傳感器及檢測技術(shù)課件-第6章

第6章流量傳感器及檢測6.1概述6.2電磁流量計6.3渦街流量計6.4超聲波流量計6.5流量標準裝置6.6實用流量傳感器產(chǎn)品選型6.1概述6.1.1流量測量的意義

1.過程控制領(lǐng)域在過程控制領(lǐng)域,流量與溫度、壓力和物位一起統(tǒng)稱為過程控制中的四大參數(shù),人們通過這些參數(shù)對生產(chǎn)過程進行監(jiān)視與控制。在各種工業(yè)行業(yè),都需要對生產(chǎn)過程中的流體進行測量與控制,因而流量的正確測量和調(diào)節(jié)是保證生產(chǎn)過程安全經(jīng)濟運行、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低物質(zhì)消耗、提高經(jīng)濟效益的基礎(chǔ)。目前,在整個過程檢測儀表中,流量儀表的產(chǎn)值約占1/5～1/4。

2.能源計量領(lǐng)域

石化行業(yè)的主要產(chǎn)品為流體,在石油工業(yè)中,從石油開采、儲運、煉制直到貿(mào)易銷售,任何一個環(huán)節(jié)都離不開流量計。

同樣,與人們生活息息相關(guān)的天然氣也離不開流量測量。在天然氣的采集、處理、儲存、輸送和分配過程中,需要數(shù)以百萬計的流量計,其中有些流量計涉及到的結(jié)算金額數(shù)值巨大,對測量準確度和可靠性要求特別高。除此之外,在煤氣、成品油、液化石油氣、蒸汽、壓縮空氣、氧氣、氮氣、水的計量中,也要使用大量的流量計,其中很大一部分用于貿(mào)易結(jié)算,計量準確度需滿足國家的有關(guān)標準,這對流量測量提出了很高的要求。

能源計量用流量計往往跟企業(yè)的效益有直接的聯(lián)系,是進行貿(mào)易結(jié)算的依據(jù),也是進行能源的科學(xué)管理、提高經(jīng)濟效益的重要手段。

3.環(huán)境保護領(lǐng)域

在環(huán)境保護領(lǐng)域,流量測量儀表也扮演著重要角色。人們?yōu)榱丝刂拼髿馕廴?必須對污染大氣的煙氣以及其他溫室氣體排放量進行監(jiān)測;為了控制廢液和污水對地表水源和地下水源的污染,人們必須對廢液和污水進行處理,對排放量進行控制。于是數(shù)以百萬計的煙氣排放點和污水排放口都成了流量測量對象。廢氣和污水流量的測量具有較高的難度,其中，測量煙氣的難度在于其有臟污、含塵、腐蝕性、流速范圍寬廣、流通截面不規(guī)則、直管段長度難以保證等特征;而污水的測量難度在于其有介質(zhì)臟污、壓頭低、口徑大、流通截面特殊和非滿管等特征。

4.科學(xué)試驗領(lǐng)域

在科學(xué)試驗領(lǐng)域,種類繁多的流量計提供了大量的實驗數(shù)據(jù)。這一領(lǐng)域中使用的流量計更具特殊性,其中流體的高溫、高壓、高黏度以及變組分、脈動流和微小流量等都是經(jīng)常要面對的測量對象。

除了上述的應(yīng)用領(lǐng)域之外,流量計在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、水利建設(shè)、生物工程、管道輸送、航天航空、軍事領(lǐng)域等也都有廣泛的應(yīng)用。6.1.2流量的相關(guān)概念

在進行流量的測量之前,需要了解與流量相關(guān)的概念。

1.流體

流體是指氣體或液體等形狀容易改變的物體,通常是液體和氣體的總稱。流體都有一定的可壓縮性,液體可壓縮性很小,而氣體的可壓縮性較大;流體的形狀發(fā)生改變時,流體各層之間存在一定的運動阻力(即粘滯性)。當流體的粘滯性和可壓縮性很小時,可近似看作是理想流體,它是人們?yōu)檠芯苛黧w的運動和狀態(tài)而引入的一個理想模型。

2.流量

通常在有物質(zhì)流動的場合,人們?yōu)檎莆掌鋽?shù)量都需要進行流量測量。流體的測量參數(shù)稱為流量。流量是指單位時間內(nèi)流過管道或明渠橫截(斷)面液體的量。

流量按測量的對象可分為質(zhì)量流量與體積流量兩種。如果流量以質(zhì)量表示,則稱之為“質(zhì)量流量”,單位為T/h、kg/h,質(zhì)量通常用Qm表示;如果流體量以體積表示,則稱之為“體積流量”,單位為m3/h、L/s等,體積流量通常用Qv表示。如:單位時間內(nèi)泵排出液體的體積叫流量,計量單位為立方米/小時(m3/h)或升/秒(L/s)。m3/h與L/s的關(guān)系如下：L/s=3.6m3/h=0.06m3/min=60L/min將體積流量乘流體密度ρ,便可求得質(zhì)量流量:Qm=QVρ,其中,ρ為液體比重。

流量按測量的時間可分瞬時流量(FlowRate)與累計流量(TotalFlow)兩種。

當流體的流動速度不隨時間變化時,質(zhì)量流量和體積流量可以分別用流體單位時間內(nèi)流時的管道或明渠斷面的質(zhì)量和體積來表示。當流體的流動隨時間變化時,則質(zhì)量流量和體積流量可分別用瞬時流量來表示。

瞬時流量:單位時間內(nèi)通過封閉管道或明渠有效截面的量。

累計流量:在某一段時間間隔內(nèi)(可以是一天、一周、一月、一年),流體流過封閉管道或明渠有效截面的累計量。

通過將瞬時流量對時間積分可求得累計流量。

3.流量計

用于測量流量的儀表一般稱為流體計量表或流量計。流體的性質(zhì)各不相同,例如液體和氣體在可壓縮性上差別很大,其密度受溫度、壓力的影響也相差懸殊。另外,各種流體的粘度、腐蝕性、導(dǎo)電性等也不一樣,很難用同一種方法測量其流量。尤其是工業(yè)生產(chǎn)過程情況復(fù)雜,某些場合的流體伴隨著高溫、高壓,甚至是氣液兩相或液固兩相的混合流體流動。這些特性決定了流量計的選型也不完全相同。6.1.3流量的測量方法

1.體積流量測量

1)節(jié)流差壓法

通常在管道中安裝一個直徑比管徑小的節(jié)流件,如孔板、噴嘴、文丘利管等,當充滿管道的單相流體流經(jīng)節(jié)流件時,由于流道截面突然縮小,流速將在節(jié)流件處形成局部收縮,使流速加快。由能量守恒定律可知,動壓能和靜壓能在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)換,流速加快必然導(dǎo)致靜壓力降低,于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生靜壓差,而靜壓差的大小和流過的流體流量有一定的函數(shù)關(guān)系,所以通過測量節(jié)流件前后的壓差即可求得流量。

2)容積法

應(yīng)用容積法可連續(xù)地測量密閉管道中流體的流量。它是由殼體和活動壁構(gòu)成流體計量室,當流體流經(jīng)該測量裝置時,在其入口、出口之間產(chǎn)生壓力差,此壓力差推動活動壁旋轉(zhuǎn),將流體一份一份地排出,記錄總的排出份數(shù),則可得出一段時間內(nèi)的累積流量。容積式流量計有橢圓齒輪流量計、腰輪(羅茨式)流量計、刮板式流量計、膜式煤氣表及旋轉(zhuǎn)葉輪式水表等。

3)流速法

測出流體的流速,再乘以管道截面積即可得出流量。顯然,對于給定的管道,其截面積是個常數(shù)。流量的大小僅與流體流速大小有關(guān),流速大則流量大,流速小則流量小。由于該方法是根據(jù)流速而來的,因而稱為速度法。根據(jù)測量流速方法的不同,有不同的流量計,如動壓管式、熱量式、電磁式和超聲式等。

4)流體阻力法

流體阻力法是利用流體流動給設(shè)置在管道中的阻力體以作用力,而作用力大小和流量大小有關(guān)的原理測量流體流量的。常用的靶式流量計其阻力體是靶,由力平衡傳感器把靶的受力轉(zhuǎn)換為電量,從而實現(xiàn)測量流量的目的。轉(zhuǎn)子流量計是利用設(shè)置在錐形測量管中可以自由運動的轉(zhuǎn)子(浮子)作為阻力體的,它受流體自下而上的作用力而懸浮在錐形管道中某個位置,其位置高低和流體流量大小有關(guān)。

5)流體振動法

流體振動法是在管道中設(shè)置特定的流體流動條件,使流體流過后產(chǎn)生振動,而振動的頻率與流量有確定的函數(shù)關(guān)系,從而實現(xiàn)對流體流量的測量。它分為流體強迫振動的旋進式和自然振動的卡門渦街式兩種。

2.質(zhì)量流量測量

另外,對于質(zhì)量流量的測量通常分為兩種方法,分別為間接式和直接式。

1)間接式

間接式質(zhì)量流量測量是在直接測出體積流量的同時,再測出被測流體的密度或測出壓力、溫度等參數(shù)求出流體的密度。因此,測量系統(tǒng)的構(gòu)成將由測量體積流量的流量計(如節(jié)流差壓式、渦輪式等)和密度計或帶有溫度、壓力等的補償環(huán)節(jié)組成,其中還有相應(yīng)的計算環(huán)節(jié)。

2)直接式

直接式質(zhì)量流量測量是直接利用熱、差壓或動量來檢測。如雙渦輪質(zhì)量流量計,它是一根軸上裝有兩個渦輪,兩渦輪間由彈簧聯(lián)系,當流體由導(dǎo)流器進入渦輪后,推動渦輪轉(zhuǎn)動,渦輪受到的轉(zhuǎn)矩和質(zhì)量流量成正比。由于兩渦輪葉片傾角不同,受到的轉(zhuǎn)矩是不同的,因此,使彈簧受到扭轉(zhuǎn),產(chǎn)生扭角,扭角大小正比于兩個轉(zhuǎn)矩之差,即正比于質(zhì)量流量?？赏ㄟ^兩個磁電式傳感器分別把渦輪轉(zhuǎn)矩變換成交變電動勢,兩個電動勢的相位差即是扭角。如科里奧利力質(zhì)量流量計就是利用動量來檢測質(zhì)量流量的。6.1.4流量計的分類

流量計的種類繁多,主要可按以下幾種方法進行分類:

1.按測量原理分類

(1)力學(xué)原理:屬于此類原理的儀表有利用伯努利定理制成的差壓式流量計、轉(zhuǎn)子式流量計;利用動量定理制成的沖量式流量計、可動管式流量計;利用牛頓第二定律制成的直接質(zhì)量式流量計;利用流體動量原理制成的靶式流量計;利用角動量定理制成的渦輪式流量計;利用流體振蕩原理制成的旋渦式流量計、渦街式流量計;利用總靜壓力差制成的皮托管式流量計以及容積式流量計和堰、槽式流量計等等。

(2)電學(xué)原理:利用此類原理的儀表有電磁式、差動電容式、電感式、應(yīng)變電阻式流量計等。

(3)聲學(xué)原理:利用聲學(xué)原理進行流量測量的有超聲波式、聲學(xué)式(沖擊波式)流量計等。

(4)熱學(xué)原理:利用熱學(xué)原理測量流量的有熱量式、直接量熱式、間接量熱式流量計等。

(5)光學(xué)原理:激光式、光電式流量計等是利用此類原理制成的儀表。

(6)原子物理原理:核磁共振式、核幅射式流量計等是利用此類原理制成的儀表。

2.按流量計結(jié)構(gòu)原理分類

根據(jù)流量計的結(jié)構(gòu)原理,流量計產(chǎn)品大致上可歸納為以下幾種類型。

1)容積式流量計

容積式流量計相當于一個有標準容積的容器,它接連不斷地對流動介質(zhì)進行度量。流量越大,度量的次數(shù)越多,輸出的頻率就越高。容積式流量計的原理比較簡單,適于測量高粘度、低雷諾數(shù)的流體。根據(jù)回轉(zhuǎn)體形狀不同,目前生產(chǎn)的產(chǎn)品包括:適于測量液體流量的橢圓齒輪流量計、腰輪流量計(羅茨流量計)、旋轉(zhuǎn)活塞和刮板式流量計;適于測量氣體流量的伺服式容積流量計、皮膜式流量計和轉(zhuǎn)筒流量計等。

2)葉輪式流量計

葉輪式流量計的工作原理是將葉輪置于被測流體中,受流體流動的沖擊而旋轉(zhuǎn),以葉輪旋轉(zhuǎn)的快慢來反映流量的大小。典型的葉輪式流量計是水表和渦輪流量計,其結(jié)構(gòu)可以是機械傳動輸出式或電脈沖輸出式。一般機械式傳動輸出的水表準確度較低,誤差約±2％,但結(jié)構(gòu)簡單,造價低,國內(nèi)已批量生產(chǎn),并標準化、通用化和系列化。電脈沖信號輸出的渦輪流量計的準確度較高,一般誤差為±0.2％～0.5％。

3)差壓式流量計(變壓降式流量計)

差壓式流量計由一次裝置和二次裝置組成。一次裝置稱流量測量元件,它安裝在被測流體的管道中,產(chǎn)生與流量(流速)成比例的壓力差,供二次裝置進行流量顯示。二次裝置稱顯示儀表,它接收測量元件產(chǎn)生的差壓信號,并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的流量進行顯示。差壓式流量計的一次裝置常為節(jié)流裝置或動壓測定裝置(皮托管、均速管等);二次裝置為各種機械式、電子式、組合式差壓計配以流量顯示儀表。差壓計的差壓敏感元件多為彈性元件。由于差壓和流量呈平方根關(guān)系,因此流量顯示儀表都配有開平方裝置,以使流量刻度線性化。多數(shù)儀表還設(shè)有流量積算裝置,以顯示累積流量,以便經(jīng)濟核算。這種利用差壓測量流量的方法歷史悠久,比較成熟,世界各國一般都用在比較重要的場合,約占各種流量測量方式的70％。發(fā)電廠的蒸汽、給水、凝結(jié)水等的流量測量都采用這種表計。

4)變面積式流量計(等壓降式流量計)

放在上大下小的錐形流道中的浮子受到自下而上流動的流體的作用力而移動,當此作用力與浮子的“顯示重量”(浮子本身的重量減去它所受流體的浮力)相平衡時,浮子即靜止,浮子靜止的高度可作為流量大小的量度。由于流量計的通流截面積隨浮子高度不同而異,而浮子穩(wěn)定不動時上下部分的壓力差相等,因此該類流量計稱為變面積式流量計或等壓降式流量計。該類流量計的典型儀表是轉(zhuǎn)子(浮子)流量計。

5)動量式流量計

利用流體的動量來反映流量大小的流量計稱為動量式流量計。由于流動流體的動量P與流體的密度ρ及流速v的平方成正比,即P∝ρv2。當通流截面確定時,v與容積流量Q成正比,故P∝ρQ2。設(shè)比例系數(shù)為A,則。因此,測得P,即可反映流量Q。這種形式的流量計,大多利用檢測元件把動量轉(zhuǎn)換為壓力、位移或力等,然后測量流量。這種流量計的典型儀表是靶式和轉(zhuǎn)動翼板式流量計。

6)沖量式流量計

利用沖量定理測量流量的流量計稱為沖量式流量計。它多用于測量顆粒狀固體介質(zhì)的流量,還用來測泥漿、結(jié)晶型液體和研磨顆粒等的流量,測量范圍從每小時幾公斤到近萬噸。典型的儀表是水平分力式?jīng)_量流量計,其測量原理是當被測介質(zhì)從一定高度h自由下落到有一定傾斜角θ的檢測板上時產(chǎn)生一個沖力,沖力的水平分力與質(zhì)量流量成正比,故測量這個水平分力即可反映質(zhì)量流量的大小。按信號的檢測方式,該類流量計分位移檢測型和直接測力型。

7)電磁流量計

電磁流量計是應(yīng)用導(dǎo)電體在磁場中運動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,而感應(yīng)電動勢又和流量大小成正比,通過測電動勢可反映管道流量的原理而制成的,其測量精度和靈敏度都較高。工業(yè)上多用以測量水、礦漿等介質(zhì)的流量,可測最大管徑達2m,而且壓損極小。但對于導(dǎo)電率低的介質(zhì),如氣體、蒸汽等不能應(yīng)用。

電磁流量計造價較高,且信號易受外磁場干擾,影響了在工業(yè)管流測量中的廣泛應(yīng)用。近年來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，電磁流量計不斷改進更新，向智能化方向發(fā)展。

8)超聲波流量計

超聲波流量計是基于超聲波在流動介質(zhì)中傳播的速度等于被測介質(zhì)的平均流速和聲波本身速度的幾何和的原理而設(shè)計的。它也是由測流速來反映流量大小的。超聲波流量計雖然在20世紀70年代才出現(xiàn),但由于它可以制成非接觸式,并可與超聲波水位計聯(lián)動進行開口流量測量,對流體又不產(chǎn)生擾動和阻力,因而很受歡迎,是一種很有發(fā)展前途的流量計。

利用多普勒效應(yīng)制造的超聲多普勒流量計近年來得到廣泛的關(guān)注,被認為是非接觸式測量雙相流的理想儀表。

9)流體振蕩式流量計

流體振蕩式流量計是利用流體在特定流道條件下流動時將產(chǎn)生振蕩,且振蕩的頻率與流速成比例這一原理設(shè)計的。當通流截面一定時,流速與導(dǎo)容積流量成正比,因此,測量振蕩頻率即可測得流量。這種流量計是20世紀70年代開發(fā)和發(fā)展起來的,由于它兼有無轉(zhuǎn)動部件和脈沖數(shù)字輸出的優(yōu)點,因此很有發(fā)展前途。目前典型的產(chǎn)品有渦街流量計、旋進旋渦流量計。

10)質(zhì)量流量計

由于流體的容積受溫度、壓力等參數(shù)的影響,用容積流量表示流量大小時需給出介質(zhì)的參數(shù)。在介質(zhì)參數(shù)不斷變化的情況下,往往難以達到這一要求,從而造成儀表顯示值失真。因此,質(zhì)量流量計就得到廣泛的應(yīng)用和重視。質(zhì)量流量計分直接式和間接式兩種。直接式質(zhì)量流量計利用與質(zhì)量流量直接有關(guān)的原理進行測量,目前常用的有量熱式、角動量式、振動陀螺式、馬格努斯效應(yīng)式和科里奧利力式等質(zhì)量流量計。間接式質(zhì)量流量計是用密度計與容積流量直接相乘求得質(zhì)量流量的。 6.2電磁流量計

6.2.1電磁流量計的測量原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,當導(dǎo)體在磁場中運動切割磁力線時,在導(dǎo)體的兩端即產(chǎn)生感生電勢e,其方向由右手定則確定,其大小與磁場的磁感應(yīng)強度B、導(dǎo)體在磁場內(nèi)的長度l及導(dǎo)體的運動速度v成正比,如果B、l、v三者互相垂直,則e＝Blu與此相仿,電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)與電磁感應(yīng)原理研制的一種流量計,當被測導(dǎo)電液體流過管道時,切割磁力線,于是在和磁場及流動方向垂直的方向上產(chǎn)生感應(yīng)電勢,其值和被測流體的流速成比例。因此,測量感應(yīng)電勢就可以測出被測導(dǎo)電液體的流量。圖6－1為電磁流量計的原理圖。流體管道由不導(dǎo)磁材料制成,在管道壁外加上兩個相對的電極,在沿垂直于兩電極和導(dǎo)電的流體方向加上磁場,當導(dǎo)電的液體在導(dǎo)管中流動時,導(dǎo)電液體切割磁感應(yīng)線,于是在兩電極間產(chǎn)生與管內(nèi)徑、磁通密度和流體流速成正比的電動勢。其電動勢的大小可用公式(6－1)表示:U=BDv(6－1)式中:U——電極兩端產(chǎn)生的電動勢;B——磁場磁感應(yīng)強度;D——管道的直徑;v——流體在管道中的平均流速。圖6－1電磁流量計原理圖根據(jù)體積流量的定義可知:(6－2)則有(6－3)則流體的體積流量為(6－4)從式(6－4)可知:

(1)電壓與流體的流量有關(guān)。一般來說,流體的流量越大,電壓就越大。

(2)電壓與流體的管徑有關(guān)。管道直徑越小,電壓就越大。

(3)電壓與磁場強度有關(guān)。磁場強度越大,電壓越大。

當流體的管徑確定,磁場強度恒定時,電壓僅僅與流體的流量成正比。

由式(6－4)可得出：

需要強調(diào)的是,用電磁流量計測量流量時必須保證以下幾個條件:

(1)磁場是均勻分布的恒定磁場。

(2)被測流體的流速軸對稱分布。

(3)被測液體是非磁性的。

(4)被測液體的電導(dǎo)率均勻且各向同性。(6－5)6.2.2電磁流量計的結(jié)構(gòu)

電磁流量計在結(jié)構(gòu)上一般由電磁流量計傳感器和電磁流量計轉(zhuǎn)換器兩部分組成。一般情況下,傳感器和轉(zhuǎn)換器是分開的,傳感器安裝在生產(chǎn)過程工藝管道上感受流量信號;轉(zhuǎn)換器將傳感器送來的流量信號進行放大,并轉(zhuǎn)換成標準電信號,以便進行顯示、記錄、計算和調(diào)節(jié)控制。也有的電磁流量計將轉(zhuǎn)換器和傳感器裝在一起,組成一體型電磁流量計,可就地遠傳顯示或控制。

電磁流量計傳感器主要由測量管組件、磁路系統(tǒng)、電極及干擾調(diào)整機構(gòu)部分組成，如圖6－2所示。下面主要介紹測量管組件及磁路系統(tǒng)。圖6－2電磁流量計的結(jié)構(gòu)圖

1.測量管組件

測量管組件位于傳感器中心,兩端帶有連接法蘭或其他形式的連接裝置,被測流體由測量管通過。為了讓磁力線能順利地穿過測量管進入被測介質(zhì),首先,測量管必須由非導(dǎo)磁材料制成;其次,為了減少電渦流,測量管一般應(yīng)選用高阻抗材料,在滿足強度的前提下,管壁應(yīng)盡量薄;第三,為了防止電極上的流量信號被金屬管壁所短路,在測量管內(nèi)側(cè)應(yīng)有一完整的絕緣襯里。襯里材料應(yīng)根據(jù)被測介質(zhì),選擇有耐腐蝕、耐磨損、耐高溫等性能的材料,如聚四氟乙烯、耐酸橡膠等。

2.磁路系統(tǒng)

1)直流勵磁

直流勵磁方式用直流電或永久磁鐵產(chǎn)生一個恒定的均勻磁場。這種直流勵磁變送器的最大優(yōu)點是受交流電磁場干擾影響很小,因而可以忽略液體中的自感現(xiàn)象的影響。但是,使用直流磁場易使通過測量管道的電解質(zhì)液體被極化,即電解質(zhì)在電場中被電解,產(chǎn)生正負離子，在電場力的作用下,負離子跑向正極,正離子跑向負極。這樣,將導(dǎo)致正負電極分別被相反極性的離子所包圍,嚴重影響儀表的正常工作。所以,直流勵磁一般只用于測量非電解質(zhì)液體,如液態(tài)金屬等。

2)交流勵磁

目前,工業(yè)上使用的電磁流量計大都采用工頻(50Hz)電源交流勵磁方式,即它的磁場是由正弦交變電流產(chǎn)生的,所以產(chǎn)生的磁場也是一個交變磁場。交變磁場變送器的主要優(yōu)點是消除了電極表面的極化于擾。另外,由于磁場是交變的,因此輸出信號也是交變信號。放大和轉(zhuǎn)換低電平的交流信號要比直流信號容易得多。如果交流磁場的磁感應(yīng)強度為(6－6)則電極上產(chǎn)生的感生電動勢為(6－7)被測體積流量為(6－8)式中:Bm——磁場磁感應(yīng)強度的最大值;

ω——勵磁電流的角頻率,ω＝2f;

t——時間;

f——電源頻率。

3)低頻方波勵磁

直流勵磁方式和交流勵滋方式各有優(yōu)缺點,為了充分發(fā)揮它們的優(yōu)點,盡量避免它們的缺點,20世紀70年代以來,人們開始采用低頻方波勵磁方式。它的勵磁電流波形如圖6－3所示,其頻率通常為工頻的1／4～1／10。圖6－3方波勵磁電流波形從圖6－3可見,在半個周期內(nèi),磁場是恒穩(wěn)的直流磁場,它具有直流勵磁的特點,受電磁干擾影響很小。從整個時間過程看,方波信號又是一個交變的信號,所以它能克服直流勵滋易產(chǎn)生的極化現(xiàn)象。因此,低頻方波勵磁是一種比較好的勵磁方式,目前已在電磁流量計上廣泛的應(yīng)用。概括來說,它具有如下幾個優(yōu)點:

(1)能避免交流磁場的正交電磁干擾。

(2)能消除由分布電容引起的工頻干擾。

(3)能抑制交流磁場在管壁和流體內(nèi)部引起的電渦流。

(4)能排除直流勵磁的極化現(xiàn)象。6.2.3電磁流量計的特點

20世紀70、80年代,電磁流量計在技術(shù)上有重大突破,使它成為應(yīng)用廣泛的一類流量計,在流量儀表中其使用量的百分數(shù)不斷上升。電磁流量計有一系列優(yōu)良特性,可以解決其他流量計不易應(yīng)用的問題,如對臟污流、腐蝕流的測量。電磁流量計具有以下特點:

(1)電磁流量計的變送器結(jié)構(gòu)簡單,沒有可動部件,也沒有任何阻礙流體流動的節(jié)流部件,所以當流體通過時不會引起任何附加的壓力損失。同時,它不會引起諸如磨損、堵塞等問題,特別適用于測量帶有固體顆粒的礦漿、污水等液固兩相流體,以及各種粘性較大的漿液等。同樣,由于它結(jié)構(gòu)上無運動部件,因此可附上耐腐蝕絕緣襯里或選擇耐腐材料制成電極,起到很好的耐腐蝕性能,使之可用于各種腐蝕性介質(zhì)的測量。

(2)電磁流量計是一種體積流量測量儀表,在測量過程中,它不受被測介質(zhì)的溫度、粘度、密度以及電導(dǎo)率(在一定范圍內(nèi))的影響,因此,電磁流量計只需經(jīng)水標定以后,就可以用來測量其他導(dǎo)電性液體的流量,而不需要附加其他修正。

(3)電磁流量計的量程范圍極寬,一臺電磁流量計的量程比可達1∶100。此外,電磁流量計只與被測介質(zhì)的平均流速成正比,而與軸對稱分布下的流動狀態(tài)(層流或紊流)無關(guān)。

(4)電磁流量計無機械慣性,反應(yīng)靈敏,可以測量瞬時脈動流量,而且線性好。因此,可將測置信號直接用轉(zhuǎn)換器線性地轉(zhuǎn)換成標準信號輸出,可就地指示,也可遠距離傳送。電磁流量計雖具有上述優(yōu)良特性,但目前它還有一些不足之處,以致在使用上受到一定限制。主要有如下幾點:

(1)電磁流量計不能用于測量氣體、蒸汽以及含有大量氣體的液體。

(2)電磁流量計目前還不能用來測量電導(dǎo)率很低的液體介質(zhì),被測液體介質(zhì)的電導(dǎo)率不能低于10-5(S／cm),相當于蒸餾水的電導(dǎo)率,對石油制品或者有機溶劑等還無能為力。

(3)由于測量管絕緣襯里材料受溫度的限制,目前工業(yè)電磁流量計還不能測量高溫高壓流體。

(4)電磁流量計受流速分布影響,在軸對稱分布的條件下,流量信號與平均流速成正比,所以,電磁流量計前后也必須有一定長度的前后直管段。

(5)電磁流量計易受外界電磁干擾的影響。同時,由于傳感器的信號很小,為了使傳感器穩(wěn)定可靠地工作,準確地感受流量信號,傳感器應(yīng)滿足如下要求:

(1)能提供一個足夠大的且與流量成正比的電勢信號。

(2)能把干擾信號抑制到最小程度,使信噪比足夠大。

(3)能適應(yīng)惡劣環(huán)境條件,工作可靠。由于電磁流量計有其獨特的優(yōu)點,因此被廣泛應(yīng)用于化工化纖、食品、造紙、制糖、礦冶、給排水、環(huán)保、水利水工、鋼鐵、石油、制藥等工業(yè)領(lǐng)域中,用來測量各種酸/堿/鹽溶液、泥漿、礦漿、紙漿、煤水漿、玉米漿、糖漿、石灰乳、污水、冷卻原水、給排水、鹽水、雙氧水、啤酒、麥汁、飲料、黑液、綠液等導(dǎo)電液體介質(zhì)的體積流量。

目前,電磁流量計應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,大口徑儀表較多應(yīng)用于給排水工程;中小口徑儀表常用于高要求或難測場合,如鋼鐵工業(yè)高爐風口冷卻水控制,造紙工業(yè)測量紙漿液和黑液,化學(xué)工業(yè)的強腐蝕液,有色冶金工業(yè)的礦漿;小口徑、微小口徑儀表常用于醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、生物化學(xué)等有衛(wèi)生要求的場所。6.2.4電磁流量計的合理使用

(1)正確選擇電極和接地環(huán)材質(zhì)。

電磁流量計測量流量時，與介質(zhì)接觸部件有電極與接地環(huán)，為了保障測量的精度，必須根據(jù)測量介質(zhì)正確選擇電極與接地環(huán)。當正確選擇的材料使用一段時間后，仍產(chǎn)生測量誤差和測量故障，則其原因除耐腐蝕問題外,主要是電極表面效應(yīng)。表面效應(yīng)包括:化學(xué)反應(yīng)(表面形成鈍化膜等)、電化學(xué)和極化現(xiàn)象(產(chǎn)生電勢)、觸媒作用(電極表面生成氣霧等)。接地環(huán)也有這些效應(yīng),但影響程度要小一些。

(2)液體電導(dǎo)率超過允許范圍引發(fā)的問題。

液體導(dǎo)電率若接近下限值,則也有可能出現(xiàn)晃動現(xiàn)象。因為制造廠儀表規(guī)范規(guī)定的下限值是在各種使用條件較好狀態(tài)下可測出的最低值,而實際條件不可能都很理想,于是就有可能在遇到導(dǎo)電率接近電磁流量計規(guī)范規(guī)定的下限值的低度蒸餾水或去離子水時,儀表使用時卻出現(xiàn)輸出晃動的現(xiàn)象。通常認為能穩(wěn)定測量的導(dǎo)電率比下限值要高1～2個數(shù)量級。

(3)正確地安裝。

在安裝前,傳感器的電極應(yīng)該用酒精棉花或清潔的絲調(diào)、紗布仔細擦拭,去除電極表面由于手摸等原因造成的油脂性沾污物質(zhì)。這是因為電極表面的沾污會產(chǎn)生同相干擾和儀表零點漂移,使測量產(chǎn)生誤差。

在安裝新傳感器時,最好在現(xiàn)場地面上將連接管、附件或閥門用螺栓緊固在傳感器的兩端,然后將儀器裝入管路,使端面襯里不受損壞。

在傳感器與管路緊固的過程中,每個螺栓都必須擰緊。密封墊圈的厚度要比較均勻,這樣在上緊螺栓以后,試通一次液體,如無泄漏現(xiàn)象就可以了。最后,密封墊圈的安裝也是值得注意的。墊圈的孔徑應(yīng)與導(dǎo)管的襯里內(nèi)徑一樣,安裝時孔口要對準。如果對不準,突入管道襯里的那一部分墊圈就起了一個節(jié)流件的作用,嚴重偏心時還會破壞流速的對稱分布,給測量帶來不必要的誤差。襯里為聚四氟乙烯的傳感器,在工作溫度下運行半天后,最好將法蘭螺栓再擰緊一次。

(4)管內(nèi)液體必須充滿整個管道。

由于背壓不足或流量傳感器安裝位置不良,致使其測量管內(nèi)液體未能充滿,故障現(xiàn)象因不充滿程度和流動狀況有不同表現(xiàn)。若少量氣體在水管管道中呈分層流或波狀流,則故障現(xiàn)象表現(xiàn)為誤差增加,即流量測量值與實際值不符;若流動是氣泡流或塞狀流,則故障現(xiàn)象除測量值與實際值不符外,還會因氣相瞬間遮蓋電極表面而出現(xiàn)輸出晃動;若水平管道分層流動中流通截面積氣相部分增大,即液體未滿管程度增大,則也會出現(xiàn)輸出晃動,若液體未滿管情況較嚴重,以致液面在電極以下,則會出現(xiàn)輸出超滿度現(xiàn)象。

(5)避免液體中含有固相物體。

液體中含有粉狀、顆?；蚶w維等固體,可能產(chǎn)生的故障有;①有漿液噪聲;②電極表面玷污;③導(dǎo)電沉積層或絕緣沉積層覆蓋電極或襯里;④襯里被磨損或被沉積物覆蓋,流通截面積縮小。

(6)避免在有可能結(jié)晶的液體內(nèi)使用電磁流量計。

有些易結(jié)晶化工物料在溫度正常的情況下能正常測量,由于輸送流體的導(dǎo)管都有良好的伴熱保溫,在保溫工作時不會結(jié)晶,但是電磁流量計傳感器的測量管難以實施伴熱保溫,因此,流體流過測量管時易因降溫而引起內(nèi)壁結(jié)上一層固體。由于改用其他原理的流量計測量也同樣存在結(jié)晶問題,因而在無其他更好方法的情況下,可選用測量管長度非常短的一種“環(huán)形”電磁流量傳感器,并將流量計的上游管道伴熱保溫予以強化。在管道連接方法上,應(yīng)考慮流量傳感器的拆裝方便,在一旦結(jié)晶時能方便地拆下維護。 6.3渦街流量計

6.3.1渦街流量計的測量原理及結(jié)構(gòu)

1.工作原理

渦街流量計實現(xiàn)流量測量的理論基礎(chǔ)是流體力學(xué)中著名的“卡門渦街”原理。在流動的流體中垂直插入一個稱作漩渦發(fā)生體的對稱形狀的物體(如圓柱體、三角柱體),如圖6－4所示。當流體沿漩渦發(fā)生體繞流時,會在漩渦發(fā)生體下游產(chǎn)生不對稱、但有規(guī)律的交替漩渦列,這就是所謂的卡門渦街。圖6－4卡門渦街由于漩渦之間的相互影響,其形成通常是不穩(wěn)定的。馮·卡門對渦街的穩(wěn)定條件進行了研究,于1911年得到結(jié)論:只有當兩漩渦列之間的距離h和同列的兩漩渦之間的距離L之比滿足h/L=0.281時,所產(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的。

漩渦列在漩渦發(fā)生體下游非對稱地排列。設(shè)漩渦的發(fā)生頻率為f,被測介質(zhì)的平均速度為U,漩渦發(fā)生體迎面寬度為d,表體通徑為D,則根據(jù)卡門渦街原理,圓柱體后漩渦發(fā)生的頻率可用下式表達:式中:v——漩渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速,m/s;

St——斯特勞哈爾數(shù);

m——漩渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比,其值為管道內(nèi)體積流量QV為令,可得式中K--流量計的儀表系數(shù)，f脈沖數(shù)。

K除與漩渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外,還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)。從實驗可知,正常測量范圍的雷諾數(shù)為2×104～7×106,流體速度v與漩渦脫落頻率的關(guān)系是確定的。也就是說,對于圓柱形漩渦發(fā)生體,在這個范圍內(nèi)它的St是常數(shù),并約等于0.2,與理論計算值吻合的很好。對于圓柱形式的漩渦發(fā)生體,其St值也是常數(shù),但有它自己的數(shù)值。

從上式可知,流量QV與漩渦脫落頻率f在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)成線性關(guān)系。渦街流量計正是利用上述原理制成的,因此,也將這種流量計稱為線性流量計。

2.結(jié)構(gòu)

渦街流量計(vortexflowmeter)是利用流體流過阻礙物時產(chǎn)生穩(wěn)定的漩渦,通過測量其漩渦產(chǎn)生頻率而實現(xiàn)流量計量的。渦街流量計由渦街流量傳感器和流量顯示儀表兩部分構(gòu)成。由于各個生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的差異主要是在流量顯示儀表方面,因而這里主要介紹渦街流量傳感器。

在應(yīng)用卡門原理推導(dǎo)頻率與流速關(guān)系式時,使用了渦街的穩(wěn)定條件:間隔比h/L=0.281,這說明漩渦產(chǎn)生的頻率受到一定的漩渦空間構(gòu)造影響,而漩渦的空間結(jié)構(gòu)與漩渦發(fā)生體的形狀有關(guān)。另外,在前面的討論中,我們還應(yīng)該注意到:

(1)在上述推導(dǎo)過程中,均是在一維流動的條件下的,然而在圓管中的流動,是具有軸對稱分布的三維流動。

(2)在上游有管道存在的條件下,會有附加的流速分布畸變、旋流、波動等不穩(wěn)定因素。由此可見,漩渦發(fā)生體形狀對漩渦的發(fā)生有決定性的影響。

1)漩渦發(fā)生體形狀的基本要求

漩渦發(fā)生體的形狀有很多種,但它們必須具有一些相同的基本要求:

(1)有鈍的(即非流線型的)截面形狀——這是產(chǎn)生漩渦的條件;

(2)上、下截面形狀相同,并且左右對稱——流動接近二維流動的條件;

(3)邊界層分離點是固定的——斯特勞哈爾數(shù)St恒定。

同時,漩渦發(fā)生體在管道中的安裝位置必須嚴格對稱。漩渦發(fā)生體上游必須有直徑為10D(D為管道內(nèi)徑)以上的直管,下游必須有直徑為5D以上的直管。

2)漩渦發(fā)生體的基本結(jié)構(gòu)

漩渦發(fā)生體形狀有圓柱、三角柱、T型柱、四角柱等,以下主要介紹圓柱與三角柱這兩種形式。

(1)圓柱形漩渦發(fā)生體。前面關(guān)于漩渦理論部分的內(nèi)容就是以圓柱為例進行討論的。雖然這種形式使用較早,但嚴格地說,在高流速下它的斯特勞哈爾數(shù)St并不穩(wěn)定。因此,人們就將其改進成開狹縫或開導(dǎo)壓孔形式。圖6－5圓柱漩渦發(fā)生器開導(dǎo)壓孔的圓柱漩渦發(fā)生器如圖6－5所示。由于有導(dǎo)壓孔存在,因而當漩渦發(fā)出的同時產(chǎn)生的交替升力將使流體通過導(dǎo)壓孔流動,產(chǎn)生一邊吸入,一邊吹出的效果。當流體附面層在圓柱表面開始分離時,在吸入一側(cè),分離被抑制;在吹出一側(cè),分離被促進發(fā)生。這樣就可使流體分離點的位置固定下來,也就可以使斯特勞哈爾數(shù)St相對穩(wěn)定。

(2)三角柱形漩渦發(fā)生體。目前采用較多的漩渦發(fā)生體是三角柱形的,其形狀一般由實驗確定。它不僅可以得到比圓柱更強烈的漩渦,而且它的邊界層分離點是固定的,即其斯特勞哈爾數(shù)St相對恒定,大約為St＝0.16。這樣,渦頻與流速的關(guān)系為f＝0.16u／d,其中d為三角柱的底邊寬度。三角柱漩渦發(fā)生體的形狀如圖6－6所示。圖6－6電容式三角柱漩渦發(fā)生體

3.檢測頻率的方法

圓柱體表面開有導(dǎo)壓孔,與圓柱體內(nèi)部空腔相通?？涨挥筛舭宸殖蓛刹糠?在隔板的中央部分有一小孔,在小孔中裝有檢測流體流動的鉑電阻絲。

當漩渦在圓柱體下游側(cè)產(chǎn)生時,由于升力的作用,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)壓孔進入空腔,通過隔板中央部分的小孔,流過鉑電阻絲,從上方導(dǎo)壓孔流出。如果將鉑電阻絲加熱到高于流體溫度的某溫度值,則當流體流過鉑電阻絲時,就會帶走熱量,改變其溫度,也即改變其電阻值。當圓柱體上方產(chǎn)生一個漩渦時,則流體從上導(dǎo)壓孔進入,由下導(dǎo)壓孔流出,又一次通過鉑電阻絲,并改變一次它的電阻值。由此可知:電阻值變化與流動變化相對應(yīng),也即與漩渦的頻率相對應(yīng)。所以,可由檢測鉑電阻絲電阻變化頻率得到渦頻率,進而得到流量值。當然，檢測頻率的元件不僅是鉑電阻絲，還包括其他元件，具體檢測元件與方法如表6－1所示。表6－1檢測漩渦頻率的元件和方法

6.3.2渦街流量計的特點

渦街流量計按頻率檢出方式可分為:應(yīng)力式、應(yīng)變式、電容式、熱敏式、振動體式、光電式及超聲式等。渦街流量計是屬于最新的一類流量計,但其發(fā)展迅速,目前已成為通用的一類流量計。渦街流量計的優(yōu)點:

(1)結(jié)構(gòu)簡單牢固。被測流體本身就是振動體,無機械可動部件,也沒有污垢問題,幾乎不受流體組成、密度、粘度、壓力等因素的影響。

(2)適用流體種類多。因其具有良好的介質(zhì)適應(yīng)能力,無需溫度壓力補償即可直接測量蒸汽、空氣、氣體、水、液體的工況體積流量,配備溫度、壓力傳感器可測量標況下的體積流量和質(zhì)量流量。

(3)精度較高。渦街流量計的準確度在0.5%～0.1%左右。在線性流量范圍內(nèi),即使流量發(fā)生變化,累積流量準確度也不會降低,并且在短時間內(nèi),渦街流量計的可再現(xiàn)性可達0.05％。

(4)量程寬。渦街流量計的量程比最大可達15∶1。在同樣口徑下,渦輪流量計的最大流量值大于很多其他流量計。

(5)壓損小。

(6)輸出為數(shù)字信號。渦街流量計輸出為與流量成正比的脈沖數(shù)字信號。數(shù)字式輸出具有在傳輸過程中準確度不降低、易于累積、易于送入計算機系統(tǒng)的優(yōu)點。渦街流量計的缺點:

(1)不適用于低雷諾數(shù)測量。

(2)需較長直管段。

(3)儀表系數(shù)較低(與渦輪流量計相比)。

(4)儀表在脈動流、多相流中尚缺乏應(yīng)用經(jīng)驗。6.3.3渦街流量計的合理使用

1.被測介質(zhì)

渦街流量計可以測量液體、氣體、蒸汽。測量介質(zhì):正常測量范圍的雷諾數(shù)一般為2×104～7×106,擴展測量范圍的雷諾數(shù)一般為5×103～7×106。測量介質(zhì)的流速范圍：液體0.5～7m/s,氣體4～35m/s,蒸汽7～70m/s。介質(zhì)溫度:-40～350℃。測量介質(zhì)壓力最大可達25MPa。渦輪流量計所測得的液體,一般是低粘度的(一般應(yīng)小于15×10-6m2／s)、低腐蝕性的液體。雖然目前已經(jīng)有用于各種介質(zhì)測量的渦街流量計,但對高溫、高粘度、強腐蝕介質(zhì)的測量仍需仔細考慮,采取相應(yīng)的措施。當介質(zhì)粘度大于15×10-6m2／s時,流量計的儀表系數(shù)必須進行實液標定,否則會產(chǎn)生較大的誤差。

汽－液兩相流、氣－固兩相流、液-固兩相流均不能用渦街流量計進行測量。

2.安裝配管要求

流量計的安裝情況對流量計的測量準確度影響很大。

(1)流速分布不均和管內(nèi)二次流的存在是影響渦街流量計測量準確度的重要因素,所以,渦街流量計對上、下游直管段有一定要求。對于工業(yè)測量,一般要求上游有20D、下游有5D的直管長度。為消除二次流動,最好在上游端加裝整流器。若上游端能保證有20D左右的直管段,并加裝整流器,則可使流量計的測量準確度達到標定時的準確度等級。

(2)渦街流量計對流體的清潔度有較高要求,在流量計前須安裝過濾器來保證流體的清潔。過濾器可采用漏斗型的,其本身清潔度可通過測其兩端的差壓變化得到。

(3)為保證通過流量計的液體是單相的,即不能讓空氣或蒸汽進入流量計,在流量計上游必要時應(yīng)裝消氣器。對于易氣化的液體,在流量計下游必須保證一定背壓。該背壓的大小可取最大流量下流量傳感器壓降的二倍加上最高溫度下被測液體蒸汽壓的1.2倍。

(4)安裝傳感器的管道內(nèi)徑須和傳感器內(nèi)徑一致，滿足0.98DN≤D≤1.05DN(DN為傳感器內(nèi)徑，D為配管內(nèi)徑），否則管道必須變徑。連接管道與傳感器同軸度應(yīng)不大于0.05DN。傳感器上游應(yīng)盡量避免安裝調(diào)節(jié)閥或半開閥門，應(yīng)將之安裝在傳感器下游5D以后。檢修閥安裝在傳感器上游。

3.信號傳輸線

為了保證顯示儀表對渦街傳感器輸出的脈沖信號有足夠的靈敏度,就要提高信噪比。為此,在安裝時應(yīng)防止各種電干擾現(xiàn)象,即電磁感應(yīng)、靜電及電容耦合。所以,在配置信號傳輸線時,必須注意如下幾點:

(1)限制信號線的最大長度。信號線的最大長度為L＝dU式中,U——在最小流量時傳感線圈的輸出電壓有效值,單位為mV;

d——系數(shù),單位為m／mV。

d和U的取值情況為：U＜1000mV時,d＝1.0;1000mV＜d＜5000mV時,d＝1.5;U＞5000mV時,d＝2.0。

(2)信號傳輸線應(yīng)采用屏蔽電纜,以防來自外部的感應(yīng)噪聲。要求傳輸電纜在顯示儀表端屏蔽接地。傳輸電纜不能靠近強電磁設(shè)備,不允許與動力線平行布置。

4.運轉(zhuǎn)維護

(1)當渦街流量計的管道需要清洗時,必須開旁路,清洗液體不能通過流量計。

(2)管道系統(tǒng)啟動時必須先開旁路,以防止流速突然增加,引起渦輪轉(zhuǎn)速過大而損壞。

(3)渦街流量計軸承應(yīng)定期更換,一般可根據(jù)小流量特性變化來觀察其軸承的磨損情況。 6.4超聲波流量計

6.4.1超聲波的概念

自然界的各種各樣的波動,按其性質(zhì)(力的作用)基本上分為兩大類:電磁波和機械波。電磁波是由于電磁力的作用產(chǎn)生的,是電磁場變化在空間的傳播過程。它傳播的是電磁能量,在真空中傳播的速度為3×108m/s。電磁波依其頻率可分為無線電波、紅外線、可見光、紫外光、X射線、γ射線和宇宙射線。機械波是由于機械力(彈性力)產(chǎn)生的機械振動在介質(zhì)中的傳播,它傳播的是機械能量,并且僅能在介質(zhì)中的傳播。自然界的機械波依頻率可分為三大類:次聲波、聲波和超聲波。頻率低于20Hz的波動稱為次聲;頻率在20Hz～20kHz之間的波動稱為聲(音),頻率在20kHz以上的波動稱為超聲。人耳可聽到聲(音),但聽不見次聲與超聲。超聲波是指頻率超過2萬赫茲,即超過人耳聽閾高限的聲波,屬于機械波。一般診斷用超聲波頻率為1～10MHz,而最常用的是2.5～5MHz超聲波。6.4.2超聲波流量計的測量原理及結(jié)構(gòu)

1.基本原理

超聲波對液體、固體的穿透能力很強,尤其是在陽光不透明的固體中,它可穿透幾十米的深度。超聲波在流動的流體中的傳播速度與流體的流速有關(guān)。另外,當超聲波碰到流體中的雜質(zhì)或分界面時會產(chǎn)生顯著的反射回波,碰到活動的物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。根據(jù)這兩種現(xiàn)象,可以制造兩類不同的超聲波流量計。

1)超聲波時間變化法

利用超聲波的傳播速度隨流體的流速變化而發(fā)生變化的原理,通過測超聲波脈沖傳播線路的平均流速就可測量流速。

2)超聲波多普勒法

利用流體中的微小雜質(zhì)(反射物體)的移動速度所產(chǎn)生的超聲波多普勒效應(yīng),通過測超聲波束交差區(qū)域的流速(相當于點的流速)就可測量流速。

超聲波流量計根據(jù)測量原理的不同,種類較多,大致可以分為以下幾類:傳播速度法(時差法、相位差法和頻差法)、多普勒法、相關(guān)法、波束偏移法等。但是目前最常采用的測量方法主要有兩類:時差法和多普勒效應(yīng)法。同時,根據(jù)超聲波流量計使用場合不同,可以將之分為固定式超聲波流量計和便攜式超聲波流量計。下面主要介紹時差法和多普勒效應(yīng)法兩種方法。

2.時差法

超聲波在流體中傳播時,傳播速度因流體運動狀態(tài)不同(靜止或流動)而不同。時差法就是測量超聲波脈沖順流和逆流時傳播的時間差。若靜止流體中的音速為c,流體流動的速度為v,則超聲波的傳播方向與流體的流向一致時,其傳播速度為c+v,反之為c-v。

圖6－7所示為脈沖傳播速度變化法測量的原理,將相距為L的兩個轉(zhuǎn)換器T1、T2設(shè)置于流體中,觀測轉(zhuǎn)換器之間超聲波的傳播時間。圖6－7時差法測量原理首先,從T1發(fā)射與流體方向一致的超聲波,其超聲在流體中傳播,設(shè)到達T2的時間為t1,再從T2逆流發(fā)射超聲波脈沖,設(shè)到達T1的時間為t2,則傳播時間為流速v的單位一般為m/s,當流體為水時,聲速c為1500m/s,故c>>v,則(6－9)由于L、c已知,因而流速與傳播的時間Δt成正比,利用這種方法測量流速的方法稱為時間法。

3.多普勒法測量原理

多普勒效應(yīng)指當聲源和觀察者之間有相對運動時,觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率的現(xiàn)象。對于靜止的接收器,接收從運動著的物體發(fā)射出來的波,所接收到的波的頻率取決于波源的速度;向運動的物體發(fā)射波時,反射回來的波的頻率也取決于運動物體的速度,頻率的變化與兩者之間的相對速度成正比。超聲波多普勒流量計就是基于多普勒效應(yīng)測量流量的。如圖6－8所示為多普勒法超聲波流量計的測量原理圖。圖6－8多普勒法測量原理

4.超聲波流量計的結(jié)構(gòu)

超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示系統(tǒng)組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量,并將其發(fā)射到被測流體中;接收器接收到超聲波信號后,經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號,供給顯示和計算儀表進行顯示和計算。這樣就實現(xiàn)了流量的檢測和顯示。

為實現(xiàn)流量(流速)測量,首先需要有一個發(fā)射超聲波的換能器(俗稱超聲波探頭),超聲波換能器通常由鋯鈦酸鉛陶瓷等壓電材料制成,通過電致伸縮效應(yīng)和壓電效應(yīng)來發(fā)射和接收超聲波。

換能器在管道上的配置方式分為:Z式(透過式)、V式(反射式)和X式(交叉式),如圖6－9所示。圖6－9超聲波換能器的安裝方式

(a)Z式;(b)V式;(c)X式6.4.3超聲波流量計的特點

超聲波流量計具有以下特點:

(1)適用于各種管徑流體流量的高精度計量。例如小可測血液流速,大可測河流等流速。

(2)測量范圍(量程比)很寬,一般為1∶40～1∶160。

(3)可在不影響流體流動的情況下進行測量,不受渦流和流速剖面變化的影響。

(4)只要是能傳播超聲波的流體,都能夠測量,它可測量高粘度流體、非電導(dǎo)流體和氣體等流體的流速。

(5)流量計本身無壓力損失。

(6)檢測端小、牢固,而且不受附粘物的影響,維修方便,不受沉積物或濕氣的影響。

(7)對超聲波能透過的流管,還可以進行管外測管內(nèi)流體流速的測量。

(8)不受壓力、溫度、相對分子質(zhì)量、氣體成分變化的影響。

(9)與一般流量傳感器相比,電路較復(fù)雜,成本較高。

(10)可忍受較長時間的超量程運行。6.4.4超聲波流量計的合理使用

1.流量分布與立管長度

流量修正系數(shù)K起因于流速分布,因此,使用流量計時,為了不因流速分布混亂而引起測量誤差,即要保持流速分布的穩(wěn)定,在流路中必須設(shè)置必要的直管部分,而且要按照各自的測量方法來規(guī)定直管部分的長度。在使用超聲波流量計時,直管的長度與管路和水路的關(guān)系如下:

(1)傳播時間變化法的場合下:

①滿水管路:必須在上游設(shè)置10D以上,下游設(shè)置5D以上(D為管道內(nèi)徑)長度的直管。

②明渠、暗渠(自由水面的場合):必須在上游設(shè)置10B以上,下游沒置5B以上(B為水渠寬度)長度的直管。

(2)多普勒法的場合下:

①滿水管路:必須在上游設(shè)置15D以上,下游設(shè)置5D以上長度的直管。

②明渠、暗渠(自由水面的場合):必須在上游設(shè)置10D或20B以上,下游沒置5D或5B以上(B為水渠寬度)長度的直管。

2.維護保養(yǎng)

超聲波流量計的檢測部分大多裝配在管路的外壁上,特別是在沒有大的機械沖動時基本上不需要維修、檢查。但檢測部分裝配在槽內(nèi),采用組合箱時(長期浸于水中)有可能引起導(dǎo)線連接部分的絕緣退化,故要注意不讓水淹沒。檢測部分處于水路里面對,要安裝在浮游物體難以流到的地方。另外,最好定期檢查一次,發(fā)現(xiàn)附粘物較多時,還是予以清除為好。

3.被測對象

超聲波流量計對超聲波能夠透過的對象都能進行測量,但不適宜測量混入非常大的且有妨礙的物體(例如大量的雜物和氣泡)的流體。因此,作為超聲波流量計的測量范圍的首要目標,在采用傳播時間變化法時,最好在介質(zhì)密度為5000mg／l以下使用;在采用多普勒法時,由于必須混入反射物體,因此最好是在介質(zhì)密度為60mg／l～50g／l的范圍內(nèi)使用。

4.其他

為了在更好的條件下使用超聲波流量計,除上面介紹的外,還必須遵守普通流量汁的注意事項。 6.5流量標準裝置

流量標準的建立一般較為復(fù)雜,因為流量計的標定隨介質(zhì)的不同差異很大,不同介質(zhì)要有不同的標定裝置;不同的流量,管徑標定裝置又有所不同。由于這些因素,給流量計的標定工作造成一定的困難。

我國的流量標準傳遞系統(tǒng)還處在建立過程中,需對不同介質(zhì),如油、氣、水分別建立不同的傳遞系統(tǒng)。根據(jù)需要應(yīng)建立標準一級站、二級站,最后傳遞給使用儀表。一級站為全國最高精度的流量標準。對于油流量,標準一級站應(yīng)達到±0.1%～±0.5%,油質(zhì)量和密度標準直接傳送。一級油量標準主要用于標定±0.1%的標準油表及其他標準裝置。在特殊情況下,例如,標準體積管精度較高,則應(yīng)直接用更高一級的質(zhì)量標準來標定,最高可達到±0.02%,用它可以對下一級精度為±0.05%的標準體積管進行標定。二級站應(yīng)建立±0.1%的標準流量計及精度為±0.02%的標準量器,以便對油表及下一級裝置進行標定。

氣體流量傳遞一級站以一級氣體鐘罩和氣體流量裝置為標準,精度為0.1%～±0.2%。對于二級站,用精度為±0.5%的標準氣表或裝置進行傳遞。對水流量傳遞系統(tǒng),一級站的水流量標準裝置精度應(yīng)為±0.1%～±0.05%,二級站應(yīng)建立±0.2%的標準流量裝置和精度為±0.02%的標準量器,以便對使用中的儀表進行標定。

由于國內(nèi)尚未很好地把流量標準健全起來,因此對流量計的標定可根據(jù)上述設(shè)想,建立起相應(yīng)的標準裝置。流量標準裝置有如下的用途:

(1)校驗和標定流量計,作為流量單位量值統(tǒng)一與傳遞的標準,確保各地區(qū)和各部門的流量量值統(tǒng)一在一個標準上。

(2)進行標準流量計的性能試驗研究。通過試驗可以確定儀表的準確度等級、流量的范圍度、能承受的過載能力、儀表的可靠性與壽命、重復(fù)性等指標。另一方面,通過試驗可以研究儀表的動態(tài)特性,以便對儀器進行合理設(shè)計,進一步考慮儀表適應(yīng)的環(huán)鏡條件。

(3)研究參比條件和實際工作條件之間的差異對儀表準確度的影響,以采用合理的介質(zhì)換算和修正的方法。

(4)作為計量部門仲裁工作的基礎(chǔ)。目前,對流量校驗裝置的分類有不同的認識,但按照不同的分類原則,可有以下幾種分類方法。

(1)按測量介質(zhì)分,可分為水、氣、油、多組分(如水和油的混合體)流體,多相流體(如氣體、氣固和液固)及蒸汽流量標準裝置。

(2)按測量方法分,有靜態(tài)法和動態(tài)法。所謂靜態(tài)法,就是測量時被測介質(zhì)是靜態(tài)的;所謂動態(tài)法就是在流體介質(zhì)流動過程中進行流量測量的方法。

(3)按穩(wěn)壓源分,有水塔穩(wěn)壓法(也稱高位水箱法)和容器穩(wěn)壓法。

(4)按計量器分,有稱量法、容積法和標準表法。

(5)按標準裝置分,分為原始裝置和傳遞裝置。6.5.1液體流量標準裝置

1.靜態(tài)容積法

圖6－10靜態(tài)容積法流量校準裝置典型結(jié)構(gòu)示意圖其工作原理簡述如下:首先水泵2將水池1中的水打入水塔4,在整個實驗過程中使水塔處于有溢流狀態(tài),以保證系統(tǒng)的壓力不變;打開截止閥7,水通過上游側(cè)直管段8、被檢流量計9、下游側(cè)直管段10、夾表器11、調(diào)節(jié)閥12和噴嘴13流出試驗管路;在試驗管路出口處裝有換向器14(換向器是用來改變液體的流向),使水流流入工作量器16或15中,換向器啟動時觸發(fā)計時控制器,以保證水量和時間的同步測量。試驗時,可根據(jù)流量的大小選用一個工作量器計量水量,若選用工作量器15,則關(guān)閉放水閥17、打開放水閥18,并將轉(zhuǎn)換器置于使水流向工作量器16的位置;用調(diào)節(jié)閥12將流量調(diào)到所需流量,待流量穩(wěn)定后,啟動換向器,將水流由工作量器16換入工作量器15;換向器動作過程中啟動計時器計時,被檢流量計的脈沖計數(shù)器計數(shù);當?shù)竭_預(yù)定的水量或脈沖數(shù)或時間時,即操作換向器,使水流由工作量器15換向到工作量器16。記錄工作量器15所收集的水量Vs、計時器顯示的測量時間t和脈沖計數(shù)器顯示的脈沖數(shù)(或被檢流量計的指示流量)。從標準水量Vs可得標準流量(qV)(6－10)用算得的流量(qV)s或標準水量Vs與被檢流量計的指示流量(qV)m或累積流量Vm比較,確定被檢流量計的誤差δ:(6－11)(6－12)或這種方法比較成熟,目前國內(nèi)外用得最多,使用簡單,容易掌握,且裝置各組成部分都進行過深入的理論分析和實驗研究,積累了很豐富的技術(shù)資料。相關(guān)的標準有國際標準化組織(ISO)頒布的關(guān)于實流校驗標準:ISO8316(1987)《封閉管道中液體流量測量——容積法》;ISO4185(