《傳感器檢測技術》課件-第7章 流量檢測技術

傳感器與檢測技術7.1渦輪流量計輻射與波式傳感器渦輪流量計渦輪流量計可用于測量氣體、液體流量。流量計應水平安裝，并保證其前后有足夠長的直管段或加裝整流器。要求被測流體粘度低，腐蝕性小，不含雜質，以減少軸承磨損，一般應在流量計前加裝過濾裝置。渦輪流量計渦輪流量計在各種流量計中，渦輪流量計是重復性和精度都很好的產品，主要用于測量精度要求高、流量變化快的場合，還用作標定其他流量計的標準儀表。結構與工作原理渦輪流量計的結構如圖所示，主要由殼體、導流器、支承軸承、渦輪和磁電轉換器組成。1-導流體；2-軸承；3-渦輪；4-殼體；5-信號放大器渦輪流量計對流體起導向、整流的作用，以及用于支承渦輪。安裝在傳感器進出口處，避免了流體由于自旋而改變流體對渦輪葉片的作用角度，保證了儀表的測量精度。一般用高導磁性能的不銹鋼材料制造，它是傳感器的測量部件。渦輪與殼體同軸，由支架中的軸承支承，葉輪心上裝有螺旋形葉片，流體作用于葉片上時渦輪旋轉，葉片數(shù)視口徑大小而定。渦輪幾何形狀及尺寸對傳感器性能有較大影響，應根據(jù)流體性質、流量范圍、使用要求等設計。（1）渦輪（2）導流體渦輪流量計（3）磁電轉換裝置一般采用變磁阻式，由永久磁鋼、導磁棒（鐵芯）、磁電感應線圈等組成。渦輪轉動時，線圈上感應出脈動電信號。（4）軸和軸承

軸和軸承組成一對運動副，支承和保證渦輪自由旋轉。它必須有足夠的剛度、強度、硬度、耐磨性以及耐腐性等，對傳感器的可靠性和使用壽命起決定作用。（5）外殼一般用非導磁材料制造，用以固定和保護內部各部件，并與流體管道相連。殼體外壁安裝有信號放大器。（6）信號放大器將磁電轉換裝置輸出的微弱脈動電信號進行放大、整形，然后輸出幅值較大的電脈沖信號。渦輪流量計LWGYC-80型渦輪流量計（法蘭連接）1.公稱通徑：4～200mm2.介質溫度：標準型（-20～80）℃；高溫型（-20～120）℃3.準確度：（特定）±0.2%、±0.5%、±1％渦輪流量計在一定的流量范圍內，對一定的流體介質粘度，渦輪的轉速與流體的平均流速成正比渦輪流量計是基于流體動量矩守恒原理工作的。當流體通過管道時，沖擊渦輪葉片，對渦輪產生驅動力矩，使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而產生旋轉。渦輪流量計2.渦輪流量計的工作原理轉速變送器渦輪磁電轉換前置放大記錄顯示流量脈沖渦輪葉片受力而旋轉，其轉速與流體流量（流速）成正比，其轉數(shù)又可以轉換成磁電的頻率，此頻率表現(xiàn)為電脈沖，用計數(shù)器記錄此電脈沖，就可以得到流量。渦輪流量計（2）流量方程設流體經導流器導直后沿平行于管道軸線的方向以平均速度u沖擊葉片，使渦輪旋轉，渦輪葉片與流體流向成角度

，流體平均流速u可分解為葉片的相對速度ur和切向速度us,如圖10-15所示。渦輪流量計

對于一定的渦輪結構，流量轉換系數(shù)為常數(shù),因此流過渦輪的體積流量qv與脈沖頻率

成正比。由于渦輪軸承的摩擦力矩、磁電轉換器的電磁力矩、以及流體和渦輪葉片間的摩擦阻力等因素的影響，在整個流量測量范圍內流量轉換系數(shù)不是常數(shù)，其與流量間的關系曲線如圖10-16所示。體積流量方程(10-32)渦輪流量計3.渦輪流量計的特點和使用優(yōu)點:其測量精度高，復現(xiàn)性和穩(wěn)定性均好；量程范圍寬；耐高壓，壓力損失小；對流量變化反應迅速，可測脈動流量；抗干擾能力強，信號便于遠傳及與計算機相連。缺點：制造困難，成本高。場合：通常渦輪流量計主要用于測量精度要求高、流量變化快的場合，還用作標定其他流量的標準儀表。7.2渦街流量計輻射與波式傳感器渦街流量計流體振動式流量振動式流量計是一種新型的流量計，它是利用流體振動原理測量流量的，即在特定的流動條件下，一部分流體動能轉化為流體振動，其振動頻率與流速（流量）成一定比例關系。目前已經應用的有兩種：一種是應用自然振蕩的卡曼旋渦列原理；另一種是應用強迫振蕩的旋渦旋進原理。因其具有許多優(yōu)點，在某些領域已部分取代了差壓式流量計或其他類型的流量計。

渦街流量計1．渦街流量計（自然振蕩）（1）測量原理與結構在流體中垂直放置一個有對稱形狀的非流線形阻流體，流體繞過阻流體流動時，產生附面層分離現(xiàn)象，從阻流體下游兩側就會交替產生兩列旋轉方向相反的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街或卡曼渦列。渦街流量計流體振動式流量當兩旋渦列之間的距離h與同列相鄰的兩個旋渦之間的距離l滿足公式：h/l=0.281時，非對稱的旋渦列就能保持穩(wěn)定。此時單列旋渦的頻率與旋渦發(fā)生體附近的流體流速成正比，與旋渦發(fā)生體的寬度成反比。即圖4.19卡曼渦列形成原理

渦街流量計圖4.20斯特勞哈爾數(shù)St與雷諾數(shù)Re的關系流體的體積流量為：

渦街流量計（2）旋渦頻率的檢測旋渦頻率的檢測是渦街流量傳感器的關鍵，它是通過旋渦頻率檢測元件實現(xiàn)測量的。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。渦街流量計由傳感器和轉換器兩部分組成，傳感器包括旋渦發(fā)生體（阻流體）、旋渦頻率檢測元件、儀表表體、安裝架和法蘭等；轉換器包括前置放大器、濾波整形電路、接線端子、支架和防護罩等。渦街流量計圓柱形旋渦發(fā)生體是一根中空的長管，管中空腔由隔板分開，隔板中間開孔處張有鉑熱電阻絲，鉑絲通常被通電加熱到比流體溫度高出某一溫度值。測量時旋渦發(fā)生側壓力高，這時部分流體從圓柱體一側導壓孔吸入，從另一側導壓孔吹出，流體通過鉑熱電阻絲時將帶走其部分熱量，于是電阻絲的阻值發(fā)生變化，通過轉換電路產生與旋渦的頻率相對應的電壓脈沖信號，由此便可檢測出與流量呈比例關系的旋渦頻率。1-導壓孔2-空腔3-隔板4-電熱絲渦街流量計圖4.20斯特勞哈爾數(shù)St與雷諾數(shù)Re的關系流體的體積流量為：

渦街流量計

三棱柱形旋渦發(fā)生體迎流面中間對稱地嵌入兩只熱敏電阻，兩只熱敏電阻組成電橋的兩臂，并供以微弱電流進行加熱。當流體靜止或未發(fā)生旋渦時，兩只熱敏電阻溫度一致，阻值相等，電橋平衡。當兩側交替出現(xiàn)旋渦時，產生旋渦的一側流體流速變小，被帶走的熱量減少，使熱敏電阻溫度升高。由于熱敏電阻阻值減小導致電橋失去平衡，于是有不平衡電壓輸出，電橋將輸出一系列與旋渦發(fā)生頻率相對應的電壓脈沖，經放大整形后的脈沖信號送至累計器即可用于流體流量的顯示。

5-熱敏電阻渦街流量計渦街流量計2.旋進式旋渦流量計（強迫振蕩）

1-旋渦發(fā)生器；2-外殼；3-頻率檢測器探頭；4-放大器；5-導流葉片圖4.22旋進式旋渦流量計渦街流量計2.旋進式旋渦流量計（強迫振蕩）

在擴張段的起始處安裝有頻率檢測器探頭，探頭內裝有珠狀熱敏電阻，用恒流源加熱熱敏電阻，其溫度通常高于被測介質溫度某一定值。當旋渦進動時掃過頻率檢測器探頭，帶走一部分熱量并使熱敏電阻冷卻，顯然，旋渦進動頻率與熱敏電阻阻值交替變化的頻率相等。通常將熱敏電阻作為電橋的一個橋臂，這樣進動頻率就轉變成電橋不平衡輸出電壓脈沖，與渦街流量計一樣，輸出電壓脈沖信號經放大整形后送至累計器即可用于流體流量的顯示。最后旋渦流被裝在出口處的導流葉片整流后離開傳感器。7.3速度式流量計測流量輻射與波式傳感器速度式流量計測流量電磁流量計速度式流量計測流量電磁流量計1.測量原理和結構電磁流量計是基于法拉第電磁感應原理制成的一種流量計，其測量原理如圖所示。電磁流量計目前已廣泛地應用于工業(yè)過程中各種導電液體(如各種酸、堿、鹽等腐蝕性介質以及含有固體顆?；蚶w維的液體)的流量測量。速度式流量計測流量電磁流量計當被測導電流體在磁場中沿垂直于磁力線方向流動而切割磁力線時，在對稱安裝在流通管道兩側的電極上將產生感應電勢，其方向由右手定則確定。如果磁場方向、電極及管道軸線三者在空間互相垂直，且測量滿足以下諸條件：磁場是均勻分布的恒定磁場；管道內被測流體的流速為軸對稱分布；被測流體是非磁性的；被測流體的電導率均勻且各向同性。則感應電勢E的大小與被測液體的流速有確定的關系，即：(10-33)速度式流量計測流量k稱為儀表常數(shù)，對于確定的電磁流量計，k為定值，因此測量感應電勢就可以測出被測導電流體的流量。 由(10-34)式可見，體積流量qv與感應電動勢E和測量管內徑D成線性關系，與磁場的磁感應強度B成反比，與其它物理參數(shù)無關。電磁流量計的結構如下圖所示。圖中，勵磁線圈和磁軛構成勵磁系統(tǒng)。測量導管由非導磁的高阻材料制成。電極一般由非導磁的不銹鋼材料制成流體流量方程(10-34)速度式流量計測流量電極嵌在管壁上，必須和測量導管很好地絕緣。電極應在管道水平方向安裝，以防止沉淀物堆積在電極上而影響測量準確性。電磁流量計的外殼用鐵磁材料制成，以屏蔽外磁場的干擾，保護儀表。速度式流量計測流量一般選用不銹鋼、玻璃鋼、鋁及其他高強度塑料等高阻抗、非磁性材料制成的直管段，內部襯有絕緣襯里。采用非導磁材料是為了使磁力線能進入被測介質；采用高阻抗材料減少了電渦流帶來的損耗；內部襯有絕緣材料（絕緣襯里）可以防止流體中的電流被管壁短路。（2）低頻矩形波勵磁低頻矩形波勵磁是目前采用的主要勵磁方式。在半個周期內磁場是一恒穩(wěn)的直流磁場，從整個時間過程來看，矩形信號又是一個交變信號。低頻矩形波勵磁技術結合了直流與交流勵磁方式的優(yōu)點，具有功耗小、零點穩(wěn)定、電極污染影響小、抗干擾能力強等優(yōu)點，提高了電磁流量計的整體性能。（1）測量管速度式流量計測流量一般由非導磁的不銹鋼材料制成，把被測介質切割磁力線所產生的感應電動勢信號引出。電極安裝在與磁場垂直的測量管兩側管壁的水平方向上，以防止沉淀物沉積在電極上而影響測量精確度；還要與襯里齊平，以使流體通過時不受阻礙。（4）襯里指在測量管內側及法蘭密封面上的一層完整的電絕緣耐腐蝕材料。絕緣襯里直接接觸被測介質，主要是增加測量導管的耐磨性和耐蝕性，防止感應電勢被金屬測量導管管壁短路。常用的襯里材料有聚氨酯橡膠、陶瓷等。（3）電極速度式流量計測流量一般用鐵磁材料制成，既起保護傳感器的作用（勵磁線圈的外罩），又起密封作用。（6）轉換器將變送器產生的微弱感應電動勢信號放大、轉換成與被測介質體積流量成正比的標準電流、電壓或頻率信號輸出，同時補償或消除干擾的影響。（5）外殼速度式流量計測流量電磁流量計的特點及應用優(yōu)點：壓力損失小，適用于含有顆粒、懸浮物等流體的流量測量；可以用來測量腐蝕性介質的流量；流量測量范圍大；流量計的管徑小到1mm，大到2m以上；測量精度為0.5-1.5級；電磁流量計的輸出與流量呈線性關系；反應迅速，可以測量脈動流量。缺點：被測介質必須是導電的液體，不能用于氣體、蒸汽及石油制品的流量測量；流速測量下限有一定限度；工作壓力受到限制。結構也比較復雜，成本較高。速度式流量計測流量電極嵌在管壁上，必須和測量導管很好地絕緣。電極應在管道水平方向安裝，以防止沉淀物堆積在電極上而影響測量準確性。電磁流量計的外殼用鐵磁材料制成，以屏蔽外磁場的干擾，保護儀表。速度式流量計測流量2.磁場勵磁方式勵磁方式即產生磁場的方式。（1）直流勵磁直流勵磁方式用直流電產生磁場或采用永久磁鐵，能產生一個恒定的均勻磁場。（2）交流勵磁對電解性液體，一般采用正弦工頻(50Hz)交流電源勵磁，所產生的是交變磁場，交變磁場的主要優(yōu)點是消除了電極表面的極化現(xiàn)象。另外，由于磁場是交變的，所以輸出信號也是交變信號，便于信號的放大，且勵磁電源簡單方便。但會帶來一系列的電磁干擾問題，主要是正交干擾和同相干擾，影響測量，使電磁流量計的性能難以進一步提高。速度式流量計測流量3.電磁流量計的特點及應用優(yōu)點結構簡單，節(jié)能效果顯著；適于測量含有固體顆?；蚶w維的液固二相流體；可測量腐蝕性介質；用水標定后就可以用于測量其它任何導電液體的體積流量；流量測量范圍度大，口徑范圍比其他品種流量儀表寬；可測正反雙向流量，也可測脈動流量。缺點不能測量電導率很低的液體；不能測量氣體、蒸汽和含有較多較大氣泡的液體；不能測量高溫高壓流體；易受外界電磁干擾影響；此外電磁流量計結構也比較復雜，價格較高。速度式