传感器与检测技术-图文ppt模块八.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Company Logo,*,传感器与检测技术项目教程,学习单元一,差压式流量计,学习单元二,电磁流量计,学习单元三,涡轮流量计,学习单元四,涡街流量计,学习单元五,超声波流量计,模块八 流量传感器,模块八 流量传感器,模块导读,在现代工农业生产和科学研究中，流体的流量是一个重要参数。流量检测的主要任务有两类：一是为流体工业提高产品质量和生产效率，降低成本，以及为水利工程和环境保护等做必要的流量检测和控制；二是为流体贸易结算、储运管理和污水、废气排放控制等做总量计算。,模块八 流量传感器,模块导读,随着科学技术的发展，需要测量的流体越来越多，对流量测量的要求也越来越高。因此，需要根据流体的种类、流动状况和测量条件，研究各种相应的流量测量方法和仪表。,通过本模块的学习，学生应能掌握流量测量的基本知识和常用的流量检测仪表的使用方法。,模块八 流量传感器,流量是指单位时间内流经封闭管道或明渠有效截面的流体量，又称瞬时流量。当流体量以体积表示时称为体积流量,其单位为立方米,/,秒（,m,3,/s,）；当流体量以质量表示时称为质量流量，其单位为千克,/,秒（,kg/s,）。在工程中，还使用立方米,/,时（,m,3,/h,）、升,/,分（,L/min,）、吨,/,小时（,t/h,）等作为流量计量单位。,对在一定通道内流动的流体的流量进行测量统称为流量检测。流量检测的流体是多样化的，如测量对象有气体、液体、混合流体；流体的温度、压力、流量均有较大的差异，要求的测量准确度也各不相同。因此，流量检测的任务就是根据测量目的及被测流体的种类、流动状态、测量场所等测量条件，研究各种相应的测量方法，并保证流量量值的正确传递。,模块八 流量传感器,用于测量流量的计量器具称为流量计，通常由一次装置和二次仪表组成。一次装置安装于流体管道内部或外部，根据流体与一次装置相互作用的物理定律，产生一个与流量有确定关系的信号，一次装置又称流量传感器。二次仪表接收一次装置的信号，并转换成流量显示信号或输出信号。,模块八 流量传感器,现代工业中，流量测量应用的领域广泛。由于各种流体的性质不同，测量时其状态（压力、温度）也不相同，因此，采用不同的方法和流量仪表进行流量测量。流量仪表种类繁多，已经在使用的超过百种，它们的测量原理、结构、使用方法、适用场合各不相同，各有特点。流量检测仪表可按不同的原理划分，通常按测量方法和仪表结构进行分类，可分为差压式流量计、电磁流量计、涡轮流量计、涡街流量计、超声波流量计、质量流量计、容积流量计和浮子流量计等。,学习单元一 差压式流量计,差压式流量计如图,8-1,所示，广泛应用于工业生产中，用于测量液体、气体或蒸气的流量。,图,8-1,差压式流量计,学习单元一 差压式流量计,差压式流量计是根据安装于管道中的流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。产生差压的装置有多种形式，相应地有各种不同的差压式流量计，其中使用最广泛的是节流式，其余还有均速管、弯管、靶式、浮子式等。,学习单元一 差压式流量计,节流式流量计结构简单，工作可靠，成本低，而且检测件与差压显示仪表可分别在不同的专业化工厂制造，便于形成规模生产，组合灵活方便。节流式流量计能够测量各种工况下的液体、气体、蒸气等全部单相流体和高温高压下的流体，也可用于部分混相流，如气固、气液、液固等的测量。,学习单元一 差压式流量计,节流式流量计的结构与工作原理,一、,节流式流量计由节流装置、引压管路、三阀组和差压计组成，其结构如图,8-2,所示。,图,8-2,节流式流量计的结构,1,节流元件；,2,引压管路；,3,三阀组；,4,差压计,学习单元一 差压式流量计,节流式流量计中产生差压的装置称为节流装置，其主体是一个流通面积小于管道截面的局部收缩阻力件，称为节流元件。当流体流过节流元件时产生节流现象，流体流速和压力均发生变化，在节流元件两侧形成压力差。实践证明，在节流元件形状、尺寸一定，管道条件和流体参数一定的情况下，节流元件前后的压力差与流体流量成一定的函数关系。因此，可以通过测量节流元件前后的差压来测量流量。,学习单元一 差压式流量计,以孔板为例，观察在管道中流动的流体经过节流元件时流体的静压力和流速的变化情况。实验表明（见图,8-3,），在距孔板前（,0.52,）,D,（,D,为管道内径）处，流束开始收缩，即靠近管壁处的流体开始向管道的中心处加速。,图,8-3,流体流经节流元件时压力和流速的变化情况,学习单元一 差压式流量计,流束经过孔板后，由于惯性作用而继续收缩，在孔板后的（,0.30.5,）,D,处其截面积最小，流速最快，压力最低。此后，流束开始扩展，逐渐恢复到原来的速度，压力也逐渐恢复到最大。产生这种现象的原因是，当流体在管道中流过时，由于受到节流元件的阻挡作用，流体的流动速度变慢，动压能降低，静压能升高，流体通过节流元件以后，节流元件对流体的阻碍作用消失，动压能升高静压能降低，于是在节流元件前后产生了静压差,p,，压差的大小与流量成单值对应关系，流量越大，流束的局部收缩和静压能、动压能的转化越显著，即,p,也越大。所以，只要测出节流元件前、后的静压差，就能求得流经节流元件的流量大小。,学习单元一 差压式流量计,实际工程中流量的计算公式如下：,体积流量公式：,质量流量公式：,式中，,q,V,为体积流量；,q,m,为质量流量；为流量系数；为可膨胀性系数（当被测流体为液体时，,=1,；当被测流体为气体、蒸气时，,1,）；,d,为截面,2,上的流束直径；为流体的密度；,p,为静压差。,学习单元一 差压式流量计,节流装置,二、,学习单元一 差压式流量计,标准型节流装置,1.,应用最多的标准型节流装置有标准孔板、标准喷嘴和文丘里管。,（,1,）标准孔板。标准孔板如图,8,4,所示，它是一块具有与管道同心圆形开孔的圆板，迎流一侧是有锐利直角入口边缘的圆筒形孔，顺流的出口呈扩散的锥形。,图,8,4,标准孔板,学习单元一 差压式流量计,标准孔板的开孔直径,d,是一个非常重要的尺寸，对制成的孔板，应至少取,4,个大致相等的角度测得直径的平均值。任一孔径的单测值与平均值之差不得大于,0.05%,。,孔径,d,在任何情况下都应大于或等于,12.5 mm,，根据所用孔板的取压方式，直径比（,d/D,）总是大于或等于,0.20,，而小于或等于,0.75,。,学习单元一 差压式流量计,标准孔板结构简单，加工方便，价格便宜；但对流体造成的压力损失较大，测量精度较低，一般只适用于洁净流体介质。在测量大管径高温高压介质时，标准孔板易变形。,学习单元一 差压式流量计,（,2,）标准喷嘴。标准喷嘴是以管道轴线为中心线的旋转对称体，主要由入口圆弧收缩部分与出口圆筒形喉部组成，有,ISA1932,喷嘴和长径喷嘴两种形式。,ISA1932,喷嘴简称标准喷嘴，其形状如图,8-5,所示,。,图,8-5 ISA1932,喷嘴,学习单元一 差压式流量计,由进口端面,A,、收缩部分第一圆弧曲面,B,、第二圆弧曲面,C,、圆筒形喉部,E,和出口边缘保护槽,F,所组成。各段型线之间相切，不得有任何不光滑部分。,学习单元一 差压式流量计,进口端面,A,是直径为,1.5d,且与旋转轴（喷嘴轴线）同心的圆周和直径为,D,的管道内圆所限定的平面部分。当,d=2D/3,时，该平面的径向宽度为零。当,d,2D/3,时，直径为,1.5d,的圆周将大于直径为,D,的圆周，则在管内没有平面部分，这时应像图,8-5,（,b,）那样，使进口端面,A,的直径恰好等于管道内径,D,。,学习单元一 差压式流量计,标准喷嘴的测量精度高于标准孔板，压力损失小于标准孔板。它可测量带有污垢的流体介质，使用寿命长。但其结构复杂、体积大，比标准孔板加工困难，成本较高。,学习单元一 差压式流量计,（,3,）文丘里管。文丘里管是由收缩段、圆筒形喉部与圆锥形扩散管三部分组成的，其结构如图,8-6,所示。,图,8-6,文丘里管的结构,学习单元一 差压式流量计,文丘里管压力损失最低，有较高的测量精度，对流体中的悬浮物不敏感，可用于脏污流体介质的流量测量，在大管径流量测量方面应用较多，但尺寸大、质量大、加工困难、成本高，一般用于特殊场合。,学习单元一 差压式流量计,节流装置的取压装置与取压方式,2.,取压装置是指取压的位置与取压口的结构形式的总称。由图,8-3,可以看出，即使流量相同，在节流元件上下游的取压口位置选择不同，得到的差压也将不同。根据节流装置取压口位置的不同，可将取压方式分为理论取压、角接取压、法兰取压径距取压与损失取压五种。,学习单元一 差压式流量计,各种取压方式对取压口位置、取压口直径、取压口的加工及配合都有严格规定。各种取压方式及取压口位置如图,8-7,所示。,图,8-7,各种取压方式及取压口位置,1,1,理论取压；,2,2,角接取压；,3,3,法兰取压；,4,4,径距取压；,5,5,损失取压,学习单元一 差压式流量计,标准节流装置的取压方式规定为：,（,1,）标准孔板：可以采用角接取压、法兰取压和径距取压。,（,2,）标准喷嘴：上游采用角接取压，下游采用角接取压或在较远处取压。,（,3,）文丘里管：在上游和喉部均各取不少于四个、由均压环室连接的取压口取压，各取压口在垂直于管道轴线的截面平均分布。,学习单元一 差压式流量计,差压式流量计的安装注意事项,三、,差压式流量计的安装包括节流装置、差压信号管路和差压计（或差压变送器）三个部分的安装。安装时要求必须按规范施工，偏离要求产生的测量误差，虽然有些可以修正，但大部分是无法定量的，因此现场的安装应严格按照标准的规定执行，否则产生的测量误差甚至无法定性确定。,学习单元一 差压式流量计,测量管及其安装,1.,测量管是指节流件上下游直管段，包括节流件夹持环及流动调整器（采用时），典型的测量管如图,8-8,所示。,图,8-8,测量管,学习单元一 差压式流量计,（,1,）直管段管道内径的确定方法。,（,2,）直管段的直度和圆度。,（,3,）直管段的内表面状况。,（,4,）直管段的必要长度。,（,5,）节流件夹持环。,测量管是节流装置的重要组成部分，其结构及几何尺寸对进入节流件流体的流动状态有重要影响，所以有关标准对测量管的结构尺寸及安装有详细的规定。对于测量管及其安装应注意以下内容：,（,6,）流动调整器。,学习单元一 差压式流量计,节流元件的安装,2.,节流元件安装的垂直度、同轴度及与测量管之间的连接都有严格的规定。,（,1,）垂直度。节流元件应垂直于管道轴线，其偏差允许在,1,。,（,2,）同轴度。节流元件应与管道或夹持环（采用时）同轴。,学习单元一 差压式流量计,（,3,）节流元件前后测量管的安装。离节流元件,2D,以外，节流元件与第一个上游阻流件之间的测量管可由一段或多段不同截面的管子组成，其允许的台阶如图,8-9,所示。,图,8-9,管道台阶检验,学习单元一 差压式流量计,在离节流元件上游侧端面至少,2D,长度的下游测量管上，下游管道内径与上游测量管的内径平均值之差应不超过内径平均值的,3%,。,学习单元一 差压式流量计,差压信号管路的安装,3.,差压信号管路是指节流装置与差压变送器（或差压计）的导压管路。它较为薄弱，据统计，差压式流量计的故障中由导压管路引起的最多，如堵塞、腐蚀、泄漏、冻结、假信号等，约占全部故障的,70,。因此，对差压信号管路的配置和安装应引起高度重视。,学习单元一 差压式流量计,1,）取压口。取压口一般设置在法兰、环室或夹持环上，当测量管道为水平或倾斜时，取压口的安装方向如图,8-10,所示。它可以防止测液体时气体进入导压管或测气体时液滴、污物进入导压管。当测量管道为垂直时，取压口的位置在取压位置的平面上，方向可任意选择。,图,8-10,取压口的安装方向,学习单元一 差压式流量计,（,2,）导压管。导压管的材质应按被测介质的性质和参数确定，其内径不小于,6 mm,，长度最好在,16 mm,以内，各种被测介质在导压管长度不同时其内径的建议值见表,8-1,。导压管应垂直或倾斜敷设，其倾斜度不小于,1,12,，测量黏度高的流体时，其倾斜度应增大。当导压管长度超过,30 m,时，应分段倾斜，并在最高点与最低点装设集气器（或排气阀）和沉淀器（或排污阀）。正负导压管应尽量靠近敷设，防止两管子温度不同而使信号失真，严寒地区导压管应加防冻保护，用电或蒸汽加热保温，但要防止过热，导压管中流体汽化会产生假差压，应予以注意。,学习单元一 差压式流量计,表,8-1,各种被测介质在导压管长度不同时其内径的建议值单位：,mm,学习单元一 差压式流量计,思考与练习,问题 差压式传感器由哪几部分构成？每个部分的作用是什么？,思考：,学习单元二 电磁流量计,电磁流量计是利用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，,20,世纪,50,年代初实现了工业化应用，近年来，世界范围内的电磁流量计产量占工业流量仪表总台数的,5%6.5%,。,20,世纪,70,年代以来出现了键控低频矩形波激磁方式，逐渐替代了早期应用的工频交流激磁方式，仪表性能有了很大提高，得到了更为广泛的应用。大口径仪表较多应用于给排水工程；中、小口径仪表常用于固液双相等难测流体或高要求场所，如测量造纸工业纸浆液和黑液、有色冶金业的矿浆、选煤厂的煤浆、化学工业的强腐蚀液及钢铁工业高炉风口冷却水控制和监漏，长距离管道煤的水力输送的流量测量和控制；小口径、微小口径仪表常用于医药工业、食品工业、生物工程等有卫生要求的场所。,学习单元二 电磁流量计,电磁流量计的结构与工作原理,一、,电磁流量计的结构,1.,电磁流量计由流量传感器和转换器两大部分组成，其典型结构如图,8-11,所示。测量管上下装有励磁线圈，通励磁电流后产生的磁场穿过测量管，一对电极装在测量管内壁，与液体相接触，引出感应电动势，送到转换器。,图,8-11,电磁流量计的典型结构,学习单元二 电磁流量计,励磁电流由流量转换器提供。流量转换器将传感器输出的电势信号经信号处理和放大后转换为正比于流量的,420 mA,的电流信号或脉冲信号，输出至显示记录仪表。因励磁波形的不同，电磁流量转换器的电路有多种形式。转换器由微处理机、励磁电路、缓冲放大电路、,A/D,转换电路与电源等组成，自动完成励磁、高低频电势信号采集、处理与转换。转换器还具有多种功能如单量程、多量程、多通道设定，瞬时流量与累积流量运算、显示或流量控制，标准电流与脉冲输出，信号远传及各种报警检测，故障诊断等。,学习单元二 电磁流量计,电磁流量计的工作原理,2.,电磁流量计的测量原理如图,8-12,所示。当被测导电流体在磁场中沿垂直于磁力线方向流动而切割磁力线时，在对称安装的流通管道两侧的电极上将产生感应电动势，感应电动势的方向可以由右手定则确定。,图,8-12,电磁流量计的测量原理,学习单元二 电磁流量计,当磁场强度和管道直径一定时，感应电动势的大小与流速成正比，即,E=BDv,式中，,E,为感应电动势，,V,；,B,为磁感应强度，,T,；,D,为管道直径，即导体在磁场内切割磁力线的长度,m,；,v,为垂直于磁力线方向的液体流速，即被测液体流过传感器的平均流速,m/s,。,对于具体的流量计，管内径,D,是固定的，磁感应强度,B,在有关参数确定后也是不变的，感应电势,E,的大小只取决于液体的平均流速。因此，感应电势与液体体积流量有如下关系：,学习单元二 电磁流量计,电磁流量计的选用与安装注意事项,二、,选用注意事项,1.,市场上的通用型电磁流量计的性能有较大差别，有些精度高、功能多，有些精度低、功能简单。精度高的仪表的基本误差为,0.5%,1%,，精度低的仪表的基本误差则,为,1.5,%,2.5%,，两者价格相差,12,倍。因此，测量精度要求不很高的场合（如非贸易结算、仅以控制为目的或只要求高可靠性和优良重复性的场合）选用高精度仪表在经济上是不合算的。,学习单元二 电磁流量计,有些型号仪表号称有更高的精确度，基本误差仅为,0.2%,0.3%,，但有严格的安装要求和参比条件，如环境温度为,2022,，前后置直管段长度要求分别大于,10D,、,3D,（通常为,5D,、,2D,），甚至要求流量传感器要与前后置直管组成一体在流量标准装置上做实流校准，以减少夹装不善的影响。因此，多种型号进行选择比较时，不要只看高指标，要详细阅读制造厂样本或说明书，做综合分析。,市场上电磁流量计的功能差别也很大，简单的就只是测量单向流量，只输出模拟信号带动后位仪表；多功能仪表有测双向流、量程切换、上下限流量报警、空管和电源切断报警、小信号切除、流量显示和总量计算、自动核对和故障自诊断、与上位机通信和运动组态等功能。,学习单元二 电磁流量计,安装注意事项,2.,电磁流量计的安装位置应选择在任何情况下检测导管内都能充满液体的地方，避免检测导管内没有液体，而指针却不在零位所造成的错觉。最好是垂直安装，使被测液体自下而上流经仪表，这样可以避免当导管中有沉淀物或流体流经电极时产生气泡而造成的检测误差。如不能垂直安装时，也可水平安装，但要使两电极在同一水平面上。,学习单元二 电磁流量计,电磁流量计的输出信号比较弱，在满量程时也只有,2.58 mV,，流量很小时，输出只有几微伏，外界略有干扰就会影响检测的精度。因此，传感器的外壳、屏蔽线、检测导管及传感器两端的管道都要接地，并且要求单独敷设接地点，绝对不要连接在电机、电器等公用地线或上下水管道上。值得注意的是，转换部分已通过电缆线接地，故勿再行接地，以免因电位的不同而受干扰。,学习单元二 电磁流量计,传感器的安装地点要远离一切磁源,（,如大功率电机,、,变压器等），不能有振动。传感器和变换器必须使用同一相线，避免检测信号和反馈信号相位相差,120,，使仪表不能正常工作。,要定期清理传感器内壁积垢层，以防电极短路，要始终避免酸、碱、盐对仪表导管内绝缘衬里的腐蚀，保持绝缘衬里良好的工作状态。,学习单元二 电磁流量计,思考与练习,问题 请谈谈电磁流量计的选用注意事项。,思考：,学习单元三 涡轮流量计,涡轮流量计是重复性和精度都很好的产品，主要用于测量精度高、流量变化快的场合，还是用作标定其他流量计的标准仪表。它广泛应用于测量石油、液化气、天然气、煤气和低温流体等。在国外的液化石油气、成品油和轻质原油等的转运及集输站，大型原油输送管线的首末站都大量采用涡轮流量计进行贸易结算,。,学习单元三 涡轮流量计,涡轮流量计的结构与工作原理,一、,涡轮流量变送器的结构如图,8-13,所示，它主要由涡轮组件（涡轮和轴承）、导流体组件、磁电转换器、前置放大器和壳体等组成。,图,8-13,涡轮流量变送器的结构,1,导流器；,2,壳体3,轴承；,4,涡轮；,5,磁电转换器,学习单元三 涡轮流量计,由图可见，当被测流体流过传感器时，在流体作用下，涡轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，涡轮的转动周期性地改变磁电转换器的磁阻值。检测线圈中的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。,学习单元三 涡轮流量计,涡轮是由导磁的不锈钢材料制成的，装有数片螺旋形叶片，被置于摩擦力很小的轴承中。当流体流经涡轮时，涡轮除了发生旋转外，还受到一个轴向推力的作用。为了减小轴向推力的影响，一般利用流体产生的反推力来进行自动补偿，即采用了较特殊的涡轮轴体形状。,学习单元三 涡轮流量计,由铁心和感应线圈组成的磁电装置安装在变送器的壳体上。当导磁性的叶片旋转时，叶片便要周期性地改变磁电系统的磁阻值，使通过线圈的磁通量发生周期性变化，因而在线圈内感应出脉动电信号。磁电转换器除上述的磁阻式外，还有感应式的，它的转动涡轮用非导磁性材料制成，即将一小块磁钢埋在涡轮内腔，当涡轮旋转时，磁钢也随着旋转，因而在固定于壳体上的线圈里感应出电信号。磁阻式磁电转换器结构比较简单，并可以提高输出信号的频率，有利于提高测量精度。,学习单元三 涡轮流量计,导流器由导向环及导向座组成，使流体在进入涡轮前被导直，以避免流体的自旋作用而改变流体与涡轮叶片的作用角度，保证仪表的精度。在导流器上装有轴承，用以支承涡轮。前置放大器将磁电转换装置输出的微弱信号进行放大后送到二次仪表，前置放大器一般采用三级电压放大和射极输出电路，置于信号引出端的接线盒中。,学习单元三 涡轮流量计,图,8-14,所示为涡轮流量计，它是基于流体动量矩守恒原理工作的。当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。,图,8-14,涡轮流量计,学习单元三 涡轮流量计,在一定的流量范围内，对于一定的流体介质黏度，涡轮的转速与流体的平均流速成正比，故流体的流速可通过测量涡轮的旋转角速度得到，从而可以计算流体流量。,流体的体积流量方程为,式中，,q,V,为体积流量；,u,为流体平均流速；,A,为涡轮的流通截面积；为流量转换系数，,=Ztan,/,（,2,A,）。,学习单元三 涡轮流量计,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。对于一定的涡轮结构，流量转换系数为常数。,学习单元三 涡轮流量计,但由于涡轮轴承的摩擦力矩、磁电转换器的电磁力矩、流体和涡轮叶片间的摩擦阻力矩等因素的影响，在整个流量测量范围内，流量转换系数不是常数，其与流量间的关系曲线如图,8-15,所示。,图,8-15,流量转换系数与流量间的关系曲线,学习单元三 涡轮流量计,涡轮流量计的特点和应用,二、,涡轮流量计可用于测量气体、液体流量，其特点如下：,（,1,）精确度高介质为液体时,，,涡轮流量计的精确度一般为,0.25,R,0.5,R,，高精度型可达,0.15,R,；介质为气体时，一般为,1,R,1.5,R,，特殊专用型为,0.5,R,1,R,。在所有类型流量计中，它是最精确的。,（,2,）重复性好。短期重复性可达,0.05,0.2,，正是由于具有良好的重复性，如经常校准或在线校准可得极高的精确度，在贸易结算中是优先选用的流量计。,学习单元三 涡轮流量计,（,3,）输出脉冲频率信号,，适于总量计量及与计算机连接，无零点漂移，抗干扰能力强。,（,4,）可获得很高的频率信号（,34 kHz,），信号分辨力强。,（,5,）范围度宽，中大口径可达,40,1101,，小口径为,6,1,或,5,1,。,（,6,）结构紧凑轻巧，安装维护方便，流通能力大。,（,7,）仪表体上不必开孔，易制成高压型仪表。,（,8,）专用型传感器类型多，可根据用户特殊需要设计为各类专用型传感器，如低温型、双向型、井下型、混砂专用型等。,学习单元三 涡轮流量计,（,9,）可制成插入型传感器，适用于大口径测量，压力损失小，价格低，可不断流取出，安装维护方便。,（,10,）难以长期保持校准特性，需要定期校验。对于无润滑性的液体，液体中含有悬浮物或磨蚀性物质，造成轴承磨损及卡住等问题，限制了其适用范围，采用耐磨硬质合金轴和轴承后情况有所改进。对于贸易储运和有高精度测量要求的，最好配备现场校验设备，可定期校准以保持其特性。,（,11,）一般液体涡轮流量计（高黏度型除外）不适用于较高黏度介质，随着黏度的增大，流量计测量下限值提高，范围度缩小，线性度变差。,学习单元三 涡轮流量计,（,12,）流体物性（密度、黏度）对仪表特性有较大影响。气体流量计易受密度影响，而液体流量计对黏度变化反应敏感。由于密度和黏度与温度、压力关系密切，现场温度、压力的波动是难免的，因此要根据它们对精确度影响的程度采取补偿措施，才能保持高的计量精度。,（,13,）流量计受来流流速分布畸变和旋转流的影响较大，传感器上下游侧须设置较长的直管段，若安装空间有限制，可加装流动调整器（整流器）以缩短直管段长度。,学习单元三 涡轮流量计,（,14,）不适用于脉动流和混相流的测量。,（,15,）对被测介质的清洁度要求较高，限制了其适用领域，虽然可安装过滤器以适应脏污介质，但会带来压损增大、维护量增加等副作用。,（,16,）小口径（,DN50,以下）仪表的流量特性受物性影响严重，故小口径涡轮流量计的仪表性能难以提高。,学习单元三 涡轮流量计,涡轮流量计的安装注意事项,三、,图,8-16,涡轮流量计的安装示意图,学习单元三 涡轮流量计,图中各部分的配置可视被测对象情况而定，并不一定全部都需要。涡轮流量计对管道内流速分布畸变及旋转流是敏感的，进入传感器应为充分发展管流，因此要根据传感器上游侧阻流件的类型配备必要的直管段或流动调整器，见表,8-2,。若上游侧阻流件情况不明确，一般推荐上游直管段长度不小于,20D,，下游直管段长度不小于,5D,，如安装空间不能满足上述要求，可在阻流件与传感器之间安装流动调整器。传感器安装在室外时，应有避直射阳光和防雨淋的措施。,表,8-2,涡轮流量计所要求的最短直管段长度,学习单元三 涡轮流量计,思考与练习,问题 结合涡轮流量计的结构图简述它的工作原理。,思考：,学习单元四 涡街流量计,在特定的流动条件下，一部分流体动能可转化为流体振动，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。涡街流量计是最常用的流体振动流量计，从,20,世纪,60,年代末研制成功至今，已跻身为通用流量计之列。,学习单元四 涡街流量计,图,8-17,涡街流量测量系统,学习单元四 涡街流量计,涡街流量计的结构与工作原理,一、,涡街流量计的结构,1.,涡街流量计由传感器和转换器两部分组成，如图,8-18,所示。,图,8-18,涡街流量计的结构,学习单元四 涡街流量计,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、,D/A,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、通信及其他功能模块装在转换器内。,学习单元四 涡街流量计,（,1,）旋涡发生体是检测器的主要部件，它与仪表的流量特性（仪表系数、线性度、范围度等）和阻力特性（压力损失）密切相关。已经开发出形状繁多的旋涡发生体，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。,学习单元四 涡街流量计,（,2,）检测元件。涡街流量计检测旋涡信号有以下五种方式：,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。,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。,检测旋涡发生体周围交变环流。,检测旋涡发生体背面交变差压。,检测尾流中的旋涡列。,根据这五种检测方式，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涡街流量计。,学习单元四 涡街流量计,（,3,）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，必须在转换器中进行放大、滤波、整形等处理才能得到与流量成比例的脉冲信号。图,8-19,所示为转换器工作原理。,图,8-19,转换器工作原理,（,4,）仪表表体。仪表表体可分为夹持型和法兰型。,学习单元四 涡街流量计,涡街流量计的工作原理,2.,流体在流动过程中，遇到障碍物会产生回流而形成旋涡。在流体均匀流动的管道中，垂直地插入一个具有非流线型截面的柱体，称为旋涡发生体。当流速高于一定值时，在该旋涡发生体两侧会产生旋转方向相反、交替出现的旋涡列，称之为,“卡曼涡街,”,，如图,8-20,所示。,图,8-20,卡曼涡街,学习单元四 涡街流量计,旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。旋涡产生的频率仅决定于流体的流速,u,和旋涡发生体的特征尺寸，而与流体的物理参数（如温度、压力、密度、黏度及组成成分）无关。当旋涡发生体的形状和尺寸确定后，可以通过测量旋涡产生频率来测量流体流量。,设旋涡的发生频率为,f,，被测介质流动的平均速度为,u,，旋涡发生体迎面宽度为,d,，管道内径为,D,，当满足,d/D0.3,时，流体的体积流量,q,V,方程式为,式中，,S,t,为斯特劳哈尔数，一般工业测量中，圆柱体的,S,t,=0.21,，三棱柱体的,St=0.16,。,学习单元四 涡街流量计,涡街流量计的安装使用注意事项,二、,涡街流量计安装使用时应注意以下问题,:,（,1,）,流速分布变动及脉动流能的变化带来流场的干扰,，,如各种阀门、弯头、支管、扩张管等，直接影响旋涡的形成与频率，最终将影响其检测精度。安装时对仪表上下游的直管段有严格要求，一般上游为,20D,，下游为,5D,，必要时上游应加装整流片。,（,2,）工业电磁的干扰会引起传感器输出电压的变化，安装时要合理选择线路的敷设方式，采取相应屏蔽措施，正确选择接地点以减小电磁的干扰。,学习单元四 涡街流量计,（,3,）管道振动也会对检测带来影响。安装时，要采用支架结构，把压电敏感元件放在振动弯矩的零点上压电元件将不会受到振动力的影响。也可采用差动传感器来消除振动影响。,（,4,）被测流体的雷诺数应为,2,10,4,7,10,16,，如果超过这个范围，斯特劳哈尔数,S,t,便不是常数，仪表精度将降低。,（,5,）流体的流速必须在规定的范围内,，不同口径有不同的流速要求。如果被测介质为气体，最大流速应小于,60 m/s,；为蒸气时，应小于,70 m/s,；为液体时，应小于,7 m/s,。仪表的下限流速，则根据被测介质的黏度与密度，从仪表的相应曲线或公式中求得。,学习单元四 涡街流量计,思考与练习,问题 涡街流量计的工作原理是怎样的？使用时有哪些注意事项？,思考：,学习单元五 超声波流量计,超声波流量计是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表。当超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息，通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。近十几年来，随着集成电路技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，超声波流量测量技术发展很快，基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已在工农业、水利、医疗、河流和海洋观测等领域的计量、监测中得到广泛应用。,学习单元五 超声波流量计,图,8-21,超声波流量计,学习单元五 超声波流量计,超声波流量计的结构与工作原理,一、,超声波流量计的结构,1.,超声波流量计主要由安装在测量管道上的超声换能器（或由换能器和测量管组成的超声流量传感器）和转换器组成。转换器在结构上分为固定盘装式和便携式两大类。换能器和转换器之间由专用信号传输电缆连接，在固定测量的场合须在适当的地方装接线盒。夹装式换能器通常还须配用安装夹具和耦合剂,。,学习单元五 超声波流量计,图,8-22,所示为系统组成示例，此例是用传播速度差法测量液体的夹装式超声波流量计。,图,8-22,超声波流量计的系统组成示例,学习单元五 超声波流量计,超声波流量计的工作原理,2.,目前，超声波流量计最常用的测量方法有传播速度差法和多普勒效应法两种。,（,1,）传播速度差法。声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与被测流体流速的关系求取流速，称为传播速度差法,学习单元五 超声波流量计,图,8-23,所示为传播速度差法原理。按具体测量参数的不同，传播速度差法又可分为时差法、相差法和频差法。现以时差法为例简述其工作原理。,图,8-23,传播速度差法原理,学习单元五 超声波流量计,流体流速计算公式为,式中，,u,为流体流速；,c,为声速；,L,为两个换能器之间的距离；,t,为流体到达两个换能器的时差。,由上式可知，当声速,c,为常数时，流体流速和时差,t,成正比，测得时差即可求出流速,u,。如果,u,是管道截面上的平均流速，那么可求得流量为,式中，,D,为管道内径。,学习单元五 超声波流量计,2,）多普勒效应法。超声波在传播路径上若遇到微小固体颗粒或气泡会被散射，因此用时差法测量含有这类物体的流体时就不能很好地工作。而多普勒效应法正是利用超声波被散射这一特点工作的，所以其适合测量含固体颗粒或气泡的流体。根据多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率，这个频率的变化与两者之间的相对速度成正比。,学习单元五 超声波流量计,超声波多普勒流量计就是基于多普勒效应测量流量的，其工作原理如图,8-24,所示。,图,8-24,超声波多普勒流量计工作原理图,学习单元五 超声波流量计,发射换能器,A,向流体发出频率为,f,A,的连续超声波，经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射，散射的超声波产生多普勒频移,f,d,，接收换能器,B,收到频率为,f,B,的超声波，其值为,式中，,u,为散射体运动速度，即流体速度；,c,为声速。,学习单元五 超声波流量计,多普勒频移,fd,正比于散射体流动速度，有,测量对象确定后，上式移行有,则体积流量为,测得多普勒频移,f,d,就可以得到体积流量,q,V,。,学习单元五 超声波流量计,超声波流量计的优缺点与安装注意事项,二、,超声波流量计属于非接触式测量仪表，在工业用流量仪表中具有如下优点：,（,1,）夹装式换能器超声波流量计可无须停流截管安装，只要在既设管道外部安装换能器即可,，,因此可做移动性（即非定点固定安装）测量。,（,2,）它为无阻挠流量测量，无额外压力损失。,（,3,）流量计的仪表系数可从实际测量管道及声道等几何尺寸计算求得。,学习单元五 超声波流量计,（,4,）它适用于大型圆形管道和矩形管道，且原理上不受管径限制，其造价基本上与管径无关。,（,5,）多普勒超声波流量计可测量固相含量较多或含有气泡的液体。,（,6,）它可测量非导电性液体，在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充。,（,7,）它可解决一些特殊测量问题，如速度分布严重畸变测量、非圆截面管道测量等。,（,8,）某些传播速度差法超声波流量计附有测量声波传播时间的功能，即可测量液体声速以判断所测液体类别。例如，油船泵送油品上岸，可核查所测量的是油品还是仓底水。,学习单元五 超声波流量计,超声波流量计的主要缺点如下：,（,1,）传播速度差法超声波流量计只能用于清洁液体和气体的测量，不能测量悬浮颗粒和气泡超过某一范围的液体；反之，多普勒法超声波流量计只能用于测量含有一定异相的液体。,（,2,）外夹装换能器的超声波流量计不能用于衬里或结垢太厚的管道，也不能用于衬里（或锈层）与内管壁剥离（若夹层夹有气体会严重衰减超声波信号）或锈蚀严重（改变超声波传播路径）的管道。,（,3,）多普勒法超声波流量计多数情况下测量精度不高。,学习单元五 超声波流量计,超声波流量计的安装包括流量传感器和换能器的安装，注意事项如下：,（,1安装流量传感器时管网必须停流，测量点管道必须截断后接入流量传感器。,（,2,）连接流量传感器的管道内径必须与流量传感器的管道内径相同，其差别应在,1%,以内。,（,3,）流量传感器上的传感器尽可能与水平直径的夹角小于,45,，避免在垂直直径位置附近安装。否则，在测量液体时换能器声波表面易受气体或颗粒影响，在测量气体时受液滴或颗粒影响。,学习单元五 超声波流量计,（,5,）上下游应有必要的直管段。,（,6,）换能器安装处的壁面打磨干净。避免局部凹陷，凸出物应修平，漆锈层须磨净。,（,4,）测量液体时安装位置必须充满液体。,学习单元五 超声波流量计,（,7,）对于垂直设置的管道，若为单声道传播速度差法仪表，换能器的安装位置应尽可能在上游弯管的弯轴平面内，如图,8-25(a),所示。,（,8,）换能器安装处和管壁反射处必须避开接口和焊缝，如图,8-25(b),所示。,图,8-25,换能器安装注意事项,学习单元五 超声波流量计,（,9,）换能器安装处的管道衬里和垢层不能太厚。,（,10,）换能器工作面与管壁之间保持有足够的耦合剂，不能有空气和固体颗粒。,（,11,）多普勒法夹装式换能器的安装有对称安装和同侧安装两种方法。,学习单元五 超声波流量计,思考与练习,问题 传播速度差法和多普勒效应法分别使用于哪种工作环境？为什么？,思考：,Thank you!,