3.6-流量检测3解析

3.6.7涡轮流量计涡轮流量计是一种典型的速度式流量计。1）结构2）工作原理：基于流体动量矩守恒原理设：T：流体作用在叶片上的旋转力矩，T1：流体粘滞摩擦力带来的阻力矩，T2：轴承引起的机械摩擦阻力矩，T3：叶片切割磁力线引起的电磁阻力矩。则作用于涡轮的动量矩可描述为：检测方式：通过流速在涡轮叶片上的分解分析，将流体流速转换为涡轮的转速，磁电转换装置将涡轮转速变成电脉冲信号，通过脉冲计数获取流量。1230TTTT123dJTTTTdt稳定流动：J：涡轮转动惯量3）流量方程涡轮叶片流速分解叶轮切向速度θuτuus涡轮叶片速度分解tansuu稳定时叶片切向速度suR涡轮转速tan22unRR：涡轮叶片的平均半径磁电转换器所产生的脉冲频率Z：涡轮叶片数目。流体的体积流量方程tan2ufnZZR2tanvRAfquAfZKA：涡轮的流通截面积；K：流量转换系数，K=Ztanθ／2πRA流量转换系数的含义是单位体积流量通过磁电转换器所输出的脉冲数，它是涡轮流量计的重要特性参数。涡轮流量计特性曲线——流量转换系数与流量关系图4）涡轮流量计的特点和使用优点：测量精度高，复现性和稳定性均好；可达0.5级以上，在小范围内可达±0.1％，可用作标定其他流量计的标准仪表。量程范围宽。量程比可达(10～20):1，刻度线性；耐高压，压损小，适应温度范围较宽。承受的工作压力可达16MPa，压力损失小于25kPa；（最大流量时）温度范围:-200～400℃对流量变化反应迅速，可测脉动流量。时间常数一般仅为几到几十毫秒；输出为脉冲信号，抗干扰能力强，信号便于远传及与计算机相连。缺点：制造困难，成本高。涡轮高速转动，轴承易损，降低了长期运行的稳定性，需要定期校验。流体介质密度和粘度的变化对流量示值有影响，必要时应做补偿修正。对被测介质的清洁度要求较高。使用要求：介质：气体，液体。通常涡轮流量计主要用于精度要求高、流量变化快的场合。涡轮流量计应水平安装，并保证其前后有一定的直管段（10，5）。要求被测流体粘度低，腐蚀性小，不含杂质，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。5）安装示意图：1－入口；2－阀门；3－过滤器；4－消气器；5－前直管段；6－流量计；7－后直管段；8－旁路3.6.8超声波式流量检测1）检测原理超声波在流体中传播时，受到流体速度的影响而载有流速信息，通过检测接收到的超声波信号可以测知流体流速，从而求得流体流量。超声波测流量方法：传播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、相关法、流速一液面法等多种方法。在工业应用中以传播速度法最普遍。2）传播速度法的测量原理传播速度差法利用超声波在流体中顺流与逆流传播的速度变化来测量流体流速并进而求得流过管道的流量测量原理图方法分类：根据测量参数的不同，分为时差法、相差法和频差法。T1T2R1R2Lc-uc+u超声波测速原理u①时差法依据超声波顺流和逆流的传播时间差测量流量超声波到达接收器R1和R2所需要的时间t1和t2与流速之间的关系为T1T2R1R2Lc-uc+uu1Ltcu时差2122222LuLutttcuc2Ltcu流体流速22cutL注意：时差△t非常小，在工业计量中，若流速测量要达到1％精度，则时差测量要达到0.01μs的精度。这样不仅对测量电路要求高，而且限制了流速测量的下限。②相差法相位差法是通过测量超声波传播的相位差来测量流量。基本方法：设超声换能器向流体连续发射的超声波脉冲形式为ω：超声波的角频率。顺流和逆流方向发射时收到的信号相位分别为0()sin()stAt信号相位差顺流：逆流：110t220t212tftf：超声波振荡频率。可见，相位差△φ比时差△t大2πf倍，流体的流速相差法用测量相位差取代测量微小的时差提高了流速的测量精度。注意：在时差法和相位差法中，流速测量均与声速c有关，而声速是温度的函数，当被测流体温度变化时会带来流速测量误差，因此为了正确测量流速，均需要进行声速修正。212tft2224ccuLfL③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检测流量。基本原理：声循环频率：声循环：以超声波接收器收到的声脉冲作为触发信号，触发发射器向被测流体发射下一个超声脉冲，形成“声循环”。声循环频率：脉冲循环的周期主要由流体中传播声脉冲的时间决定，其倒数称为声循环频率。T1T2R1R2Lc-uc+uu顺流脉冲循环频率：顺流和逆流时的声脉冲循环频差：逆流脉冲循环频率：111cuftL221cuftL122ufffL流体流速：2Luf流体流速与频差成正比，式中不含声速c。注意：循环频差△f很小，直接测量的误差大，为了提高测量精度，一般需采用倍频技术。由于顺、逆流两个声循环回路在测循环频率时会相互干扰，工作难以稳定，而且要保持两个声循环回路的特性一致也是非常困难的。因此实际应用频差法测量时，仅用一对换能器按时间交替转换作为接收器和发射器使用。④流量方程时差法、相差法、频差法测得的流速u是超声波传播途径上的平均流速。它和截面平均流速是不相同的，因此在确定流量方程时需要知道截面平均流速和测量值u之间的关系，这一关系取决于截面上的流速分布。紊流流动：43uuuku层流流动(Re2300)k：修正系数，是雷诺数的函数，550.237Re10:1.1190.011Re10:10.016.25431Rekgk流体的体积流量方程:层流流动：紊流流动：2244vqDuDuk223416vqDuDu3）超声流量计的特点与应用a.可用于各种液体的流量测量，包括测量腐蚀性液体、高粘度液体和非导电液体的流量，尤其适于测量大口径管道的水流量或各种水渠、河流、海水的流速和流量。在医学上还用于测量血液流量等。b.超声流量计测量时，超声换能器可以置于管道外，不与流体直接接触，不破坏流体的流场，没有压力损失。c.直管段要求：一般直管段长度在上游侧需要10D以上，而在下游侧则需要5D左右。d.超声波换能器安装安装形式：♦z式：最常见的方式，即单声道，装置简单，适用于有足够长的直管段，流速分布为管道轴对称的场合；♦v式：适用于流速不对称的流动流体的测量；♦x式：用于安装距离受到限制时场合，换能器一般均交替转换作为发射和接收器使用。TR1TR2(a)Z式TR1TR2(b)Z式TR1TR2(c)X式TR3TR4超声波换能器的管道配置方案安装位置：♦传感器尽可能在与水平直径成45度的范围内，避免在垂直直径位置附近安装。♦换能器安装处和管壁反射处必须避开接口和焊缝测量液体时安装位置必须充满液体注意温度影响的修正3.6.9质量流量计测量方法分类直接测量：由检测元件直接检测出流体的质量流量间接测量：通过测量流体体积流量和流体密度经计算得出流体的质量流量。这种方式又称为推导式；补偿式：同时检测出流体的体积流量和流体的温度、压力，应用有关公式求出流体的密度或将被测流体的体积流量自动地换算成标准状态下的体积流量，从而间接地确定质量流量。1）直接式质量流量计直接式质量流量计的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。①热式质量流量计基本原理：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。基本分类：量热式质量流量计浸（侵）入式质量流量计设：cp：流体的定压比热，△T：两点温度差，则根据传热规律，对流体的加热功率P与两点间温差的关系可表示为加热器W热电偶功率表热式质量流量计示意图流体mpPqcTmpPqcT质量流量方程式a.量热式质量流量计——内热式结论：若保持加热功率P恒定。则测出温差△T便可求出质量流量；若采用恒定温差法，即保持两点温差△T不变，则通过测量加热的功率P也可以求出质量流量。恒定温差法较为简单、易实现，所以实际应用较多。这种流量计多用于较大气体流量的测量。b.量热式质量流量计——外热式为避免测温和加热元件因与被测流体直接接触而被流体玷污和腐蚀，可采用非接触式测量方法，即将加热器和测温元件安装在薄壁管外部，而流体由薄壁管内部通过。示意图：流量方程式：热式分布式质量流量计原理图测量管轴向温度分布Tqm=0mAqKTCpK:仪表常数A:传热系数Cp:定压热容②差压式质量流量计差压式质量流量计是以马格努斯效应为基础的流量计，实际应用中利用孔板和定量泵组合实现质量流量测量；常见的有双孔板和四孔板与定量泵组合两种结构。a.双孔板结构设主管道体积流量为qv，且满足q＞qv，则有：流经孔板A的体积流量：qv-q流经孔板B的流量：qv+q定量泵定量泵qVqqv-qqv+qqp3p2p1AB差压计△p=p1-p2双孔板差压式质量流量计根据差压式流量测量原理，孔板A和B处压差分别为△p（=p1-p3）与流体质量流量qm（=ρqv）成正比，测出压差△p可求出流体质量流量。定量泵定量泵qVqqv-qqv+qqp3p2p1AB差压计△p=p1-p2双孔板差压式质量流量计221223()()AVBVpppKqqpppKqq1314BAVmppppKqqKqqb.四孔板结构设流过孔板A的体积流量为qA;则：流过孔板B、C、D的体积流量如图中所示。用与上述计算相同的方法，可求出如下关系:定量泵差压计ABCDqv-qA-qqA+qqAqv-qAqp1p2p3p4四孔板差压式质量流量计，q＞qv:q＜qV:234VppKqq144Vppqq四孔板与定量泵组合结构不论q＞qV，或q＜qV均可测量。适于测量液体的质量流量，测量范围为0.5～250kg／h，量程比为20:1，测量准确度可达0.5％。③科里奥利质量流量计是一种利用流体在振动管中流动而产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理来直接测量质量流量的仪表。科氏力作用的演示实验：流体静止：U型软管左右摆时，两管同时弯曲，仍然保持在同一曲面，如图(a)所示。流体流动：受力作用摆动时，总是出水侧的摆动要早于入水侧，呈现图(b)(c)(d)和(e)所示的情况。科氏质量流量检测是利用两管的摆动相位差来反映流经该U形管的质量流量。双弯管科氏力流量检测装置在两管的中间A、B、C三处各装有一组压电换能器。换能器A：在外加交变电压的作用下产生交变力，使两根U形管彼此一开一合地振动，相当于两根软管按相反方向不断摆动。换能器B和C：检测两管的振动情况。B处于进口侧，C处于出口侧；可知：C输出的交变信号的相位将超前于B某个相位，此相位差的大小与质量流量成正比。特点：科氏力流量计能直接测得气体、液体和浆液的质量流量，也可以用于多相流测量。不受被测介质物理参数的影响。主要用于粘度和密度相对较大的单相流体和混相流体的流量测量。测量精度较高，一般为0.25%，最高可达流量读数的0.1%。量程比可达100:1。不受管内流态影响，对流量计前后直管段要求不高。由于结构等原因，这种流量计适用于中小尺寸的管道的流量检测。它的阻力损失较大，存在零点漂移，2）间接式质量流量计在管道上串联多个检测元件，并建立各自的输出信号与流体的体积流量、密度等之间的关系，通过联立求解方程间接推导出流体的质量流量。实现质量流量的测量。常见的组合方式：节流式流量计与密度计的组合体积流量计与密度计的组合体积（差压）流量计与体积流量计的组合①节流式流量计与密度计的组合原理图：质量流量方程：差压计运算器密度计qv节流式流量计与密度计结合2Vpkq2mVVqqq②体积流量计与密度计的组合原理图：质量流量方程式：mVqq运算器密度计qv体积流量计体积流量计与密度计结合Vq③体积（差压）流量计与体