检测技术第4版 施文康 余晓芬第11章 流量

1、1,Flow Measurement,流 量 测 量,第十一章,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qv（m3/s)，后者称质量流量qm(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

2、(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(m2/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：A1 A2 流 速： 密 度：1 2,为某截面

3、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,h1,h2,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,体积 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,A1,v1,P1,A2,v2,P2,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,h1,h2,21,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

4、,文丘利管,喷嘴,孔板,25,26,文丘利管流量计实物图,27,(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 。,28,v1很小,（A为液流在堰槽处的总横截面积）,体积流量：,29,1 矩形槽渠,修正后：,如下图可得：,C为堰释放系数，C1,30,2 三角槽渠,槽宽L不是常数,31,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。,32,第三节 流体阻力式流量计,Fluid resistance flow meter,33,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,34,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,35,力平衡条件：,转子(浮子)流量计的测量原理,重力浮力阻力,36,该环形流通面积为A0，则体积流

5、量为：,37,则体积流量：,38,R,r,h,qv与h近似成线性关系。,39,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A0处有：,从仪表刻度上读出的流量值乘上修正系数Cg，为实测值。,40,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,41,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。,42,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，阻力系数不随雷诺数变化，而保持常数，阻力如右式：,43,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：,44,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,45,第四节 测速式流量计,Velocity-infered flow meter,46,1

6、.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,47,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。,48,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：,49,1 直流励磁 2 交流励磁 3 低频方波励磁,励磁方式,50,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。,51,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,52,大都采用工频(50Hz)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：,53,3.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12l10。,在半个周期内

7、，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。,54,1.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,55,在管道中心安放一个涡轮，两端由轴承支撑。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。在一定的流量范围内，涡轮的旋转角速度与流体流速成正比。由此，流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到，从而可以计算得到通过管道的流体流量。,二.涡轮流量计,56,qv=f/K,f流量计输出信号的频率； K流量计的仪表系数；,57,1） 高精确度，基本误差可达0.251.5，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

8、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,58,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。,59,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。,F1到J2超声波传播速度为：,F2到J1超声波传播速度为：,得到：,60,1）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：,61,1）时差法,因此可得出流速：,流量正比于时间差：,62,测量顺、逆流传播时超声波信号的相位差。,2）相差法,F1和F2发射角频率为w的连续超声波，则J1和J2到的信号相位差为：,流量正比于相位差：,63,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

9、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,64,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：,65,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。,66,从发射晶体T1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R1接收。 发射信号与接收信号的多普勒频移与流体流速成正比。,多普勒法原理,67,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。,68,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,69,第五节 振动式流量计,vibration flow meter,70,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),71,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。,

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