2.2流量方程式假设节流件上游入口前的流速为V10,密度为ρ1,静压为p10,流过节流件时的流速、密度和静压分别为V20、ρ2和p20,对于不可压缩理想流体,能量方程为:流体的连续方程为:A1V1ρ=A2V2ρ联立求解得到流量与压差之间的流量方程式为:体积流量方程：质量流量方程：222202021010vpvpPaAqv20paAqm20对于可压缩流体,压力变化必然会引起密度ρ的改变,在公式中应引入流束膨胀系数ε,公式应变为:102PAaqvPAaqm102/12414.3103600246pdCQt/1003996.024pdCthm/3pdCQM2141003996.0hkg/如果以表示PkPa/12645.02pdCEQtpdCEMt212645.0*实用流量方程如果式中流量Q以m3/h表示；A1=πdt2/4,其中dt为在流体工作温度下节流件开孔直径，以mm表示，压差ΔP仍以Pa表示，流体工作密度ρ仍以kg/m3表示，则得流量实用方程为：4.2.3取压方式不同的节流装置应采用不同的取压方式。标准孔板的取压方式有角接取压、法兰取压和径距取压（D-D/2取压），其中角接取压又分环室取压和单独钻孔取压。流向流向流向环室取压单独钻孔取压法兰取压标准孔板的几种取压方式法兰取压环室取压单独钻孔取压1-1—角接取压；2-2—法兰取压；3-3—径距取压；4-4—缩流取压；5-5—管接取压由节流装置、差压引压导管及差压计（或差压变送器）等组成。4.2.4节流式流量测量系统节流装置是将被测流体的流量值变换成差压信号Δp，由压力信号管路输送到差压变送器(或差压计)。被测流量与差压Δp成平方根关系，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。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。显示仪表显示流量的大小。标准孔板及其安装方法4.2.5节流式流量计的应用问题⑴节流装置前后必须有足够长的直管段，一般节流件前为10～20D，节流件后为5D（D为管道内径）。⑵节流装置的几何尺寸必须符合设计要求。⑶节流装置的开孔必须与管道的轴线同心，且节流装置前后长度为2D的管道内不得有任何凸出物如测温装置等）。⑷孔板安装方向必须正确，即流体从圆柱形一侧流入，从圆锥形一侧流出。如果装反，则显示值比实际值偏小。⑸导压管路应尽量短，其走向必须符合有关规范要求，必要时必须安装集气器、排气阀或排污阀等。⑹被测介质应充满管道，流速应尽量平稳，且通过节流装置时不发生相变。⑺被测介质在节流装置前后应始终保持单向流体⑻使用中要保证导压管路畅通，并不得泄漏，要根据待测介质定期进行排气或排污。⑼测量如人工煤气等易引起节流装置几何尺寸变化甚至堵塞的介质流量时，必须进行定期清刷。根据法拉弟电磁感应定律测量导电性液体的流量。4.3电磁流量计4.3.1基本原理当有一定电导率的流体在管道中流动时就切割磁力线。在导体（流动介质）的两端也会产生感应电动势,其大小与磁感应强度、管径大小、流体流速大小有关。即BDvdtdExSNExB体积流量qv与流体的流速v关系为vDqv241可得:vvxkqqDBE4两电极间的感应电动势Ex与流量qV成线性关系,通过测量感应电动势Ex来间接测量被测流体的流量qV值。常用的电磁流量转换器能把传感器的输出感应电动势信号放大并转换成标准电流信号（0-10mA或4-20mA）或一定频率的脉冲信号,配合单元组合仪表或计算机对流量进行显示、记录、运算、报警和控制等。电磁流量传感器只能测量导电介质的流体流量。电磁流量传感器产生的感应电动势信号是很微小的,须通过电磁流量转换器来显示流量。几点说明：4.3.2电磁流量测量系统由传感器和转换器两部分组成，再加上流量显示、记录或累积仪即可构成电磁流量计测量系统。传感器转换器显示、记录或累积仪传感器安装在工艺管道上，其作用是将流经管道的液体流量线性地变换成感应电动势，并将此信号传送到转换器；转换器是将传感器送来的感应电动势进行处理后变成统一的标准信号4～20mADC输出；显示、记录或累积仪接收转换器送来的4～20mADC信号,实现对被测流休流量的指示、记录或积算。4.3.3电磁流量计的应用问题4.3.3.1待测液体常见问题及解决办法⑴含有气泡⑵非满管⑶电导率剧变⑷电导率太低⑸流速问题4.3.3.2选型及安装应考虑的问题⑴空间电磁波干扰问题⑵待测液体非对称流动⑶电极及衬里材料选择问题⑷励磁稳定性问题⑸混合相流体流量测量问题⑹电极与励磁线圈对称性问题⑺传感器接地⑻连接电缆问题⑼安装点振动问题4.4涡街式流量计两种：①应用自然振荡的卡曼漩涡列原理，称为卡曼涡街流量传感器（或涡街流量传感器）。②应用强迫振荡的漩涡漩进原理，称为漩进漩涡流量传感器。该漩涡列称为卡曼涡列（也称为涡街）。对于圆柱体，当两列漩涡的间距h与同列中相邻漩涡的间距L满足h/L=0.281条件时，卡曼涡列才是稳定的。每一列漩涡产生的频率f与流速v、圆柱体直径d的关系为dvSfr利用流体振荡原理工作。4.4.1测量原理hLdvhLdvDD在管道中垂直于流体流动方向插入一根非流线形的阻流体（也叫漩涡发生体），阻流体的下游两侧会交替出现漩涡。1.52.53.54.55.5lgRe0.150.200.250.30StSt与雷诺数的关系当雷诺数在500～150000范围内时，斯特罗哈尔系数Sr基本上是一个常数，可以认为频率f只受流速v和漩涡发生体的特征尺寸d的影响。当测得漩涡的频率后，就可得到流体的流速v，进而求得流体的体积流量qv。4.4.2漩涡频率的测量可采用热、电、声等多种方法，如：热敏检测法、应力检测法、电容检测法、超声检测法等，这些方法是利用敏感元件把漩涡处的压力、流速及密度等的周期性变化转换为周期性的电信号，然后经放大整形等处理后得到方波脉冲，最后由二次仪表显示、记录或累积。导压孔铂电阻丝圆柱形漩涡发生体热敏电阻三角柱形漩涡发生体圆柱体漩涡检测方法：根据漩涡发生处流体的流速与压力会周期性变化的特征工作的。通过测量铂电阻丝的电阻阻值变化频率即可求得被测流量的大小。电阻阻值变化可用电桥来测量。把铂热电阻丝用电流加热到比流体温度高出某个温度，流体通过铂热电阻丝时，带走它的热量，从而改变它的电阻值；此电阻值的变化与发出漩涡的频率相对应，便可检测出与流速成比例的频率。三角柱体漩涡检测方法：埋在三角柱正面的两只热敏电阻（负温度系数）与其它两只固定电阻构成一个电桥，电桥通以恒定电流使热敏电阻的温度升高。每产生一个漩涡，与漩涡在同一侧的热敏电阻的阻值就减小一次，上、下两侧漩涡交替有规律出现，上、下两个热敏电阻的阻值交替变化。电桥的输出电压变化频率就为双侧漩涡频率，通过测量电桥的输出电压的变化频率，即可求得被测流量的大小。埋在三角柱正面的两只热敏电阻与其它两只固定电阻构成一个电桥，电桥通以恒定电流使热敏电阻的温度升高。由于产生漩涡处的流速较大，使热敏电阻的温度降低，阻值改变，电桥输出信号。随着漩涡交替产生，电桥输出一系列与漩涡发生频率相对应的电压脉冲。4.4.3漩涡流量计测量系统由传感器、转换器及显示/记录仪等组成。传感器主要包括漩涡发生体和漩涡检测器，用于把待测流量转换成相应的频率信号；转换器是将传感器输出的频率信号进行放大及整形等处理，最后输出4～20mADC标准信号；显示/记录仪接收转换器的输出信号，显示/记录待测流量的大小。4.4.4.2安装问题4.4.4应用问题4.4.4.1仪表选型问题4.5涡轮流量计涡轮流量传感器类似于叶轮式水表，是一种速度式流量计。涡轮流量计测量时,当流体通过涡轮叶片与管道间的间隙时,流体对叶片前后产生压差推动叶片,使涡轮旋转,在涡轮旋转的同时,高导磁性的涡轮叶片周期性地改变磁电系统的磁阻值,使通过线圈的