傳感與檢測技術(shù)課件：ch21-流量測量-修改

1、 第21章 流量測量121. 流量測量21.1 流量測量(Flow Measurement)概述重要性： 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，存在許多流體（氣體或液體）的輸送計量和控制需求，需測量流體的速度或者流過的流量，這些實際應(yīng)用需要有適用于不同流體的流量傳感器?；靖拍钏矔r流量：單位時間內(nèi)流體通過管道某一截面的體積數(shù)或質(zhì)量數(shù)。累積流量：在一段時間范圍內(nèi)流體通過管道某一截面的體積數(shù)或質(zhì)量數(shù)的總和。 流量可分為體積流量和質(zhì)量流量。221.1 流量測量概述1）體積流量Qv 體積流量分為瞬時體積流量和累積體積流量，分別表示為：式中，A為流體流過的管道的某截面面積(m2)；v為流體的速度(m/s)；t為流體

2、流過某截面的時間范圍(s)。 由于流體有黏性，因此，某一截面上各點的流速并不均勻，上兩式中的流體速度v指流過某截面流體的平均速度。2）質(zhì)量流量Qm 質(zhì)量流量分為瞬時質(zhì)量流量Qms和累積質(zhì)量流量QmT，分別為： 式中，為流體的密度（kg/m3）。,，21. 流量測量321.1 流量測量概述3）流量的測量方法 由上可知，只要能測得流體的體積流量Qv或質(zhì)量流量Qm或者流體的平均速度v和流體流過的某一截面面積A及時間范圍t，就能測得流體的流量。 根據(jù)流體的性質(zhì)、流體的工作狀態(tài)、測量流體的工作場合等的不同，有很多不同的流量測量方法。 目前應(yīng)用較多的流量傳感器中，常將流量測量問題轉(zhuǎn)換成其他非電量的測量，如

3、轉(zhuǎn)速（速度）、位移、壓差、頻率、時間等，然后在檢測儀表中把這些非電量轉(zhuǎn)化為電量，最后計算出流體的流量。21. 流量測量421.2 轉(zhuǎn)速(速度)法測流量 轉(zhuǎn)速（速度）法測量流量是應(yīng)用較多的流量測量方法，目前常見的利用轉(zhuǎn)速（速度）法測量流量的流量傳感器主要有：渦輪流量傳感器，電磁流量傳感器。21.2.1 渦輪流量傳感器 磁電式渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示，管道內(nèi)裝自由旋轉(zhuǎn)的渦輪4，管道內(nèi)有流體流過時，流體沖擊使渦輪旋轉(zhuǎn)，高導(dǎo)磁的渦輪葉片隨之周期性改變磁電系統(tǒng)的磁阻，使線圈磁通量周期性變化而產(chǎn)生感應(yīng)電勢，處理后得到可測頻的方波脈沖，從而可得流體流量。 流量、流速、渦輪轉(zhuǎn)速存在正比關(guān)系，測出渦輪轉(zhuǎn)速就

4、可得到流過管道流體的瞬時流量和總流量。521.2 轉(zhuǎn)速法測流量21.2.1 渦輪流量傳感器 如圖所示，設(shè)v為流體速度，為渦輪葉片的角速度，r為葉片平均半徑，為傾角，則渦輪葉片旋轉(zhuǎn)的切線速度為：v=r。 流速與渦輪葉片角速度的關(guān)系： v=v/tan=r/tan； 瞬時體積流量： Q=Av=Ar/tan ，A為渦輪有效通道截面積。 若渦輪葉片總數(shù)為z，則感應(yīng)電勢頻率：f=0.5z/由上可得渦輪流量傳感器的線性靈敏度： S=f/Q=ztan/(2rA)可知：對確定的傳感器，r、A、均為常數(shù)，渦輪葉片角速度與流量Q成正比，渦輪流量傳感器的線性靈敏度為常數(shù)。 621.2 轉(zhuǎn)速法測流量21.2.1 渦輪式

5、流量傳感器 實際中，由于渦輪的軸承、葉片與流體之間等方面存在的摩擦因素影響，在流量測量范圍內(nèi)不能保證理想情況，需對上述公式進行系數(shù)修正。 修正后的公式分別如下： Q=Av/c=Ar/(ctan)； /Q=ctan/(rA)； S=f /Q=cztan.式中，c為流量修正系數(shù)，cl，流量越大時，其值越大。特點：精度高，重復(fù)性好，無零漂，抗干擾能力強。適用高壓測量，儀表表體上不必開孔，易制成高壓型儀表，但難以長期保持校準(zhǔn)特性，需要定期校驗。721.2 轉(zhuǎn)速法測流量21.2.2 電磁式流量傳感器 基于測速法測流量，測導(dǎo)電流體的流量。根據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計的一種結(jié)構(gòu)如圖所示，主要由均勻磁場、不導(dǎo)磁不導(dǎo)電

6、的管道、管道截面上的電極和測量儀表四部分構(gòu)成。其中，磁場方向、電極連線和管道軸線互相垂直。 導(dǎo)電流體在管道里流動，切割磁力線，在與磁場和流動方向相垂直的方向產(chǎn)生感應(yīng)電勢，由設(shè)置在管道截面的導(dǎo)電電極導(dǎo)出。感應(yīng)電動勢: EBDv 式中，E為感應(yīng)電勢(V)；B為磁感應(yīng)強度(T)； D為切割磁力線的導(dǎo)體長(此處為管徑)(m)；v為流體在管道內(nèi)的平均流速(m/s)。821.2 轉(zhuǎn)速法測流量21.2.2 電磁流量傳感器 對于圓截面管道，導(dǎo)電流體的體積流量為 Q=0.25D2v=0.25D2E/B 可知，流體的體積流量Q與感應(yīng)電勢成正比，測得導(dǎo)電電極輸出的電勢可求出流量。 均勻磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為直流，給測

7、量系統(tǒng)帶來不方便，同時也引起導(dǎo)電電極的極化和導(dǎo)電流體發(fā)生電解，導(dǎo)致測量誤差。因而實際測量中，常用交變磁場，即： BBmaxsint； 相應(yīng)的感應(yīng)電勢為：E=DvBmaxsin t。則導(dǎo)電流體的體積流量改為: Q=0.25D2v=0.25DE/Bmaxsint特點：可測各種腐蝕性介質(zhì)：酸、堿、鹽溶液以及帶有懸浮顆粒的漿液；不能測氣體、蒸氣以及大量氣泡的液體或者電導(dǎo)率很低的液體；不能測高溫介質(zhì)。921.3 差壓(力)法測流量方式：通過測量流體在管道內(nèi)流動而產(chǎn)生的差壓或力來測得其流量，主要有節(jié)流式、靶式、轉(zhuǎn)子式等。21.3.1 節(jié)流式流量傳感器1）結(jié)構(gòu)構(gòu)成: 節(jié)流裝置+靜壓差測量裝置+測量儀表 如圖

8、所示，流體管道中安裝一節(jié)流裝置，當(dāng)充滿管道的流體經(jīng)過節(jié)流裝置時，因管道截面突然變小，流體在此形成流束收縮，流體的平均速度加大，使動壓力加大、靜壓力減小，在節(jié)流裝置前后形成靜壓差：p=pipo式中，pi 和po分別為節(jié)流裝置前、后的流體靜壓(N/m2)。節(jié)流裝置的作用：使流體的流通截面發(fā)生變化，進而引起流體靜壓變化。常用的節(jié)流裝置有文丘利管、噴嘴、孔板.1021.3 差壓(力)法測流量21.3.1 節(jié)流式流量傳感器2）工作原理 根據(jù)伯努利方程(動能、勢能、壓力能守恒)，靜壓差p與流過管道的流體體積流量Qv的關(guān)系為：式中，為實驗方法所確定的流量系數(shù)；為流體膨脹校正系數(shù)（可壓縮流體104Hz的聲波）

9、具有良好的方向性來測流量。 下圖為超聲流量傳感器的工作原理示意圖。其中T1和T2為兩超聲波發(fā)射器，R1和R2為分別對應(yīng)的超聲波接收器。其中發(fā)射器和接收器與管道內(nèi)流體流動方向之間的夾角為 ，流體流動速度為v，方向如圖中所示。 .超聲波流量傳感器原理圖 T1 R2 T2 R1 v L D 2021.4 時差法測流量 根據(jù)相關(guān)理論，從發(fā)射器T1發(fā)射聲波脈沖開始到接收器R1接收聲波脈沖為止，其間所需時間(順流時間)為:式中，L為超聲波發(fā)射器與接收器之間的直線距離；c為聲波速度；D為超聲波發(fā)射器與接收器之間在流速方向上的垂直距離。 同理，從發(fā)射器T2發(fā)射聲波脈沖開始到接收器R2接收聲波脈沖為止，這其間所需的時間(逆流時間)為:則聲波順流與逆流時間之差為: 2121.4 時差法測流量 由于cv，故:因此，只要測量出順流與逆流之間的時間差t，就可測得流體的平均速度v，從而得到流體的體積流量Qv式中, A為流體管道的橫截面