第六章超声波流量计.ppt
《第六章超声波流量计.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第六章超声波流量计.ppt(79页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、6-7 超声波流量计超声波流量计 测量原理测量原理 q包括传播速度差法包括传播速度差法q声循环法声循环法q时间差法时间差法q多普勒法多普勒法 种类能动或被动测量原理(利用的现象)检测量测量方法简称备注流量计种类超声波流量计能动型传播速度的变化(顺流、逆流)相位差时间差频率差传播速度差法相位差法时间差法声循环法应用最广泛上水道用上水道用射束位移接收波的感度差射束位移法多普勒效应漂移频率多普勒法下水、排水用被动型流动产生的声音声音的大小听音法与频率有关传感器P-B水槽涡街流量计相关式流量计节流水位上升卡门涡紊流水位透过波的振幅振幅、相位下水、排水用,也可检测透过时间6-7-2,传播速度差法,传播速
2、度差法 q将流体流动时与静止时超声波在流体中传播的情形进行比较,由于流速不同会使超声波的传播速度发生变化。图6-12超声波传播速度差法的原理图,液体中超声波的传播速度是静止液体中声波传播速度C和流体速度V的矢量和0相位差法 q相位差法,就是测量顺、逆两个方向接受波的相位差 ,而时间差 和 的关系为:相位差法和时间差法的原理可以看成是一样的。超声波的频率C=constant?影响流体中声速C的因素q温度图6-13,水中声音速度是水温的函数,其温度系数随温度不同而异影响流体中声速C的因素(续)q水温T(C)q含盐量S(o)q水深D(米)(米)声循环法的原理 q首先从发生器T1沿顺流方向发射超声波脉
3、冲,在接收器R1处接收这个信号。再在放大器-1处把此接受信号进行放大,把输出信号加到发生器T1,从T1再次发射超声波脉冲,以后重复进行。正向循环频率反向循环频率两个声循环频率之差,取此差为,与与声速声速C无关。由于频率差非常小,检测困难无关。由于频率差非常小,检测困难6-7-2-2相位差法相位差法 q相位差法本质上和时间差法是相同的 Ft超声波频率,D管道直径由于相位差和频率成正比,频率愈高则测量的灵敏度也高。可是应该看到,频率提高时,可能测量的最大速度值也就降低了,因此必须适当选取频率值。6-7-2-3 声循环法应用声循环法应用 q可与被测液体中的声速无关声速无关地测量流速,现在作为大口径管
4、道用的流量计已经得到最广泛的应用。图6-14,麦克逊流量计方框图(附有质量流量计测量回路)声循环回路(SingAroundLoop)构成顺、逆两个方向的声循环回路来进行的。这种场合,脉冲经回路一圈的时间叫做声循环周期,其倒数叫做声循环频率。两者的差频为二组方式图6-15,用声循环法的超声波流量计方框图两个超声波收发器希望制造得完全相同,因而具有相同的特性,它们既起超声波发生器又起超声波接收器的作用。交替转换开关用来转换超声波的发射方向,一定时间使超声波沿顺流方向发射,再经过同一时间间隔沿逆流方向发射,时间图如图6-16所示。图6-16,时间图(u)与加减运算指令一致,对每个(v)信号得到流速测
5、量值,作为输出信号传送出去 为固定延迟时间,即:超声波经过塑料楔、管壁和衬材传播所需要的时间以及电信号滞后时间之和。顺逆流动与声波夹角管道直径6-7-2-4 时间差法时间差法 q用时间差法测量流速、流量,在初期是用模拟技术进行的。q近年来,由于数字式技术的进步可以精密测量微小时间,因此,在顺、逆两方向同时发射脉冲,把这些接收波前沿的时间差用数字方式进行测量(LE Flowmeter,LE流量计)6-7-2-4 时间差法时间差法 q典型例子是在进行医学实验时,用脉冲时间法测量经血管内的血液流速。q在这种实验中,把两个传感器和血管相连接,使用3兆赫的小型钛酸钡陶瓷振荡器用高速交替变换的一组转换方式
6、进行超声波的收发,在测量1厘米/秒以下到1米/秒以上的流速时线性很好。q测量范围的界限取决于飘移和噪声,据报道四小时以内在0.5厘米以下。6-7-2-5 流量测量流量测量 q管内流速分布的影响 传播速度差法从原理上看是测量超声波传播途径上的平均流速,因此,该测量值是线平均。所以,它和一般的面平均(真平均流速)不同,其差异取决于流速的分布。图6-22,流量修正系数和雷诺数的关系流速测量方法 流速测量方法 图6-24,小口径管道用超声波流量计的测量管示例流量计的安装 图6-26,方形暗渠的流量测量示例充满着水,一条测量线。混凝土使超声波超声波传播的损耗大,因此在相应于超声波传播途径部分使用不锈钢钢
7、板。并在探测器的对面的壁上安装上反射板,采用所谓V法一避免流动偏离管道对称轴所产生的偏流的影响。图6-27,明渠沟流量测量法探头(超声波收发器)固定在能给出平均流速的水深附近(离水面距离为水深60%位置),测量该位置(测量线)的速度。预先用实验方法求出取决于水位变化的平均流速和测量流速之比,把这个值通过线性插入法来修正测量流速,通常将其作为真平均流速(流量/水流截面之值)输出;将此值与由测量水位得到的水流截面相乘,以此乘积作为流量由流量运算器输出。6-7-3 多普勒法多普勒法 q由单个粒子引起的多普勒频移 若传播超声波的介质中存在着一个单个的粒子,则它和周围的介质流动的规律一样,以和介质相同的
8、速度V运动。假如给定超声波收发器T、R,把发射频率取为ft,则由于粒子的漫反射,进入超声波接收器的接收频率为fr,静止介质中的声速若取为C,则fr可以表示为:声波与流动方向夹角多普勒频移fD与流速V成正比。如果有:则频移多个粒子的功率谱线 图6-28,零交叉方式的多普勒流量计方框图 是考虑到照射域内的粒子集合的场合下的功率谱线密度超声波流量测量小节超声波流量计有各种形式,从精度上看顺序为传播速度差法、多普勒法、听音法适用于辅助测量或开关的监视。典型的传播速度差法有声循环法和时间差法,它们都得到了广泛的应用,当在用于含有很多气泡或悬浊物的液体时存在着稳定度的问题。在这样的场合用多普勒法有利,可以
9、用来测量下水、排水、泥水等。超声波流量测量小节不妨碍流动、无压力损失的情况下进行测量,结果受速度分布和安装影响。超声波流量计的使用与液体的种类和特性无关,可以测量气体,特别是在大流量测量时其优点非常显著。从管道外壁可以测量管内流动液体的流量也是其它方法所没有的特点之一。6-8 质量流量计质量流量计 q随着温度、压力的变化,流体的密度会发生变化,在温度、压力变化大的流体中,往往是达在温度、压力变化大的流体中,往往是达不到测体积流量的目的不到测体积流量的目的。q若测体积流量,就必须同时测出流体的温度和温度和压力压力。在温度和压力变化的流体中,应把所测的流量值换算成某标准状态标准状态下的相应值,从而
10、研究流量变化的状况。但实际上温度、压力剧烈变动时,每次测量中都要换算成标准状态下的值是很费事的,几乎是不可能的,这样,便希望用质量流量计来测量质量流量。质量流量计分类 q直接检测与质量成比例的量,这是直接型质量流量计。q用体积流量计和密度计组合的仪器来测量质量流量,这是间接型质量流量计。质量流量计分类 q检测出管道内流动的流体的温度和压力后再与体积流量计组合起来,自动换算成预先设定的标准状态下的体积流量或质量流量的方式。这种仪器就是温度温度-压压力自动补偿流量计力自动补偿流量计。q当管道中流动的流体的组成改变从而密组成改变从而密度变化时度变化时,这种仪器就不能正确测量质量流量,所以她不是真正的
11、质量流量计6-8-1直接型质量流量计直接型质量流量计 q量热式质量流量计量热式质量流量计:在流动的气体中安装电加热丝,在其上流处和下流处放置温度检测器,气体通过电热部分被加热,通过测出所产生的温度变化来求流量,这就是量热式流量计的测量原理 温度差T加热加热E质量流量G令流动气体的质量流量为G,气体的定压比热为CP,上流和下流两侧气体的温差为T,加热电功率为E,热功当量为J,则下列关系式成立:(6-8-1)如果流动气体的比热比热是恒定的,则气体的质量流量与加热气体的质量流量与加热电功率成正比,与温度差成反比电功率成正比,与温度差成反比。利用此关系就可以测量质量流量温度差T加热加热E质量流量G对于
12、空气、氮氢空气、氮氢等气体,即使温度和压力都改变,其定压比热也几乎是恒定的,故上式的关系近似地成立。对混合气体而言,随着组分的变化,比热对混合气体而言,随着组分的变化,比热往外也发生往外也发生很大很大的变化,因而上式不能成立的变化,因而上式不能成立。这样的流量计不能叫真正的质量流量计。在量热式质量计中也有即使流体组分和状态变化也不受影响的有边界层质量流量计(boundarylayermassflowmeter)等。不仅能用于测气体,也能用于测液体受到流体的比热、导热率或粘度比热、导热率或粘度等方面的影响,这种流量计虽比过去的量热式流量计有所改进,但原理上却是相同的流量计。qm差压式质量流量计q
13、差压式质量流量计图6-8-1,有分流管的孔板计差压式质量流量计q差压式质量流量计图6-8-2,两孔板方式的差压式质量流量计图6-8-1中是其配管图,先讨论朝图上箭头方向流过一定流量q时的情况。在从孔板的下流一侧到上流一侧通过分流管有体积流量为q的流动时,则在主流管道中,除了体积流量Q按箭头所指的方向流动外,还加上固定的循环流q,所以,通过孔板流动的流体的体积流量应为Q+q。在此情况下通过孔板前后产生的压力差为 ,与孔板流量计测量原理相同则孔板A、B前后产生的压力的差就与主流管道中流体的质量流量成正比。西蒙兹(Simmonds)质量流量计是把循环流的流量q设计得比主流管道流量的最大值还要大。所以
14、通过孔板A的流动与通过孔板B的流动的方向相反。因此,若令孔板A的上流侧压力为P1,下流侧的压力为P2(孔板B的上流侧压力),则P2P1图6-8-3,两孔板式的差压式质量流量计试验结果图测量比重为0.74的汽油和比重为1.54的四氯化碳的质量流量的结果密度变化不影响结果6-8-4,四孔板式的差压式质量流量计为了使Qq,所以当应测量的主流管道的流量Q变大时,定流量泵的容量就要加大,而且要用两台泵,从而将它改进为四个孔板的方式,其原理结构这种形式与惠斯登电桥的构造相同,从主流管道流入的流量分成两路,每个分流管道如图所示,分别安装了孔板A、B和C、D。而且在这两分流管的中点由安装定流量泵的管道使他们相
15、互连接起来,四个孔板的构造、尺寸是相同的,由定流量泵按箭头方向送入恒定流量q的流体。如果通过孔板A的体积流量为I,此时通过孔板A前后的压力差为 ,可得下列关系式:同样,对孔板B,因为流量为Q-I,所以压差为孔板C的流量为Q+I,压差孔板D的流量为Q-I-q,压差为6-8-2 Li-Lee质量流量计质量流量计 q测量科里奥利力的质量流量计 图6-8-5,Li-Lee质量流量计原理管道以O点为中心,以恒定角速度旋转,流体通过管道从中心O向外边流动。若从O点测量,旋转管道的长为l,管道的横截面积为F,流动流体的流速为v,流体的密度为,科里奥利力加速度为a,则有a=2wv 在距离中心O为r处体积为(F
16、dr),的流体要产生加速度a所需的力矩dTr,则dTr可表为:因此在旋转通道中的总流体,要产生加速度所必需的力矩力矩T为图6-8-6,Li-Lee质量流量计构造实际试制的这类质量流量计的内部构造如图6-8-6所示,流量计本体的流入部分和流出部分用旋转密封套与主管道连接,并以此旋转密封部分作为旋转轴承,测量仪器本体是用同步驱动马达以恒定的角速度旋转着。由流入口流入的流体通过旋转管之后流进直角弯管内,然后再往流出口流去。此时,在转矩管上受大上述力矩T的作用,产生与T成正比的扭转便角,此偏角由电方法检测再通过滑环送到外部。此种质量流量计,只是在实验室中试制,目前还未用做工业上的测量仪器6-8-3 角
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第六 超声波流量计
限制150内