制冷與低溫測(cè)試技術(shù) 流量測(cè)量二

制冷與低溫測(cè)試技術(shù)

0第四章流量的測(cè)量(二)0第四節(jié)：超聲波流量計(jì)0f<20Hz,次聲波，f=20~20KHz:聲波f>20KHz:超聲波機(jī)械波波是振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和傳播方向一致的波橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和傳播方向垂直的波表面波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于縱波和橫波，沿表面進(jìn)行傳播的波形。根據(jù)介質(zhì)厚度與波長(zhǎng)之比與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方式和傳播速度的不同，表面波又分為瑞麗波和拉普波。縱波能夠在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播，橫波、表面波只能在固體介質(zhì)中傳播。具有良好的方向性?。〈┩感院贸暡髁坑?jì)超聲波流量計(jì)超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)是流體內(nèi)不插入任何元件，對(duì)流速無(wú)影響，也沒(méi)有壓力損失；由于超聲波能穿透金屬，可將超聲換能器裝在金屬管道外面，因此管道無(wú)須特殊加工，在直管道上隨處都可以進(jìn)行測(cè)量。超聲波頻率選擇恰當(dāng)，可在流體內(nèi)遠(yuǎn)距離穿透，適于大管道甚至江河的流量測(cè)量。超聲波不受流體導(dǎo)電性及磁效應(yīng)影響，應(yīng)用范圍十分廣泛。超聲波流量計(jì)的輸出與流量的關(guān)系一般是線性的，便于刻度和小流量測(cè)量。但是，超聲波是利用流體內(nèi)的聲傳播，流體內(nèi)如有氣泡及雜音出現(xiàn)，會(huì)影響它的傳播。超聲波流量計(jì)實(shí)際測(cè)定的是流體速度，受到速度分布不同的影響，雖然可以校正，但不十分準(zhǔn)確。特別是超聲流量計(jì)應(yīng)用的電子器械較多，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本也較高。雖然如此，由于超聲波流量具有前述突出的優(yōu)點(diǎn)，在有些場(chǎng)合如某些高溫或腐蝕性強(qiáng)的冶金過(guò)程中及特殊流體或危險(xiǎn)流體的流量測(cè)量中，應(yīng)用超聲波流量計(jì)比較適宜。00當(dāng)超聲波在流體中傳播時(shí)，會(huì)載帶流體流速的信息。因此，根據(jù)對(duì)接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，可以檢測(cè)到流體的流速，進(jìn)而可以得到流量值0傳播速度差法：測(cè)量超聲波脈沖在順流和逆流傳播過(guò)程中的速度之差來(lái)得到被測(cè)流體的流速。根據(jù)測(cè)量的物理量的不同，可以分為時(shí)差法(測(cè)量順、逆流傳播時(shí)由于超聲波傳播速度不同而引起的時(shí)間差)、相差法(測(cè)量超聲波在順、逆流中傳播的相位差)、頻差法(測(cè)量順、逆流情況下超聲脈沖的循環(huán)頻率差)。頻差法是目前常用的測(cè)量方法。0由F1到J2超聲波傳播速度為

F2到J1超聲波傳播速度為：流速時(shí)差法0時(shí)差法：如果超聲波發(fā)生器發(fā)射一短小脈沖，其順流傳播時(shí)間為而逆流傳播的時(shí)間為傳播時(shí)間差由于水和低溫流體聲速c的不同，超聲波流量計(jì)不能通用，需要重新標(biāo)定。00頻差法

0多普勒法當(dāng)隨流體以速度v運(yùn)動(dòng)的顆粒流向超聲波發(fā)生器時(shí)，顆粒接收到的聲波頻率f1為：當(dāng)該顆粒將f1頻率的聲波反射回去，則接受器收到的是f2頻率的聲波：頻差為：若c>>vcosθ0超聲波傳感器原理與結(jié)構(gòu)入射角橫波、縱波折射角入射介質(zhì)的縱波波速則：穿透系數(shù)T=1

當(dāng)聲波垂直通過(guò)聲阻抗分別為ρ1C1，ρ2C2，ρ3C3的介質(zhì)組成的界面時(shí)，只要介質(zhì)2的聲阻抗為介質(zhì)1和介質(zhì)3的幾何平均值，且選取的介質(zhì)2的厚度為聲波長(zhǎng)的(2n+1)/4時(shí)，就能獲得聲波的全透射。若ρ1C1=ρ3C3≠ρ2C2，此時(shí)相當(dāng)于在一種介質(zhì)中插入了一片厚度為d的聲阻抗為ρ2C2的異質(zhì)介質(zhì)。此時(shí)，當(dāng)ωd2/C2=2πd2/λ2=nπ,T~1

聲波在介質(zhì)中傳播，不論材料性質(zhì)如何，只要他的厚度為聲波波長(zhǎng)的一半的整數(shù)倍，那么有和無(wú)一樣。0超聲波傳感器原理與結(jié)構(gòu)超聲波穿透性較強(qiáng)，具有一定的方向性，傳輸過(guò)程衰變較小，反射能力較強(qiáng)，因此得到了廣泛應(yīng)用。超聲波傳感器是實(shí)現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置，能發(fā)射和接收超聲波回波，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

常見(jiàn)的超聲波傳感器以壓電式為常見(jiàn)。常用材料為壓電晶體和壓電陶瓷。主要保護(hù)膜，壓電晶片，吸收快、外殼、電器接觸件等組成。若壓電晶片、保護(hù)膜和工質(zhì)之間的聲阻抗匹配，三者滿足：，且保護(hù)膜厚度為四分之一波長(zhǎng)奇數(shù)倍時(shí)，其透射系數(shù)為1，使壓電振子所輻射的超聲能，全部進(jìn)入晶片。施加的應(yīng)力d:壓電率q:電荷壓電效應(yīng)0便攜式多普勒超聲波流量計(jì)

精度：±1.0%滿量程

重復(fù)性：±0.1%滿量程

管徑：25-3050mm

標(biāo)準(zhǔn)

6-25mm

可選液體（管外）溫度：

-40℃至+121℃

標(biāo)準(zhǔn)

-40℃至+149℃

可選

0第五節(jié)：速度頭流量計(jì)(a)圓錐形管接頭（b）半球形管接頭當(dāng)氣體速度達(dá)到60m/s時(shí)，誤差達(dá)到1%。測(cè)得的是中心最大速度，而不是平均速度，與速度分布有關(guān)，一般表達(dá)式為：管道速度分布狀態(tài)0流量的求取安裝測(cè)量點(diǎn)應(yīng)位于均勻流段，上、下游各有50d直管距離皮托管管口截面嚴(yán)格垂直于流動(dòng)方向皮托管外徑d0不應(yīng)超過(guò)管內(nèi)徑d的1/50，即d0<d/50由速度分布曲線積分測(cè)管中心最大流速，由求平均流速，再計(jì)算流量。0第六節(jié)：靶式流量計(jì)靶式流量計(jì)是60年代隨著工業(yè)生產(chǎn)迫切需要解決高粘度、低雷諾數(shù)流體的流量測(cè)量而發(fā)展起來(lái)的一種新型流量測(cè)量?jī)x表．可用于低雷諾數(shù)、含固體顆粒的漿液及腐蝕介質(zhì)流量測(cè)量由靶式流量變送器和顯示儀表兩部分組成，其測(cè)量元件是一個(gè)在測(cè)量管中心并垂直于流向的被稱為“靶”的圓板，通過(guò)測(cè)量流體作用在靶上的力而實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量0靶受到流體的作用力流速流量?jī)x表精度可達(dá)

3.0%Re>20000圖4-25電動(dòng)靶式流量變送器工作原理示意圖4-26氣動(dòng)靶式流量計(jì)動(dòng)作原理0從轉(zhuǎn)子的懸浮高度直接讀取流量數(shù)值屬恒壓差、變截面式流量計(jì)0′1′10第七節(jié)：轉(zhuǎn)子流量計(jì)0原理轉(zhuǎn)子受力平衡伯努利方程由連續(xù)性方程

α——流量系數(shù)00圖4-28轉(zhuǎn)子流量計(jì)的

-Re曲線123適用于：小流量測(cè)量基本誤差：2級(jí)優(yōu)點(diǎn)：量程比（10:1）比差壓式（3:1）大，量程較大壓降小反應(yīng)快必須垂直安裝可測(cè)量腐蝕性介質(zhì)流量缺點(diǎn)：不耐壓不能粘附污垢非標(biāo)準(zhǔn)化儀表，單獨(dú)標(biāo)定（水，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下測(cè)量）不宜測(cè)量高粘度流體不能測(cè)量脈動(dòng)量0標(biāo)定流體：20℃水（

＝1000kg/m3

）

20℃、101.3kPa下空氣（

＝1.2kg/m3）式中：1——標(biāo)定流體；

2——被測(cè)流體。氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)密度修正液體介質(zhì)：0氣體介質(zhì)：氣體密度受壓力、溫度變化的影響要比液體大的多，不同氣體測(cè)量需要換算，同一種氣體在不同參數(shù)（溫度、壓力）下也要變化。可忽略粘度的影響。（不同氣體時(shí)的密度修正）（不同狀態(tài)時(shí)的密度修正）0附加：渦街流量計(jì)流體繞流圓柱流動(dòng)狀態(tài)0渦街流量計(jì)“卡門渦街”原理：在流動(dòng)的流體中放置一根其軸線與流向垂直的非流線性柱形體(如三角柱、圓柱等)，稱之為漩渦發(fā)生體。當(dāng)流體沿漩渦發(fā)生體繞流時(shí)，會(huì)在漩渦發(fā)生體下游產(chǎn)生不對(duì)稱但有規(guī)律的交替漩渦列利用流體流過(guò)阻礙物時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)定的漩渦，通過(guò)測(cè)量其漩渦產(chǎn)生頻率而實(shí)現(xiàn)流量計(jì)量.f=st*v/d幾乎不受流體組成、密度、粘度、壓力等因素的影響。量程比達(dá)到：10:1.壓力損失小。0f=st*v/d當(dāng)Re~300~3*105,St~0.21.當(dāng)Re~3*105~3*106,有規(guī)則的渦街不再出現(xiàn)；Re>106，卡門渦街出現(xiàn)，st~0.270由于漩渦之間的相互影響，其形成通常是不穩(wěn)定的，只有當(dāng)兩漩渦行之間的距離h和同行的兩漩渦之間的距離L之比滿足h/L=0.281時(shí)，所產(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的0渦街流量計(jì)圓柱體后漩渦發(fā)生的頻率為

St是斯特羅哈數(shù)，與雷諾數(shù)有關(guān)的無(wú)量綱數(shù)0渦街流量計(jì)0渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)：圓柱體表面開(kāi)有導(dǎo)壓孔，與圓柱體內(nèi)部空腔相通．空腔由隔板分成兩部分，在隔板的中央部分有小孔，在小孔中裝有檢測(cè)流體流動(dòng)的鉑電阻絲工作過(guò)程：當(dāng)旋渦在圓柱體下游側(cè)產(chǎn)生時(shí)，出于升力的作用，使得圓柱體下方的壓力比上方高一些，圓柱體下方的流體在上下壓力差的作用下，從圓柱體下方導(dǎo)壓孔進(jìn)入空腔，通過(guò)隔板中央部分