1.6_流量传感器

第一章传感器及其应用—流量传感器—2006－2007第一学期一流量传感器概述1流量的基本概念流量是工业生产中一个重要参数。工业生产过程中，很多原料、半成品、成品都是以流体状态出现的。流体的流量就成为决定产品成分和质量的关键，也是生产成本核算和合理使用能源的重要依据。因此流量的测量和控制是生产过程自动化的重要环节。单位时间内流过管道某一截面的流体数量，称为瞬时流量。瞬时流量有体积流量和质量流量之分。（1）体积流量qv单位时间内通过某截面的流体的体积，单位为m3/s。根据定义，体积流量可用下式表示：AvdAvq式中，v为截面A中某一面积元dA上的流速。如果流体在该截面上的流速处处相等，则体积流量可写成:qv=vA（2）质量流量qm单位时间内通过某截面的流体的质量，单位为kg/s。根据定义，质量流量可用下式表示：AmdAvq则有:qm=ρqv=ρvA流量检测的基本方法：将传感器放在流体的通路中，由流体对传感器和传感器对流体的相互作用测出流量的变化。2流量传感器的分类①节流式检测方法：差压流量传感器②电磁式检测方法：电磁流量传感器③变面积式检测方法④旋涡式检测方法机械流量传感器⑤涡轮式检测方法⑥声学式检测方法：超声流量传感器⑦热学式检测方法：热流量传感器}二差压式流量传感器又称节流式流量传感器，它是利用管路内的节流装置，将管道中流体的瞬时流量转换成节流装置前后的压力差的原理来实现的。差压式流量传感器发展较早，技术成熟而较完善，而且结构简单，对流体的种类、温度、压力限制较少，因而应用广泛。差压式流量检测系统差压式流量检测系统结构示意图356421qp2p3p1—节流装置；2—压力信号管路；3—差压变送器；4—电流信号传输线；5—开方器；6—显示仪表差压流量变送器节流装置差压式流量传感器流量测量系统主要由节流装置和差压计（或差压变送器）组成。节流装置的作用是把被测流体的流量转换成压差信号，差压计则对压差信号进行测量并显示测量值，差压变送器能把差压信号转换为与流量对应的标准电信号或气信号，以供显示、记录或控制。三电磁流量传感器电磁流量传感器是根据法拉弟电磁感应定律来测量导电性液体的流量的。是基于垂直于磁场运动的导体会在导体上感应出与导体垂直、并与流体速度成线性比例关系电压的原理构成的。电磁流量传感器适用于对导电液体的平均流速（m/s）进行测量。如测量血液的平均流速。在磁场中安置一段不导磁、不导电的管道，管道外面安装一对磁极，当有一定电导率的流体在管道中流动时就切割磁力线。与金属导体在磁场中的运动一样，在导体（流动介质）的两端也会产生感应电动势，由设置在管道上的电极导出。电磁流量传感器原理SNExB可得vvxKqqDBE4BDvdtdEx感应电势大小与磁感应强度、管径大小、流体流速大小有关。即:体积流量qv与流体流速v的关系:vDqv241四涡轮流量传感器（机械流量传感器）涡轮流量传感器类似于叶轮式水表，是一种速度式流量传感器。将涡轮叶轮、螺旋桨等元件置于流体中，利用涡轮的速度与平均体积流量的速率成正比，螺旋桨转速与流体速度成正比的原理，构成的能量转换器件。图15-41涡轮流量传感器结构示意图26475311—涡轮；2—导流器；3—轴承；4—感应线圈；5—永久磁钢；6—壳体；7—前置放大器图示为涡轮流量传感器的结构示意图。它是在管道中安装一个可自由转动的叶轮，流体流过叶轮使叶轮旋转，流量越大，流速越高，则动能越大，叶轮转速也越高。测量出叶轮的转速或频率，就可确定流过管道的流体流量和总量。实用电路举例五超声流量计超声流量计是使用压电材料镐钛酸铅（PZT）晶体制成的，能将电能转换成声能的元件。是通过检测流体流动时对超声束（或超声脉冲）的作用，以测量体积流量的仪表。超声流量计的特点：（1）能量转换效率高（2）可作非接触测量；（3）无流动阻挠测量，无额外压力损失；适用于大型圆形管道和矩形管道；（4）可测量固态物质含量较多或含有气泡的液体；（5）可测量非导电性液体，在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充。压电材料电能声能1传播时间随流速变化2散射形成频率偏移——多普勒效应封闭管道用超声流量计分类传播时间法多普勒效应法波束偏移法相关法噪声法1传播时间法声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与被测流体流速的关系求取流速，称之传播时间法。基于此原理形成“渡越时间测量法”超声波流速（流量）计，可用于测量超声波脉冲传播通路中流体的平均流速。传播时间法原理超声波逆流从换能器1送到换能器2的传播速度c被流体流速Vm所减慢，反之，超声波顺流从换能器2传送到换能器1的传播速度则被流体流速加快，LxVctLm12LxVctLm21上面两式相减并变换可得21122112ttxLVm式中，L——超声波在换能器之间传播路径的长度（m）；x——传播路径的轴向分量（m）；t12——从换能器1到换能器2的传播时间（s）；t21——从换能器2到换能器1的传播时间（s）；c——超声波在静止流体中的传播速度（m/s）；Vm——流体通过换能器1、2之间声道上平均流速（m/s）2多普勒（效应）法多普勒（效应）法是利用在静止（固定）点检测从移动源发射声波多产生多普勒频移的原理，形成的超声多普勒流速（流量)计。可用于测量超声波束交叉区域内流体的速度。超声换能器A向流体发出频率为fA的超声波，经照射域内液体中散射体，散射的超声波产生多普勒频移fd，接收换能器B收到频率为fB的超声波，其值为：cvffABcos21多普勒频移fd正比于散射体流动速度：cvffffABAdcos2Adffcvcos2多普勒频移fd可通过接收机测得3测量原理的选择选择测量原理是传播时间法还是多普勒法。主要判断要素：液体洁净程度或杂质含量，测量精度要求。基本适用条件如表所示。对于外夹装式仪表还要考虑管壁材料和厚度、锈蚀状况、衬里材料和厚度；对于现场安装换能器式仪表要考虑换能器类型；对于大管径传播时间法仪表要考虑声道数。测量原理基本适用条件条件传播时间法多普勒法适用液体水类（江河水，海水农业用水等）,油类（纯净燃油，润滑油，食用油等），化学试剂，药液等含杂质多的水（下水，污水，农业用水等），浆类（泥浆，矿浆，纸浆化工料浆等），油类（非净燃油，重油，原油等）适用悬浮颗粒含量体积含量1%（包括气泡）时不影响测量准确度浊度50－100mg/L仪表基本误差带测量管段式±（0.5-1）%R±（3-10）%FS固体粒子含量基本不变时±（0.5-3）%湿式大口径多声道湿式小口径单声道±1.5%R-±3%R夹装式（范围度20:1）重复性误差0.1%-0.3%1%信号传输电缆长度100-300m,在能保证信号质量的前提下，可以小于100m30m价格较高一般较低4简单超声多普勒流量计