流体参数的测量.pptx

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1、学习导航14.1 14.1 压力的测量压力的测量14.2 14.2 流量的测量流量的测量14.3 14.3 流速测量系统流速测量系统14.4 14.4 液位测量液位测量第1页/共47页14.1 压力的测量 压力测量原理 压力是流体介质作用于单位面积的平均力，Pa。1 Pa=1N/m2；1atm(标准大气压)=101325Pa=1.033at(工程大气压)。表示压力的术语14.1 14.1 压力的测量压力的测量第2页/共47页压力测量传感器 1弹性元件压力传感器各种压力计和压力传感器多采用弹性变形法，将压力先转换为位移（或应变），利用元件的弹性变形直接推动一个机械结构以指示读数，或者用传感器把机

2、械运动转变成电信号以供显示或控制。14.1 14.1 压力的测量压力的测量 采用波登管的霍尔式压力传感器第3页/共47页（1）波登管 压力测量传感器压力测量传感器14.1 14.1 压力的测量压力的测量 截面为扁形，在流体压力下鼓起，导致封闭的自由端位移。测量精度高，体积大，固有频率低，滞后较大，不适宜动态压力测量。不同形式的波登管第4页/共47页膜片是用弹性材料制成的圆形薄片式压力传感器，主要有平膜片、波形膜片和悬链式膜片。应用时，膜片的边缘刚性固定作为腔体的密封元件，在流体压力作用下，膜片的中心产生位移，可以用位移传感器测量位移；或在膜片表面粘贴应变片测量应变。（2 2）膜片）膜片 压力测

3、量传感器压力测量传感器14.1 14.1 压力的测量压力的测量 波形膜片膜盒的应用第5页/共47页（3）波纹管 波纹管是一种表面上有许多同心环状波纹的薄壁圆筒。波纹管作为压力敏感元件，使用时应将开口端焊接于固定基座上并将被测流体通入管内。在流体压力的作用下，密封的自由端会产生一定的位移。在波纹管弹性范围内，自由端的位移与作用压力呈线性关系。14.1 14.1 压力的测量压力的测量 压力测量传感器压力测量传感器波纹管波纹管第6页/共47页2应变式压力传感器 平膜片任意位置的应变是压力的函数。膜片应变压力传感器膜片应变压力传感器14.1 14.1 压力的测量压力的测量 压力测量传感器压力测量传感器

4、第7页/共47页3电容式压力传感器 电容式压力传感器是将压力转换成电容的变化，经电路变换成电量输出 单电容压力传感器 差动电容压力传感器 14.1 14.1 压力的测量压力的测量 压力测量传感器压力测量传感器第8页/共47页4压电式压力传感器 压力通过膜片作用于压电晶体，动态响应能力强。对晶体加预紧力，防止冲击损坏。温度补偿：水冷；用线膨胀系数大的金属片补偿晶片与金属的膨胀差。14.1 14.1 压力的测量压力的测量 压力测量传感器压力测量传感器压电式压力传感器第9页/共47页测压传感器的标定 1静态标定 静态标定是指标定系统在静态压力的作用下，确定压力传感器输出量与输入量之间的对应关系，并确

5、定反映传感器精确度的有关指标。为了获得较好的标定精度，作为标定基准仪器的精度比被标定传感器的精度至少要高出一个数量级。一般静态标定的加载方法有：砝码、杠杆砝码机构、标准测力环或力传感器、标准测力机等。14.1 14.1 压力的测量压力的测量 测压传感器的标定测压传感器的标定压力表试验器结构示意图第10页/共47页2动态标定目的是确定压力传感器的动态特性，从而确定传感器的工作频率范围及动态误差。正弦响应法。利用正弦激振器输入激振信号，获得正弦响应。正弦激振器有活塞缸正弦压力发生器、凸轮-喷嘴正弦压力发生器。瞬态响应法。适于高幅值、宽频带。常用激波管装置。由于激波管制造精度要求高，设备复杂，因此有

6、时选用冲击力法。冲击力法利用机械冲击力，简单，方便，但是误差较大。14.1 14.1 压力的测量压力的测量 测压传感器的标定测压传感器的标定活塞缸正弦压力发器活塞缸正弦压力发器 凸轮凸轮-喷嘴正弦压力发生器喷嘴正弦压力发生器 第11页/共47页瞬态响应使用于幅值较高、频率范围较宽的条件下，确定压力瞬态响应使用于幅值较高、频率范围较宽的条件下，确定压力传感器的动态响应。对高速响应的压力传感器，可采用激波管传感器的动态响应。对高速响应的压力传感器，可采用激波管装置。在工程中，由于激波管制造精度要求高，设备复杂，因装置。在工程中，由于激波管制造精度要求高，设备复杂，因此有时选用冲击力法测试传感器的动

7、态特性。冲击力法是指机此有时选用冲击力法测试传感器的动态特性。冲击力法是指机械装置撞击被标传感器，产生一个瞬时撞击力，记录数据，求械装置撞击被标传感器，产生一个瞬时撞击力，记录数据，求得压力传感器的动态特性。冲击力法结构简单、使用方便，但得压力传感器的动态特性。冲击力法结构简单、使用方便，但误差较大。误差较大。14.1 14.1 压力的测量压力的测量 测压传感器的标定测压传感器的标定第12页/共47页14.2 流量的测量质量流量 14.2 14.2 流量的测量流量的测量体积流量体积流量 两种流量的关系两种流量的关系 质量累积流量质量累积流量 体积累积流量体积累积流量 平均流量平均流量 流量流量

8、q与压力差与压力差p有如下关系有如下关系 第13页/共47页节流变压降式流量计 节流变压降式流量计 节流变压降式流量计简称节流式流量计节流变压降式流量计简称节流式流量计或差压式流量计，它由节流装置、导压或差压式流量计，它由节流装置、导压管路及差压计等部分组成。管路及差压计等部分组成。1 1节流变压降式流量计的工作原理节流变压降式流量计的工作原理 及计算公式及计算公式 14.2 14.2 流量的测量流量的测量第14页/共47页2标准节流装置 常用的节流装置有标准孔板，喷嘴和文丘里管。因为摩擦阻力和在节流装置后形成漩涡要消耗能量，所以流体通过节流装置后造成压力损失即净压力损失。14.2 14.2

9、流量的测量流量的测量节流变压降式流量计 第15页/共47页阻力式流量计 阻力式流量计阻力式流量计 14.2 14.2 流量的测量流量的测量1 1转子流量计转子流量计 浮子（转子）置于透明的锥形管浮子（转子）置于透明的锥形管中，所受浮力和流体的拖动力与重力中，所受浮力和流体的拖动力与重力平衡，垂直方向的位置随流量变化。平衡，垂直方向的位置随流量变化。转子在流体冲击下旋转，沿锥管中心转子在流体冲击下旋转，沿锥管中心线移动。线移动。读数容易、压降低、流量与刻度成读数容易、压降低、流量与刻度成线性。线性。第16页/共47页用应变计测量流体推力。推力主要由节流产生的静压差和流体动压力组成，与流量有确定的

10、关系。较小的雷诺数即可使流量系数为常数，所以适于测量黏度较大的流体。2靶式流量计 14.2 14.2 流量的测量流量的测量阻力式流量计阻力式流量计 第17页/共47页涡轮流量计 涡轮流量计的理论基础是动量矩守恒原理，通常由涡轮流量变送器和显示仪表两部分组成。14.2 14.2 流量的测量流量的测量 涡轮流量计涡轮流量计流体推动涡轮旋转，用磁电转速传感器测量涡轮转速。体积流量：流体推动涡轮旋转，用磁电转速传感器测量涡轮转速。体积流量：输出脉冲频率输出脉冲频率仪表常数仪表常数涡轮流量计的工作原理涡轮流量计的工作原理涡轮流量计涡轮流量计第18页/共47页容积式流量计 容积式流量计1 1椭圆齿轮流量计

11、椭圆齿轮流量计 通过容积的变化计量体积流量。进出口压力通过容积的变化计量体积流量。进出口压力差导致齿轮转动。每转流量即排量差导致齿轮转动。每转流量即排量 q 为常数，为常数，流量正比于齿轮转速流量正比于齿轮转速 n：14.2 14.2 流量的测量流量的测量椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计流体传送过程分解流体传送过程分解第19页/共47页2腰轮转子流量计 腰轮转子流量计对流体的计量过程，同椭圆齿轮流量计相类似，是通过腰轮(转子)与壳体之间所形成的固定计量空间来实现的。每当腰轮转过一圈，便排出四个固定计量体积的流体，只要记下腰轮的转动转数，就可得到被测流体的体积流量。腰轮的转动也是靠流体的入口和出口的

12、压差p=p1-p2来实现的。14.2 14.2 流量的测量流量的测量容积式流量计第20页/共47页质量流量计 在管道中放置一热电阻，如果管道中流体不流动，且热电阻的加热电流保持恒定，则热电阻的阻值亦为恒定值。当流体流动时，引起对流热交换，热电阻的温度下降。若忽略热电阻通过固定件的热传导损失，则热电阻的热平衡为 14.2 14.2 流量的测量流量的测量质量流量计质量流量计热电阻加热电流热电阻加热电流热电阻阻值热电阻阻值热电转换系数热电转换系数 对流热交换系数对流热交换系数 热电阻换热表面积热电阻换热表面积热电阻温度热电阻温度 流体温度流体温度流体密度流体密度 流体流速流体流速 当管道截面一定时，

13、由v就可得质量流量。因此可以使加热电流不变，而通过测量热电阻的阻值来测量质量流量或保持热电阻的阻值不变，而通过测量加热电流I来测量质量流量。第21页/共47页2间接测量质量流量（1）体积流量计加密度计利用体积流量计测出体积流量，利用密度计测量流体密度，计算得质量流量。节流式流量计压力差和耙式流量计的受力都与qv2成正比，而质量流量可以写为 质量流量计质量流量计14.2 14.2 流量的测量流量的测量所以用密度计测量出流体密度，即可计算出质量流量。利用速度式流量计测出体积流量，再用密度计测量流体密度，两个参数相乘可以计算出质量流量。利用节流式流量计或耙式流量计测量出qv2，再用速度式流量计测量出

14、体积流量qv，然后作除法(qv2)/qv，同样可以得到质量流量。第22页/共47页（2）体积流量加温度压力补偿 密度和温度间的关系为 14.2 14.2 流量的测量流量的测量 质量流量计质量流量计质量流量为 按理想气体状态方程计算 因此，质量流量为所以，测量出气体的压力、温度和体积流量即可计算出质量流量。第23页/共47页流量计的标定 流量计在出厂前都要逐个标定。但在实际使用中，为了保证测试的准确性，有时需再次进行标定。流量计的标定与计时器、计量器相关。一般情况下，计时器可选用电子秒表,计量器有基准容器、基准秤、基准体积管和基准表等。14.2 14.2 流量的测量流量的测量第24页/共47页1

15、4.3 流速测量系统 皮托管流速计 14.3 14.3 流速测量系统流速测量系统 1、皮托管测速原理 2、总压和静压之差与流速的关系 皮托管测速的理论公式 修正后的流速公式 考虑到压缩性的影响，实际流速计算公式 第25页/共47页热线和热膜风速计 14.3 14.3 流速测量系统流速测量系统 热线风速计是建立在热平衡原理基础上的。由热平衡原理可知，任何时候金属丝中由温度升高所保留的热量应该等于风速降低所积累的热量；反之任何时候金属丝中由温度降低所损失的热量应该等于风速上升所耗散掉的热量。（1）热线敏感元件 典型的热线敏感元件是具有0.5 10m直径、0.12mm长的金属丝。将金属丝的两端焊接到

16、两根叉杆上，叉杆的另一端接上引出线，再加上保护罩并且在保护罩和叉杆之间装以绝缘填料，构成了热线探针。（2）热膜敏感元件 第26页/共47页3工作原理 热线和热膜风速计根据热平衡原理，热线中的热产生应该等于热耗散。在金属丝没有热传导的情况下，加热电流在金属丝中所产生的热量应该等于流体所带走的热量。根据焦耳定律 根据耗散理论 Q1=Q2 恒流工作方式。I=常数，有 恒温工作方式。R=常数，有 14.3 14.3 流速测量系统流速测量系统 第27页/共47页利用激光多普勒效应的流速测量 1激光多普勒测速计的组成激光多普勒流速计通常由激光器、入射光学单元、接收光学单元、多普勒信号处理器、数据处理系统组

17、成。14.3 14.3 流速测量系统流速测量系统 第28页/共47页2激光多普勒测速计的工作原理 激光多普勒测速计是利用激光多普勒效应来测量流体运动速度的。利用激光多普勒效应的流速测量利用激光多普勒效应的流速测量照射光的频率为f0，粒子P的运动速度为v。根据相对论变换公式，经多普勒效应后粒子接收到的光波频率为多普勒测速原理图多普勒测速原理图当veox，Hh，则上式简化为 当液位发生变化，如液面升高H，则浮筒所受浮力增加，弹簧被压缩量减小x，同理可得 14.4 液位测量 浮力式液位测量浮力式液位测量第33页/共47页3杠杆浮球式液位计 适用于高温、黏度大液体的杠杆浮球式液位计。浮球是不锈钢的空心

18、球，通过连杆和转动轴连接，配合平衡重锤用来调节液位计的灵敏度，使浮球刚好一半浸没在液体中。浮球随液位升降而带动转轴旋转，指针就在标尺上指示液位值。14.4 液位测量 浮力式液位测量浮力式液位测量第34页/共47页差压式液位测量 1普通型差压式液位计 差压式液位测量差压式液位测量普通型差压式液位计原理示意图 14.4 液位测量 差压变送器正压室的压力：负压室的压力：两室的压差：差压式液位计的示值除了与液位高度有关外，还与液体密度和差压仪表的安装位置有关。当这些因素影响较大时，必须进行修正。第35页/共47页2带隔离罐的差压式液位计 由于内外温差使气体导压管中的气体凝结成液体，为了保持低压室的液柱

19、高度恒定，一般在变送器的负压室与气体取压口之间装有隔离罐，并填充隔离液。这时差压变送器正压室的压力未变，而负压室的压力为 两室的压差为 14.4 液位测量 差压式液位测量差压式液位测量第36页/共47页3.差压式变送器 有预紧力的中心敏感膜片作为可动极板和两边固定的弧形电容极板形成电容C1和C2，被测压力p+、p-分别加在膜盒两侧的隔离膜片上，通过腔内所充 硅油的传递，作用到中心敏感膜片的两侧。当p+=p-时，中心敏感膜片在中心位置，此时C1=C2；当p+p-时，存在压差 p中心膜片产生位移，改变了它与两边弧形电容极板的间距，因而C1 C2。14.4 液位测量 差压式液位测量差压式液位测量第3

20、7页/共47页电容式液位测量 电容式液位测量仪表是是利用液位升降变化导致电容器电容值变化的原理设计而成的。1用于导电介质的电容液位计 14.4 液位测量 液位为H时电容的变化量：灵敏度S 电容量的变化与液位高度成正比，测出电容量的变化，便可知道液位高度。第38页/共47页2用于非导电介质的电容液位计（1 1）同轴套筒电极式电容液位计）同轴套筒电极式电容液位计 当容器内没有液体时，介电层为绝缘支架和两极间空气，此时电容器的电容为 总电容量总电容量 电容量的变化量 灵敏度灵敏度S 14.4 液位测量 电容式液位测量电容式液位测量第39页/共47页（2）裸金属电极电容液位计 当容器内没有液体时，介电

21、层为容器内的空气。当液位高度为H时，在有液体部分，被测介质作为中间填充介质。裸金属电极电容液位计图裸金属电极电容液位计图14.4 液位测量 电容式液位测量电容式液位测量第40页/共47页电阻式液位测量 对于导电液体，电阻值随液位变化。电阻液位测量14.4 液位测量 第41页/共47页超声波式液位测量 1定点式超声液位计（1）声阻式超声液位开关 声阻式超声液位开关是利用气体和液体对超声振动的阻尼有显著差别这一特性来判断测量对象是液体还是气体，从而测定被测液位是否到达检测探头的安装高度。14.4 液位测量 第42页/共47页 （2）液介穿透式超声液位开关 液介穿透式超声液位开关的工作原理是利用超声

22、换能器在液体中液介穿透式超声液位开关的工作原理是利用超声换能器在液体中和气体中发射系数的显著差别来判断被测液面是否达到换能器安和气体中发射系数的显著差别来判断被测液面是否达到换能器安装高度。装高度。液介穿透式超声液位开液介穿透式超声液位开关由相隔一定距离平行关由相隔一定距离平行放置的发射压电陶瓷与放置的发射压电陶瓷与接收压电陶瓷组成，并接收压电陶瓷组成，并被封装在不锈钢外壳中被封装在不锈钢外壳中或用环氧树脂铸成一体，或用环氧树脂铸成一体，在发射与接收陶瓷片之在发射与接收陶瓷片之间留有一定间隙。控制间留有一定间隙。控制器内有放大器和功率放大器，功率放大器用于驱动继电器动作。器内有放大器和功率放大

23、器，功率放大器用于驱动继电器动作。发射压电陶瓷与接收压电陶瓷分别被接到放大器的输出端和输入发射压电陶瓷与接收压电陶瓷分别被接到放大器的输出端和输入端，以形成闭环振荡。端，以形成闭环振荡。14.4 液位测量 超声波式液位测量超声波式液位测量第43页/共47页2连续式超声液位计 连续式超声液位计是利用超声波回波测距的原理制成的。按传声介质不同，又可分为气介式、液介式和固介式三种。（1）液介式超声液位计 液介式超声液位计是以被测液体为导声介质，利用回波测距方法来测量液面高度的。其探头既可以安装在液体的底部，也可以安装在容器底的外部。14.4 液位测量 超声波式液位测量超声波式液位测量第44页/共47

24、页（2）气介式超声液位计 气介式：换能器装在液面以上的气体介质中垂直向下发射和接收。气介式：换能器装在液面以上的气体介质中垂直向下发射和接收。气介式超声液位计的工作原理同液介式超声液位计一样。所不同气介式超声液位计的工作原理同液介式超声液位计一样。所不同的是，超声波换能器置于液面的上方，与液面底部的距离为的是，超声波换能器置于液面的上方，与液面底部的距离为H0。在空气介质中的传播速度在空气介质中的传播速度C及来回传播时间及来回传播时间t。单探头方式，液面高度单探头方式，液面高度H双探头方式，液面高度为双探头方式，液面高度为 超声波式液位测量超声波式液位测量14.4 液位测量 第45页/共47页激光式液位测量 激光液位计由激光发射器、接收器及测量控制电路组成。反射式激光液位计原理示意图。发射器采用氦氖激光器，发射波长为6.32810-7 m的激光束。激光束以一定角度照射到被测液面上，再经液面反射到接收器的光敏检测元件上。测量控制电路由3个硅光电池(液位接收器)、3个放大器、报警灯和控制电路组成。1激光发射器；2上限液位接收器；3正常液位接收器；4下限液位接收器；5液位上限；6正常液位；7液位下限；8放大器；9报警灯；10控制电路；11测量控制电路 14.4 液位测量 第46页/共47页感谢您的观看！第47页/共47页