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1、过程控制与自动化仪表过程控制与自动化仪表 主讲教师：赵 跃西安理工大学自动化与信息工程学院西安理工大学自动化与信息工程学院信息与控制工程系信息与控制工程系第四节流量的检测与变送 一一 流量检测概述流量检测概述 二二 容积式流量检测仪表容积式流量检测仪表 三三 节流式流量检测仪表节流式流量检测仪表 四四 旋涡式流量检测仪表旋涡式流量检测仪表 五五 科氏质量流量计科氏质量流量计 六六 电磁流量计电磁流量计 七七 超声流量计超声流量计流量检测概述流量检测概述 一 流量的概念与单位 在工业生产过程中，流体(水、油、空气或其它气体，蒸汽等)或物料(如桨料)等在一定时间内通过一定截面的管道的数量，叫做流量
2、。它的单位可以根据不同的流量测量原理和实际需要有下列三种表示方法:qV(m3h或Lm等)qG(Nh 或kgfh)qM(kg/h)流量检测概述流量检测概述 1.流量的基本概念：流量的基本概念：瞬时流量瞬时流量（单位时间内流过工艺管（单位时间内流过工艺管道某截面的流体数量）与道某截面的流体数量）与累积流量累积流量（某段时间内流过（某段时间内流过工艺管道某截面的流体总量）工艺管道某截面的流体总量）（2）重量流量：重量流量：（1）体积流量体积流量 ：（瞬时）（累积）流量检测概述流量检测概述（3）质量流量：质量流量：2.流量的检测方法流量的检测方法 （1）体积流量检测方法：容积法（体积流量检测方法：容积
3、法（单位时间内排出流体的固定体单位时间内排出流体的固定体积数积数）和速度法（）和速度法（管道内的平均流速乘以管道面积管道内的平均流速乘以管道面积）；）；（2）质量流量检测法：间接法（质量流量检测法：间接法（体积流量乘以密度体积流量乘以密度）和直接法（）和直接法（仪仪表直接测得表直接测得）。）。（4）标准状态（标准状态（20、标准大气压）下的体积流量：、标准大气压）下的体积流量：雷诺数二 雷诺数 雷诺数雷诺数是一个衡量管内流体处于什么流动状态的无量纲参数。流体的密度 管道内径 流体的动力学粘度 管道截面积层流与紊流三 层流与紊流 1 雷诺数2000流体 为层流状态 2 2000雷诺数2400 流
4、体为紊流状态非压缩流体的伯努利方程四 非压缩流体的伯努利方程 势能+动能=常量容积式流量检测仪表容积式流量检测仪表椭圆齿轮流量计与罗茨流量计容积式流量计的工作过程 椭圆齿轮流量计 罗茨流量计 容积式流量计检测精度高，在小流量测量上优势明显，可以做标准仪表使用。但是容积式流量计在使用中磨损的影响较大，不能测量含固态杂质的流体。节流式流量检测仪表节流式流量检测仪表一 差压流量计收缩系数收缩系数（节流孔面积比)节流式流量检测仪表节流式流量检测仪表一 差压流量计收缩系数收缩系数（节流孔面积比)差压流量计原理 由于流体的惯性存在缩流现象，所以 要比 小一些，需要用缩流系数 来矫正取差压流量计实例多种节流
5、装置 节流装置除了孔板孔板之外，还有喷嘴喷嘴和文丘利管文丘利管等。它们的压力损失比孔板小，但结构复杂，不易加工，因此仍以孔板最为实用。差压流量信号的变送1 软件非线性教正2 硬件非线性教正差压流量计的特点1 以上各式均指液体介质，即不可压缩流体介质。而对于蒸汽或气体，也有类似的关系式。只是需要改写液体密度 为气体密度 并加入气体膨胀修正系数 。但在具体的应用条件下，这些参数都是不变的，所以归结为常系数K的一部分2 使用中根据被测介质和节流装置的规格查表确定系数K3 只有在雷诺系数达到104以上时系数K才为常数（这一条件适用于所有节流式流量检测仪表）加上信号的开方特性使这种流量检测方法在小流量时
6、偏差较大。4 由于差压流量计简单易行，适合于多种介质,而且检测方法与压力检测仪表通用,所以是目前应用比较广泛的一种流量检测方法。其他节流式流量计 由于转子（浮子）流量计的高度信号不易转换为电信号所以一般只做就地指示用。n二 转子（浮子）流量计其他节流式流量计 靶式流量计的信号也需要开方后才为线性，由于靶式流量计的测量精度不高一般只做有无介质流动的开关信号测量 三 靶式流量计涡轮流量计 四 涡轮流量计涡轮流量计旋涡式流量检测仪表旋涡式流量检测仪表卡曼涡街流量计 当管道中的流体遇到横置的柱状障碍物时，就会产生有规律的旋涡序列，如图所示。旋涡成两列而且平行。根据旋涡出现的频率测量介质流量，这就是旋涡
7、流量计或称涡街流量计的基本思想。图中旋涡间距离为L，两列旋涡间距离为h，实验和研究表明，当hL0281时，旋涡将是稳定的周期现象。由于两列漩涡有如街区道路两旁的路灯，故又称“涡街涡街”。因为卡曼首先发现，也叫作“卡曼涡街卡曼涡街”。卡曼涡街流量计此时旋涡频率f与介质流速L之间的关系为 式中，V1为管道内障碍柱体两侧流速(ms)，d为障碍柱体迎流面最大宽度(m)，St，为“斯待拉哈尔数”与障碍物形状以及雷诺数有关。其中，K为结构常数。所以，测出旋涡频率就能确定流量qv。只要，障碍柱体不管是圆柱、方柱，还是三角柱，旋涡均可产生稳定状态。此时St对圆柱、三角柱和方柱分别为0.和0.17。对于方柱，在
8、雷诺数=2xl047x106范围内St是常数；而在雷诺数=5xl032x104范围内St不是常数,但雷诺数与St有对应关系，所以仍可以给出流量qv的正确检测结果；柱体的正确设计有利于两列旋涡同步发生以便增加抗扰力。旋涡数量的检测旋涡数量的检测信号的放大与变送信号的放大与变送涡街流量计Smart变送器的信号处理后其测量下限也可以延伸到雷诺数=l03范围科氏质量流量计科氏质量流量计科里奥利式质量流量计驱动器：驱动器：用于驱动U型管绕O轴上下震动。科氏质量流量计科氏质量流量计当管道向上震动时：当管道向上震动时：由管道进口到端头的流体垂直速度增加，管道受向下的力。由管道端头到出口的流体垂直速度减小，管
9、道受向上的力。科氏质量流量计科氏质量流量计 科氏流量计可直接测量质量流量，而且测量精度高、量程比宽、结构简单免维护。电磁流量计电磁流量计当介质流动时将产生电动式其中，E为电极间的电势K为仪表常数(与管道内径以及永磁场参数有关)可见传感器是线性的.电磁流量计电磁流量计 在电磁流量计内不存在防碍介质流动的障碍物所以没有压力损失,不受介质温度、黏度、压力等的影响,还可以测低流速和瞬时流速.它的缺点是不能测油和气体等导电率极低的介质而且介质内不能有大量气泡,应用范围小电磁流量计电磁流量计超声流量计超声流量计 若静止液体中声波的传播速度为 则发送器和接收器之间的声波传递速度为 超声流量计超声流量计 若它们之间的距离为 则传播时间为 通过求 即可求出 但 的变化会影响测量.超声流量计超声流量计为消除声速 的影响引入以下方法超声流量计超声流量计 与电磁流量计相比超声流量计不受介质是否导电的限制应用范围更广但超声波换能器不耐高温且价格较贵.