第三章流量传感器3.4.

1 1、流量的基本概念、流量的基本概念（）流量：单位时间内流过管道横截面的流体数量，称为瞬时流量。（）体积流量：当流体的数量以体积表示时，称“体积流量”，记作qv，qV=Av，单位为单位为m3/h或或L/s；。（）质量流量：当流体的数量以质量表示量，称“质量流量”，记作qm，qm=Av，单位为单位为t/h或或kg/s。（）累积流量：在某一段时间内流过管道横截面的流体总和称为总（流）量或累积流量，记为q。3.43.4流量检测流量检测例：设测得流速v=10m/s，圆管道的直径D=1m，则截面积A=0.79m2，流量qV=7.9m3/s。通常指用来测量瞬时流量的仪表叫流量计，而用来计总量的仪表称为计量表、流量的测量方法、流量的测量方法测量流量的方法很多，有流速法、容积法、质量法、水槽法等。流速法中，又有叶轮式、涡轮式、卡门涡流式（又称涡街式）、热线式、多普勒式、超声式、电磁式、差压节流式等。常见的流量计有：容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、插入式流量计、流体振荡流量计（涡街流量计、质量流量计)3.4.13.4.1差压式流量计差压式流量计差压式流量计是一类应用最广泛的流量计,在各类流量仪表中其使用量占居首位。近年来,由于各种新型流量计的问世,它的使用量百分数逐渐下降,但目前仍是最重要的一类流量计。节流式流量计外形节流式流量计外形 气体或液体管道气体或液体管道及涡流发生锥体及涡流发生锥体 一、差压式流量计组成一、差压式流量计组成差压式流量计主要由三部分组成：节流装置、测量静压差的差压计、显示仪表。（）节流装置是安装在流体管道中，使流体的流通截面发生变化，引起流体静压变化的一种装置。常用的节流装置有文丘利管、喷嘴和孔板。（）将节流装置前后产生的压力差转换成为标准的电信号。文丘利管压力损失最小，而孔板压力损失最大。文丘利管孔板喷嘴、常用的节流装置常用的节流装置节流孔板节流孔板后取压管后取压管、节流孔板节流孔板节流孔板节流孔板流速变快，流速变快，压力变小压力变小 流体入口流体入口狭窄部位狭窄部位、文丘里喷嘴文丘里喷嘴文丘里喷嘴在文丘里喷嘴在管道中的位置管道中的位置前取压口前取压口后取压口后取压口、导压管的配置、导压管的配置节流孔板节流孔板后取压管后取压管前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。节流装置输出的压力差是从节流装置的前后节流装置输出的压力差是从节流装置的前后取压孔取出的。从取压孔到差压变送器的导压管取压孔取出的。从取压孔到差压变送器的导压管的配置也应按照规定的标准安装。如果被测流体的配置也应按照规定的标准安装。如果被测流体是气体，导压管应从节流装置的上方引出，以免是气体，导压管应从节流装置的上方引出，以免混杂在气体中的液滴堵住取压管；如果被测流体混杂在气体中的液滴堵住取压管；如果被测流体是液体，导压管应从节流装置的下方引出，以免是液体，导压管应从节流装置的下方引出，以免混杂在液体中的气体影响取压。混杂在液体中的气体影响取压。导压管配置图导压管配置图当充满圆管的流体流经在管道内部安装的节流装置时，流束将在节流件处形成局部收缩，使流速增大，静压力降低，于是在节流件前后产生压力差该压力差通过差压计检出流体的体积流量或质量流量与差压计所测得的差压值有确定的数值关系。二、工作原理二、工作原理 选定两个截面，II是节流装置前流体开始受节流装置影响的截面S1；II-II是流束经过节流装置后收缩最厉害的流束截面S2，由伯努利方程式得p1、p2流体在截面II和IIII处的静压力v1、v2流体在截面II和IIII处的平均流速结论：经过节流元件，流速提高，静压力降低，即在节流元件前后产生压力差。、优点(1)应用最多的孔板式流量计结构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长;(2)应用范围广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比拟;(3)检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产,便于规模经济生产 三、差压式流量计特点三、差压式流量计特点、缺点(1)测量精度普遍偏低;(2)范围度窄,一般仅3:14:1;(3)现场安装条件要求高;(4)压损大(指孔板、喷嘴等)、应用概况差压式流量计应用范围特别广泛,在封闭管道的流量测量中各种对象都有应用,如流体方面:单相、混相、洁净、脏污、粘性流等;工作状态方面:常压、高压、真空、常温、高温、低温等;管径方面:从几mm到几m;流动条件方面:亚音速、音速、脉动流等。它在各工业部门的用量约占流量计全部用量的1/41/3。3.4.2容积式流量计容积式流量计一、常见的容积式流量计容积式流量计按其测量元件分类,可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等、椭圆齿轮型容积流量计(也称奥巴尔容积流量计)的示意图该流量计由两椭圆齿轮相互啮合进行工作，图中P1表示流量计进口流体压力；P2表示出口流体压力，显然压力P1大于P2。椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计FPPFPP（）在图21(a)中，上齿轮为主动轮，下齿轮为从动轮。下面转子虽然受到流体的压差作用，但不产生旋转力矩，而上面齿轮在两侧差压作用下产生旋转力矩而转动由于两个齿轮互相啮合，故各自以O1，O2为轴心按箭头方向旋转，同时齿轮O1将半月形计量空间的流体排向出口。（）在图21(b)位置时，两个齿轮均在流体差压作用下产生旋转力矩，并在该力矩作用下沿箭头方向旋转，转变到图21(c)所示的位置（）在图21(c)，齿轮位置与图21(a)相反，下齿轮为主动轮，上齿轮为从动轮。下齿轮在进出口流体差压作用下旋转，又一次将它与壳体之间的半月型“计量空间”中的流体排出。如此连续不断运动，椭圆齿轮每转一周，就排出四份“计量空间”流体体积因此，只要读出齿轮的转数，就可以计算出排出的液体量。、腰轮流量计（罗茨流量计）腰轮容积流量计，也称罗茨型容积流量计。这种流量计的工作原理和工作过程与椭圆齿轮型基本相同，同样是依靠进，出口流体压力差产生运动，每旋转一周排出四份“计量空间”的流体体积量。所不同的是在腰轮上没有齿，它们不是直接相互啮合转动，而是通过按装在壳体外的传动齿轮组进行传动。、刮板式容积流量计刮板式流量计也是一种较常见的容积式流量计。在这种流量计的转子上装有两对可以径向内外滑动的刮板，转子在流量计进、出口差压作用下转动，每转动一周排出四份“计量空间”的流体体积与前一类流量计相同，只要测出转动次数，就可以计算出排出流体的体积量。、优点(1)计量精度高;(2)安装管道条件对计量精度没有影响;(3)可用于高粘度液体的测量;(4)范围度宽;(5)直读式仪表无需外部能源可直接获得累计,总量,清晰明了,操作简便。二、椭圆齿轮容积式流量计性能二、椭圆齿轮容积式流量计性能、缺点(1)结构复杂,体积庞大;(2)被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大;(3)不适用于高、低温场合;(4)大部分仪表只适用于洁净单相流体;(5)产生噪声及振动。电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。3.4.3电磁流量计电磁流量计可以测量各种腐蚀性介质：酸、碱、盐溶液以及带有悬浮颗粒的浆液。此流量计无机械惯性，反应灵敏，可以测量脉冲流量，而且线性较好，可以直接进行等分刻度。只能测量导电液体，因此对于气体、蒸气以及含大量气泡的液体，或者电导率很低的液体不能测量。由于测量管内衬材料一般不宜在高温下工作，所以目前一般的电磁流量计还不能用于测量高温介质。一、组成（）外壳（）外壳：用磁铁材料制成，用以保护内部册路系统：用磁铁材料制成，用以保护内部册路系统和隔离外部磁场的干扰。和隔离外部磁场的干扰。（）磁路系统（）磁路系统：用于产生均匀的直流或交流磁场。：用于产生均匀的直流或交流磁场。（）测量管（）测量管：电磁流量计的主要部分，流过被测流体。：电磁流量计的主要部分，流过被测流体。测量管采用不导磁、低电导率并有一定机械强度的材料测量管采用不导磁、低电导率并有一定机械强度的材料制成，如不锈钢、玻璃钢、铝等。制成，如不锈钢、玻璃钢、铝等。（）衬里（）衬里：测量管道内壁的一层耐磨、耐腐蚀、耐高：测量管道内壁的一层耐磨、耐腐蚀、耐高温材料。主要功能是增加测量管道的耐磨与耐腐蚀性，温材料。主要功能是增加测量管道的耐磨与耐腐蚀性，防止感应电势被金属测量管管壁短路。防止感应电势被金属测量管管壁短路。（）电极（）电极：正确引出感应电势信号。：正确引出感应电势信号。1 1直流励磁直流励磁 直流励碰方式用直流电产生磁场或采用永久磁铁，但是，使用直流磁场易使通过测量管道的电解质液体被极化极化，即电解质在电场中被电解，产生正负离子，在电即电解质在电场中被电解，产生正负离子，在电场力的作用下，负离子跑向正极，正离子跑向负极。场力的作用下，负离子跑向正极，正离子跑向负极。这样，将导致正负电极分别被相反极性的离子所包围，严重影响仪表的正常工作所以，直流励磁一般只用于测量非电解质液体，如液态金属等二、工作原理二、工作原理法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律如图所示，设在均匀磁场中，垂直于磁场方向有一个直径为D的管道。管道由不导磁材料制成，当导电的液体在导管中流动时，导电液体切割磁力线，因而在磁场及流动方向垂直的方向上产生感应电动势，如安装一对电极，则电极间产生和流速成比例的电位差。式中，c为感应电动势：B为磁感应强度，D为管道内径；v为液体在管道内平均流速。2 2交流励磁交流励磁 目前，工业上使用的电磁流量计，大都采用工频(50Hz)电源交流励磁方式，即它的磁场是由正弦交变电流产生的，所以产生的磁场也是一个交变磁场。交变磁场变送器的主要优点是消除了电极表面的极化干扰另外，由于磁场是交变的，所以输出信号也是交变信号。优点(1)测量通道是段光滑直管,不会阻塞,适用于测量含固体颗粒的液固二相流体,如纸浆、泥浆、污水等;(2)不产生流量检测所造成的压力损失,节能效果好;(3)所测得体积流量实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的明显影响;(4)流量范围大,口径范围宽;(5)可应用腐蚀性流体。三、电磁流量计性能三、电磁流量计性能(1)不能测量电导率很低的液体,如石油制品;(2)不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体;(3)不能用于较高温度。缺点3.4.浮子流量计浮子流量计浮子流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降，改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表，又称转子流量计。在美国、日本常称作变面积流量计（VariableAreaFlowmeter）或面积流量计。玻璃转子流量计玻璃转子流量计流体入口流体入口流体出口流体出口转子转子金属转子流量计金属浮子流量计的流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成。一一.工作原理工作原理转子流量计利用流体节流作用测量流体的体积流量。从转子的悬浮高度直接读取流量数值。如果流体流量恒定不变，那么转子就稳定在平衡位置上；如果流体流量发生变化，则转子原平衡位置对应的环形流通截面上的流速随之改变，转子所受向上的作用力也相应变化，从而便产生新的位移，直至达到新的平衡位置。由此可见，被测流体流量的大小可以通过转子在锥管中高度位置的变化来反映。当被测流体自锥管下端流入流量计时，由于流体的作用，浮子上下端面产生一差压，该差压即为浮子的上升力。当差压值大于浸在流体中浮子的重量时，浮子开始上升。随着浮子的上升，浮子最大外径与锥管之间的环形面积逐渐增大，流体的流速则相应下降，作用在浮子上的上升力逐渐减小，直至上升力等于浸在流体中的浮子的重量时，浮子便稳定在某一高度上。这时浮子在锥管中的高度与所通过的流量有对应的关系。工作原理演示示意图（）工作原理演示示意图（）工作原理演示示意图（）工作原理演示示意图（）工作原理演示示意图（）工作原理演示示意图（）体积流量的基本方程式为：体积流量的基本方程式为：h优点优点大部分浮子流量计没有上游直管段要求，或者说对上游直管段要求不高。较宽的流量范围度，一般为10：1，最低为5：1，最高为25：1。流量检测元件的输出接近于线性。压力损失较低。玻璃管浮子流量计结构简单，价格低廉。现场指示流量使用方便二、浮子流量计的性能二、浮子流量计的性能缺点大部分结构浮子流量计只能用于自下向上垂直流的管道安装。浮子流量计应用局限于中小管径，普通全流型浮子流量计不能用于大管径，玻璃管浮子流量计最大口径100mm，金属管浮子流量计为150mm，更大管径只能用分流型仪表。使用流体和出厂标定流体不同时，要作流量示值修正。液体用浮子流量计通常以水标定，气体用空气标定，如实际使用流体密度、粘度与之不同，流量要偏离原分度值，要作换算修正。3.4.5涡轮流量计涡轮流量计（以下简称TUF）是叶轮式流量（流速）计的主要品种，叶轮式流量计还有风速计、水表等。涡轮流量计,它采用多叶片的转子(涡轮)感受流体平均流速,从而且推导出流量或总量的仪表一般它由传感器和显示仪两部分组成,也可做成整体式。插入式涡轮流量计插入式涡轮流量计一、工作原理当被测流体流过传感器时，在流体作用下，叶轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，叶轮的转动周期地改变磁电转换器的磁阻值。检测线圈中磁通随之发生周期性变化，产生周期性的感应电势，即电脉冲信号，经放大器放大后，送至显示仪表显示。TUF的实用流量方程为qv：体积流量，m3/s，qm：质量流量，kg/s；f流量计输出信号的频率，Hz；K流量计的仪表系数，P/m3。二、涡轮流量传感器性能、优点(1)高精度,在所有流量计中,属于最精确的流量计之一(2)重复性好;(3)元零点漂移,抗干扰能力好;(4)范围度宽;(5)结构紧凑。、缺点:(1)不能长期保持校准特性;(2)流体物性对流量特性有较大影响3.4.6涡街流量计在特定的流动条件下，一部分流体动能转化为流体振动，其振动频率与流速（流量）有确定的比例关系，依据这种原理工作的流量计称为流体振动流量计。目前流体振动流量计有三类：涡街流量计、旋进（旋涡进动）流量计和射流流量计。涡街流量计是在流体中安放一根（或多根）非流线型阻流体（bluffbody），流体在阻流体两侧交替地分离释放出两串规则的旋涡，在一定的流量范围内旋涡分离频率正比于管道内的平均流速，通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率就可以推算出流体的流量。雷诺数雷诺数雷诺数是一个表征流体惯性力与粘性力之比的无量纲量，其定义为：式中：v流体的平均速度，m/s；流速的特征长度，如在圆管中取管内径值，m；流体的运动粘度，m2/s。如雷诺数小，粘性力占主要地位，粘性对整个流场的影响都是重要的。如雷诺数很大，则惯性力是主要的，粘性对流动的影响只有在附面层内或速度梯度较大的区域才是重要的。一、工作原理一、工作原理在流体中设置旋涡发生体（阻流体），从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街，如图所示,旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。卡门涡街的产生与现象为说明卡门涡街的产生，我们来考虑粘性流体绕流圆柱体的流动。当流体速度很低时，流体在前驻点速度为零，来流沿圆柱左右两侧流动，在圆柱体前半部分速度逐渐增大，压力下降，后半部分速度下降，压力升高，在后驻点速度又为零。这时的流动与理想流体统流圆柱体相同，无旋涡产生，如图a所示。随着来流速度增加，圆柱体后半部分的压力梯度增大，引起流体附面层的分离，如图b所示。当来流的雷诺数Re再增大，达到40左右时，由于圆柱体后半部附面层中的流体微团受到更大的阻滞，就在附面层的分离点S处产生一对旋转方面相反的对称旋涡在一定的留诺数Re范围内，稳定的卡门涡街的及旋涡脱落频率与流体流速成正比。设旋涡的发生频率为f，被测介质来流的平均速度为U，旋涡发生体迎面宽度为d，表体通径为D，根据卡曼涡街原理，有如下关系式f=SrU1/d=SrU/md式中U1-旋涡发生体两侧平均流速，m/s；Sr-斯特劳哈尔数；m-旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比由上式可见，VSF输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响，即仪表系数在一定雷诺数范围内仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸等有关。需检测质量流量，这时流量计的输出信号应同时但是作为流量计在物料平衡及能源计量中监测体积流量和流体密度，流体物性和组分对流量计量还是有直接影响的。二、二、结构结构VSF由传感器和转换器两部分组成。（）传感器包括旋涡发生体（阻流体）、检测元件、仪表表体等；（）转换器包括前置放大器、滤波整形电路、DA转换电路、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。近年来智能式流量计还把微处理器、显示通讯及其他功能模块亦装在转换器内。VSF结构图、旋涡发生体旋涡发生体，它可分为单旋涡发生体和多旋涡发生体两类，。单旋涡发生体的基本形有圆柱、矩形柱和三角柱，其他形状皆为这些基本形的变形。三角柱形旋涡发生体是应用最广泛的一种，。图中D为仪表口径。为提高涡街强度和稳定性，可采用多旋涡发生体，不过它的应用并不普遍。三角柱旋涡发生体d/D=0.20.3;c/D=0.10.2;b/d=11.5;=15o65o（）单旋涡发生体（）双、多旋涡发生体、检测元件流量计检测旋涡信号有5种方式。1）用设置在旋涡发生体内的检测元件直接检测发生体两侧差压；2）旋涡发生体上开设导压孔，在导压孔中安装检测元件检测发生体两侧差压；3）检测旋涡发生体周围交变环流；4）检测旋涡发生体背面交变差压；5）检测尾流中旋涡列。根据这5种检测方式，采用不同的检测技术（热敏、超声、应力、应变、电容、电磁、光电、光纤等）可以构成不同类型的VSF、转换器检测元件把涡街信号转换成电信号，该信号既微弱又含有不同成分的噪声，必须进行放大、滤波、整形等处理才能得出与流量成比例的脉冲信号。不同检测方式应配备不同特性的前置放大器 检测方式与前置放大器检测方法前置放大器热敏式恒流放大器超声式选频放大器应变式恒流放大器应力式电荷放大器电容式调谐-振动放大器光电式光电放大器电磁式低频放大器转换器原理框图三、三、涡街流量计性能涡街流量计性能1.优点优点VSF结构简单牢固，安装维护方便（与节流式差压流结构简单牢固，安装维护方便（与节流式差压流量计相比较，无需导压管和三阀组等，减少泄漏、量计相比较，无需导压管和三阀组等，减少泄漏、堵塞和冻结等）。堵塞和冻结等）。适用流体种类多，如液体、气体、蒸气和部分混相适用流体种类多，如液体、气体、蒸气和部分混相流体。流体。精确度教高（与差压式，浮子式流量计比较），一精确度教高（与差压式，浮子式流量计比较），一般为测量值的般为测量值的 1%2%）R。范围宽度，可达范围宽度，可达10：1或或20：1。压损小（约为孔板流量计压损小（约为孔板流量计1/41/2）。）。输出与流量成正比的脉冲信号，适用于总量计量，输出与流量成正比的脉冲信号，适用于总量计量，无零点漂移；无零点漂移；(1)不适用于低雷诺数测量;(2)需较长直管段;(3)仪表系数较低(与涡轮流量计相比);(4)仪表在脉动流、多相流中尚缺乏应用经验 2、缺点