传感器与检测技术流量检测

类别
仪表名称
容积式流量计
椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、皮膜式流量计等
体积流量计
差压式流量计
节流式流量计、均速管流量计、弯管流量计、靶式流量计、 浮子流量计等
速度式流量计 涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计等
推导式质量流量计
5 质量流量计 直接式质量流量计
体积流量经密度补偿或温度、压力补偿求得质量流量等 科里奥利流量计、热式流量计、冲量式流量计等
流量检测
1
6.1 流量检测基本概念 6.2 体积流量检测方法 6.3 质量流量检测方法 6.4 流量标准装置
2
6.1 流量检测基本概念
6.1.1 流量的概念和单位
定义：短暂时间内流过某一流通截面的流体数量与通 过时间之比。
体积流量－用流体的体积来表示（qv）
qV
dV dt
vA(m3 / s)
靶：管流中垂直于流动方向安装的圆盘形阻挡件
流体经过时对靶产生作用力，此
作用力与流速有一定关系。
以直径比 d / D 表示流量公式：
qV
kaD
1
2
F
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靶式流量计结构原理 1—力平衡转换器；2—密封膜片；
3—杠杆；4—靶；5—测量导管
6.2.2.5 浮子流量计
1）测量原理及结构
浮子的力平衡公式：
感应电势: E CBDv
流量方程式：
qV
D2
4
v
D
4CB
E
E K
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电磁流量计的构成
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直流励磁
直流励碰方式用直流电产生磁场或采用永久 磁铁，它能产生一个恒定的均匀磁场。
优点:受交流电磁场干扰影响很小。
缺点：流体极化。电解质在电场中 被电解，正负电极分别校相反极性的 离子所包围，严重影响仪表的正常工 作。
qv
vA0
A0d St
f
f K
K：仪表系数
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旋涡频率的检测
圆柱形旋涡发生体常用铂热电阻丝检测频率； 三棱柱形旋涡发生体则采用热敏电阻或压电晶体 检测频率。
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旋涡频率检测原理
旋涡发生体和检测方式一览表
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6.2.3.3 电磁流量计
原理：导电流体在磁场中垂直于磁力线方向流过， 在流通管道两侧的电极上将产生感应电势，感应电 势的大小与流体速度有关。
6.4.1 液体流量标准装置
6.4.1.1 标准容积法
标准容积法流量标准装置
1—水池；2—水泵；3—高位水槽；4—溢流管；5—稳压容器；6—
活动管接头；7—切换机构；8—切换挡板；
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9—标准容积计量槽；10—液位标尺；11—游标；12—被校流量计
6.4.1.4 标准体积管的校正法
单球式标准体积管原理示意 1—被校验流量计；2—交换器；3—球；4—终止检测器； 5—起始检测器；6—体积管；7—校验容积；8—计数器
6.1.2.2 流量计的测量特性
1）粘性
衡量流体粘性大小的物理量称为粘度。
F Sv / y
F y (单位 : p)
, 称为运动粘度，单位是：m2 / s
6
S v
2）层流和紊流
层流：流体在细管中流动的流线平行于管轴时的流 动。
紊流：流体在细管中流动的流线相对混乱的流动。
利用雷诺数可以判断流动 的形式。
节流装置的直径比 d / D A0 / A1
流体流经孔板时的平均流速v2
1
1 4
2
p1
p2
体积流量qV A0v2
A0
1 4
2 p
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质量流量qm A0v2
A0
1 4
2p
对流量的修正
流量系数：与节流件形式、直径比、取压方式、流动雷
诺数 Re 及管道粗糙度等多种因素有关。
可膨胀系数：因流体密度改变引起流量系数变化的修正 1，与节流件形式、值、p / p1及气体熵指数有关。
产生压力差，此压力差与流体流量之间有确定的数值关系， 通过测量差压值可以求得流体流量。 二、组成
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6.2.2.1 节流式流量计
节流装置：产生差压，主体是一个局部收缩阻力件，改 变流体流通截面，从而在节流元件前后形成压力差。
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根据伯努利方程， 对截面I—I、Ⅱ—Ⅱ处沿管中心的 流体有以下能量关系：
44 P：加热功率；cp：定压比热；T：加热器前后温度差
6.3.2.3 冲量式流量计
原理：冲量传感器感受被测介质的冲力，经转换放 大输出与质量流量成比例的标准信号。 对象：自由下落的固体粉料的质量流量。
水平分力：
Fm qm 2ghsin sin
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冲量式流量计工作原理 1—冲板；2—冲板轴；3—物料；4—输送机
6.2 体积流量检测方法
6.2.1 容积式流量计
一定时间间隔测量体积总量： Q nV
构成：测量室、运动部件、传动和显示部件
容积式计量表
椭圆齿轮
腰轮流量
活塞式
括板式流
流量计
计
流量计
量计
11
腰轮流量计
流体总量: Q 4nV 0
12
13
6.2.2 差压式流量计
一、基本原理 在流通管道上设置流动阻力件，流体通过阻力件时将
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– f：信号脉冲频率；ξ：仪表常数
4-壳体；5-信号放大器
6.2.3.2 涡街流量计
原理：流体流过非流线型阻挡体时会产生稳定的漩涡列， 漩涡的产生频率与流体流速有着确定的关系。 构成：漩涡发生体。
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卡门涡街
流体的体积流量为：
漩涡产生频率:
f
St
v d
d：漩涡发生体的特征尺寸
St：斯特罗哈尔数
流出系数C： CE，渐进速度系数E：E 1 ； 1 4
18 qV KCE d 2 p；qm KCE d 2 p
标准节流装置示意
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节流装置取压方式
20
角接取压
Biblioteka Baidu法兰取压
6.2.2.2 均速管流量计
流体流经均速管产生与流量有确定关系的差压信号。 均速管的实用流量方程式：
qV
4
D2v
4
D2k
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适用非电解质液体。
交流励磁
采用工频(50Hz)电源交流励磁方式 。
优点：消除了电极表面的极化干扰。
由于磁场是交变的。 ，所以输出信号也是交变信 号。
磁感应强度为： B Bm sin t
感应电动势为： e BmDu sin t
被测体积流量为：
e
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qv 4 D Bm sin t
6.2.3.4 超声流量计
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流量方程式
qm
K s 4r
：扭角；K
：扭转弹性系数；
s
：振动角速度；r：U形管跨度半径
43
t
2r sin
vp
2r L
; qm
KS 8r 2
t;
6.3.2.2 热式质量流量计
原理：利用外热源对被测流体加热，测量因流体流动 造成的温度场变化，从而测得流体的质量流量。 流量方程式：
P qm cpT
p1 v12 p2 v22
1 2 2 2
根据流体的连续性方程得：
A1v11 A2v22
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节流件入口处：
流速v1，静压p1，密度1
最小收缩截面处：
流速v2，静压p2，密度2
由于节流件很短，假定流体密度在流经节流件时没有变化
即1 2 ；
用节流件开孔面积A0
4
d
2代替最小收缩截面面积A2；
原理：超声波在流体中传播，将受到流体速度的影 响，检测接收的超声波信号可以测知流速。
传播速度差法：超声波在流体中顺流传播与逆流传 播的速度不同。
时间差法 相差法 频差法
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顺流传播时间：t1
c
L
v ；逆流传播时间：t2
c
L
v
一般有c远大于v，则
t
t1
t2
2Lv c2
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频差法：
f1
1 t1
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电远传浮子流量计 工作原理
1—浮子；2—锥形管； 3—连动杆；4—铁心；
5—差动线圈
6.2.3 速度式流量计
原理：均基于与流体流速有关的各种物理现象。
6.2.3.1 涡轮流量计
– 利用安装在管道中可以自由转动的
叶轮感受流体的速度变化。
– 流量方程式
qV
f
涡轮流量计结构示意
1-导流体；2-轴承；3-涡轮；
瞬时质量流量－用流量的质量来表示（qm），简称质
量流量
3
qm
dM dt
vA(kg / s)
累积流量：一段时间内流体体积流量或质量 流量的累积值。
累积体积流量
t
V qvdt
0
累积质量流量
t
m qmdt
0
4
6.1.2 流量检测方法及流量计分类
6.1.2.1 流量检测方法及流量计分类 – 检测方法：体积流量检测，质量流量检测。 – 流量计：由流量传感器和二次仪表构成。
2 p
D为管道内径。
k为均速管流量系数，由实验确定。
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均速管流量计结构图
6.2.2.3 弯管流量计
流体通过管道弯头时，受到角加速的作用而产生的 离心力会在弯头的外半径侧与内半径侧之间形成差 压，此差压的平方根与 流体流量成正比。 弯管流量计的流量方程式：
qV
4
D2k
2 p
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弯管流量计示意
6.2.2.4 靶式流量计
p Af Vf f g
Af
：浮子截面积；V f
：浮子体积
f：浮子密度
代入节流流量方程式得：
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浮子流量计测量原理
qV A0
2gVf f Af
么么么么方面
Sds绝对是假的
A0为环隙面积，与浮子高度h对应 对于小锥度锥形管，近似有
A0 ch
qV ch
2gVf f Af
在层流流动状态时，流量与压力降成正比；
7
在紊流流动状态时，流量与压力降的平方根成正比。
雷诺数
雷诺数是表征流体流动时惯性力与粘性力之 比。
利用细管直径d，可求出雷诺数Rd：
Rd
vd
vd
Rd＜2320时为层流，Rd＞2320时为紊流。
8
3）流体流动的连续性方程
流体在管道内作稳定流动的情况：
1v1S1 2v2S2 常数， 若：1＝2
则：vS=常数
即流体在稳定流动，且不可压缩时，流过各截面流体 的体积为常量。因此利用上式，很方便的求出流体流过 管道不同截面时的流速。
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4）流量范围及范围度
指可测最大流量和最小流量所限定的范围。在这个 范围内，仪表在正常使用条件下示值误差不超过最大 允许误差。
5）测量精确度和误差 6）压力损失
10
c
L
v
；f
2
1 t2
cv L
2v f f1 f2 L 频差法不受声速影响，不必考虑流体温度变化 对声速的影响。
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平均流速的测量
39
6.3 质量流量检测方法
一、原因 二、分类：直接法、间接法、补偿法。 6.3.1 间接式质量流量测量方法
根据质量流量和体积流量的关系，组合多种仪表测
量不同参数可实现质量流量测量。
①体积流量计+密度计
qm qv2 qv
40
qm qv
②体积流量计与体积流量计
qm
qv2
qv
qv
③温度、压力补偿式质量流量计
一般低压气体（干）
N
pTN pNT
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6.3.2 直接式质量流量计
6.3.2.1 科里奥利质量流量计 原理：流体在振动管中流动时，将产生与质量流量 成正比的科里奥利力。
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6.4.2 气体流量标准装置
用标准气体流量计的校正法； 用标准气体容积的校正法； 使用液体标准流量计的置换法。
钟罩式气体流量校正（标准气体容积校正）装置
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1—钟罩；2—导轨和支架；3—平衡锤；4—补偿锤