流量的检测.pptx

,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,#,1,Flow Measurement,流 量 测 量,第,6,章,2,基本概念,压差式流量计,流体阻力式流量计,测速式流量计,振动式流量计,质量流量计,总量流量计,内 容,3,第一节 基本概念,Basic concepts,4,流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量，前者称体积流量,q,v,（,m,3,/s),，后者称质量流量,q,m,(kg/s),。,如果在截面上速度分布是均匀的，则,：,流量的概念,5,流体总量：,某一段时间内流过的流体量，即瞬时流量对时间的积分。,流量计：,用来测量流量的仪表的统称。,测量总量的仪表称为流体计量表或,总量计,。,6,1,、流量是三大工业过程控制量,(,压力、温度、流量,),之一；,2,、石油、天然气、化工原料等流 体的计量直接关系到国家利益；,3,、自来水、灌溉、污水处理等关 系到国计民生。,二,.,流量测量的重要性,Importance of fluid flow measurement,7,大型化工企业中，流量是,控制工艺过程和保证产品,质量的关键因素。,8,三.所用的一些技术术语,Some technical terms,1,、粘度,2,、压缩性,3,、层流、紊流,4,、雷诺数,9,1,粘度,(,Viscosity),粘度表征流体的流动阻力，如左下图。,y,x,流体层间,剪切应力,为：,动力粘度,dynamic viscosity(Pa.s),运动粘度,kinematic viscosity(m,2,/s),10,不可压缩性,(,incompressibility),:,液体，其密度随温度而变化。,可压缩性,(,compressibility),:,气体，其密度随温度和压力而变化。,2,压缩性,11,层流,(,laminar flow),流体沿直线顺着与管道平行的流线规律运动。,3,层流和紊流,流体在细管中的两种,流动形式,。,紊流,(,turbulent flow),流体质点的运动是紊乱的。,12,4,雷诺数,(,Reynolds number),利用雷诺数可以判断流动的形式。,Re2000,紊流,结论,：流动状态由流体比重、管道直径、,流速、流体粘度决定。,13,连续性方程,伯努利方程,四.基本流体方程,14,(,Equation of Continuity),流体在管道内作稳定流动的情况（,流场中任意点的流速不随时间变化的流动）,：,1,连续性方程,1,2,截面积,：,A,1,A,2,流 速,：,密 度,：,1,2,为某截面积上的平均速度,不可压缩的流体在稳定流动时，流过各截面流体的体积为常量。,15,2,伯努利方程,(,Bernoullis Equation),动能,压力能,势能,+,流体能,16,3,伯努利方程的构成,h,1,h,2,势能,Potential energy,mgh,1,mgh,2,动能,Kinetic energy,1,/2mv,1,2,1,/2mv,2,2,压力能,Pressure energy,mp,1,/,1,mp,2,/,2,能量守恒：,17,五.流量计分类,容积式,总量,流量计,瞬时,流量计,速度式,压差式,流体阻力式,测速式,流体振动式,容积,流量计,质量,流量计,18,第二节 压差式流量计,Differential pressure flow meter,19,一.压差式管道用流量计,A,1,v,1,P,1,A,2,v,2,P,2,压差式管道流量计示意图。,A,截面积,v,流速,P,压力,20,1,伯努利方程的,一般式,h,1,h,2,21,水平放置：,不可压缩液体：,2,伯努利方程的,特例,22,利用流体连续性,方程，,体积流量,：,测节流装置上、下游的压力差,23,主要由两部分组成：,节流装置,和测量静压差的,差压计,。,3,节流式流量计,节流装置安装在流体管道中，使流体的流通截面发生变化，进而引起流体静压变化。,常用的节流装置有,文丘利管,、,喷嘴,、,孔板,。,24,文丘利管压力损失,最小,，而孔板压力损失,最大,。,4,常用的节流装置,文丘利管,喷嘴,孔板,25,26,文丘利管流量计实物图,27,28,(,Open channel measurement),二,.,压差式明渠用堰式流量计,H,堰顶与上游水面距离,h,堰后离原始液面的深度，,该处流速为 。,29,v,1,很小,（,A,为总面积）,体积流量：,30,1,矩形槽渠,修正后：,如下图可得：,C,为堰释放系数,31,2,三角槽渠,槽宽,L,不是常数,32,修正后：,C,为堰释放系数,堰槽流量计由,堰槽,和与之配套的,液位传感器,及,流量显示仪表,组成。,33,第三节 流体阻力式流量计,Fluid resistance flow meter,34,管道内置入一阻力体。,根据阻力体不同，这类流量计有：,转子,(,浮子,),流量计,靶式流量计,一,.,工作原理,流量,大小,阻力体,受力变化,阻力体,运动位置变化,35,浮子受力,：,B,:,流体内浮子的浮力,F,:,流体作用于浮子的力,W,:,浮子的重力,W,F,B,锥体,浮子,环隙,1.,转子,(,浮子,),流量计,结构：,锥形管,浮子,转子,(,浮子,),流量计原理图,36,力平衡条件：,转子,(,浮子,),流量计的测量原理,重力浮力阻力,37,该环形流通面积为,A,0,，,则,体积流量,为：,38,则,体积流量,：,39,R,r,h,q,v,与,h,近似成线性关系。,40,流体流量的修正：,标定流体的密度为,0,，,实测流体的密度为,，则在同一个,A,0,处有：,从仪表刻度上读出的流量值乘上修正系数,C,g,，为实测值。,41,结构简单；,使用维护方便；,测量范围宽；,工作可靠且线性刻度；,适用性广。,转子,(,浮子,),流量计的特点,42,其测量元件是一个在测量管中心并垂直于流向的被称为,“,靶,”,的圆板。,通过测量流体作用在靶上的力而实现流量测量,。,2.,靶式流量计,结构：,流量变送器,显示,可用于低雷诺数、高粘度、含固体颗粒的浆液及腐蚀介质流量测量。,43,流体和靶表面的摩擦力,压差阻力,靶式流量计的测量原理,当流体的雷诺数达到一定数值，阻力系数,保持常数，阻力如右式：,44,流量与靶输出力,F,的平方根成正比,。测量靶所受的力,F，,就可以测定被测介质的流量。,因此可得,环隙,中的,平均流速,：,45,流量计分类,容积式,总量,流量计,瞬时,流量计,速度式,压差式,流体阻力式,测速式,流体振动式,容积,流量计,质量,流量计,46,第四节 测速式流量计,Velocity-infered flow meter,47,1.电磁流量计,2.涡轮流量计,3.超声波流量计,测速式流量计的分类,48,基本结构,:,均匀磁场,非导磁管道,一对电极,一,.,电磁流量计,工作原理,:法拉第电磁感应定律。导体作切割磁力线运动时会感应电势。,49,测量原理,导电液体在内径为,D，,磁场强度为,B,的导管内以平均速度,v,流动时，产生的电位差为：,则体积流量与感应电动势成正比：,50,1 直流励磁,2 交流励磁,3 低频方波励磁,励磁方式,51,优点,：,受交流电磁场干扰小；,缺点,：,电解质液体易,被极化,。,1,.,直流励磁,用直流激励或永久磁铁产生恒定磁场。,一般只用于测量非电解质液体，如液态金属等。,52,极化：,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。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。,1,.,直流励磁,53,大都采用工频(50,Hz),交流励磁；,优点,：消除了电极表面的极化干扰；,缺点,：电磁干扰大。,2,.,交流励磁,则,体积流量与感应电动势成正比,：,感应电动势：,54,3,.,低频方波励磁,综合了直流励磁方式和交流励磁方式的优点。,其频率通常为工频的12,l10。,在半个周期内,，磁场是恒稳的直流磁场，它具有直流励磁的特点，受电磁干扰影响很小；,整个时间过程中,，方波信号又是一个交变的信号，它能克服直流励磁易产生的极化现象。,55,1,.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；,2,.无机械惯性，反应灵敏，可以测量脉冲流量；,3,.线性较好,可直接进行等分刻度；,4,.只能测量导电液体，不能测量气体、蒸气以及大量气泡的液体或者电导率很低的液体；,5,.不能用于测量高温介质。,电磁流量计的特点,56,以,动量矩守恒原理,为基础，涡轮的旋转速度随流量的变化而变化，从涡轮的转速可求出流量值,；,二,.,涡轮流量计,57,q,v,=f/K,f,流量计输出信号的频率；,K,流量计的仪表系数；,58,1,）高精确度，基本误差可达,0.25,1.5,，在所有流量计中，它属于最精确的。,2,）重复性好，短期重复性可达,0.05,-0.2,；,3,）输出脉冲频率信号，无零点漂移，抗干扰能力强。,4,）测量范围度宽，中大口径可达,40,：,1-10,：,1,。,5,）结构紧凑轻巧，安装维护方便。,6,）适用高压测量，仪表表体上不必开孔，易制成高压型仪表。,7,）难以长期保持校准特性，需要定期校验。,涡轮流量计的特点,59,超声波流量计的原理,：,流速不同会使超声波在流体中传播的速度发生变化，通过分析计算改变的超声波信号，可以检测到流体的流速，进而可以得到流量值。,三,.,超声波流量计,主要介绍,传播速度差法,和,多普勒法。,60,通过测量,超声波脉冲,在顺流和逆流传播过程中的,速度之差,来得到到被测流体的流速。,1,.,传播速度差法,测量速差的方法有：,时差法,、,相差法,和,频差法,。,F,1,到,J,2,超声波传播速度为：,F,2,到,J,1,超声波传播速度为：,得到：,61,1）时差法,测量顺、逆流传播时由于超声波传播速度不同而引起的,时间差,。,顺流,传播时间为：,逆流,传播时间为：,时间差,为：,62,1）时差法,因此可得出流速：,流量正比于时间差：,63,测量顺、逆流传播时超声波信号的,相位差。,2）相差法,F,1,和,F,2,发射角频率为,w,的,连续超声波,，则,J,1,和,J,2,到的信号相位差为：,流量正比于相位差：,64,脉冲重复频率的定义:,在单通道中一个发射脉冲被接收器接收之后，立即发射出另一个脉冲，这样以一定频率重复发射,这个频率称为脉冲重复频率。,频差法是目前常用的测量方法，它是在前两种测量方法的基础上发展起来的,测量顺、逆流传播时超声脉冲的重复,频率差,。,3）频差法,65,顺流和逆流重复发射频率分别为:,3）频差法,频率差为：,流量正比于频率差：,66,多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动，会引起反射声波与声源在频率上的变化，这种频率变化正比于运动目标和静止的换能器之间的相对速度。,2,.,多普勒法,利用声学多普勒原理确定流体流量。,67,从发射晶体,T,1,发射的超声波束遇到流体中运动着颗粒或气泡，再反射回来由接收晶体,R,1,接收。,发射信号与接收信号的,多普勒频率偏移与流体流速成正比,。,多普勒法原理,（忽略管壁影响，并假设流体没有速度梯度，以及粒子是均匀分布的。）,68,超声波流量计的特点,优点：,流体中不插入任何元件，对流速无影响，也没有压力损失；,能用于任何液体，也能测量气体的流量；,非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量；,量程比较宽，可达,5,：,1,；,输出与流量之间呈线性等优点。,缺点：,只能用于测量,200,以下的流体；,结构复杂，成本较高。,69,流量计分类,容积式,总量,流量计,瞬时,流量计,速度式,压差式,流体阻力式,测速式,流体振动式,容积,流量计,质量,流量计,70,第五节 振动式流量计,vibration flow meter,71,利用流体流过阻碍物时产生稳定的漩涡，通过测量其漩涡产生频率而实现流量计量。,1.,典型结构:涡街流量计,由,涡街流量传感器,和,流量显示仪表,两部分构成。,（,Vortex flow meter),72,在流动的流体中放置一根其轴线与流向垂直的,非流线型柱形体,(如三角柱、圆柱等)，称之为,漩涡发生体,。当流体沿漩涡发生体绕流时，会在漩涡发生体下游产生如图所示,不对称但有规律的交替漩涡列,，这就是所谓的,卡门涡街,。,2.,理论基础:,“,卡门涡街,”,原理,73,74,冯.卡门,对涡街的稳定条件进行了研究，于1911年得到结论：,只有当两漩涡列之间的距离,H,和同列的两漩涡之间的距离,L,之比满足下面的关系时，所产生的涡街才是稳定的。,75,3.,圆柱体后漩涡发生的频率,柱体后漩涡发生的频率为：,其中,S,t,是与雷诺数有关的无量纲数，称为,斯特罗哈数,。,则体积流量为：,76,结构说明,：圆柱体表面开有导压孔，与圆柱体内部空腔相通，空腔由隔板分成二部分。,现象：,当旋涡在圆柱体下侧产生时，出于升力的作用圆柱体下方的压力比上方高，反之当旋涡在圆柱体上侧产生时，上方压力比下方高。,旋涡频率的可能检测方案:,1.铂电阻丝温度计法,2.膜片法,3.压电晶体法,4.超声波法,4.,漩涡频率的检测,77,被测流体本身就是振动体，无机械可动部件，几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响；,可得到与流量成正比的频率输出信号；,应用范围广泛，可适用液体、气体和蒸气。,测量范围宽，一般范围度可达,10,：,1,以上；,精确度为中上水平；,5.,振动式流量计的特点,78,流量计分类,容积式,总量,流量计,瞬时,流量计,速度式,压差式,流体阻力式,测速式,流体振动式,容积,流量计,质量,流量计,79,第六节 质量流量计,mass flow meter,80,1.,在工业生产中，由于物料平衡，热平衡以及储存、经济核算等所需要的都是质量，并非体积；,2.,在测量工作中，常需将测出的体积流量，乘以密度换算成质量流量，设备复杂，测量耗时；,3,.,密度随温度、压力而变化，在温度、压力变化比较频繁的情况下，难以达到测量的目的。,用质量流量计来直接测量质量流量，则无需再进行上述人工换算。,为什么需要质量流量计?,81,1,直接式,2,推导式,3,补偿式,质量流量计大致分为三大类：,82,直接检测与质量流量成比例的量，检测元件直接反映出质量流量。,1,直接式质量流量计,直接式质量流量计有两种：,1)科里奥利质量流量计,2)热式质量流量计,83,1)科里奥利质量流量计,当质量,m,的质点以速度,v,在对,P,轴作角速度为,旋转的管道内移动时，质点具有两个分量的加速度及相应的加速度力。,法向加速度,：即向心加速度,a,r,，,其量值为,2,r,，,方向朝向,P,轴。,切向加速度,a,t,：,即科里奥利加速度，其量值为,v,，,方向与,a,r,垂直。,84,1)科里奥利质量流量计,科里奥利力：,当密度为,的流体在旋转管道中以恒定速度,v,流动时，任何一段长度,x,的管道都受到一个切向的科里奥利力,Fc,的作用。,因此，测得,科里奥利力就可得到质量流量。,85,科里奥利质量流量传感器,1)科里奥利质量流量计,测量管振动激励系统中的驱动线圈,A,检测测量管挠曲的光学检测探头或电磁检测探头,B,86,缺点：,对外界振动干扰较为敏感，为防止管道振动影响，大部分型号的流量传感器安装固定要求较高。,不能用于较大管径，目前尚局限于,150,（,200,）,mm,以下。,大部分型号重量和体积较大。,价格昂贵。约为同口径电磁流量计的,2,8,倍；,1)科里奥利质量流量计,优点：,精度高、量程比大、动态特性好,可测量流体范围广泛，包括高粘度液的各种液体、含有固形物的浆液等。,流体密度变化对测量值得值的影响微小。,87,2)热式质量流量计,利用传热原理，即流动中的流体与热源之间热量交换关系来测量流量，当前主要用于测量气体。,88,组合,体积流量计,和,密度计,来测量质量流量，通过运算得出与质量流量有关的输出信号。,2,推导式质量流量计,有以下几种组合方式：,检测,检测,检测,检测,的流量计和密度计,的流量计和密度计,的流量计和检测 的密度计,的流量计和检测温度和压力,89,90,91,92,补偿式质量流量测量方法，是目前工业上普遍应用的一种测量方法,。,3,.,补偿式质量流量计,体积流量,流体温度,流体压力,密度,质量流量,93,流量计分类,容积式,总量,流量计,瞬时,流量计,速度式,压差式,流体阻力式,测速式,流体振动式,容积,流量计,质量,流量计,94,第七节 总量流量计,gross flow meter,95,1,容积式,2,速度式,总量流量计大致有两大类：,96,用仪表内一个固定容量的容积连续地测量被测介质，最后根据定量容积称量的次数来决定流过的总量。根据结构不同，这类仪表主要有：,1,.,容积式计量表,97,每转一周，四个相同月牙形腔（测量室）被形成、被封闭、被传送、被卸出。两个齿轮共送出4个,标准容积,的流体。,1）椭圆齿轮流量计,粘度愈大的介质，从齿轮和计量空间隙中泄漏出去的泄漏量愈小，因此被测介质的粘度愈大，对测量愈有利。,98,2）腰轮流量计（罗茨流量计）,工作原理与椭圆流量计相同，只是转子不是椭圆齿轮，而是一对由圆弧和摆线围成的中间凹进的腰形光轮，形成菱角形测量室。,可用于液体、气体流量测量。,99,特点：,计量精度高，基本误差一般为,0.5,，特殊的可达,0.2,或更高。通常在昂贵介质或需要精确计量的场合使用。,没有前置直管段要求。这一点在现场使用中有重要的意义。,可用于高粘度流体的测量。范围度宽，一般为,10,：,1,到,5,：,1,，特殊的可达,30,：,1,或更大。,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。,1,.,容积式计量表,100,再 见！,