050311l认识流量检测要点.docx
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050311l认识流量检测要点
职业教育机电一体化专业教学资源库
课程教案
课程名称:
传感器与智能仪表
编制人:
陶陶
邮箱:
7987155@
电话:
0633-7987155
编制时间:
2014-12-01
编制单位:
日照职业技术学院
《传感器与智能仪表》课程教案
课题
项目三流量传感器及其仪表的安装与调试
单元一认识流量传感器
课时数
2
授课班级
授课时间
授课地点
授课形式
多媒体讲授
其他资源
教学PPT、视频、动画
教学目标
知识目标
(1)能识别不同种类的流量传感器;
(2)能区分常见流量传感器的检测方法、信号转换、应用场合、优缺点等。
技能目标
(1)掌握常用流量传感器(如电磁式、超声波式、差压式、热式质量、涡轮式、容积式、浮子式、涡街式)流量检测原理;
(2)各种流量检测的方法。
素养目标
(1)勇于创新,积极进取,
(2)团结协作,分析问题解决问题
教学重点
(1)常用流量传感器检测位置的方法;
(2)不同类型流量传感器的认识。
教学难点
常见流量传感器工作原理,仪表信号采集与测量。
参考教材
《传感器与智能仪表》校本教材日照职业技术学院
《自动检测与测控仪表实训教程》李駪北京师范大学出版社
《传感器应用技术》汤晓华上海交通大学出版社
教学策略
讲授法、小组讨论法。
以表格的形式,总结各种流量传感器的工作原理、性能特点、应用场合,逐条分析流量传感器选用的规定。
环节
(用时)
内容
活动
手段与资源
教师
学生
项目引入(10min)
展示工业污水流量检测、灌装生产流量自动控制等工业项目测量流量案例、动画、视频等教学资源。
教师引导
学生观看视频
流量案例等资源
知识准备(40min)
流量传感器是一种指示被测流量和(或)在选定的时间间隔内流体总量的仪表。
按测量对象划分就有封闭管道和明渠两大类;按测量目的又可分为总量测量和流量测量,其仪表分别称作总量表和流量计。
总量表测量一段时间内流过管道的流量,是以短暂时间内流过的总量除以该时间的商来表示,实际上流量计通常亦备有累积流量装置,做总量表使用,而总量表亦备有流量发讯装置。
因此,以严格意义来分流量计和总量表已无实际意义。
按照目前最流行、最广泛的分类法,即分为:
超声波式流量计、容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计和质量流量计,来分别阐述各种流量计的原理、特点、应用概况。
1、电磁式流量传感器
电磁流量计的别名又叫管道式电磁流量计,其管道式就是在工业安装现场与管道连接或者焊接连接。
原理:
基于法拉第电磁感应定律。
在电磁流量计中,测量管内的导电介质相当于法拉第试验中的导电金属杆,金属杆的长度为管道内径,上下两端的两个电磁线圈产生恒定磁场。
当有导电介质流过时,就会切割磁力线产生感应电压。
管道内部的两个电极测量产生的感应电压。
传感器将这个电压信号传送给转换器,转换为电流信号显示在仪表上。
构成:
由磁路部分、电极、外壳、引线等组成。
根据法拉第电磁感应定律:
E=Blv=Bdv…………….
(1)
测量管内的流量:
q=πd²v/4
即v=4q/πd²……………
(2)
将
(2)带入
(1),整理可得
q=πEd/4Bd
当使用交流励磁时,磁场=Bsin2πft
E=q4Bsin2πft/πd
可见,q与E均为线性关系,测得E就可以求得流量的大小。
优点:
(1)测量通道是段光滑直管,不会阻塞,适用于测量含固体颗粒的液固二相流体,如纸浆、泥浆、污水等;
(2)不产生流量检测所造成的压力损失,节能效果好;
(3)所测得体积流量实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的明显影响;
(4)流量范围大,口径范围宽;
(5)可应用腐蚀性流体。
缺点:
(1)不能测量电导率很低的液体,如石油制品;
(2)不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体;
(3)不能用于较高温度。
应用概况:
电磁流量计应用领域广泛,大口径仪表较多应用于给排水工程;中小口径常用于高要求或难测场合,如钢铁工业高炉风口冷却水控制,造纸工业测量纸浆液和黑液,化学工业的强腐蚀液,有色冶金工业的矿浆;小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。
2、超声波式流量传感器
原理:
超声波发射换能器将电能转换为超声波能量,并将其发射到被测流体中,接收器接收到的超声波信号,经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。
这样就实现了流量的检测和显示。
超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。
流量计控制两个传感器轮流接收和发射超声波并测量其间的传播时间,计算时间差值,得到的时差与流体的流速成正比,其关系符合下面的表达式:
θ为声束与液体流动方向的夹角
M为声束在液体的直线传播次数
D为管道内径
Tup为声束在正方向上的传播时间
Tdown为声束在逆方向上的传播时间
ΔT=Tup–Tdown
优点:
(1)可做非接触式测量;
(2)为无流动阻挠测量,无压力损失;
(3)可测量非导电性液体,对无阻挠测量的电磁流量计是一种补充。
缺点:
(1)传播时间法只能用于清洁液体和气体;而多普勒法只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体;
(2)多普勒法测量精度不高。
应用概况:
(1)传播时间法应用于清洁、单相液体和气体。
典型应用有工厂排放液、:
怪液、液化天然气等;
(2)气体应用方面在高压天然气领域已有使用良好的经验;
(3)多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体,例如:
未处理污水、工厂排放液、脏流程液;通常不适用于非常清洁的液体。
3、差压式流量传感器
原理:
当流体流经管道内的节流件时,流束将在节流件处形成局部收缩,因而流速增加,静压力降低,于是在节流件前后便产生了压差。
流体流量愈大,产生的压差愈大,这样可依据压差来衡量流量的大小。
组成:
节流装置:
安装于管道中产生差压,节流件前后的差压与
流量成开方关系。
引压导管:
取节流装置前后产生的差压,传送给差压变送
器。
差压变送器:
产生的差压转换为标准电信号(4-20mA)节流装置、引压导管、差压变送器
根据流体力学的伯努力方程和流体的连续性方程,可以推
导出流量与压差之间的流量方程式,即
v=aA√2/j(p-q)
v--体积
j--液体密度
a--流量系数,与流道尺寸取压方式和流速公布有关
A--孔板开孔面积
p-q--压力差
一、优点:
二、
(1)应用最多的孔板式流量计结构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长;
(2)应用范围广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比拟;
(3)检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产,便于规模经济生产。
缺点:
(1)测量精度普遍偏低;
(2)范围度窄,一般仅3:
1~4:
1;
(3)现场安装条件要求高;
(4)压损大(指孔板、喷嘴等)。
注:
一种新型产品:
引进美国航天航空局而开发的平衡流量计,这种流量计的测量精度是传统节流装置的5-10倍,永久压力损失1/3。
压力恢复快2倍,最小直管段可以小至1.5D,安装和使用方便,大大减少流体运行的能力消耗。
应用概况:
差压式流量计应用范围特别广泛,在封闭管道的流量测量中各种对象都有应用,如流体方面:
单相、混相、洁净、脏污、粘性流等;工作状态方面:
常压、高压、真空、常温、高温、低温等;管径方面:
从几mm到几m;流动条件方面:
亚音速、音速、脉动流等。
它在各工业部门的用量约占流量计全部用量的1/4~1/3。
三、4、热式质量流量传感器
四、原理:
传热原理,即流动中的流体与热源(流体中加热的物体或测量管外加热体)之间热量交换关系来测量流量。
五、热式流量仪表用得最多有两类,即1)利用流动流体传递热量改变测量管壁温度分布的热传导分布效应的热分布式流量计(thenmaIprohIefIowmeter)曾称量热式TMF;2)利用热消散(冷却)效应的金氏定律(KingsIaw)TMF。
又由于结构上检测元件伸入测量管内,也称浸入型(immersiontype)或侵入型(intrusiontype)。
有些在使用时从管外插入工艺管内的仪表称作插入式(insertiontype)。
六、
(1)热分布式TMF
热分布式TMF的工作原理,薄壁测量管3外壁绕着两组兼作加热器和检测元件的绕组2,组成惠斯登电桥,由恒流电源5供给恒定热量,通过线圈绝缘层、管壁、流体边界层传导热量给管内流体。
边界层内热的传递可以看作热传导方式实现的。
在流量为零时,测量管上的温度分布如图下部虚线所示,相对于测量管中心的上下游是对称的,由线圈和电阻组成的电桥处于平衡状态;当流体流动时,流体将上游的部分热量带给下游,导致温度分布变化如实线所示,由电桥测出两组线圈电阻值的变化,求得两组线圈平均温度差ΔT。
便可按下式导出质量流量qm,即:
(1)
式中cp-------被测气体的定压比热容;A -------测量管绕组(即加热系统)与周围环境热交换系统之间的热传导系数; K -------仪表常数。
七、
(2)基于金氏定律的浸入型TMF
金氏定律的热丝热散失率表述各参量间关系,如式2所示。
(2)
式中H/L-------单位长度热散失率,J/m•h;ΔT--------热丝高于自由流束的平均升高温度,K;
λ--------流体的热导率,J/h•m•K;cV---------定容比热容,J/kg•k;ρ---------密度,kg/m3;
U---------流体的流速,m/h;d--------热丝直径,m.
八、两温度传感器(热电阻)分别置于气流中两金属细管内,一热电阻测得气流温度T;另一细管经功率恒定的电热加热,其温度Tv高于气流温度,气体静止时Tv最高,随着质量流速ρU增加,气流带走更多热量,温度下降,测得温度差ΔT=Tv-T.这种方法称作“温度差测量法”或“温度测量法”。
九、优点:
一十、
(1)热分布式TMF可测量低流速微小流量;浸入式TMF可测量低中偏高流速,插入式TMF更适合于大管径。
(2)无活动部件,压力损失也不大,使用性能相对可靠。
组成简单,出现故障概率小。
(3)可靠性高, 重复性好, 测量精度高 ;
(4) 量程比宽, 无须温压补偿。
缺点:
(1)热式质量流量计响应慢。
(2)被测量气体组分变化较大的场所,因cp值和热导率变化,测量值会有较大变化而产生误差。
(3)对小流量而言,仪表会给被测气体带来相当热量。
(4)对于热分布式TMF,被测气体若在管壁沉积垢层影响测量值,必须定期清洗;对细管型仪表更有易堵塞的缺点,一般情况下不能使用。
应用概况:
(1)工业管道中气体质量流量测量
(2)烟囱排出的烟气流速测量
(3)压缩空气流量测量
(4)污水处理中气体流量测量
(5)加热通风和空调系统中的气体流量测量
(6)天然气、火炬气、氢气等气体流量测量
(7)啤酒生产过程中二氧化碳气体流量测量
(8)水泥、卷烟、玻璃厂生产过程中气体质量流量测量
5、涡轮式流量传感器
一十一、原理:
先将流速转换为涡轮的转速,再将转速转换成与流量成正比的电信号。
这种流量计用于检测瞬时流量和总的积算流量,其输出信号为频率,易于数字化。
感应线圈和永久磁铁一起固定在壳体上。
当铁磁性涡轮叶片经过磁铁时,磁路的磁阻发生变化,从而产生感应信号。
信号经放大器放大和整形,送到计数器或频率计,显示总的积算流量。
同时将脉冲频率经过频率-电压转换以指示瞬时流量。
叶轮的转速正比于流量,叶轮的转数正比于流过的总量。
优点:
(1)高精度,在所有流量计中,属于最精确的流量计;
(2)重复性好;
(3)元零点漂移,抗干扰能力好;
(4)范围度宽;
(5)结构紧凑。
缺点:
(1)不能长期保持校准特性;
(2)流体物性对流量特性有较大影响。
应用概况:
涡轮流量计在以下一些测量对象获得广泛应用:
石油、有机液体、无机液、液化气、天然气和低温流体统在欧洲和美国,涡轮流量计在用量上是仅次于孔板流量计的天然计量仪表,仅荷兰在天然气管线上就采用了2600多台各种尺寸,压力从0.8~6.5MPa的气体涡轮流量计,它们已成为优良的天然气计量仪表。
6、容积式流量传感器
原理:
利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分,根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。
优点:
(1)计量精度高;
(2)安装管道条件对计量精度没有影响;
(3)可用于高粘度液体的测量;
(4)范围度宽;
(5)直读式仪表无需外部能源可直接获得累计总量,清晰明了,操作简便。
缺点:
(1)结果复杂,体积庞大;
(2)被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大:
(3)不适用于高、低温场合;
(4)大部分仪表只适用于洁净单相流体;
(5)产生噪声及振动。
应用概况:
容积式流量计与差压式流量计、浮子流量计并列为三类使用量最大的流量计,常应用于昂贵介质(油品、天然气等)的总量测量。
7、浮子式流量传感器
浮子流量计的流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成。
工作原理:
被测流体从下向上经过锥管1和浮子2形成的环隙3时,浮子上下端产生差压形成浮子上升的力,当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量时,浮子便上升,环隙面积随之增大,环隙处流体流速立即下降,浮子上下端差压降低,作用于浮子的上升力亦随着减少,直到上升力等于浸在流体中浮子重量时,浮子便稳
定在一高度。
浮子在锥管中高度和通过的流量有对应关系。
优点:
(1)适用于测量低流速小流量,可用于较低雷诺数。
(2)大部分浮子流量计没有上游直管段要求,或者说对上游直管段要求不高。
(3)浮子流量计有较宽的流量范围度,一般为10:
1,最低为5:
1最高为25:
1。
(4)流量检测元件的输出接近于线性。
压力损失较低。
(5)玻璃管浮子流量计结构简单,价格低廉。
缺点:
(1)有玻璃管易碎的风险,尤其是无导向结构浮子用于气体
(2)大部分结构浮子流量计只用于自下向上垂直流管道安装。
应用概况:
作为直观流动指示或测量精确度要求不高的现场指示仪表,浮子流量计应用的90%以上,被广泛地用在电力、石化、化工、冶金、医药等流程工业和污水处理等公用事业。
有些应用场所只要监测流量不超过或不低于某值即可,例如电缆惰性保护气流量增加说明产生了新的泄漏点。
循环冷却和培养槽等水或空气减流断流报警等场所可选用有上限或下限流量报警的玻璃管浮子流量计。
环境保护大气采样和流程工业在线监测的分析仪器连续取样,采样的流量监控也是浮子流量计的大宗服务对象。
带信号输出的远传金属浮子流量计在流程工业常用作流量控制检测仪表或管线混合配比,如给水处理过程控制原水加药液的配比量。
8、涡街式流量传感器
原理:
涡街流量计是在流体中安放一根非流线型游涡发生体,流体在发生体两侧交替地分离释放出两串规则地交错排列的游涡的仪表。
涡街流量计按频率检出方式可分为:
应力式、应变式、电容式、热敏式、振动体式、光电式及超声式等。
优点:
(1)结构简单牢固;
(2)适用流体种类多;
(3)精度较高;
(4)范围度宽;
(5)压损小。
缺点:
(1)不适用于低雷诺数测量;
(2)需较长直管段;
(3)仪表系数较低(与涡轮流量计相比);
(4)仪表在脉动流、多相流中尚缺乏应用经验。
应用概况:
涡街流量计便是依据卡门旋涡原理进行封闭管道流体流量测量的新型流量计。
主要用于工业管道介质流体的流量测量,因其具有良好的介质适应能力,无需温度压力补偿即可直接测量蒸汽、空气、气体、水、液体的工况体积流量,配备温度、压力传感器可测量标况体积流量和质量流量,是节流式流量计的理想替代产品。
教师多媒体PPT讲解
分析电磁式流量传感器
原理、特点及其应用
分析超声波式流量传感器原理、特点及其应用
分析差压式流量传感器原理
教师引导
分析涡轮式流量传感器工作特点
分析容积式流量传感器工作特点
分析浮子式流量传感器工作特点
分析涡街式流量传感器工作特点
学生讨论
分析电磁式流量传感器原理及特点
分析超声波式流量传感器原理及特点
观看差压式流量传感器应用等视频
学生小组讨论热式质量流量传感器工作原理及应用场合
思考涡轮式流量传感器的应用
学生小组讨论容积式流量传感器工作原理及应用
思考浮子式流量传感器的应用
学生小组讨论涡街式流量传感器工作原理及应用
多媒体PPT
多媒体PPT
案例讲解
多媒体PPT
案例讲解
多媒体PPT
案例讲解
多媒体PPT
案例讲解
多媒体PPT
案例讲解
多媒体PPT
案例讲解
多媒体PPT
案例讲解
多媒体PPT
案例讲解
3、操作训练(20min)
小组讨论,并绘制表格,包括各种流量传感器的工作原理、性能特点、应用场合以及选用的规定。
教师小组指导
学生讨论、制表
4、归纳总结(20min)
总结本单元讲解的各类常用的流量传感器,从其工作原理、优缺点、转换线路、应用场合等方面做总体总结。
教师PPT讲授
学生作业
课后小结
- 配套讲稿:
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