《傳感器及應用（第三版）》 課件 模塊5、6 振動的測量、流量的測量

模塊五振動的測量392課題二微硅加速度傳感器課題一壓電式振動傳感器課題三沖擊傳感器振動是一種常見的物理現(xiàn)象。如圖所示，振動是物體在其平衡位置附近做周期性往復運動的運動形式，如橋梁的振動、鐘擺的擺動、汽車運行的顫動等。振動的存在會影響機器的正常運轉，使機床的加工精度、儀器的靈敏度下降，嚴重時還會造成機器或建筑的毀壞；但同時，利用振動現(xiàn)象的特點，可以設計制造眾多的設備和儀器，如振動壓路機、振動篩、振動示波器等。因此，測量和分析振動現(xiàn)象，合理利用其特點設計機器設備，抑制其可能帶來的危害就十分必要了。394振動示意圖課題一壓電式振動傳感器395學習目標

了解振動的基礎知識。

了解振動傳感器的常見類型。

熟悉壓電效應的概念和常用的壓電材料。

掌握壓電式傳感器的工作原理。

熟悉壓電式振動傳感器的結構、測量電路和技術指標。

了解振動測量系統(tǒng)的組成。

能正確選擇和使用壓電式振動傳感器。396知識引入徜徉在博物館琳瑯滿目的展品前，或許不會有人覺察到隱藏在角落里的安全衛(wèi)士———玻璃打碎報警裝置，它們雖不起眼，但對各種珍稀文物的安全起著至關重要的作用。這種裝置的結構可用如圖所示的框圖表示，工作過程為：當玻璃打碎時會發(fā)出幾千赫茲甚至更高頻率的振動，粘貼在玻璃上的高分子壓電薄膜感受到這一振動并將振動信號轉換成電壓輸出，經(jīng)放大、濾波、比較處理后傳送給集中報警系統(tǒng)（執(zhí)行機構）。從圖中可以看出，傳感器作為信息傳送的首道門檻，是報警裝置的核心部件之一。這里用到的高分子壓電薄膜屬于壓電式振動傳感器，壓電式振動傳感器是依據(jù)壓電效應工作的高分子材料自發(fā)電式傳感器。397398玻璃打碎報警裝置結構框圖知識講解一、振動的基礎知識1.振動的類型及單位物體圍繞平衡位置的往復運動構成振動。它的形式多種多樣，有機械振動、土木振動、運輸工具振動等。按照振動頻率，振動分為高頻、低頻和超低頻振動；按照振動原因，振動分為自由振動、強迫振動和自激振動。399衡量物體振動強度的大小通常有三個標準，即振動的三個測量值：振動位移、振動速度和振動加速度。振動位移用s表示，單位為mm或m；振動速度用v表示，單位為m/s或mm/s；振動加速度用a表示，單位為m/s2。振動位移、振動速度和振動加速度之間一一對應，可通過微積分運算進行換算。在實際應用中，描述振動物理性質的最常用基本參量是加速度，測量振動的傳感器也稱為加速度傳感器或加速度計。工程上還常用重力加速度g作為單位，兩者的換算關系為1g≈9.81m/s2。另一個與振動強度密切相關的指標———振動烈度，是為評定設備振動狀態(tài)而引入的測量值。4002.振動的相關概念振動是圍繞平衡位置的往復運動，描述不同的振動可用頻率、幅值、相位三個參數(shù)進行區(qū)別，因此，通常稱頻率、幅值、相位為振動的三要素。（1）頻率周期是物體振動一次所需的時間，通常用T表示，單位為秒（s）。頻率是周期的倒數(shù)，即每秒鐘物體振動的次數(shù)，用f表示，單位為赫茲（Hz）。401振動周期（2）幅值振動物體偏離平衡位置的最大距離為振動的幅值，簡稱振幅。在振動位移測量中常用x表示，單位為毫米（mm）。工程上又常將振幅細分為單峰值、峰峰值和有效值等指標。（3）相位相位是振動在時間先后關系上或空間位置關系上相互差異的標志，通常用φ表示，振動相位是以角度為單位。振動相位差為0°，稱為同相振動；振動相位差為180°，稱為反相振動。402二、振動傳感器的類型振動傳感器也稱加速度傳感器，是一種將機械量轉變?yōu)殡娏康霓D換裝置，并根據(jù)一定的規(guī)律將被測量轉換成電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制的要求，工程上也稱它為拾振器。振動傳感器有時并不是直接將被測量轉變?yōu)殡娏?，而是將要測的機械量作為振動傳感器的輸入量，形成另一個易于變換的機械量，最后由機電變換部分再將其變換為電量。根據(jù)振動傳感器測量過程中是否與測量點接觸以及工作參數(shù)不同，可以做如圖所示分類，外形如圖所示。403404振動傳感器的分類振動傳感器外形圖三、壓電式傳感器的工作原理1.壓電效應與壓電材料壓電效應是某些物質沿一定方向上受到外力作用變形時，內(nèi)部被極化，其表面產(chǎn)生電荷，外力去除后又重新回到不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。具有壓電效應的物質稱為壓電材料（或壓電元件），常見的壓電材料有壓電單晶體、多晶體壓電陶瓷和高分子壓電材料等，如圖所示。405406壓電材料2.工作原理壓電式傳感器是以某些物質的壓電效應為基礎，根據(jù)在外力作用下壓電材料表面產(chǎn)生電荷量的大小與外力成正比的原理來實現(xiàn)非電量的測量，如圖所示。在壓電晶片的兩個工作面上蒸鍍金屬膜，構成兩個電極，當壓電晶片受到壓力F的作用時，分別在兩個極板上積聚數(shù)量相等而極性相反的電荷。407壓電式傳感器的工作原理四、壓電式振動傳感器的結構壓電式振動傳感器由壓電元件、質量塊、預壓彈簧、基座、外殼等部分組成，如圖所示。408壓電式振動傳感器壓電式振動傳感器的基本結構測量時，將基座與被測物體剛性地連接在一起，使質量塊感受與物體完全相同的運動。當被測物體產(chǎn)生加速度時，質量塊將產(chǎn)生慣性力F1，其方向與加速度方向相反，大小為F1=m×a。此慣性力與預緊力F0疊加后作用在壓電元件上，使得作用在壓電元件上的壓力F為：F=F0+F1=F0+ma壓電元件上產(chǎn)生與加速度a對應的電荷，即：Q=d11

F=d11（F0+ma）與ma對應的是電荷的增量：ΔQ=d11×ma。409在壓電傳感器中，常用兩片或多片壓電元件組合在一起使用。由于壓電材料是有極性的，因此接法有兩種，如圖所示。410壓電元件的接法a）并聯(lián)接法b）串聯(lián)接法五、壓電式振動傳感器的測量電路壓電式振動傳感器的內(nèi)阻很高，而輸出信號微弱，因此不能直接顯示和記錄，需經(jīng)測量電路進行放大、調整。測量電路由前置放大器、帶通濾波器、歸一化放大器三部分組成。前置放大器完成電荷到電壓的轉換；帶通濾波器能有效抑制信號中的干擾分量；歸一化放大器可用于調整放大器的靈敏度。壓電式振動傳感器要求測量電路的前級輸入端要有足夠高的阻抗，這樣才能防止電荷迅速泄漏導致測量誤差變大。壓電式振動傳感器的前置放大器有兩個作用：一是把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是把傳感器的微弱信號進行放大。4111.前置放大器壓電式振動傳感器可以等效為一個電荷發(fā)生器與電容并聯(lián)，如圖a所示。壓電式振動傳感器與測量儀表連接時，還必須考慮電纜電容Cc、放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci以及傳感器的泄漏電阻Ra，如圖b所示。412壓電式振動傳感器等效電路a）壓電式振動傳感器理想等效電路b）壓電式振動傳感器實際等效電路c）壓電式振動傳感器接電荷放大器的典型電路對于壓電式振動傳感器來說，放大電路有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。電壓放大器是由電阻作為反饋元件的，將壓電式振動傳感器的輸出電壓進行放大，其輸出電壓受電纜分布電容的影響，當電纜的長度改變時需要對傳感器靈敏度重新進行標定，使用不方便；電荷放大器是由電容作為反饋元件的，其輸出電壓與輸入電荷量成正比。壓電式振動傳感器接電荷放大器的典型電路如圖c所示，電荷放大器的輸出電壓為：式中A——運算放大器的放大倍數(shù)。413由上式可以看出，由于引入了電容負反饋，電荷放大器的輸出電壓僅與傳感器產(chǎn)生的電荷量及放大器的反饋電容有關，電纜電容等其他因素對靈敏度的影響可以忽略不計，這樣不僅可以得到穩(wěn)定的輸出信號，還能改善低頻特性。因此，壓電式振動傳感器的放大電路通常采用電荷放大器。414在進行振動測量時，將壓電元件產(chǎn)生的電荷輸出給電荷放大器，則電荷放大器輸出電壓的增量為：由上式可知，電荷放大器輸出電壓的增量與加速度a成正比。因此，只要測出輸出電壓，即可獲得被測物的加速度。如果在電路中增加積分電路，則還可測出被測物的振動速度和振動位移量。4152.濾波器由于振動傳感器測得的現(xiàn)場振動信號是全波段信號，由各種頻率的信號疊加而成，其中也混有干擾信號，因此，為了去除干擾信號，獲得有效頻率段信號，通常在放大電路后加濾波器。根據(jù)濾波效果的不同，濾波可分為低通濾波、高通濾波、帶通濾波和帶阻濾波；根據(jù)使用手段不同，濾波可分為硬件濾波和軟件濾波。對于較復雜的測試系統(tǒng)，多采用硬件濾波和軟件濾波相結合的方式。濾波器的種類、規(guī)格很多，在實際應用中可以根據(jù)要求的技術指標購買濾波器模塊，也可以根據(jù)要求自行搭建濾波器。416六、壓電式振動傳感器的技術指標壓電式振動傳感器的技術指標包括靜態(tài)技術指標和動態(tài)技術指標。靜態(tài)技術指標包括量程、精度、靈敏度、分辨率、穩(wěn)定性等。動態(tài)技術指標可以從時域和頻域兩方面來考慮，主要是響應時間和有效帶寬。振動測試應用面廣，很多傳感器生產(chǎn)廠家都有系列產(chǎn)品提供，選擇傳感器時，主要考慮下列技術參數(shù)。1.靈敏度靈敏度即每一單位輸入得到的輸出量。4172.測量范圍常用的測量范圍為0.1~100g，沖擊振動可選用100~10000g，路橋、地基等微弱振動往往選擇0.001~10g的高靈敏度低頻加速度傳感器。3.橫向靈敏度壓電式振動傳感器的受力是有方向的，縱向受力作用在壓電元件上，與振動測量方向一致是有效信號。4.頻率范圍壓電式振動傳感器應在有效頻率段信號穩(wěn)定，曲線完整不失真，且避開機械結構的諧振點，因此在選擇壓電式振動傳感器時，還應考慮傳感器的頻率范圍。418七、振動測量系統(tǒng)振動測量裝置可以看作一個系統(tǒng)，其組成如圖所示。419振動測量系統(tǒng)的組成測量工作的順利完成要靠振動傳感器、信號調理電路、屏蔽電纜（抗干擾）、信號采集和處理裝置等各部分的共同作用。測量數(shù)據(jù)是依次經(jīng)過各個環(huán)節(jié)后得到的，誤差存在于各環(huán)節(jié)中，其中影響最大的是傳感器和放大電路。因此，在精心選擇傳感器的同時，還要匹配合適的放大電路，才能得到滿足要求的振動測量系統(tǒng)。振動測量系統(tǒng)是解決實際工程問題的常用手段，它利用振動傳感器采集振動信號，研究振動的變化規(guī)律，分析振動形成的原因。420課題二微硅加速度傳感器421學習目標

了解微硅加速度傳感器的特點及類型。

了解壓阻式、電容式微硅加速度傳感器的工作原理。

掌握微硅加速度傳感器的使用方法。

能正確安裝與使用微硅加速度傳感器。422知識引入據(jù)統(tǒng)計，全球每年約有120萬人死于交通事故，其中約20%是由于正面碰撞事故導致的。安全氣囊的發(fā)明，大大減少了這類事故的發(fā)生。隨著汽車電子技術的進步，安全氣囊產(chǎn)品進一步發(fā)展，出現(xiàn)了帶診斷單元的安全氣囊，它由傳感器、計算機處理系統(tǒng)、氣體發(fā)生器及氣囊等部件組成。在撞車的瞬間，傳感器采集撞車信號，計算機對信號進行識別、處理，點燃氣體發(fā)生器，在駕駛員和乘客面前充起氣囊，保護駕駛員和乘客的頭部與胸部不受損傷或降低損傷程度。加速度傳感器可將汽車碰撞的加速度轉換為電信號，目前多采用微硅集成加速度傳感器。423424汽車安全氣囊系統(tǒng)知識講解微硅加速度傳感器是一種重要的力學量傳感器，是通過測量力的大小計算出加速度的。隨著生產(chǎn)加工成本的降低，其應用越來越廣泛，如手機的計步器功能，人在走動時會產(chǎn)生一定規(guī)律性的振動，而微硅加速度傳感器可以檢測振動的過零點，計算出人所走的步數(shù)或跑步的步數(shù)，從而計算出人所移動的位移；相機的防手抖功能，用微硅加速度傳感器檢測手持設備的振動/晃動幅度，當振動或晃動幅度過大時鎖住照相快門，則拍攝的圖像永遠是清晰的。如今三維微硅加速度傳感器已開始用于檢測空間加速度，為軍事、工業(yè)自動控制、醫(yī)療等領域服務。425一、微硅加速度傳感器的特點及類型微硅加速度傳感器是在硅片上微細加工、集成制作而成的加速度傳感器，并將測試、控制電路集成于一體，有利于大規(guī)模批量生產(chǎn)，具有體積小、質量輕、精度高、響應快、靈敏度高、易于小型化等優(yōu)點，而且能夠在強輻射作用下正常工作，因此近年來發(fā)展迅速，其外形如圖所示。它是以半導體制造技術為基礎發(fā)展起來的，采用了半導體技術中的光刻、腐蝕、薄膜等一系列技術或材料，也稱之為微機電系統(tǒng)（microelectromechanicalsystem，MEMS）。MEMS是一種先進的制造技術平臺，側重于超精密機械加工，并涉及微電子、材料、力學、化學、機械學諸多學科領域。426427微硅加速度傳感器微硅加速度傳感器是集成在單片集成電路上的加速度測量系統(tǒng)，經(jīng)過多年的研究和開發(fā)，關于微硅加速度傳感器的設計已經(jīng)形成了一套比較成熟的理論體系。目前，這種傳感器已有壓阻式、電容式、隧道式、共振式、熱對流式等幾種類型。428二、壓阻式微硅加速度傳感器的工作原理壓阻式微硅加速度傳感器的體積小，頻率范圍寬，量程大，直接輸出電壓信號，不需要復雜的電路接口，大批量生產(chǎn)時價格低廉，可重復生產(chǎn)性好，可直接測量連續(xù)的加速度和穩(wěn)態(tài)加速度，但其對溫度的漂移較大，對安裝應力和其他應力也較敏感，因此不適合某些小量程加速度的測量。429壓阻式微硅加速度傳感器的結構如圖所示。壓阻式微硅加速度傳感器的彈性元件一般采用硅梁和外加質量塊結構形式。質量塊由懸臂梁支撐，在懸臂梁上制作應變電阻，連接成惠斯通電橋，利用壓阻效應來檢測加速度。在慣性力作用下質量塊上下運動，懸臂梁上應變電阻的阻值隨應力的作用而發(fā)生變化，引起電橋輸出電壓變化，實現(xiàn)對加速度的測量。壓阻式微硅加速度傳感器采用半導體工藝，將傳感器與測量電路集成在一起，屬于機電一體化產(chǎn)品。壓阻式微硅加速度傳感器的原理框圖如圖所示。430431壓阻式微硅加速度傳感器的原理框圖壓阻式微硅加速度傳感器的結構三、電容式微硅加速度傳感器的工作原理電容式微硅加速度傳感器的內(nèi)部結構如圖所示，它是一種基于差動電容的加速度傳感器。用半導體微細加工的方法在單晶硅上制作三個多晶硅層，組成兩個差動電容C1和C2，第一層和第三層為不動極板，第二層的懸臂梁及質量塊是動極板，在加速度作用下質量塊做慣性運動，動極板上下移動，使兩組電容的電容量發(fā)生變化。432433電容式微硅加速度傳感器的內(nèi)部結構四、微硅加速度傳感器的使用方法1.校準方法微硅加速度傳感器在出廠時，廠家會提供傳感器輸出性能表或輸出的數(shù)學表達式，但有效期一般為一年，超過該有效期需重新進行校準。因為使用一段時間后傳感器的靈敏度及其零點輸出會改變，所以在進行測量工作之前要進行校準。常用的校準方法有絕對法和相對法。434（1）絕對法將被校準傳感器固定在校準振動臺上，用激光干涉測振儀直接測得振動臺的振幅，使振動臺的振動值成為標準測量值，再測量被校準傳感器的輸出值，從而確定被校準傳感器的靈敏度。絕對法校準精度較高，但因設備和技術比較復雜，故僅適合計量部門使用。435（2）相對法相對法又稱背靠背比較校準法。將待校準的傳感器和經(jīng)過國家計量部門嚴格校準過的、精度等級較高的傳感器背靠背地安裝在振動臺上，承受相同的振動，用標準傳感器測得振動臺的振動值，作為被測傳感器的標準輸入值，再測量被測傳感器的輸出，就可以計算出該頻率點待校準傳感器的靈敏度。4362.安裝方法振動測量中，微硅加速度傳感器的安裝位置與方向對于測量精度特別重要。微硅加速度傳感器的安裝位置（測量點）不同，所得到的測定值會有較大差異。測量點的選擇首先要根據(jù)測量目的來確定，如測量齒輪箱振動，可將測量點選在軸承座上，同時應對各測量點做好標記，以保證每次測定的部位不變。另外還要注意，測定部位的表面應是光滑潔凈的，以避免臟污對振動傳遞造成衰減。壓電式微硅加速度傳感器的安裝固定通常有如下幾種方式可供選擇，安裝示意圖如圖所示。437438壓電式微硅加速度傳感器的安裝示意圖a）鋼螺栓b）絕緣螺栓和云母墊圈c）磁鐵吸附d）膠合e）蠟和橡膠泥黏附f）手持探頭（1）螺栓安裝用于長期監(jiān)測振動機械工作狀態(tài)時可以在被測工件表面鉆孔，然后用雙頭螺栓將傳感器牢固地固定在監(jiān)視點上。安裝前建議對工件表面進行打磨，以配合經(jīng)過研磨處理的傳感器底面，保證安裝牢靠。（2）磁吸盤安裝短時間監(jiān)測中、低頻振動時，可用磁吸盤將鋼質傳感器底座吸附在監(jiān)測點進行測量。這種安裝方式不破壞被測物體外形，傳感器安裝、移動方便，在現(xiàn)場應用非常普遍。不足之處是會使傳感器的頻率響應范圍有所降低，在進行沖擊測量時要考慮所測高頻部分有無失真現(xiàn)象，對表面為銅、鋁等非鐵磁性物體進行測量時也不適用。439（3）粘貼安裝當被測物體不允許鉆孔且振動微弱時，可以選用502瞬干膠、環(huán)氧樹脂膠、雙面膠帶等黏結劑將傳感器粘在監(jiān)測點工件表面。（4）云母片安裝當被測物體的工作溫度較高（100℃左右），為使傳感器正常工作，需用厚度為0.02mm左右的云母片墊在測量點和傳感器之間，再采用螺栓安裝，從而有效地隔離高溫物體，同時測量頻率上限下降幅度也很小。（5）工裝安裝為適應特殊場合的需要，有時需要自制一些傳感器安裝塊進行安裝。4403.使用注意事項引起微硅加速度傳感器測量誤差的原因除去測量頻率外，還有環(huán)境影響及噪聲，因此使用時應注意以下幾點。（1）采取防護措施，減小環(huán)境影響造成的測量誤差。（2）注意消除噪聲和采取抗干擾措施。4414.測試系統(tǒng)標定與測量結果分析選定了傳感器和調理電路后，需要將各部分連接起來，標定測量系統(tǒng)靈敏度。要求不高的情況下可以在實驗室利用加速度標定儀進行標定。測量結果常表現(xiàn)為大量不連續(xù)的數(shù)據(jù)，需要檢測人員做進一步分析。目前常用的振動信號分析方法主要有時域法和頻率法兩種。442課題三沖擊傳感器443學習目標

了解沖擊的概念及對沖擊傳感器的要求。

掌握壓電式?jīng)_擊傳感器、沖擊開關的結構和原理。

熟悉影響沖擊傳感器測量的環(huán)境因素。

能正確選用壓電式?jīng)_擊傳感器。444知識引入物體自由落體墜落至地面，是日常生活中最常見的沖擊。沖擊會給系統(tǒng)（結構、設備或人體）帶來一定的損傷和破壞，跌落或碰撞會造成對內(nèi)部元器件的巨大沖擊，縮短機電系統(tǒng)的使用壽命，生活中80%的電子產(chǎn)品是由于跌落或碰撞導致的損壞。跌落沖擊測試是電子產(chǎn)品在出廠前常做的可靠性試驗之一，主要包括裸機跌落沖擊測試和包裝跌落沖擊測試。裸機跌落沖擊測試主要考量產(chǎn)品在正常使用過程中抗意外跌落沖擊的能力；包裝跌落沖擊測試考量包裝件在運輸或搬運過程中受到垂直跌落時對產(chǎn)品的保護能力。445通常電子產(chǎn)品在出廠前應抽取一定數(shù)量的產(chǎn)品進行跌落沖擊試驗，以檢查其抗沖擊能力。446跌落沖擊試驗設備知識講解一、沖擊的概念及對沖擊傳感器的要求沖擊實質上是一種特殊的振動現(xiàn)象，其特殊之處在于：加速度值可達1000~100000g，在短時間內(nèi)有很強的能量釋放，沖擊的振幅很大，并隨著時間的推移迅速衰減。衰減速度由振動體的彈簧剛度和阻尼系數(shù)決定。日常生活中的沖擊很常見，如高空拋物，很小的物體包含巨大的能量；汽車在啟動、制動以及速度突然改變時都要受到?jīng)_擊；國家對某些特殊設備進行強檢，壓力鍋爐、壓力容器等必須做沖擊試驗檢驗。447振動測量中使用的傳感器并不是都可以用作沖擊傳感器，測量振動速度、振動位移的振動傳感器一般不能用于沖擊測量。沖擊傳感器所要記錄的參數(shù)為沖擊過程中的加速度值，因其加速度值較大，傳感器的靈敏度不需要很大。常用的沖擊傳感器有壓電式?jīng)_擊傳感器、沖擊開關等。448二、壓電式?jīng)_擊傳感器1.壓電式?jīng)_擊傳感器的結構壓電式?jīng)_擊傳感器基于壓電效應工作，量程大，靈敏度相對較低，體積小，質量輕，有的僅為0.6g，按測量方法可分為單軸和三軸結構。圖所示為常見的壓電式?jīng)_擊傳感器。壓電式?jīng)_擊傳感器主要應用于火箭分離、碰撞、爆炸等試驗場合，可應用在汽車制動啟動檢測、地震檢測、報警系統(tǒng)、智能玩具、環(huán)境監(jiān)視、工程測振、地質勘探以及鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析等方面。449450壓電式?jīng)_擊傳感器內(nèi)部結構按照敏感材料晶體片感受振動的方式及安裝形式分為壓縮型、剪切型和撓曲型。常用的壓電式?jīng)_擊傳感器的內(nèi)部結構如圖所示，壓電元件受力方式如圖所示。451壓電式?jīng)_擊傳感器的內(nèi)部結構a）壓縮型b）剪切型c）撓曲型1—基座2—壓電元件3—質量塊4—彈簧片5—輸出端6—懸臂梁452壓電元件受力方式a）壓縮型b）剪切型c）撓曲型壓縮型結構如圖a所示，壓電元件—質量塊—彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接，屬于中心壓縮型，在本模塊課題一已經(jīng)進行了詳細講解。這種結構有較高的共振頻率，但測試對象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件的輸出特性，引起傳感器溫度漂移。剪切型結構如圖b所示，它的基座向上延伸，如同一根圓柱，管式壓電元件（極化方向平行于軸線）套在這根圓柱上，環(huán)形質量塊套在環(huán)形壓電元件上。撓曲型結構如圖c所示，壓電元件粘貼在懸臂梁的側面，懸臂梁的自由端裝配質量塊，固定端與基座連接。4532.壓電式?jīng)_擊傳感器的測量系統(tǒng)壓電式?jīng)_擊傳感器與二次儀表（電荷放大器）配套使用，組成測量系統(tǒng)，如圖所示。454壓電式?jīng)_擊傳感器的測量系統(tǒng)在測量時，隨著連接電纜長度的增加，電纜的分布電容增大，絕緣漏電阻變小。如果采用的是電荷放大器，加大反饋電容可以使電纜對測量的影響得到緩解。但當連接電纜很長時，其影響就不可忽視了，而且電荷放大器的反饋電容并不能無限制增大。為了克服上述缺點，人們采用內(nèi)裝電荷放大器的方法，把電荷放大器裝在傳感器的殼體之中，以消除連接電纜的影響。4553.內(nèi)置電路沖擊傳感器在沖擊測量中，如測量飛機救生艙的彈射加速度時，對傳感器的要求非常苛刻，要求傳感器結構緊湊，測試系統(tǒng)簡化，因此出現(xiàn)了集傳感器、阻抗變換器乃至數(shù)據(jù)采集存儲設備于一體的數(shù)字化集成電路傳感器。內(nèi)置的概念是將放大電路置于沖擊傳感器內(nèi)，成為具有電壓輸出功能的傳感元件。內(nèi)置電路沖擊傳感器可分為雙電源（四線）和單電源（二線、帶偏置，又稱ICP）兩種。456三、沖擊開關沖擊開關（又稱開關式加速度傳感器）作為沖擊傳感器的一種，主要用于一些安全裝置上作為開關器件或發(fā)火機構，按結構分為電子式?jīng)_擊開關和機械式?jīng)_擊開關兩種。電子式?jīng)_擊開關由沖擊傳感器、電荷放大器、濾波電路、比較器組成。在沖擊傳感器中加比較電路，當沖擊高于閾值時，沖擊開關輸出為高或低電平，驅動繼電器進行開關控制。電子式?jīng)_擊開關可以用于沖擊過載保護、振動機械控制以及安全保護和防盜報警等。機械式?jīng)_擊開關是利用加速度急劇變化時產(chǎn)生的較大的慣性力，使傳感器內(nèi)的慣性零件運動，從而接通或斷開電路，輸出開關信號。457沖擊開關的形式很多，下面以永磁鋼球式?jīng)_擊開關為例作簡要說明。永磁鋼球式?jīng)_擊開關的結構如圖所示。平時鋼球在磁鐵吸力的作用下位于遠離觸點一側，輸出端子為常開狀態(tài)。當傳感器受到加速度作用且鋼球產(chǎn)生的慣性力大于磁鐵的吸力時，鋼球在慣性力的作用下向前運動，接通觸點，使輸出由常開狀態(tài)轉為閉合狀態(tài)。為保證觸點接觸的可靠性，鋼球一般要求鍍金，鋼球接通觸點的維持時間取決于加速度在一定幅值下持續(xù)時間的長短。458永磁鋼球式?jīng)_擊開關的結構電動車防盜報警電路中常常使用永磁鋼球式?jīng)_擊開關。搬動電動車時，如果沖擊達到一定閾值，鋼球在慣性力作用下克服磁鐵吸力，向前運動，接通觸點，使輸出由常開狀態(tài)轉為閉合狀態(tài)，經(jīng)驅動電路，使繼電器閉合，接通報警電路電源，進行報警，如圖所示。459電動車防盜報警電路框圖四、影響沖擊傳感器測量的環(huán)境因素某些測試現(xiàn)場的環(huán)境較為惡劣，需要考慮的因素較多，如防水、高溫、安裝位置、強磁電場及地電回路等，這些均會給測量帶來很大的影響。1.防水防水包括淺水防水和深水防水，其中以深水防水為難，如三峽工程永久船閘閘門的振動監(jiān)測，水深近百米，它涉及地線回路干擾、高壓滲水、導線防護、長期可靠性等諸多問題。4602.高溫多數(shù)廠商給出的傳感器溫度范圍為傳感器可用值，而不是使傳感器維持靈敏度的溫度范圍，實際上，高溫時傳感器靈敏度偏差較大，特殊用戶應聯(lián)系廠商獲取專用的高溫時的靈敏度指標，靈敏度指標是保證測試準確的關鍵。3.位置限制沖擊傳感器永久安裝在現(xiàn)場會受到人為碰撞，應選擇工業(yè)型長期監(jiān)測沖擊傳感器，它采用外加防護罩、三角法蘭安裝，具有對地絕緣、防塵的作用。對出線方向有要求的可向制造商提出。對于不能觸及的部位，可用手持式?jīng)_擊傳感器（帶長探針）測量。4614.絕緣、地電回路及磁電場對磁電場較強的測試現(xiàn)場，應選擇特殊外殼材料的沖擊傳感器和專用導線，此類研究國內(nèi)還比較少。對于兩點接地、潮濕等現(xiàn)場，要解決好測試干擾問題，可采用浮地或絕緣型沖擊傳感器，同時要考慮導線接頭的防護。為了克服兩點或多點接地產(chǎn)生的地電回路電流對測試的影響，可以選用浮地或絕緣傳感器。5.附加質量在振動結構上安裝的沖擊傳感器的質量如果小于被測點自身動態(tài)質量的1/10，即可認為對被測信號的影響可以忽略。462模塊六流量的測量463課題二超聲波流量計課題一渦輪流量計課題三差壓式流量計課題四電磁流量計流量測量在生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著重要作用，如汽車廠借助流量測量來衡量發(fā)動機的效率，石油化工行業(yè)利用流量傳感器掌握流體的流量變化，供水、供氣部門則用水表、煤氣表計量消耗的資源數(shù)量等。465課題一渦輪流量計466學習目標

了解流量的基本概念。

熟悉渦輪流量計的結構和工作原理。

熟悉渦輪流量計測量系統(tǒng)的組成。

了解渦輪流量計的特點。

掌握渦輪流量計的選擇和使用方法。

能進行渦輪流量計的選型、安裝和接線。467知識引入工業(yè)過程控制是以溫度、壓力、流量、液位等連續(xù)變化的參數(shù)為控制對象的控制方式，是工業(yè)自動化的重要分支。圖所示的過程控制實驗裝置可以模擬小型電熱鍋爐的運行，完成多種過程控制實驗。設置在進水管路上的流量傳感器，將測得的流量傳送給控制器———PLC，在控制器中與預先設定的值進行比較，然后輸出控制指令給執(zhí)行器，控制三相水泵的運轉，從而保證流量穩(wěn)定在設定值附近。468469過程控制實驗裝置示意圖知識講解一、流量的基本概念流體在單位時間內(nèi)流過管道或設備橫截面的數(shù)量稱為流量，也稱瞬時流量。流量按測量對象不同可分為體積流量、質量流量和能量流量三類?，F(xiàn)場液體、氣體等在某一時間段內(nèi)通過某一管道截面的流體總量，稱為累積流量。470在國際單位制中，體積流量的單位為米3/秒（m3/s），質量流量的單位為千克/秒（kg/s）。在工程中常用的流量單位有計量體積流量的米3/時（m3/h）、升/時（L/h）以及計量質量流量的千克/時（kg/h）、噸/時（t/h）。流量測量中使用的傳感器稱為流量計。測量體積流量的流量計稱為體積流量計，測量質量流量的流量計稱為質量流量計。流量計按測量原理分為差壓式、速度式、容積式和質量式四大類。各種流量測量儀表既有其特定的適用性，又有其局限性，流量測量儀表的先進與否是相對而言的。471二、渦輪流量計的結構和工作原理渦輪流量計是通過測量放置在流體中的渦輪的旋轉速度，利用流體流速與渦輪轉速的近似線性關系而確定流體流量的，其外形如圖所示。472渦輪流量計外形其工作原理是：在管道中心安放一個渦輪，兩端由軸承支撐，當流體通過管道時，沖擊渦輪葉片，對渦輪產(chǎn)生驅動力矩，使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而產(chǎn)生旋轉，在一定的流量范圍內(nèi)，對一定的流體介質，渦輪的旋轉角速度與流體流速成正比，由此，流體流速可通過渦輪的旋轉角速度得到，從而計算出通過管道的流體流量。473渦輪流量計的結構如圖所示，主要由渦輪、導流器、殼體和傳感線圈等組成。474渦輪流量計的結構1—導流器壓圈2—導流體3—導流片4、9—軸5—傳感線圈6—前置放大器7—永久磁鐵8—渦輪10—殼體渦輪的轉速通過裝在機殼外的傳感線圈來檢測，當渦輪葉片切割由殼體內(nèi)永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線時，就會引起傳感線圈中的磁通變化，傳感線圈將檢測到的磁通周期變化信號送入前置放大器，對信號進行放大、整形，產(chǎn)生與流速成正比的脈沖信號，送入轉速與流量換算電路，得到并顯示累積流量值；同時也將脈沖信號送入頻率電流轉換電路，將脈沖信號轉換成模擬電流量，進而指示瞬時流量值。475三、渦輪流量計測量系統(tǒng)的組成渦輪流量計的傳感元件（磁電式傳感器）所產(chǎn)生的信號是脈沖型的微小電壓，需要經(jīng)前置放大器放大、整形后方能輸出可供使用的脈沖信號。因此，渦輪流量計測量系統(tǒng)通常由渦輪流量計、前置放大器和流量積算顯示儀等組成，如圖所示。476渦輪流量計測量系統(tǒng)的組成前置放大器通常與傳感器集成在一起，流量計廠家一般會提供多種組合方式，選定后只要配備流量積算顯示儀即可使用（有些流量積算顯示儀也集成在傳感器上）。渦輪流量計輸出的脈沖信號有效值在10mV以上時，也可以直接輸送給集散控制系統(tǒng)（DCS）中的檢測計算機，利用計算機上的組態(tài)監(jiān)控程序實現(xiàn)流量的積算、顯示、報警等。流量計的輸出信號可以是頻率信號、0~5V電壓信號、4~20mA電流信號。477四、渦輪流量計的特點渦輪流量計是過程控制中常用的流量傳感器，具有精度高、測量范圍寬、重復性好、壓力損失小、數(shù)字信號輸出等特點。渦輪流量計多用于封閉管道環(huán)境下的介質流量測量，相比同類流量計量工具，它適合于測量黏性較低且無強腐蝕性的清潔液體介質，目前在石油化工、冶金礦產(chǎn)、城市燃氣管網(wǎng)、食品、造紙等行業(yè)有著大量的應用。478這種傳感器具有如下優(yōu)點。（1）精度高，測量精度可達0.2%~0.5%。（2）測量范圍寬，最大和最小線性流量比通常為10∶1和6∶1，適用于流量變化幅度大的場合。（3）重復性好，短期重復性可達0.05%~0.2%。（4）數(shù)字信號輸出，輸出與流量成正比的脈沖信號，便于遠距離傳送和計算機處理，抗干擾能力強。（5）壓力損失小，安裝維修方便，結構簡單，耐腐蝕。479但同時，傳感器也存在一些使用局限性，具體如下。（1）不能長期保持校準特性，需要定期校驗。（2）對被測介質的清潔度要求較高，含有懸浮物或磨蝕性液體時容易造成軸承磨損或卡住。（3）普通型不適用于較高黏度的介質，會使傳感器的線性變差。（4）流體的物理性質和環(huán)境條件對流量計量的影響較大。（5）為保證測量精度，要求傳感器上下游的直管段較長，安裝空間較大。480五、渦輪流量計的選型和安裝1.渦輪流量計的選型（1）測量的流體渦輪流量計適于測量潔凈（或基本潔凈）的低黏度氣體或液體，如水、輕油、石油溶劑、酸、堿、液氧、液氮、液氫及空氣、氧氣等。（2）渦輪流量計的口徑渦輪流量計的口徑一般由流量范圍決定。使用時的最小流量不得低于該口徑允許測量的最小流量，最大流量不得高于該口徑允許測量的最大流量。在斷續(xù)使用的場合，一般按實際使用最大流量的1.3倍選擇，連續(xù)使用時按實際使用最大流量的1.4倍選擇。481（3）管道長度傳感器上游直管段長度L與管道內(nèi)徑D的比值一般應滿足下列關系：L/D=0.35R/f式中f———管道內(nèi)壁摩擦系數(shù)，一般可取為0.0175；

R———旋渦速度比，取決于上游局部阻流件類型。對管路情況不清楚時，一般可取上游直管段長度不小于20D，下游直管段長度不小于5D。482（4）主要部件的材質渦輪流量計本體最好選用不銹鋼材料以防腐蝕；流量計軸承一般有碳化鎢、聚四氟乙烯、碳石墨三種材質，碳化鎢的精度最高，常作為工業(yè)控制的標準件，其他兩類在化工場所應優(yōu)先考慮。其他還需要考慮流體溫度、流體的公稱壓力、環(huán)境條件、壓力損失等指標。4832.渦輪流量計的安裝（1）渦輪流量計在安裝前可先與顯示儀或示波器接好連線，通上電源，用口吹或用手撥葉輪，使其快速旋轉，觀察有無顯示。當有顯示時再安裝傳感器。（2）渦輪流量計一般為水平安裝，流體流向必須和箭頭指向一致，確需垂直安裝時，流體方向必須向上。（3）與傳感器連接的前后管道的內(nèi)徑應與傳感器口徑一致，管道中心和傳感器中心一致。484（4）在流量計的連接管道中安裝旁路管道和截止閥，以利于啟動保護和維修。（5）當流體中含有雜質時，應加裝過濾器，過濾器網(wǎng)目一般為20~60目。（6）分離式流量計和放大器之間的間距一般為3~5m，傳感器輸出信號采用雙芯屏蔽電纜傳輸至信號檢測放大器的輸入端。（7）傳感器應遠離外界電場、磁場，必要時應采取有效的屏蔽措施，以避免外來干擾。485課題二超聲波流量計486學習目標

了解超聲波的概念。

掌握超聲波流量計的工作原理。

了解超聲波流量計的特點和分類。

掌握超聲波流量計的選擇和使用方法。

能根據(jù)現(xiàn)場要求選擇和安裝超聲波流量計。487知識引入管道運輸因經(jīng)濟、便攜、安全被廣泛應用于石油、天然氣等的運輸中。但隨著管線延長，易發(fā)生管道泄漏事故，會影響生產(chǎn)并導致環(huán)境污染和人員損傷，因此，管道流量監(jiān)測對保障管道運輸安全有重要意義。488輸油管流量監(jiān)測知識講解超聲波流量計是集成電路技術和檢測技術發(fā)展的產(chǎn)物，由于響應速度快、非接觸式測量且對流體不產(chǎn)生擾動和阻力，因此在大口徑管道計量中得到廣泛應用。489一、超聲波的概念人類耳朵能聽到的聲波頻率為20Hz~20kHz，當聲波的振動頻率小于20Hz或大于20kHz時，人耳便聽不見了。頻率高于20kHz的聲波稱為超聲波。超聲波方向性好，穿透能力強，能量較為集中，能在各種不同介質中傳播，且傳播的距離遠，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等，在醫(yī)學、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應用。490超聲波探頭也稱為換能器，常用的是壓電式換能器，其是利用壓電材料的壓電效應和逆壓電效應制成的。壓電效應在前面的模塊中已經(jīng)講過，不再贅述。逆壓電效應是指當在壓電材料的極化方向施加電場，這些材料就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械應力，當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失的物理現(xiàn)象。壓電材料因外加電場而產(chǎn)生機械振動，調節(jié)交變電場就可以產(chǎn)生高頻機械振動，即超聲波。因此，將這種電能和聲能能夠相互轉換的器件稱為換能器，其中，將電能轉換成聲能的器件稱為發(fā)射換能器，將聲能轉換成電能的器件稱為接收換能器。491發(fā)射換能器和接收換能器通常是分開使用的，但也可以共用一個。發(fā)射探頭采用適當?shù)陌l(fā)射電路，利用壓電元件的逆壓電效應，把電能加到壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振動，超聲波以某一角度射入流體中傳播；接收換能器則利用壓電效應，通過接收超聲波并將其轉換為電能，實現(xiàn)信號檢測。換能器通常由壓電元件和聲楔構成。壓電元件一般用壓電陶瓷制造，為圓形薄片，沿厚度方向振動；而聲楔則起到固定壓電元件，使超聲波以合適的角度射入流體的作用，如圖所示。492493壓電式超聲波換能器a）結構示意圖b）外形二、超聲波流量計的工作原理超聲波在流動的流體中傳播時，通過接收穿過流體的超聲波可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。一般來說，超聲波流量計是測量體積流量的。超聲波流量計由超聲波換能器、轉換器及流量顯示系統(tǒng)等組成，如圖所示。超聲波換能器將電能轉換為超聲波能量，將其發(fā)射并穿過被測流體，接收器接收到超聲波信號，經(jīng)轉換器放大并轉換為代表流量的電信號，供顯示和積算，實現(xiàn)流量的檢測顯示。轉換器在結構上分為固定盤裝式和便攜式兩類。換能器和轉換器之間由專用信號傳輸電纜連接，在固定測量的場合需在適當?shù)牡胤窖b接線盒。494495超聲波流量計的組成利用超聲波探頭檢測流量時，轉換器的檢測方法主要有傳播時差法、頻率差法、多普勒法等，檢測方法不同，測量精度也不同。1.時差式超聲波流量計時差式超聲波流量計是利用超聲波在流動的流體中，順流傳播時間與逆流傳播時間之差與被測流體流速的關系獲得流量的，其原理圖如圖所示。496時差式超聲波流量計原理圖2.多普勒式超聲波流量計多普勒式超聲波流量計是利用多普勒效應來測定流體的流量的。497多普勒超聲波流量計三、超聲波流量計的特點與分類1.超聲波流量計的特點相對于傳統(tǒng)的流量計而言，超聲波流量計具有下列主要特點。（1）解決了大管徑、大流量及各類明渠、暗渠測量困難的問題。（2）對介質幾乎無要求。（3）超聲波流量計的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、密度、黏度等參數(shù)的影響。（4）超聲波流量計的測量范圍度寬，一般可達20∶1。4982.超聲波流量計的分類根據(jù)使用場合不同，超聲波流量計可以分為固定式超聲波流量計和便攜式超聲波流量計，其主要區(qū)別見表。499超聲波流量計的類型a）固定分體式b）固定一體式c）手持便攜式d）便攜式500固定式超聲波流量計和便攜式超聲波流量計的區(qū)別超聲波流量計按照換能器的安裝方式分類，可以分為外貼式、插入式、管段式三種類型，如圖所示。501超聲波流量計的安裝方式a）外貼式b）插入式c）管段式（1）外貼式外貼式超聲波流量計在安裝換能器時無須管道斷流，即貼即用，安裝簡單，使用方便，只用一套流量計就可測量不同口徑管道內(nèi)液體的流量，性價比高。（2）插入式插入式超聲波流量計在安裝時可以不斷流，利用專門工具在管道上打孔，把換能器插入管道內(nèi)，完成安裝。（3）管段式管段式超聲波流量計把換能器和測量管組成一體，解決了某些管道無法測量的難題，測量精度也比其他超聲波流量計高，但犧牲了不斷流安裝的優(yōu)點，要求切開管道安裝換能器。502四、超聲波流量計的選擇選擇超聲波流量計，要在掌握常用超聲波流量計的特點及適用場所、被測流體的性質、安裝地點及對測量精度的要求的基礎上進行。1.常用超聲波流量計的適用場所（1）多普勒式超聲波流量計這種流量計只能測量含有適量懸浮顆?；驓馀莸牧黧w，對被測介質要求較苛刻，即不能是潔凈水，同時雜質含量要相對穩(wěn)定，且不同廠家的儀表性能和要求也不完全一樣。選擇此類流量計時既要對被測介質心中有數(shù)，又要了解所選流量計的性能、精度和對介質的要求。503（2）便攜式超聲波流量計便攜式超聲波流量計適用于臨時性測量，主要用于校對管道上已安裝的其他流量儀表的運行狀態(tài)、進行某區(qū)域內(nèi)的流體狀況測試、檢查管道的當時流量等，此時選用便攜式超聲波流量計既方便又經(jīng)濟。（3）時差式超聲波流量計它主要用來測量潔凈流體和雜質含量不高（雜質含量小于10g/L，粒徑小于1mm）的均勻流體，如純凈水、污水等流量的計量，精度可達±1.5%FS（FS為滿量程輸出值）。504（4）管段式超聲波流量計這種流量計的精度較高，可達到±0.5%FS，而且不受管道材質、襯里的限制，適用于流量測量精度要求較高的場合。但隨著管徑的增大，成本也會隨之增加，因此，選用中小口徑的管段式超聲波流量計較為經(jīng)濟。（5）插入式超聲波流量計如果有足夠的安裝空間，則使用插入式換能器代替外貼式換能器，可徹底消除管襯、結垢及管壁對超聲波信號衰減的影響，測量穩(wěn)定性更高，也大大減小了維護工作量，而且插入式換能器也可以實現(xiàn)不斷流安裝，因此其應用范圍正在不斷擴大。5052.被測流體的性質明確介質是水還是其他流體、其黏度系數(shù)是多少、透射超聲波的能力如何、是否含氣泡、固體微粒及其含量是多少等。3.流道條件及其對測量精度的要求對于不同的流道如管道、管渠、明渠和河流應選擇對應的流量計。對于長平直段的流道或對測量精度要求不高的場合，可選用較少聲道數(shù)的流量計；明渠和大口徑管道，當測量精度要求較高時，可選用多聲道流量計。506五、超聲波流量計的使用超聲波流量計在使用中，需要注意以下幾個方面的問題。1.正確選型這是超聲波流量計能夠正常工作的基礎。如果選型不當，會造成流量無法測量，或用戶使用不便等后果。具體選型原則參照前面的介紹。5072.合理安裝換能器安裝不合理是超聲波流量計不能正常工作的主要原因。安裝換能器需要考慮位置和安裝方式兩個問題。確定位置時除保證留有足夠的上、下游直管段外，還要特別注意換能器應盡量避開有變頻調速器、電焊機等污染電源的場合。在安裝方式上，主要有對貼式和Z方式、V方式三種，如圖所示。508換能器的安裝方式a）對貼式b）Z方式c）V方式3.及時核校對于現(xiàn)場安裝固定式超聲波流量計數(shù)量大、范圍廣的用戶，可以配備一臺同類型的便攜式超聲波流量計，用于核?，F(xiàn)場儀表的情況。應堅持一裝一校，即對每一臺新裝超聲波流量計在安裝調試時進行核校，確保選位好、安裝好、測量準；另外，當在線運行的超聲波流量計發(fā)生流量突變時，要利用便攜式超聲波流量計進行及時核校，查清流量突變的原因，弄清楚是儀表發(fā)生故障還是流量確實發(fā)生了變化。5094.定期維護與其他流量儀表相比，超聲波流量計的維護量是比較小的。對于外貼式超聲波流量計，安裝以后無水壓損失，無潛在漏水，只需定期檢查換能器是否松動，與管道之間的黏合劑是否良好即可；對于插入式超聲波流量計，要定期清理換能器上沉積的雜質、水垢等，檢查有無漏水現(xiàn)象；如果是一體式超聲波流量計，要檢查流量計與管道之間的法蘭連接是否良好，并考慮現(xiàn)場溫度和濕度對其電子部件的影響等。定期維護可以確保超聲波流量計的長期穩(wěn)定運行。510課題三差壓式流量計511學習目標

了解差壓式流量計的功能和組成。

了解差壓式流量計的工作原理及主要特點。

熟悉差壓式流量計的常見類型。

掌握差壓式流量計的選取原則及使用注意事項。

能根據(jù)現(xiàn)場要求正確選擇和安裝差壓式流量計。512知識引入焦爐煤氣是焦炭生產(chǎn)的副產(chǎn)物，在軋鋼廠通常用作窯爐煤氣燃燒器的燃料。因焦爐煤氣中含有萘、銨水合物和焦油等，在傳輸過程中會從氣體中分離，在管道內(nèi)壁和其他構件上凝結，造成焦爐煤氣流量監(jiān)測困難。針對該情況，測量時可選擇結構簡單、性能穩(wěn)定、使用壽命長的差壓式流量計。513窯爐煤氣燃燒器知識講解一、差壓式流量計的功能和組成流體在管道內(nèi)流動時，突然遇到截面積變窄，而使壓力顯著降低的現(xiàn)象，稱為節(jié)流，具有節(jié)流作用的裝置稱為節(jié)流裝置。差壓式流量計顧名思義是使用差壓傳感器測量壓力差來測量流量的，它是根據(jù)安裝于管道中的流量檢測件兩端產(chǎn)生的壓力差、已知的流體條件以及檢測件與管道的幾何尺寸來測量流量的儀表，如圖所示。差壓式流量計由一次裝置（節(jié)流裝置）和二次裝置（差壓轉換和流量顯示儀表）組成。這種流量計以能量守恒定律和流動連續(xù)性定律為基準，用于測量封閉管道中單相穩(wěn)定流體（液體、氣體、蒸汽）的體積流量或質量流量。514515差壓式流量計傳統(tǒng)的差壓式流量計由節(jié)流裝置、差壓計、壓力計和溫度計等部分組成?？装迨讲顗毫髁坑嫷墓?jié)流裝置由孔板和孔板夾持部分組成，其組成示意圖如圖所示。516孔板式差壓流量計的組成示意圖二、差壓式流量計的工作原理及主要特點1.工作原理當充滿管道的流體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流裝置時，將在節(jié)流裝置處形成局部收縮，在節(jié)流裝置前，流速降低，壓力增大；在節(jié)流裝置后，流速迅速增加，壓力降低，于是在節(jié)流裝置前后產(chǎn)生壓差，流體流量越大，產(chǎn)生的壓差越大。找到流量和壓差的關系式，就可以用壓差衡量流量的大小。517壓差的大小除與流量密切相關外，還與其他許多因素有關。例如，當節(jié)流裝置形式或管道內(nèi)流體的物理性質（密度、黏度）不同時，在同樣大小的流量下產(chǎn)生的壓差也是不同的。因此，流量和壓差的關系式是在一定條件下，針對某種節(jié)流裝置得到的。為了避免對每款流量計進行實驗標定，相關標準對常用流量計的節(jié)流裝置及其取壓方式、管道條件、測量范圍、流量計算方法等設定了條件，如果這些條件均滿足要求，流量與壓差之間便有確定的數(shù)值關系，不必再進行實驗標定。5182.主要特點（1）差壓式流量計應用范圍廣泛。（2）該流量計的檢測件與差壓顯示儀表可分開由不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)，它們的連接也非常靈活、方便，便于專業(yè)化形成規(guī)模經(jīng)濟。（3）檢測件（特別是標準型的）全世界通用，并得到國際標準組織的認可。519（4）差壓式流量計還存在一些缺點，如測量的重復性、精確度在流量計中屬中等水平，由于眾多因素的影響，精確度提高比較困難；范圍度窄，一般3∶1或4∶1；現(xiàn)場安裝條件要求較高，如需較長直管段長度（如孔板、噴嘴等），一般較難滿足；檢測元件與差壓顯示儀表之間的引壓管線易產(chǎn)生泄漏、堵塞、凍結及信號失真等故障；壓損大（如孔板、噴嘴等）。520三、差壓式流量計的類型差壓式流量計的分類原則和具體類型見表。521差壓式流量計的分類原則和具體類型1.按產(chǎn)生差壓的作用原理分類（1）節(jié)流式：依據(jù)流體通過節(jié)流裝置使部分壓力能轉變?yōu)閯幽芏a(chǎn)生差壓的原理工作，其減壓節(jié)流檢測件稱為節(jié)流裝置，節(jié)流式流量計是差壓式流量計的主要品種。（2）動壓頭式：依據(jù)動壓轉變?yōu)殪o壓的原理工作，如均速管流量計。522（3）水力阻力式：依據(jù)流體阻力產(chǎn)生差壓的原理工作，檢測件為毛細管束。該流量計又稱層流流量計，一般用于微小流量測量。（4）離心式：依據(jù)彎曲管或環(huán)狀管產(chǎn)生離心力而形成差壓的原理工作，如彎管流量計、環(huán)形管流量計等。（5）動壓增益式：依據(jù)動壓放大原理工作，如皮托-文丘里管流量計。（6）射流式：依據(jù)流體射流撞擊產(chǎn)生差壓的原理工作，如射流式流量計。5232.按結構形式分類按結構形式分類主要是指按節(jié)流裝置的結構分類，主要有標準孔板式、標準噴嘴式、經(jīng)典文丘里管式、V型內(nèi)錐式流量計等類型。（1）標準孔板式：又稱同心直角邊緣孔板，是測量流量的差壓發(fā)生裝置，如圖所示。524標準孔板（2）標準噴嘴式：主要有ISA1932噴嘴和長徑噴嘴兩類。（3）經(jīng)典文丘里管式：由四部分組成，一是入口段，1個圓柱管；二是圓錐收縮段，1個錐型段；三是圓筒形喉道，1個短的直管段；四是圓錐擴散段，1個稍微傾斜的管道，如圖所示。525經(jīng)典文丘里管式流量計（4）V型內(nèi)錐式：是一種通過節(jié)流取差壓以反映流量大小的流量計，如圖所示。526V型內(nèi)錐式流量計結構1—法蘭2—高壓取壓口3—低壓取壓口4—管道5—錐形體四、差壓式流量計的選取原則以孔板、噴嘴和文丘里管為代表的差壓式流量計（統(tǒng)稱標準節(jié)流裝置）在流量領域已應用近百年，其優(yōu)點是已標準化，結構簡單、牢固，易于加工制造，價格低廉，通用性強。但是孔板、噴嘴等在測量性能和結構上存在著嚴重的缺陷，所以近百年來人們從未間斷過對它們的研究和改善工作，但是由于先天結構上的缺陷，其本身固有的一些缺點至今仍然沒能得到很好的解決。527選用差壓式流量計時考慮的因素主要有儀表性能、壓力損失、安裝條件、環(huán)境條件和經(jīng)濟因素。1.儀表性能差壓式流量計的主要性能指標包括精確度、重復性、線性度、流量范圍和范圍度。標準節(jié)流裝置規(guī)定有嚴格的使用范圍，包括管徑、節(jié)流件孔徑、直徑比、雷諾數(shù)范圍、管壁粗糙度等，非標準節(jié)流裝置的使用范圍及其計算式應以實流校準為好。差壓式流量計的精確度在很大程度上取決于現(xiàn)場的使用條件，除節(jié)流裝置制造質量外，影響因素主要為流體的物性參數(shù)和流體的流動特性。整套流量計的精確度還取決于差壓變送器和流量顯示儀的精確度，其他參數(shù)的精確度不高而只采用高精度差壓變送器并不起多大作用，應做全面估計以選擇最佳方案。5282.壓力損失差壓式流量計的壓力損失大是它的一個缺點，但不同結構間亦有差別。在同樣的流量時，噴嘴的壓損只為孔板壓損的30%~50%。各種流量管（文丘里管、道爾管、羅洛斯管等）則是低壓損的節(jié)流裝置，它們的壓損僅為孔板的20%，動壓頭式差壓流量計（均速管流量計）更是以低壓損著稱。5293.安裝條件要應用標準文件中規(guī)定的系數(shù)，必須讓使用的節(jié)流裝置與標準節(jié)流裝置相似，現(xiàn)場的安裝條件是達到相似的重要因素。在安裝時節(jié)流件前后的必要直管段長度往往令選用者為難。在此情況下有以下方案可供選擇：采用直管段長度要求較短的節(jié)流裝置，如經(jīng)典文丘里管或其他流量管；用實流校驗方法確定現(xiàn)場條件下的流出系數(shù)，實流校驗可以是在線的或離線的。5304.環(huán)境條件差壓式流量計的差壓變送器和流量顯示儀兩部分有微處理器和電子元器件，它們對環(huán)境條件的要求與一般電子儀表是一樣的。5.經(jīng)濟因素經(jīng)濟因素包括購置費、安裝費、運行費、校驗費、維護費和備品備件的費用。531五、差壓式流量計的使用注意事項一臺差壓式流量計能夠可靠地運行、達到設計精確度要求，正確使用很重要，實際應用時應注意以下問題。（1）差壓式流量計標準規(guī)定的工作條件在現(xiàn)場完全滿足比較困難，偏離標準規(guī)定是難免的，重要的是估計偏離的程度。建議進行適當?shù)难a償（修正），否則會加大估計的測量誤差。（2）差壓式流量計檢測件節(jié)流裝置安裝于嚴酷的工作場所，長期運行后，管道或節(jié)流裝置都會發(fā)生某些變化，如堵塞、結垢、磨損、腐蝕等。532課題四電磁流量計533學習目標

了解電磁流量計的工作原理和結構。

了解電磁流量計的特點和應用。

掌握電磁流量計的安裝和使用要求。

能根據(jù)現(xiàn)場要求正確選擇電磁流量計。534知識引入自來水公司進、出廠水流量的計量既是水資源管理的重要環(huán)節(jié)，又是供水行業(yè)生存發(fā)展的關鍵。目前，我國城鎮(zhèn)供水行業(yè)主要使用以電磁流量計為主的流量計進行流量計量，如圖所示，這類流量計有一系列優(yōu)良特性，可以解決其他流量計不易應用的臟污流、腐蝕流的測量，因此各地自來水公司大量使用電磁流量計，且大量更新為智能化、高精度、多功能的流量儀表。535電磁流量計計量供水知識講解一、電磁流量計的工作原理和結構1.工作原理電磁流量計是根據(jù)電磁感應定律，即導體在磁場中做切割磁力線運動時在其兩端會產(chǎn)生感應電動勢的規(guī)律制成的一種