第5章流量傳感器及工程應(yīng)用

第5章流量傳感器及工程應(yīng)用5.1流量測量概述5.2差壓流量傳感器5.3電磁流量傳感器5.4渦輪流量傳感器5.5漩渦流量傳感器5.6質(zhì)量流量傳感器5.7流量傳感器工程應(yīng)用案例返回主目錄5.1流量測量概述5.1.1流量測量的基本概念流量通常是指單位時(shí)間內(nèi)流過某一橫截面積的流體數(shù)量，又稱作瞬時(shí)流量。而在某一段時(shí)間間隔內(nèi)流過某一橫截面積的流體數(shù)量，稱為總量或累積流量。流量有體積流量和質(zhì)量流量之分。1.體積流量根據(jù)體積流量的定義，體積流量qv可用下式表示式中，υ為微橫截面積dA上的流速；A為流體流過的橫截面積。(5-1)

2.質(zhì)量流量根據(jù)質(zhì)量流量定義，質(zhì)量流量可用下式表示：(5-3)如果流體在橫截面積A上的流速處處相等，且為υ，則體積流量可寫成(5-2)式中，υ為微橫截面積dA上的流速；A為流體流過的橫截面積；ρ為流體密度。如果流體在橫截面積A上的流速處處相等，且為υ，則質(zhì)量流量可寫成(5-4)5.1.2流量檢測的方法和分類1.速度式速度式流量傳感器大多是通過測量流體在管路內(nèi)已知截面流過的流速大小來實(shí)現(xiàn)流量測量的。2.容積式容積式流量傳感器是根據(jù)已知容器的容室在單位時(shí)間內(nèi)所排出流體的次數(shù)來測量流體的瞬時(shí)流量和總量的。3.質(zhì)量式質(zhì)量流量傳感器有兩種，一種是根據(jù)質(zhì)量流量與體積流量的關(guān)系，測出體積流量再乘被測流體的密度獲得質(zhì)量流量測量的間接式質(zhì)量流量傳感器；另一種是直接測量流體質(zhì)量流量的直接式質(zhì)量流量傳感器5.2差壓流量傳感器5.2.1節(jié)流式流量傳感器測量原理節(jié)流式流量傳感器測量原理是利用管道內(nèi)的節(jié)流元件，將管道內(nèi)的流體瞬時(shí)流量轉(zhuǎn)換成節(jié)流元件前后的壓力差原理來實(shí)現(xiàn)流量測量的。1.節(jié)流裝置節(jié)流裝置由節(jié)流元件、取壓裝置和前后直管段組成。常用的節(jié)流元件有孔板、噴嘴、文丘里管，如圖5?1所示。圖5?1常用的節(jié)流元件2.流量方程式節(jié)流元件前后流速和壓力分布情況如圖5?2所示。圖5?2節(jié)流元件前后流速和壓力分布

假定所研究的流體是定常流動(dòng)的理想流體，根據(jù)伯努利方程，則在截面A、B兩處，能量方程為(5-5)

對于液體來說，在等溫的條件下是不可壓縮的，則上式可寫成(5-6)

根據(jù)流體流動(dòng)的連續(xù)性可知(5-7)將式(5?6)和(5?7)聯(lián)立求解可得(5-8)

根據(jù)流量的定義，我們可以得到體積流量qv與壓差之間的公式為(5-9)式中，

為A-A截面的流通面積；

為B-B截面流束的流通面積。式(5-9)需要根據(jù)節(jié)流元件前后取壓點(diǎn)位置和開孔面積進(jìn)行實(shí)驗(yàn)修正。修正后的體積流量公式為(5-10)

修正后的質(zhì)量流量公式為式中，α為流量系數(shù)。(5-11)對于可壓縮流體，例如各種氣體及蒸氣通過節(jié)流元件時(shí)，由于壓力變化必然會(huì)引起密度ρ的改變，這時(shí)在公式中應(yīng)引入流束膨脹系數(shù)ε，對于不可壓縮性流體，則ε=1?？蓧嚎s性流體ε小于1，假設(shè)可壓縮性流體密度用節(jié)流元件前的流體密度ρ1，則可壓縮流體的流量公式變?yōu)?5-12)(5-13)式(5?12)和(5?13)稱作流量公式。從流量公式可以看出，被測流量與壓差的平方根成正比關(guān)系，但流量與壓差

不呈線性關(guān)系。5.2.2常見差壓流量傳感器的結(jié)構(gòu)差壓流量傳感器的結(jié)構(gòu)一般由節(jié)流裝置、引壓導(dǎo)管和差壓變送器三部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖5?3(a)所示。通常在流量檢測系統(tǒng)中增加一個(gè)非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)—開方器，如圖5?3(b)所示。圖5?3差壓流量傳感器的結(jié)構(gòu)框圖5.3電磁流量傳感器5.3.1電磁流量傳感器的工作原理電磁流量傳感器的工作原理如圖5-4所示。在一段不導(dǎo)磁、不導(dǎo)電的管道外面安裝一對磁極，當(dāng)有一定電導(dǎo)率的流體在管道中流動(dòng)時(shí)，由法拉第電磁感應(yīng)定律知，在流動(dòng)介質(zhì)的兩端就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。該感應(yīng)電動(dòng)勢E的大小為式中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；D為管道內(nèi)徑；

υ為流體的平均流速。(5-14)圖5?4電磁流量傳感器的工作原理

體積流量qv為

將式(5-14)代入式(5-15)得(5-16)(5-15)式中，Κ=πD/(4B)。顯然，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B及管道內(nèi)徑D固定不變時(shí)，Κ為常數(shù)。式(5?16)說明體積流量qv與兩電極間的感應(yīng)電動(dòng)勢E呈線性關(guān)系，若能測量出感應(yīng)電動(dòng)勢E就能算出被測流體的體積流量qv。這就是它測量流量的原理。5.3.2電磁流量傳感器的種類電磁流量傳感器按它的勵(lì)磁方式可分為直流勵(lì)磁、交流正弦波勵(lì)磁和低頻方波勵(lì)磁三種。直流勵(lì)磁的優(yōu)點(diǎn)是受交流磁場干擾小，缺點(diǎn)是在電極上產(chǎn)生的直流電勢引起管內(nèi)被測液體的電解，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，破壞了原來的測量條件。交流正弦波勵(lì)磁一般采用工頻(50Hz)交流電來產(chǎn)生，它的優(yōu)點(diǎn)是能消除極化現(xiàn)象，輸出是交流信號(hào)，放大和轉(zhuǎn)換比較容易，但也會(huì)帶來一系列的干擾，如90°干擾、同相干擾等。低頻方波勵(lì)磁交流干擾影響小，又能克服極化現(xiàn)象，是一種比較好的勵(lì)磁方式。注：電磁流量傳感器只能測量導(dǎo)電介質(zhì)的流體流量。但不能測量氣體、蒸汽和石油制品等的流量。5.4渦輪流量傳感器圖5?5渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)5.4.1渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)如圖5-5所示。它由殼體、導(dǎo)流器、渦輪、軸承及信號(hào)檢測器等組成，是一種速度式流量傳感器。5.4.2渦輪流量傳感器的工作原理為了能測量出渦輪的轉(zhuǎn)速，渦輪由高導(dǎo)磁的不銹鋼制成，線圈和永久磁鐵組成磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器。當(dāng)流體通過渦輪葉片與管道間的空隙時(shí)，流體對葉片產(chǎn)生推力使渦輪旋轉(zhuǎn)。在渦輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，高導(dǎo)磁性的渦輪葉片周期性地改變磁電系統(tǒng)的磁阻值，使通過線圈的磁通量發(fā)生周期性的變化，因而在線圈兩端產(chǎn)生一個(gè)隨渦輪旋轉(zhuǎn)而變化的感應(yīng)電動(dòng)勢。圖5?6(a)是渦輪圓周沿軸向剪開展成直線后的示意圖。設(shè)葉片的傾斜角為α，流體以平行于軸線的速度υ作用到渦輪上，使渦輪旋轉(zhuǎn)，則在葉片平均半徑r處的切線速度u與流速υ的關(guān)系如圖5?6(b)所示，顯然(5?17)即式中，ω為渦輪的角速度(rad/s)；n為渦輪的轉(zhuǎn)速(r/min)。設(shè)渦輪的葉片總數(shù)為Z，則該感應(yīng)電動(dòng)勢的頻率f與渦輪轉(zhuǎn)速n成正比，即f=nZ/60(Hz)。將它代入式(5?18)得若葉片縫隙間的有效流通面積為A，則瞬時(shí)體積流量qv為圖5?6渦輪展開示意圖及流速分解(5?18)(5?20)令，則(5-21)式中，為儀表系數(shù)（1/m3）。儀表系數(shù)是一個(gè)由渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)決定的常數(shù)。式(5?21)說明體積流量qv與感應(yīng)電動(dòng)勢的頻率f成正比。由此可知，若把該感應(yīng)電動(dòng)勢的頻率測量出來，就能求出流體的體積流量。這就是它的流量測量原理。渦輪流量傳感器具有安裝方便、精度高(可達(dá)0.1級(jí))、反應(yīng)快、刻度線性及量程寬等特點(diǎn)，此外還具有信號(hào)易遠(yuǎn)傳、可直接與計(jì)算機(jī)配合進(jìn)行流量計(jì)算和控制等。5.5漩渦式流量傳感器5.5.1渦街流量傳感器的工作原理在有流體流動(dòng)的管道內(nèi)放置一個(gè)非流線型的物體，物體的下游兩側(cè)就會(huì)交替出現(xiàn)漩渦列(見圖5-7)。這兩排平行但不對稱的漩渦列稱為卡曼渦列(也稱為渦街)。圖5?7卡曼渦列實(shí)驗(yàn)證明，對于圓柱體,當(dāng)兩列漩渦的間距h與同列中相鄰漩渦的間距l(xiāng)滿足h/l=0.281時(shí)，卡曼渦列的頻率是穩(wěn)定的。并且每一列漩渦的頻率f與流速v、圓柱體直徑D0的關(guān)系為(5-22)式中，St為斯特勞哈爾系數(shù)，無量綱。設(shè)管道的直徑為D，則管道內(nèi)流體的體積流量為(5-23)令，則(5-24)式中，f為漩渦發(fā)生的頻率(Hz)；為儀表常數(shù)(1/m3)。5.5.2渦街流量傳感器的結(jié)構(gòu)漩渦頻率檢測元件一般安裝在漩渦發(fā)生體上。圓柱形漩渦發(fā)生體的漩渦頻率檢測元件采用鉑熱電阻絲，鉑熱電阻絲安裝在圓柱體的空腔內(nèi)，如圖5-8所示。圖5?8圓柱體漩渦頻率檢測原理圖5?9三角柱體漩渦頻率檢測原理目前漩渦發(fā)生體的形狀繁多，檢測漩渦發(fā)生頻率的方法和檢測技術(shù)也因發(fā)生體的形狀不同而異。但基本的檢測原理都是測量漩渦的發(fā)生頻率。圖5?9是三角柱漩渦發(fā)生體漩渦頻率檢測方法原理圖。它是將兩只熱敏電阻埋在三角柱正面，然后與其它兩只固定電阻構(gòu)成一個(gè)電橋，給電橋通上恒定電流使熱敏電阻的溫度升高。漩渦式流量傳感器在管道內(nèi)沒有可動(dòng)部件，使用壽命長，線性測量范圍寬，幾乎不受溫度、壓力、密度、粘度等變化的影響，壓力損失小，傳感器的輸出是與體積流量成正比的脈沖信號(hào)，這種傳感器對氣體、液體均適用。5.6質(zhì)量流量傳感器目前，質(zhì)量流量傳感器大致分為兩類：①單一式：即傳感器輸出信號(hào)大小直接反映質(zhì)量流量大?、诮M合式：通過測量與質(zhì)量流量有關(guān)的物理量。然后用質(zhì)量流量方程式計(jì)算出質(zhì)量流量。5.6.1直接式質(zhì)量流量傳感器1.科里奧利測量原理

如圖5?10所示，當(dāng)質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)，在繞P軸作角速度為ω旋轉(zhuǎn)的管道內(nèi)以速度υ移動(dòng)時(shí)，則質(zhì)點(diǎn)具有兩個(gè)分量的加速度及相應(yīng)的力：①法向加速度：即向心加速ar其量值為ω2r，方向朝向P軸。②切向加速度：即科里奧利加速度at，圖5?10科里奧利力分析圖根據(jù)牛頓第二定律，質(zhì)點(diǎn)在切向加速度at的方向上將產(chǎn)生一個(gè)作用到管道上的作用力Fc=2ωυm，這個(gè)力就叫做科里奧利力。同時(shí)管道對質(zhì)點(diǎn)也有一個(gè)反向作用力，其值為-2ωυm。當(dāng)密度為ρ的流體以恒定速度υ在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，一個(gè)長度為Δx的管道內(nèi)流體的質(zhì)量為ρAΔx,它受到的科里奧利力ΔFc為(5-25)式中，

為管道的內(nèi)橫截面積。將質(zhì)量流量qm=ρυA與(5-25)式聯(lián)立得(5-26)式(5?26)說明，如能直接或間接測量在旋轉(zhuǎn)管道中流動(dòng)流體所產(chǎn)生的科里奧利力就可以測得質(zhì)量流量。2.科里奧利質(zhì)量流量傳感器結(jié)構(gòu)

圖5?11是科里奧利質(zhì)量流量傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。圖5?11科里奧利質(zhì)量流量傳感器結(jié)構(gòu)原理圖5.6.2組合式質(zhì)量流量傳感器1.差壓式流量傳感器與密度傳感器組合

差壓式流量傳感器的輸出信號(hào)是差壓信號(hào)，它正比于ρqv2，而密度傳感器的輸出信號(hào)與ρ成正比。若將它們的輸出信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算后再開方即可得到與質(zhì)量流量成正比的信號(hào)。即(5-27)式中，

。2.體積流量傳感器與密度流量傳感器組合

體積流量傳感器的輸出信號(hào)與qv成正比，而密度傳感器的輸出信號(hào)與ρ成正比。若將它們的輸出信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算就可得到與質(zhì)量流量成正比的信號(hào)。即式中，K=K1K2。(5-28)3.差壓式流量傳感器與體積流量傳感器組合

差壓式流量傳感器的輸出信號(hào)與ρqv2成正比，而體積流量傳感器的輸出信號(hào)與qv成正比，將這兩個(gè)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行除法運(yùn)算也可得到質(zhì)量流量。即式中，K=K1/K2。(5-29)5.7流量傳感器工程應(yīng)用案例5.7.1流量傳感器的選用原則選用流量傳感器時(shí)，一般的原則是首先要根據(jù)實(shí)際測量要求，考慮工藝容許壓力損失，最大最小額定流量，使用場合特點(diǎn)及被測流體的性質(zhì)和狀態(tài)，同時(shí)還要考慮傳感器的測量精度等級(jí)與顯示方式以及價(jià)格等諸多因素。既要保證完成測量任務(wù)，又要保證安全可靠長期運(yùn)行，還要經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。5.7.2差壓式流量測量顯示系統(tǒng)案例差壓式流量測量方法一般是采用節(jié)流裝置來實(shí)現(xiàn)的。其差壓式流量檢測顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5?12所示。圖5?12差壓式流量測量顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

從圖5?12中看出，該系統(tǒng)由節(jié)流裝置、引壓管、差壓變送器、開方器及顯示儀表等組成。節(jié)流裝置將被測流體的流量值變換成壓差信號(hào)△p，通過引壓管將壓差信號(hào)輸送到差壓變送器。差壓變送器把壓差信號(hào)轉(zhuǎn)換成4~20mA的電流輸出。由流量公式可知，壓差信號(hào)與流量不成線性關(guān)系，因此差壓變送器的輸出電流也與流量不成線性關(guān)系。為使流量顯示刻度線性，再通過開方器與顯示儀表相連。這就是儀表流量測量顯示系統(tǒng)。根據(jù)流體介質(zhì)特點(diǎn)，流量大小，合理選擇節(jié)流裝置、差壓變送器、開方器和顯示儀表，經(jīng)現(xiàn)場標(biāo)定即可實(shí)現(xiàn)流量的測量和顯示。

若用計(jì)算機(jī)進(jìn)行測量顯示，可將開方器和顯示儀表去掉，換成A/D轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)，見圖5?12中虛線框部分。A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，共計(jì)算機(jī)使用。而流量的測量和顯示可以通過計(jì)算機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)。這就是計(jì)算機(jī)流量測量顯示系統(tǒng)。5.7.3液體流量監(jiān)控系統(tǒng)案例圖5?13是一般的差壓式液體流量監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。用調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)流量控制的系統(tǒng)如圖5?13(a)所示，它主要由節(jié)流裝置，流量變送器、PID調(diào)節(jié)器(控制器)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及調(diào)節(jié)閥等組成。

圖5?13差壓式液體流量監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖其中節(jié)流裝置的作用是流量測量，流量變送器是把流量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，PID調(diào)節(jié)器是把接收到的電流信號(hào)與給定流量電流信號(hào)進(jìn)行比較、判斷后發(fā)出信號(hào)讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)把調(diào)節(jié)閥開打或關(guān)小，從而保證流量輸出保持基本不變。5.7.4氣體流量監(jiān)控

系統(tǒng)案例圖5?14是小型氣泵壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖。它主要由直流電機(jī)、氣泵、氣壓緩沖器和壓力表等組成。其中氣泵產(chǎn)生的最大流量是1.0升/分。電動(dòng)機(jī)額定工作電壓為DC12V。其流量監(jiān)測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5?15所示，

圖5?14小型氣泵壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)若用A/D、計(jì)算機(jī)和D/A取代PID，就構(gòu)成了現(xiàn)在比較流行的計(jì)算機(jī)流量監(jiān)控系統(tǒng)，如圖5?13(b)所示。

圖5-15小型空氣壓縮機(jī)流量檢測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1.氣泵流量調(diào)節(jié)方案由圖5?15可知，該系統(tǒng)的氣體流量調(diào)節(jié)方案有兩種：一種是利用電動(dòng)/氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度來調(diào)節(jié)流量。這種方法是在氣泵轉(zhuǎn)速保持不變的情況下，通過調(diào)節(jié)安裝在管道上的電動(dòng)/氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度大小來實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)的，這是工程中常用的一種。顯然，調(diào)節(jié)閥開度越大，流量也越大。另一種是利用氣泵轉(zhuǎn)速的大小來調(diào)節(jié)流量。這種方法不用安裝電動(dòng)/氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，而是通過調(diào)節(jié)氣泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)氣體流量調(diào)節(jié)的。顯然，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，流量就越大。2