傳感器與檢測技術(shù)(4)

流量檢測 6 1流量檢測基本概念 6 1 1流量的概念和單位定義 短暫時(shí)間內(nèi)流過某一流通截面的流體數(shù)量與通過時(shí)間之比 體積流量 用流體的體積來表示 qv 瞬時(shí)質(zhì)量流量 用流量的質(zhì)量來表示 qm 簡稱質(zhì)量流量 累積流量 一段時(shí)間內(nèi)流體體積流量或質(zhì)量流量的累積值 累積體積流量 累積質(zhì)量流量 6 1 2流量檢測方法及流量計(jì)分類 6 1 2 1流量檢測方法及流量計(jì)分類檢測方法 體積流量檢測 質(zhì)量流量檢測 流量計(jì) 由流量傳感器和二次儀表構(gòu)成 6 1 2 2流量計(jì)的測量特性 1 粘性 衡量流體粘性大小的物理量稱為粘度 2 層流和紊流 層流 流體在細(xì)管中流動(dòng)的流線平行于管軸時(shí)的流動(dòng) 紊流 流體在細(xì)管中流動(dòng)的流線相對(duì)混亂的流動(dòng) 利用雷諾數(shù)可以判斷流動(dòng)的形式 在層流流動(dòng)狀態(tài)時(shí) 流量與壓力降成正比 在紊流流動(dòng)狀態(tài)時(shí) 流量與壓力降的平方根成正比 雷諾數(shù) 雷諾數(shù)是表征流體流動(dòng)時(shí)慣性力與粘性力之比 利用細(xì)管直徑d 可求出雷諾數(shù)Rd Rd 2320時(shí)為層流 Rd 2320時(shí)為紊流 3 流體流動(dòng)的連續(xù)性方程 流體在管道內(nèi)作穩(wěn)定流動(dòng)的情況 即流體在穩(wěn)定流動(dòng) 且不可壓縮時(shí) 流過各截面流體的體積為常量 因此利用上式 很方便的求出流體流過管道不同截面時(shí)的流速 4 流量范圍及范圍度 指可測最大流量和最小流量所限定的范圍 在這個(gè)范圍內(nèi) 儀表在正常使用條件下示值誤差不超過最大允許誤差 5 測量精確度和誤差 6 壓力損失 6 2體積流量檢測方法 6 2 1容積式流量計(jì) 一定時(shí)間間隔測量體積總量 構(gòu)成 測量室 運(yùn)動(dòng)部件 傳動(dòng)和顯示部件 腰輪流量計(jì) 流體總量 6 2 2差壓式流量計(jì) 二 組成 一 基本原理在流通管道上設(shè)置流動(dòng)阻力件 流體通過阻力件時(shí)將產(chǎn)生壓力差 此壓力差與流體流量之間有確定的數(shù)值關(guān)系 通過測量差壓值可以求得流體流量 6 2 2 1節(jié)流式流量計(jì) 節(jié)流裝置 產(chǎn)生差壓 主體是一個(gè)局部收縮阻力件 改變流體流通截面 從而在節(jié)流元件前后形成壓力差 根據(jù)伯努利方程 對(duì)截面I I 處沿管中心的流體有以下能量關(guān)系 根據(jù)流體的連續(xù)性方程得 對(duì)流量的修正 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置示意 節(jié)流裝置取壓方式 角接取壓 法蘭取壓 6 2 2 2均速管流量計(jì) 流體流經(jīng)均速管產(chǎn)生與流量有確定關(guān)系的差壓信號(hào) 均速管的實(shí)用流量方程式 D為管道內(nèi)徑 k為均速管流量系數(shù) 由實(shí)驗(yàn)確定 均速管流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖 6 2 2 3彎管流量計(jì) 流體通過管道彎頭時(shí) 受到角加速的作用而產(chǎn)生的離心力會(huì)在彎頭的外半徑側(cè)與內(nèi)半徑側(cè)之間形成差壓 此差壓的平方根與流體流量成正比 彎管流量計(jì)的流量方程式 彎管流量計(jì)示意 6 2 2 4靶式流量計(jì) 靶 管流中垂直于流動(dòng)方向安裝的圓盤形阻擋件流體經(jīng)過時(shí)對(duì)靶產(chǎn)生作用力 此作用力與流速有一定關(guān)系 以直徑比表示流量公式 靶式流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理1 力平衡轉(zhuǎn)換器 2 密封膜片 3 杠桿 4 靶 5 測量導(dǎo)管 6 2 2 5浮子流量計(jì) 1 測量原理及結(jié)構(gòu)浮子的力平衡公式 浮子流量計(jì)測量原理 代入節(jié)流流量方程式得 A0為環(huán)隙面積 與浮子高度h對(duì)應(yīng)對(duì)于小錐度錐形管 近似有 電遠(yuǎn)傳浮子流量計(jì)工作原理1 浮子 2 錐形管 3 連動(dòng)桿 4 鐵心 5 差動(dòng)線圈 6 2 3速度式流量計(jì) 原理 均基于與流體流速有關(guān)的各種物理現(xiàn)象 6 2 3 1渦輪流量計(jì)利用安裝在管道中可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪感受流體的速度變化 流量方程式f 信號(hào)脈沖頻率 儀表常數(shù) 渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意1 導(dǎo)流體 2 軸承 3 渦輪 4 殼體 5 信號(hào)放大器 6 2 3 2渦街流量計(jì) 原理 流體流過非流線型阻擋體時(shí)會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的漩渦列 漩渦的產(chǎn)生頻率與流體流速有著確定的關(guān)系 構(gòu)成 漩渦發(fā)生體 卡門渦街 流體的體積流量為 漩渦產(chǎn)生頻率 d 漩渦發(fā)生體的特征尺寸St 斯特羅哈爾數(shù) K 儀表系數(shù) 旋渦頻率檢測原理 圓柱形旋渦發(fā)生體常用鉑熱電阻絲檢測頻率 三棱柱形旋渦發(fā)生體則采用熱敏電阻或壓電晶體檢測頻率 旋渦頻率的檢測 旋渦發(fā)生體和檢測方式一覽表 6 2 3 3電磁流量計(jì) 原理 導(dǎo)電流體在磁場中垂直于磁力線方向流過 在流通管道兩側(cè)的電極上將產(chǎn)生感應(yīng)電勢 感應(yīng)電勢的大小與流體速度有關(guān) 感應(yīng)電勢 流量方程式 電磁流量計(jì)的構(gòu)成 直流勵(lì)磁 直流勵(lì)碰方式用直流電產(chǎn)生磁場或采用永久磁鐵 它能產(chǎn)生一個(gè)恒定的均勻磁場 優(yōu)點(diǎn) 受交流電磁場干擾影響很小 缺點(diǎn) 流體極化 電解質(zhì)在電場中被電解 正負(fù)電極分別校相反極性的離子所包圍 嚴(yán)重影響儀表的正常工作 適用非電解質(zhì)液體 交流勵(lì)磁 采用工頻 50Hz 電源交流勵(lì)磁方式 優(yōu)點(diǎn) 消除了電極表面的極化干擾 由于磁場是交變的 所以輸出信號(hào)也是交變信號(hào) 磁感應(yīng)強(qiáng)度為 感應(yīng)電動(dòng)勢為 被測體積流量為 6 2 3 4超聲流量計(jì) 原理 超聲波在流體中傳播 將受到流體速度的影響 檢測接收的超聲波信號(hào)可以測知流速 傳播速度差法 超聲波在流體中順流傳播與逆流傳播的速度不同 時(shí)間差法相差法頻差法 超聲波換能器又稱超聲波探頭 超聲波換能器的工作原理有壓電式 磁致伸縮式 電磁式等數(shù)種 在檢測技術(shù)中主要采用壓電式 超聲波探頭又分為直探頭 斜探頭 雙探頭 表面波探頭 聚焦探頭 沖水探頭 水浸探頭 高溫探頭 空氣傳導(dǎo)探頭以及其他專用探頭等 各種超聲波探頭 常用頻率范圍 0 5 10MHz 常見晶片直徑 5 30mm 接觸式直探頭 縱波垂直入射到被檢介質(zhì) 外殼用金屬制作 保護(hù)膜用硬度很高的耐磨材料制作 防止壓電晶片磨損 保護(hù)膜 接插件 頻差法不受聲速影響 不必考慮流體溫度變化對(duì)聲速的影響 頻差法 6 3 1間接式質(zhì)量流量測量方法 根據(jù)質(zhì)量流量和體積流量的關(guān)系 組合多種儀表測量不同參數(shù)可實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量測量 6 3質(zhì)量流量檢測方法 一 原因 二 分類 直接法 間接法 補(bǔ)償法 體積流量計(jì) 密度計(jì) 體積流量計(jì)與體積流量計(jì) 溫度 壓力補(bǔ)償式質(zhì)量流量計(jì) 一般低壓氣體 干 6 3 2直接式質(zhì)量流量計(jì) 直接式質(zhì)量流量常用檢測方法 差壓式質(zhì)量流量計(jì) 渦輪式質(zhì)量流量計(jì) 動(dòng)量式質(zhì)量流量計(jì) 熱式質(zhì)量流量計(jì) 科里奧利式質(zhì)量流量計(jì)等 6 3 2直接式質(zhì)量流量計(jì) 6 3 2 1科里奧利質(zhì)量流量計(jì)原理 流體在振動(dòng)管中流動(dòng)時(shí) 將產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力 當(dāng)質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)以速度 在對(duì)p軸作角速度 旋轉(zhuǎn)的管道內(nèi)移動(dòng)時(shí) 質(zhì)點(diǎn)受到兩個(gè)分量的加速度及其力 法向加速度 即向心力加速度 r 其量值等于 2r 方向朝向P軸 切向加速度 即科里奧利加速度 t 其量值等于2 方向與垂直 當(dāng)密度為 的流體在旋轉(zhuǎn)管道中以恒定速度 流動(dòng)時(shí) 任何一段長度 x的管道都將受到一個(gè) Fc的切向科里奧利力 由于質(zhì)量流量為qm A 所以 直接或間接測量在旋轉(zhuǎn)管道中流動(dòng)流體產(chǎn)生的科里奧利力就可以測的得質(zhì)量流量 這是科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的基本原理 通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生科里奧利力是困難的 目前產(chǎn)品均代之以管道振動(dòng)產(chǎn)生的 流量方程式 6 3 2 2熱式質(zhì)量流量計(jì) 原理 利用外熱源對(duì)被測流體加熱 測量因流體流動(dòng)造成的溫度場變化 從而測得流體的質(zhì)量流量 流量方程式 6 3 2 3沖量式流量計(jì) 原理 沖量傳感器感受被測介質(zhì)的沖力 經(jīng)轉(zhuǎn)換放大輸出與質(zhì)量流量成比例的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 沖量式流量計(jì)工作原理1 沖板 2 沖板軸 3 物料 4 輸送機(jī) 對(duì)象 自由下落的固體粉料的質(zhì)量流量 水平分力 6 4 1液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置 標(biāo)準(zhǔn)容積法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置1 水池 2 水泵 3 高位水槽 4 溢流管 5 穩(wěn)壓容器 6 活動(dòng)管接頭 7 切換機(jī)構(gòu) 8 切換擋板 9 標(biāo)準(zhǔn)容積計(jì)量槽 10 液位標(biāo)尺 11 游標(biāo) 12 被校流量計(jì) 6 4 1 1標(biāo)準(zhǔn)容積法 6 4 1 4標(biāo)準(zhǔn)體積管的校正法 單