传感器与检测技术.ppt
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1、,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
2、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: Rd2320时为层流,Rd2320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
3、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1.051.1,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。,
4、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
5、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
6、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
7、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
8、,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II、处沿管中心的 流体有以下能量关系:,根据流体的连续性
9、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
10、: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、
11、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50mm b.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
12、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
13、零点校验。 差压计的安装示意图如图68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
14、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
15、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
16、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:
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