第13章

流體參量測量目錄壓力的測量流量的測量13.113.2

壓力和流量等流體參量的測量,在工業(yè)生產(chǎn)等眾多工程領(lǐng)域中都具有十分重要的意義。

各種壓力和流量測量裝置盡管在測量原理或結(jié)構(gòu)上有很大差別,但共同特點(diǎn)都是通過中間轉(zhuǎn)換元件,把流體的壓力、流量等參量轉(zhuǎn)換為中間機(jī)械量,然后再用相應(yīng)的傳感器將中間機(jī)械量轉(zhuǎn)換成電量輸出。中間轉(zhuǎn)換元件對測量裝置的性能有著重要的影響。另一個(gè)特點(diǎn)是在壓力和流量測量中,測量裝置的測量精確度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)不僅與傳感器本身及由它所組成的測量系統(tǒng)的特性有關(guān),而且還與由傳感器、連接管道等組成的流體系統(tǒng)的特性有關(guān)。13.1壓力的測量

壓力的測量一般用于液體、蒸汽或氣體等流體。物理學(xué)中將單位面積上所受到的流體作用力定義為流體的壓強(qiáng),而工程上則習(xí)慣于稱其為“壓力”,本書將采用“壓力”這個(gè)名詞。在國際單位制中,壓力是由質(zhì)量、長度和時(shí)間三個(gè)基本量得出的導(dǎo)出量,其單位為Pa(帕斯卡),1Pa=1N/m2。雖然已經(jīng)有非常精確的壓力表來提供壓力的基準(zhǔn)量,但是這些基準(zhǔn)量最終必須依靠上述三個(gè)基本量的基準(zhǔn)量來保證其精確度。

由于參照點(diǎn)的不同,在工程中流體的壓力有以下幾種表示方法:絕對壓力——相對于完全真空(絕對壓力零位)所測得的壓力;大氣壓力——由地球表面大氣層空氣柱重力所形成的壓力;差壓(壓差)——任意兩個(gè)壓力之間的差值;表壓力——以大氣壓力為參考點(diǎn),高于或低于大氣壓力的壓力,高于大氣壓力的壓力稱為正壓,低于大氣壓力的壓力稱為負(fù)壓。壓力測量裝置大多采用表壓力作為指示值,而很少采用絕對壓力。13.1壓力的測量

壓力按其與時(shí)間的關(guān)系可分為靜態(tài)壓力和動(dòng)態(tài)壓力。靜態(tài)壓力指不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間變化緩慢的壓力;動(dòng)態(tài)壓力指隨時(shí)間作快速變化的壓力。作用在確定面積上的流體壓力能夠很容易地轉(zhuǎn)換成力,因此壓力測量和力測量有許多共同之處。常用的兩種壓力測量方法是靜重比較法和彈性變形法。前者多用于各種壓力測量裝置的靜態(tài)校準(zhǔn),而后者則是構(gòu)成各種壓力計(jì)和壓力傳感器的基礎(chǔ)。13.1.1彈性式壓力敏感元件

指針式壓力計(jì)(壓力表)和壓力傳感器主要是基于彈性變形原理工作的。某種特定形式的彈性元件,在被測流體壓力的作用下,將產(chǎn)生與被測壓力成一定函數(shù)關(guān)系的機(jī)械變位(或應(yīng)變)。這種中間機(jī)械量可通過各種放大杠桿或齒輪副等轉(zhuǎn)換成指針的偏轉(zhuǎn),從而直接指示被測壓力的大小。中間機(jī)械量也可通過各種位移傳感器(以應(yīng)變?yōu)橹虚g機(jī)械量時(shí),則可通過應(yīng)變片)及相應(yīng)的測量電路轉(zhuǎn)換成電量輸出。由此可見,感受壓力的彈性敏感元件是壓力計(jì)和壓力傳感器的關(guān)鍵元件。13.1壓力的測量通常采用的彈性式壓力敏感元件有波登管、膜片和波紋管三類(見圖13-1)。圖13-1彈性壓力敏感元件13.1壓力的測量1.波登管

波登管是大多數(shù)指針式壓力計(jì)的彈性敏感元件,同時(shí)也被廣泛用于壓力變送器(用于穩(wěn)態(tài)壓力測量,其輸出量為電量的壓力測量裝置)中。圖13-1a所示的各種結(jié)構(gòu)形式的波登管,都是橫截面為橢圓形或平橢圓形的空心金屬管子。當(dāng)這種彈性管一側(cè)通入有一定壓力的流體時(shí),由于內(nèi)外側(cè)的壓力差(外側(cè)一般為大氣壓力),迫使管子截面發(fā)生由橢圓形截面向圓形變化的變形。這種變形導(dǎo)致C形、螺線形和螺旋形波登管的自由端產(chǎn)生變位,而對于扭轉(zhuǎn)型波登管來說,其輸出運(yùn)動(dòng)則是自由端的角位移。

雖然采用波登管作為壓力敏感元件可以得到較高的測量精確度,但由于其尺寸較大、固有頻率較低以及有較大的滯后,故不宜作為動(dòng)態(tài)壓力傳感器的敏感元件。13.1壓力的測量2.膜片和膜盒

膜片是用金屬或非金屬材料制成的圓形薄片(見圖13-1b)。若膜片的斷面是平的,稱其為平膜片;若膜片的斷面呈波紋狀的,稱其為波紋膜片。將兩個(gè)膜片邊緣對焊起來,就構(gòu)成膜盒;將幾個(gè)膜盒連接起來,就組成膜盒組。平膜片比波紋膜片具有較高的抗振和抗沖擊能力,在壓力測量中使用得較多。

中、低壓壓力傳感器多采用平膜片作為壓力敏感元件。這種敏感元件是周邊固定的圓形平膜片,其固定方式有周邊機(jī)械夾固式、焊接式和整體式三種(見圖13-2)。盡管機(jī)械夾固式的制造比較簡便,但由于膜片和夾緊環(huán)之間的摩擦要產(chǎn)生滯后等問題,故較少采用。圖13-2平膜片13.1壓力的測量

以平膜片作為壓力敏感元件的壓力傳感器,一般采用位移傳感器來感測膜片中心的變位或在膜片表面粘貼應(yīng)變片來感測其表面應(yīng)變。圖13-1b所示的懸鏈膜片是一種受溫度影響較小的膜片結(jié)構(gòu)。當(dāng)被測壓力較低,平膜片產(chǎn)生的變位過小,不能達(dá)到所要求的最小輸出時(shí),可采用圖13-1b所示的波紋膜片和波紋膜盒。一般波紋膜片中心的最大變位量約為直徑的2%,它用于穩(wěn)態(tài)低壓(低于幾兆帕)測量或作為流體介質(zhì)的密封元件。13.1壓力的測量3.波紋管

波紋管是外周沿軸向有深槽形波紋狀皺褶、可沿軸向伸縮的薄壁管子,一端開口,另一端封閉。將開口端固定,封閉端處于自由狀態(tài),如圖13-1c所示。在通入一定壓力的流體后,波紋管將伸長,在一定壓力范圍內(nèi)其伸長量(即自由端位移)與壓力成正比。

波紋管可在較低壓力下得到較大的變位。它可測的壓力較低,對于小直徑的黃銅波紋管,最大允許壓力約為1.5MPa。無縫金屬波紋管的剛度與材料的彈性模量成正比,而與波紋管的外徑和波紋數(shù)成反比,同時(shí)剛度與壁厚成近似的三次方關(guān)系。13.1壓力的測量13.1.2常用壓力傳感器1.應(yīng)變式壓力傳感器

目前常用的應(yīng)變式壓力傳感器有平膜片式、圓筒式和組合式等。它們的共同特點(diǎn)是利用粘貼在彈性敏感元件上的應(yīng)變片,感測其受壓后的局部應(yīng)變,從而測得流體的壓力。

(1)平膜片式壓力傳感器圖13-3為平膜片式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。它利用粘貼在平膜片表面的應(yīng)變片,感測膜片在流體壓力作用下的局部應(yīng)變,從而確定被測壓力值的大小。

對于周邊固定、一側(cè)受均勻壓力p作用的平膜片,若膜片應(yīng)變值很小,則可近似地認(rèn)為膜片的應(yīng)力(或應(yīng)變)與被測壓力呈線性關(guān)系。在壓力p作用下,膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變,一般在中心貼片,并在邊緣沿徑向貼片,也可使用適應(yīng)膜片應(yīng)變分布的專用箔式應(yīng)變花。

平膜片式壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量小、性能價(jià)格比高等;缺點(diǎn)是:輸出信號小、抗干擾能力差、受溫度影響大等。圖13-3平膜片式壓力傳感器13.1壓力的測量13.1壓力的測量(2)圓筒式壓力傳感器如圖13-4所示,它一端密封并具有實(shí)心端頭,另一端開口并有法蘭,以便固定薄壁圓筒。當(dāng)壓力從開口端接入圓柱筒時(shí),筒壁產(chǎn)生應(yīng)變。圓筒的外表面粘貼有4個(gè)相同的應(yīng)變片R1、R2、R3、R4,組成四臂電橋。當(dāng)筒內(nèi)外壓力相同時(shí),電橋的4個(gè)橋臂電阻相等,輸出電壓為零;當(dāng)筒內(nèi)壓力大于筒外壓力時(shí),R1和R4發(fā)生變化,電橋輸出相應(yīng)的電壓信號。這種圓筒式壓力傳感器常在高壓測量時(shí)應(yīng)用。圖13-4圓筒式壓力傳感器13.1壓力的測量(3)組合式壓力傳感器此類傳感器中的應(yīng)變片不直接粘貼在壓力感受元件上,而是采用某種傳遞機(jī)構(gòu)將感壓元件的位移傳遞到貼有應(yīng)變片的其他彈性元件上,如圖13-5所示。圖13-5a利用膜片1和懸臂梁2組合成彈性系統(tǒng)。在壓力作用下,膜片產(chǎn)生位移,通過桿件使懸臂梁產(chǎn)生變形。圖13-5b利用膜片1將壓力傳給彈性圓筒3,使之發(fā)生變形。圖13-5c利用波登管4并在壓力的作用下,自由端產(chǎn)生拉力,使懸臂梁2產(chǎn)生變形。圖13-5d利用波紋管5產(chǎn)生的軸向力,使梁6變形。圖13-5組合式壓力傳感器13.1壓力的測量2.壓阻式壓力傳感器

壓阻式壓力傳感器(見圖13-6)是在某一晶面的單晶硅膜片上,沿一定的晶軸方向擴(kuò)散上一些長條形電阻。硅膜片的加厚邊緣燒結(jié)在有同樣膨脹系數(shù)的玻璃基座上,以保證溫度變化時(shí)硅膜片不受附加應(yīng)力。當(dāng)硅膜片受到流體壓力或壓差作用時(shí),硅膜片內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力,從而使擴(kuò)散在其上的電阻阻值發(fā)生變化。它的靈敏度一般要比金屬材料應(yīng)變片高70倍左右。圖13-6壓阻式壓力傳感器13.1壓力的測量

這種壓阻元件一般只在硅膜片中心變位遠(yuǎn)小于其厚度的情況下使用。有的傳感器使用隔離膜片將被測流體與硅膜片隔開,隔離膜片和硅膜片之間充填硅油,用它來傳遞被測壓力。

這類傳感器由于采用了集成電路的擴(kuò)散工藝,因此尺寸可以做得很小。例如有的直徑只有1.5~3mm,這樣就可用來測量局部區(qū)域的壓力,并且大大改善了動(dòng)態(tài)特性(工作頻率可從0到幾百千赫)。由于電阻直接擴(kuò)散到膜片上,沒有粘貼層,因此零漂小、靈敏度高、重復(fù)性好。13.1壓力的測量3.壓電式壓力傳感器

圖13-7所示的膜片式壓電壓力傳感器是目前廣泛采用的一種結(jié)構(gòu)。3是承壓膜片,有密封、預(yù)壓和傳遞壓力的作用。由于膜片的質(zhì)量很小,而壓電晶體的剛度又很大,所以傳感器有很高的固有頻率(可高達(dá)100kHz以上),因此它是動(dòng)態(tài)壓力測量中常用的傳感器。壓電式壓力傳感器工作可靠、測量范圍寬、體積小、結(jié)構(gòu)簡單,并且具有較高的靈敏度和分辨率。缺點(diǎn)是壓電元件的預(yù)壓縮應(yīng)力是通過擰緊殼體施加的,這將使膜片產(chǎn)生彎曲變形,導(dǎo)致傳感器的線性度和動(dòng)態(tài)性能變壞。圖13-7膜片式壓電壓力傳感器

為克服壓電元件在預(yù)加載過程中引起膜片的變形,可采用預(yù)緊筒加載結(jié)構(gòu),如圖13-8所示。預(yù)緊筒8是一個(gè)薄壁厚底的金屬圓筒,通過拉緊預(yù)緊筒對壓電晶片組施加預(yù)壓縮應(yīng)力。在加載狀態(tài)下,用電子束焊將預(yù)緊筒與芯體焊成一體。感受壓力的膜片7是后來焊接到殼體上去的,它不會在壓電元件的預(yù)加載過程中發(fā)生變形。預(yù)緊筒外的空腔內(nèi)可以注入冷卻水,以降低晶片溫度,保證傳感器在較高的環(huán)境溫度下正常工作。采用多片壓電元件層疊結(jié)構(gòu)是為了提高傳感器的靈敏度。13.1壓力的測量圖13-8多片層疊壓電晶體壓力傳感器13.1壓力的測量

壓電式壓力傳感器可以測量幾百帕到幾百兆帕的壓力,并且外形尺寸可以做得很小(幾毫米直徑)。這種壓力傳感器和壓電加速度計(jì)、壓電力傳感器一樣,需采用有極高輸入阻抗的電荷放大器作為前置放大,其可測頻率下限是由這些放大器所決定的。

由于壓電晶體具有一定的質(zhì)量,故壓電壓力傳感器在有振動(dòng)的條件下工作時(shí),就會產(chǎn)生與振動(dòng)加速度相對應(yīng)的輸出信號,從而造成壓力測量誤差。特別是在測量較低壓力或要求較高的測量精確度時(shí),該影響不能忽視。圖13-9為帶加速度補(bǔ)償?shù)膲毫鞲衅鳌Ｔ趥鞲衅鲀?nèi)部設(shè)置一個(gè)附加質(zhì)量和一組極性相反的補(bǔ)償壓電晶體,在振動(dòng)條件下,附加質(zhì)量使補(bǔ)償壓電晶片產(chǎn)生的電荷與測量壓電晶片因振動(dòng)產(chǎn)生的電荷相互抵消,從而達(dá)到補(bǔ)償目的。圖13-9用附加質(zhì)量補(bǔ)償加速度的影響13.1壓力的測量4.電容式壓力傳感器

電容式壓力傳感器采用變電容測量原理,即被測壓力會引起傳感器電容極板間的面積或極距發(fā)生變化,測出變化的電容量,便可知道被測壓力的大小。電容式壓力傳感器有以下兩種:(1)差動(dòng)變極距電容式壓力傳感器圖13-10是一種差動(dòng)變極距電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖13-10差動(dòng)變極距電容式壓力傳感器13.1壓力的測量

感壓元件是一個(gè)全焊接的差動(dòng)電容膜盒。玻璃絕緣層內(nèi)側(cè)的凹球面形金屬鍍膜作為固定電極1,中間被夾緊的彈性測量膜片2作為可動(dòng)電極,從而組成一個(gè)差動(dòng)電容。被測壓力p1、p2分別作用于左右兩片隔離膜片3上,通過硅油4將壓力傳遞給測量膜片2。在差壓的作用下,中心最大位移為±0.1mm左右。當(dāng)測量膜片2在差壓作用下向一邊鼓起時(shí),它與兩個(gè)固定電極1間的電容量一個(gè)增大一個(gè)減小。測量這兩個(gè)電容的變化,便可知道差壓的數(shù)值。這種傳感器結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)、靈敏度高、過載能力大;精度高,其精確度可達(dá)±0.25%~±0.05%;儀表測量范圍為0~0.00001MPa至0~70MPa。13.1壓力的測量(2)變面積電容式壓力傳感器圖13-11所示為一種變面積式電容壓力傳感器。被測壓力作用在金屬膜片7上,通過中心柱1和支撐簧片5,使可動(dòng)電極4隨簧片中心位移而動(dòng)作?？蓜?dòng)電極4與固定電極3均為金屬同心多層圓筒,其斷面呈梳齒形,其電容量由兩電極交錯(cuò)重疊部分的面積所決定。固定電極3與外殼之間絕緣,可動(dòng)電極4則與外殼導(dǎo)通。壓力引起的極間電容變化由中心柱1引至適當(dāng)?shù)淖儞Q電路,轉(zhuǎn)換成反映被測壓力的電信號輸出。膜片中心位移不超過3mm,膜片背面為無硅油的封閉空間,不與被測介質(zhì)接觸,可視為恒定的大氣壓,故僅適用于壓力測量,而不能測量壓差。圖13-11變面積電容式壓力傳感器13.1壓力的測量5.諧振式壓力傳感器

諧振式壓力傳感器是利用感壓元件本身的諧振頻率與壓力的關(guān)系,通過測量頻率信號的變化來檢測壓力的,有振筒式、振弦式、振膜式、石英諧振式等多種形式。以下以振筒式壓力傳感器為例說明。

振筒式壓力傳感器的感壓元件是一個(gè)薄壁圓筒,圓筒本身具有一定的固有頻率,當(dāng)筒壁受壓張緊后,其剛度發(fā)生變化,固有頻率相應(yīng)改變。在一定的壓力作用下,變化后的振筒頻率可以近似地表示為式中fp——受壓后的振筒頻率; f0——固有頻率;

α——結(jié)構(gòu)系數(shù); p——被測壓力。13.1壓力的測量

傳感器由振筒組件和激振電路組成,如圖13-12所示。振筒用低溫度系數(shù)的恒彈性材料制成,一端封閉為自由端,開口端固定在基座上,壓力由內(nèi)側(cè)引入。絕緣支架上固定著激振線圈和檢測線圈,兩者空間位置互相垂直,以減小電磁耦合。激振線圈使振筒按固有的頻率振動(dòng),受壓前后的頻率變化可由檢測線圈檢出。

這種儀表體積小、輸出頻率信號、重復(fù)性好、耐振;精確度為±0.1%和±0.01%;測量范圍為0~0.014MPa至0~50MPa;適用于氣體測量。圖13-12振筒式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖13.1壓力的測量6.位移式壓力傳感器

位移式壓力傳感器是將彈性式壓力敏感元件與其他元件相連,壓力轉(zhuǎn)換為位移等參量,進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電量,常見的有以下幾種:(1)電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器一般由兩部分組成,一部分是彈性元件,用來感受壓力并把壓力轉(zhuǎn)換成位移量,另一部分是由線圈和銜鐵6組成的電感式傳感器。電感式壓力傳感器可分為自感型和差動(dòng)變壓器型。圖13-13為其結(jié)構(gòu)原理圖。圖13-13電感式壓力傳感器13.1壓力的測量

圖13-13a為膜盒4與變氣隙式自感傳感器構(gòu)成的壓力傳感器,流體壓力使膜盒4變形,從而推動(dòng)固定在膜盒自由端的銜鐵上移而引起電感變化。圖13-13b為膜盒4與差動(dòng)變壓器2構(gòu)成的微壓力傳感器。銜鐵6固定在膜盒的自由端。無壓力時(shí),銜鐵6在差動(dòng)變壓器線圈的中部,輸出電壓為零。當(dāng)被測壓力通過接頭輸入膜盒4后,膜盒4變形推動(dòng)銜鐵6移動(dòng),使差動(dòng)變壓器2輸出正比于被測壓力的電壓。13.1壓力的測量(2)霍爾式壓力傳感器霍爾式壓力傳感器一般由兩部分組成,一部分是彈性元件(波登管、膜盒等),用來感受壓力并把壓力轉(zhuǎn)換成位移量,另一部分是霍爾元件和磁路系統(tǒng)。通常把霍爾元件固定在彈性元件上,當(dāng)彈性元件在壓力作用下產(chǎn)生位移時(shí),就帶動(dòng)霍爾元件在均勻梯度的磁場中移動(dòng),從而產(chǎn)生霍爾電動(dòng)勢。圖13-14為霍爾式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。它是用霍爾元件把波登管的自由端位移轉(zhuǎn)換成霍爾電動(dòng)勢輸出?；魻柺綁毫鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)簡單、靈敏度較高,可配通用的儀表指示,還能遠(yuǎn)距離傳輸和記錄。圖13-14霍爾式壓力傳感器13.1壓力的測量(3)光電式壓力傳感器利用彈性元件和光敏元件可組成光電式壓力傳感器,如圖13-15所示。當(dāng)被測壓力p作用于膜片時(shí),膜片中心處位移引起兩遮光板中的狹縫一個(gè)變寬,一個(gè)變窄,導(dǎo)致折射到兩光敏元件上的發(fā)光強(qiáng)度一個(gè)增強(qiáng),一個(gè)減弱。把兩光敏元件接成差動(dòng)電路,差動(dòng)輸出電壓可設(shè)計(jì)成與壓力成正比。圖13-15光電式壓力傳感器原理圖13.1壓力的測量(4)光纖式壓力傳感器在壓力測量中,微壓及微差壓力的傳感技術(shù)一直是一個(gè)難題,特別是為獲得與其相應(yīng)的靈敏度及可靠性方面存在一些難點(diǎn)。采用光纖傳感器技術(shù)可得到較好的效果。圖13-16所示是一種光纖式壓力傳感器的原理圖。將一個(gè)具有一定反射率且質(zhì)地柔軟的反射鏡貼在承受壓力(壓差)的膜片上,當(dāng)壓(差)力使膜片發(fā)生微小變形時(shí),便會改變反射鏡所反射的入射光的發(fā)光強(qiáng)度,從而測得其壓(差)力。圖13-16光纖式壓力傳感器原理圖13.1壓力的測量13.1.3壓力測量裝置的校準(zhǔn)

一般用靜態(tài)校準(zhǔn)來確定壓力傳感器或壓力測量系統(tǒng)的靜態(tài)靈敏度等各種靜態(tài)性能指標(biāo),而用動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)來確定其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。1.壓力測量裝置的靜態(tài)校準(zhǔn)

壓力測量裝置的靜態(tài)校準(zhǔn)一般采用靜重比較法,即標(biāo)準(zhǔn)砝碼的重力通過已知直徑和質(zhì)量的柱塞,作用于密閉的液體系統(tǒng),從而產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)壓力為式中p——標(biāo)準(zhǔn)壓力(Pa); gn——當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?m/s2);

M1——標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量(kg); M2——柱塞的質(zhì)量(kg);D——柱塞直徑(m)。此標(biāo)準(zhǔn)壓力作用于壓力傳感器的敏感元件上,實(shí)現(xiàn)靜態(tài)校準(zhǔn)。13.1壓力的測量

常用的靜態(tài)壓力校準(zhǔn)裝置為圖13-17所示的活塞壓力計(jì)。使用時(shí)打開貯油器6的進(jìn)油閥7,將液壓缸的活塞退至最右側(cè),使整個(gè)管道充滿油液。然后關(guān)閉閥門7,并分別打開通向被校準(zhǔn)壓力計(jì)和測量缸3的閥門,搖動(dòng)手輪使壓力缸1的活塞左移,壓縮油液2。當(dāng)測量柱塞4連同標(biāo)準(zhǔn)砝碼5在壓力油的作用下上升到規(guī)定的高度后,使砝碼5和測量柱塞4一起旋轉(zhuǎn),以減小柱塞和缸體之間的摩擦力。此時(shí)即產(chǎn)生由式(13-2)所確定的標(biāo)準(zhǔn)壓力,增減砝碼的數(shù)量可改變此壓力值。

在進(jìn)行低壓高精確度的靜態(tài)壓力校準(zhǔn)時(shí),還要計(jì)及砝碼所受到的空氣浮力。圖13-17活塞壓力計(jì)示意圖13.1壓力的測量2.壓力測量裝置的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)

通常壓力測量裝置的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)有兩種目的:一是確定壓力測量裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng),以便估計(jì)動(dòng)態(tài)誤差,必要時(shí)可進(jìn)行動(dòng)態(tài)誤差的修正;二是考慮有些壓力測量裝置的動(dòng)態(tài)靈敏度與靜態(tài)靈敏度不同,因此必須由動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)確定靈敏度。

所謂動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn),就是利用波形和幅值均能滿足一定要求的壓力信號發(fā)生裝置,向被校準(zhǔn)的壓力測量裝置輸入動(dòng)態(tài)壓力,通過測量其響應(yīng),而得到輸入和輸出間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。壓力信號發(fā)生裝置一般有正弦壓力信號發(fā)生器和瞬態(tài)壓力信號發(fā)生器兩類。前者測量及信號處理都比較簡單,但它僅適用于低壓和低頻的情況;后者則是目前應(yīng)用最廣泛的動(dòng)態(tài)壓力信號發(fā)生裝置,這里只討論這種裝置。

瞬態(tài)壓力信號發(fā)生器是指能產(chǎn)生階躍或脈沖壓力信號的裝置。對于動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)而言,目前階躍壓力信號發(fā)生裝置用得較為成功。階躍壓力信號發(fā)生裝置按其工作原理和結(jié)構(gòu),可分為快速閥門裝置和激波管兩類。13.1壓力的測量(1)快速閥門裝置快速閥門裝置的結(jié)構(gòu)盡管很多,但其基本原理是相同的,就是將壓力傳感器安裝在一個(gè)容積很小的容腔壁上,當(dāng)這個(gè)小容腔通過快速閥門與一個(gè)高壓容腔接通時(shí),作用在傳感器上的壓力就迅速上升到一個(gè)穩(wěn)定值。反之,如果高壓小容腔通過閥門與低壓容腔或大氣相通時(shí),壓力就迅速降低到某個(gè)穩(wěn)定值。為了加快壓力躍升或下躍的速度,一方面應(yīng)盡量減小容腔的容積,另一方面應(yīng)盡量提高閥門的動(dòng)作速度。

作為例子,圖13-18給出了一個(gè)預(yù)應(yīng)力桿式閥門裝置的原理圖。圖13-18預(yù)應(yīng)力桿式閥門裝置的原理圖13.1壓力的測量

這種動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)裝置由充滿液體的大小兩個(gè)容腔所組成,兩者的容積比為1000∶1,長度比為40∶1,中間用一個(gè)特殊的閥門將它們隔開。被校準(zhǔn)的傳感器安裝在較小的容腔內(nèi),通過泄放閥保證其初始壓力為大氣壓,然后將泄放閥關(guān)閉。將大容腔的液體加壓至所需的壓力,由于大小容腔的容積相差甚大,因此在閥門突然開啟時(shí),兩腔內(nèi)最終的平衡壓力與大容腔的初始壓力相差不到1%。該裝置是利用長閥桿的彈性變形使閥門快速開啟的。(2)激波管在氣體中,當(dāng)某處的壓力發(fā)生突然變化時(shí),壓力波以超過音速的速度傳播,其速度隨壓力突然變化的強(qiáng)弱而定,壓力突變越大則波速越高。當(dāng)波陣面到達(dá)某處時(shí),該處氣體的壓力、溫度和密度都發(fā)生劇烈變化。在波陣面尚未到達(dá)的地方,氣體則完全不受它的擾動(dòng)。波陣面后面的氣體壓力、溫度和密度都比波陣面前面的高,而且氣體粒子也朝著波陣面運(yùn)動(dòng)的方向流動(dòng),但速度低于波陣面的速度,這樣的波就稱為激波。13.1壓力的測量

所謂激波管就是用來產(chǎn)生平面激波的一種裝置,如圖13-19所示,它用薄膜作沖擊膜片,將激波管隔離為高壓區(qū)和低壓區(qū),被標(biāo)定的傳感器裝于低壓區(qū)的一端。當(dāng)薄膜被高壓擊破后形成激波,使低壓區(qū)的壓力迅速上升,保持一定的時(shí)間后下降。壓力上升時(shí)間約為0.2μs,壓力保持時(shí)間為幾至幾十毫秒,壓力階躍的幅值取決于激波管的結(jié)構(gòu)和薄膜厚度。激波管常用來標(biāo)定諧振頻率比較高的壓力測量設(shè)備。圖13-19激波管13.1壓力的測量3.便攜式壓力校準(zhǔn)系統(tǒng)

近年來出現(xiàn)了適合于實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)和準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)的便攜式壓力校準(zhǔn)系統(tǒng),如圖13-20所示。利用安裝適配接頭將被校準(zhǔn)傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器安裝到壓力發(fā)生器上,轉(zhuǎn)動(dòng)手柄,便產(chǎn)生所需要的壓力。壓電傳感器動(dòng)態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)儀內(nèi)部兩通道高精密電荷放大器將被校準(zhǔn)傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出的電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,經(jīng)過A-D轉(zhuǎn)換后,由微處理機(jī)進(jìn)行分析和處理。校準(zhǔn)儀同時(shí)配有計(jì)算機(jī)串行和并行接口,可連接計(jì)算機(jī)對校準(zhǔn)儀進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置和操作。圖13-20便攜式壓力校準(zhǔn)系統(tǒng)13.1壓力的測量13.1.4動(dòng)態(tài)壓力測量的管道效應(yīng)

當(dāng)壓力傳感器安裝到測壓點(diǎn)上之后,其動(dòng)態(tài)特性自然還要受到被測流體的性質(zhì)和安裝情況的影響。為了使壓力測量系統(tǒng)具有最佳的動(dòng)態(tài)性能,傳感器與測壓點(diǎn)處的連接應(yīng)該像圖13-21a那樣,即傳感器膜片與測壓點(diǎn)周圍的壁面處于“齊平”狀態(tài)。傳感器膜片與測壓點(diǎn)間的任何連接管道及容腔將在不同程度上降低測量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。然而在許多情況下要實(shí)現(xiàn)“齊平”安裝是困難的,往往要采用圖13-21b所示的管道—容腔安裝方式。

感壓元件前的引壓管道和容腔的存在會引起壓力信號的衰減和相位滯后,即動(dòng)態(tài)壓力測量的管道效應(yīng)。管道效應(yīng)會使整個(gè)測量系統(tǒng)的響應(yīng)速度大大低于傳感器的響應(yīng)速度,造成動(dòng)態(tài)壓力測量的失真,因此必須予以重視。圖13-21傳感器的安裝方式13.2流量的測量

流體的流量是指單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道或明渠某一橫截面的數(shù)量。若流體以體積表示時(shí),稱為體積流量,單位為m3/s;若以質(zhì)量表示時(shí),稱為質(zhì)量流量,單位為kg/s。

液體體積流量可以用標(biāo)準(zhǔn)容器和秒表(或電子計(jì)時(shí)裝置)來測量,也就是測量液體充滿某一確定容積所需的時(shí)間。這種方法只能用來測量穩(wěn)定的流量或平均流量。由于它在測量穩(wěn)定的流量時(shí)可以達(dá)到很高的精確度,因此也是各種流量計(jì)靜態(tài)校準(zhǔn)的基本方法。

一般工業(yè)用或?qū)嶒?yàn)室用液體流量計(jì)的基本工作原理是通過某種中間轉(zhuǎn)換元件或機(jī)構(gòu),將管道中流動(dòng)的液體流量轉(zhuǎn)換成壓差、位移、力、轉(zhuǎn)速等參量,然后再將這些參量轉(zhuǎn)換成電量,從而得到與液體流量成一定函數(shù)關(guān)系(線性或非線性)的電量(模擬或數(shù)字)輸出。13.2流量的測量13.2.1常用的流量計(jì)1.差壓式流量計(jì)

差壓式流量計(jì)是在流通管道上設(shè)置流動(dòng)阻力件,當(dāng)液體流過阻力件時(shí),在它前后形成與流量成一定函數(shù)關(guān)系的壓力差,通過測量壓力差,即可確定通過的流量。因此,這種流量計(jì)主要由產(chǎn)生差壓的裝置和差壓計(jì)兩部分組成。產(chǎn)生差壓的裝置有多種形式,包括節(jié)流裝置(孔板、噴嘴、文杜里管等)、動(dòng)壓管、均速管、彎管等。其他形式的差壓式流量計(jì)還有轉(zhuǎn)子式流量計(jì)、靶式流量計(jì)等。13.2流量的測量

(1)節(jié)流式流量計(jì)圖13-22所示的差壓式流量計(jì)是使用孔板作為節(jié)流元件。在管道中插入一片中心開有銳角孔的圓板(俗稱孔板),當(dāng)液體流過孔板時(shí),流動(dòng)截面縮小,流動(dòng)速度加快,根據(jù)伯努利方程,壓力必定下降。分析表明,若在節(jié)流裝置前后端面處取靜壓力p1和p2,則流體體積流量為圖13-22差壓流量計(jì)原理圖式中qV——體積流量(m3/s);

A0——孔板的開口面積(m2);

ρ——液體的密度(kg/m3);

α——流量系數(shù),一個(gè)與流道尺寸、取壓方式和流速分布狀態(tài)有關(guān)的系數(shù),無量綱量。13.2流量的測量

上面的分析表明,在管道中設(shè)置節(jié)流元件就是要造成局部的流速差異,得到與流速成函數(shù)關(guān)系的壓差。在一定的條件下,流體的流量與節(jié)流元件前后壓差的二次方根成正比,采用壓力變送器測出此壓差,經(jīng)開方運(yùn)算,便得到流量信號。在組合儀表中有各種專門的職能單元。若將節(jié)流裝置、差壓變送器和開方器組合起來,便成為測量流量的差壓流量變送器。

上述流量—壓差關(guān)系雖然比較簡單,但流量系數(shù)α的確定卻十分麻煩。大量的實(shí)驗(yàn)表明,只有在流體接近充分紊流時(shí),即雷諾數(shù)Re大于某一界限值(約為105數(shù)量級)時(shí),α才是與流動(dòng)狀態(tài)無關(guān)的常數(shù)。13.2流量的測量

流量系數(shù)除了與孔口對管道的面積比及取壓方式有關(guān)之外,還和所采用的節(jié)流裝置的形式有著密切關(guān)系。目前常用的節(jié)流元件還有壓力損失較小的文杜里管(見圖13-23c)和噴嘴(見圖13-23b)等。取壓方式除上述在孔板前后端面處取壓的“角接取壓法”外,還有在離孔板前后端面各1in(1in=25.4mm)處的管壁上取壓等。取壓方式不同,流量系數(shù)也不相同。此外,管壁的粗糙程度、孔口邊緣的尖銳度、流體黏度、溫度以及可壓縮性都對此系數(shù)值有影響。由于工業(yè)上應(yīng)用差壓式流量計(jì)已有很長的歷史,對一些標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)流裝置做過大量的試驗(yàn)研究,積累了一套十分完整的數(shù)據(jù)資料。使用這種流量計(jì)時(shí),只要根據(jù)所采用的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件、安裝方式和使用條件,查閱有關(guān)手冊,便可計(jì)算出流量系數(shù),而無須重新校準(zhǔn)。圖13-23節(jié)流裝置13.2流量的測量

差壓式流量計(jì)是目前各工業(yè)部門應(yīng)用最廣泛的一類流量儀表,約占整個(gè)流量儀表的70%,在較好的情況下測量精確度為±1%~±2%。但實(shí)際使用時(shí),由于雷諾數(shù)及流體溫度、黏度、密度等的變化以及孔板孔口邊緣的腐蝕磨損程度不同,精確度常遠(yuǎn)低于±2%。(2)彎管流量計(jì)當(dāng)流體通過管道彎頭時(shí),受到角加速度的作用而產(chǎn)生的離心力會在彎頭的外半徑側(cè)與內(nèi)半徑側(cè)之間形成差壓,此差壓的二次方根與流體流量成正比。只要測出差壓就可得到流量值。彎管流量計(jì)如圖13-24所示。圖13-24彎管流量計(jì)示意圖13.2流量的測量

取壓口開在45°角處,兩個(gè)取壓口要對準(zhǔn)。彎頭的內(nèi)壁應(yīng)保證基本光滑,在彎頭入口和出口平面各測兩次直徑,取其平均值作為彎頭內(nèi)徑D。彎頭曲率R取其外半徑與內(nèi)半徑的平均值。彎管流量計(jì)的流量方程式為

流量系數(shù)k與彎管的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān),也與流體流速有關(guān),需由實(shí)驗(yàn)確定。

彎管流量計(jì)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、安裝維修方便;在彎管內(nèi)流動(dòng)無障礙,沒有附加壓力損失;對介質(zhì)條件要求低。其主要缺點(diǎn)是產(chǎn)生的差壓非常小。它是一種尚未標(biāo)準(zhǔn)化的儀表。由于許多裝置上都有不少的彎頭,可用現(xiàn)有的彎頭作為測量彎管,所以成本低廉,尤其在管道工藝條件受限制的情況下,可用彎管流量計(jì)測量流量,但是其前直管段至少要長10D。彎頭之間的差異限制了測量精度的提高,其精確度為±5%~±10%,但其重復(fù)性可達(dá)±1%。有些生產(chǎn)廠提供專門加工的彎管流量計(jì),經(jīng)單獨(dú)標(biāo)定,能使精確度提高到±0.5%。式中D——彎頭內(nèi)徑; ρ——流體密度;Δp——差壓值; k——彎管流量系數(shù)。13.2流量的測量(3)轉(zhuǎn)子流量計(jì)在小流量測量中,經(jīng)常使用圖13-25所示的轉(zhuǎn)子流量計(jì)。它也是利用流體流動(dòng)的節(jié)流原理工作的流量測量裝置。與上述差壓流量計(jì)的不同之處在于它的壓差是恒定的,而節(jié)流口的過流面積卻是變化的。圖13-25轉(zhuǎn)子流量計(jì)13.2流量的測量

圖中,一個(gè)能上下浮動(dòng)的轉(zhuǎn)子2被置于錐形測量管1中。當(dāng)被測流體自下向上流動(dòng)時(shí),由于轉(zhuǎn)子2和管壁之間形成的環(huán)形縫隙的節(jié)流作用,在轉(zhuǎn)子上、下端出現(xiàn)壓差Δp,此壓差對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個(gè)向上的推力,克服轉(zhuǎn)子的重量使其向上移動(dòng),這就使得環(huán)形縫隙過流截面積增大,壓差下降,直至壓差產(chǎn)生的向上推力與轉(zhuǎn)子的重量平衡為止。因此通過的流量不同,轉(zhuǎn)子在錐形測量管中懸浮的位置也就不同,測出相應(yīng)的懸浮高度,便可確定通過的流體流量。節(jié)流口的流量公式為式(13-3),式中p1-p2為節(jié)流口前后的壓差(Pa)。

若Δp、ρ和α均為常數(shù),則流量qV與環(huán)形節(jié)流口的過流面積A0成正比,對于錐形測量管,面積A0與轉(zhuǎn)子所處的高度成近似的正比關(guān)系,故可采用差動(dòng)變壓器式等位移傳感器,將流量轉(zhuǎn)化為成比例的電量輸出。

實(shí)際上流量系數(shù)α等是隨著工作條件而變化的,因此這種流量計(jì)對被測流體的黏度或溫度也是非常敏感的,并且有較嚴(yán)重的非線性。當(dāng)被測流體的物性系數(shù)(密度、黏度)和狀態(tài)參數(shù)(溫度、壓力)與流量計(jì)標(biāo)定流體不同時(shí),必須對流量計(jì)指示值進(jìn)行修正。13.2流量的測量(4)靶式流量計(jì)圖13-26為靶式流量計(jì)的工作原理圖。這種流量計(jì)是在管道中裝設(shè)一圓靶(靶置于管道中央,靶的平面垂直于流體流動(dòng)方向)作為節(jié)流元件。當(dāng)液體流過時(shí),靶上就受到一個(gè)推力作用,其大小與通過的流量成一定函數(shù)關(guān)系,測量推力F1(或測量管外杠桿一端的平衡力F2)即可確定流量值。

靶式流量計(jì)的流量與檢測信號(力)之間的關(guān)系是非線性的,這就給使用帶來很大的不便,并且限制了流量計(jì)的測量范圍。近年來出現(xiàn)了一種新型的自補(bǔ)償靶式流量計(jì),它使用測量控制網(wǎng)絡(luò)和專門的電控元件,使靶上所受的推力被自動(dòng)平衡,于是輸出的控制電流值與體積流量呈線性關(guān)系。圖13-26靶式流量計(jì)的工作原理圖2.容積式流量計(jì)13.2流量的測量

容積式流量計(jì)實(shí)際上就是某種形式的容積式液動(dòng)機(jī)。液體從進(jìn)口進(jìn)入液動(dòng)機(jī),經(jīng)過一定尺寸的工作容腔,由出口排出,使得液動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。對于一定規(guī)格的流量計(jì)來說,輸出軸每轉(zhuǎn)一周所通過的液體體積是恒定的,此體積稱為流量計(jì)的每轉(zhuǎn)排量。測量輸出軸的平均轉(zhuǎn)速,可得到平均流量值;而累計(jì)輸出軸的轉(zhuǎn)數(shù),即可得到通過液體的總體積。

容積式流量計(jì)有橢圓齒輪流量計(jì)、腰形轉(zhuǎn)子流量計(jì)、螺旋轉(zhuǎn)子流量計(jì)等。另外,符合一定要求的液動(dòng)機(jī)也可用來測量流量。13.2流量的測量(1)橢圓齒輪流量計(jì)橢圓齒輪流量計(jì)的工作原理如圖13-27所示。在金屬殼體內(nèi),有一對精密嚙合的橢圓齒輪A和B,當(dāng)流體自左向右通過時(shí),在壓力差的作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。例如齒輪處于圖13-27a所示的位置時(shí),p1>p2,A輪左側(cè)壓力大,右側(cè)壓力小,產(chǎn)生的力矩使A輪做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),A輪把它與殼體間月牙形容積內(nèi)的液體排至出口,并帶動(dòng)B輪轉(zhuǎn)動(dòng):在圖13-27b所示的位置上,A和B兩輪都產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,于是繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),并逐漸將液體封入B輪和殼體間的月牙形空腔內(nèi);到達(dá)圖13-27c所示的位置時(shí),作用于A輪上的轉(zhuǎn)矩為零,而B輪左側(cè)的壓力大于右側(cè),產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,使B輪成為主動(dòng)輪,帶動(dòng)A輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn),并將月牙形容積內(nèi)的液體排至出口。如此繼續(xù)下去,橢圓齒輪每轉(zhuǎn)一周,向出口排出4個(gè)月牙形容積的液體。累計(jì)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù),便可知道流過的液體總量。測定一定時(shí)間間隔內(nèi)通過的液體總量,便可計(jì)算出平均流量。圖13-27橢圓齒輪流量計(jì)的工作原理圖13.2流量的測量

由于橢圓齒輪流量計(jì)是由固定容積來直接計(jì)量流量的,故與流體的流態(tài)(雷諾數(shù))及黏度無關(guān)。然而,黏度變化要引起泄漏量的變化,從而影響測量精確度。橢圓齒輪流量計(jì)只要加工精確,配合緊密,并防止使用中腐蝕和磨損,便可得到很高的精確度。一般情況下測量精確度為0.5%~1%,較好的可達(dá)0.2%。

應(yīng)當(dāng)指出,當(dāng)通過流量計(jì)的流量恒定時(shí),橢圓齒輪在一周內(nèi)的轉(zhuǎn)速是變化的,但每周的平均角速度是不變的。在橢圓齒輪的短軸與長軸之比為0.5的情況下,轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的脈動(dòng)率接近0.65。由于角速度的脈動(dòng),測量瞬時(shí)轉(zhuǎn)速并不能表示瞬時(shí)流量,而只能測量整數(shù)圈的平均轉(zhuǎn)速來確定平均流量。

橢圓齒輪流量計(jì)的外伸軸一般帶有機(jī)械計(jì)數(shù)器,由它的讀數(shù)便可確定通過流量計(jì)的液體總量。這種流量計(jì)同秒表配合,可測出平均流量。但由于用秒表測量的人為誤差大,因此測量精確度很低。有些橢圓齒輪流量計(jì)的外伸軸帶有測速發(fā)電機(jī)或光電測速孔盤。前者是模擬電量輸出,后者是脈沖輸出。采用相應(yīng)的二次儀表,可讀出平均流量和累計(jì)流量。13.2流量的測量(2)腰形轉(zhuǎn)子流量計(jì)圖13-28為腰形轉(zhuǎn)子流量計(jì)的原理圖。殼體中裝有經(jīng)過精密加工、表面光滑無齒但能作密切配滾的一對轉(zhuǎn)子,每個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸上都裝有一個(gè)同步齒輪,這對處于另外腔室中的同步齒輪相互嚙合,以保證兩個(gè)轉(zhuǎn)子的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系。在通過流量計(jì)的流量恒定的情況下,轉(zhuǎn)子角速度脈動(dòng)率約為0.22。但如果采用特殊結(jié)構(gòu),即兩對轉(zhuǎn)子按45°相位差的關(guān)系組合起來,那么這個(gè)數(shù)值可減小到0.027。由于轉(zhuǎn)子的各處配合間隙會產(chǎn)生泄漏,從而使這種流量計(jì)在小流量測量時(shí)誤差較大。圖13-28腰形轉(zhuǎn)子流量計(jì)原理圖13.2流量的測量(3)螺旋轉(zhuǎn)子流量計(jì)圖13-29所示為四瓣螺旋轉(zhuǎn)子流量計(jì),其轉(zhuǎn)子為對稱圓弧齒廓的螺旋齒。一對轉(zhuǎn)子直接嚙合驅(qū)動(dòng),不用同步齒輪,嚙合中沒有困油現(xiàn)象。在工作過程中壓力損失和壓力脈動(dòng)均較小,且在流量恒定的情況下,轉(zhuǎn)子角速度脈動(dòng)率為零。圖13-29四瓣螺旋轉(zhuǎn)子流量計(jì)13.2流量的測量3.速度式流量計(jì)

速度式流量計(jì)是通過測量管道內(nèi)流體流動(dòng)速度來測量流量的,若測得管道截面上的平均流速,則流體的體積流量為平均流速與管道橫截面積的乘積。(1)渦輪流量計(jì)渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖13-30所示,渦輪轉(zhuǎn)軸的軸承由固定在殼體上的導(dǎo)流器所支承,流體順著導(dǎo)流器流過渦輪時(shí),推動(dòng)葉片使渦輪轉(zhuǎn)動(dòng),其轉(zhuǎn)速與流量qV成一定的函數(shù)關(guān)系,通過測量轉(zhuǎn)速即可確定對應(yīng)的流量qV。圖13-30渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)13.2流量的測量

由于渦輪是被封閉在管道中,因此采用非接觸式磁電檢測器來測量渦輪的轉(zhuǎn)速。在不導(dǎo)磁的管殼外面安裝的檢測器是一個(gè)套有感應(yīng)線圈的永久磁鐵,渦輪的葉片是用導(dǎo)磁材料制成的。若渦輪轉(zhuǎn)動(dòng),葉片每次經(jīng)過磁鐵下面時(shí),都要使磁路的磁阻發(fā)生一次變化,從而輸出一個(gè)電脈沖。顯然輸出脈沖的頻率與轉(zhuǎn)速成正比,測量脈沖頻率即可確定瞬時(shí)流量。若累計(jì)一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù),便可得到這段時(shí)間內(nèi)的累計(jì)流量。

渦輪流量計(jì)出廠時(shí)是以水校準(zhǔn)的。以水作為工作介質(zhì)時(shí),每種規(guī)格的流量計(jì)在規(guī)定的測量范圍內(nèi),以一定的精確度保持這種線性關(guān)系。當(dāng)被測流體的運(yùn)動(dòng)黏度小于5×10-6m2/s時(shí),在規(guī)定的流量測量范圍內(nèi),可直接使用生產(chǎn)廠給出的儀表常數(shù)ξ,而不必另行校準(zhǔn)。但是在液壓系統(tǒng)的流量測量中,由于被測流體的黏度較大,在生產(chǎn)廠提供的流量測量范圍內(nèi),上述線性關(guān)系不成立(特大口徑的流量計(jì)除外),儀表常數(shù)ξ隨液體的溫度(或黏度)和流量的不同而變化。在此情況下流量計(jì)必須重新校準(zhǔn)。對每種特定介質(zhì),可得到一簇校準(zhǔn)曲線,利用這些曲線就可對測量結(jié)果進(jìn)行修正。由于這種曲線以溫度為參變量,故在流量測量中必須測量通過流量計(jì)的流體溫度。當(dāng)然,也可使用反饋補(bǔ)償系統(tǒng)來得到線性特性。

就渦輪流量計(jì)本身來說,其時(shí)間常數(shù)為2~10ms,因此具有較好的響應(yīng)特性,可用來測量瞬變或脈動(dòng)流量。渦輪流量計(jì)在線性工作范圍內(nèi)的測量精確度為0.25%~1.0%。13.2流量的測量(2)渦街流量計(jì)渦街流量計(jì)是利用流體振蕩的原理進(jìn)行流量測量的。當(dāng)流體流過非流線型阻擋體時(shí)會產(chǎn)生穩(wěn)定的漩渦。漩渦的產(chǎn)生頻率與流體流速有著確定的對應(yīng)關(guān)系,測量頻率的變化,就可得知流體的流量。

渦街流量計(jì)的測量主體是漩渦發(fā)生體。漩渦發(fā)生體是一個(gè)具有非流線型截面的柱體,垂直插于流通截面內(nèi)。當(dāng)流體流過漩渦發(fā)生體時(shí),在發(fā)生體兩側(cè)會交替地產(chǎn)生漩渦,并在它的下游形成兩列不對稱的漩渦列。當(dāng)每兩個(gè)漩渦之間的縱向距離h和橫向距離L滿足一定的關(guān)系,即h/L=0.281時(shí),這兩個(gè)漩渦列將是穩(wěn)定的,稱之為“卡門渦街”。大量實(shí)驗(yàn)證明,在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi),穩(wěn)定的漩渦產(chǎn)生頻率f與漩渦發(fā)生體處的流速v有確定的關(guān)系,即式中d——漩渦發(fā)生體的特征尺寸;St——斯特羅哈爾數(shù)。St與漩渦發(fā)生體的形狀及流體雷諾數(shù)有關(guān),在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi),St數(shù)值基本不變。漩渦發(fā)生體的形狀有圓柱體、三角柱、矩形柱、T形柱以及由以上簡單柱體組合而成的組合柱形,不同柱形的St不同,如圓柱體為0.21,三角柱體為0.16。其中三角柱體產(chǎn)生的漩渦強(qiáng)度較大、穩(wěn)定性較好、壓力損失適中,故應(yīng)用較多。13.2流量的測量

當(dāng)漩渦發(fā)生體的形狀和尺寸確定后,可通過測量漩渦產(chǎn)生頻率來測量流體的流量。其流量方程為式中K——儀表系數(shù),一般通過實(shí)驗(yàn)測得。

檢測漩渦頻率的方法很多,可分為一體式和分體式兩類。一體式檢測元件放在漩渦發(fā)生體內(nèi),如熱絲式、熱敏電阻式、膜片式;分體式檢測元件則裝在漩渦發(fā)生體下游,如壓電式、超聲式、光纖式。它們都是利用漩渦產(chǎn)生時(shí)引起的波動(dòng)進(jìn)行測量的。圖13-31為三角柱體渦街檢測器原理圖,用熱敏電阻檢測漩渦頻率。圖13-31三角柱體渦街檢測器原理圖13.2流量的測量

嵌入三角柱體迎流面的兩只熱敏電阻組成電橋的兩臂,且由恒流電源供以微弱的電流對其加熱,使其溫度稍高于流體。在交替產(chǎn)生的漩渦作用下,兩只電阻被周期地冷卻,使其阻值改變,并由電橋轉(zhuǎn)變成電壓的變化。最終電橋輸出與漩渦產(chǎn)生頻率相一致的交變電壓信號,測得其變化頻率,便可得知流體的流量。渦街流量計(jì)的精確度為±0.5%~±1%,是一種正在得到廣泛應(yīng)用的流量計(jì)。(3)電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的一種流量計(jì),用來測量導(dǎo)電液體的流量。測量原理如圖13-32所示,它是由產(chǎn)生均勻磁場的磁路系統(tǒng)、用不導(dǎo)磁材料制成的管道及在管道橫截面上的導(dǎo)電電極組成。磁場方向、電極連線及管道軸線三者在空間互相垂直。圖13-32電磁流量計(jì)原理圖13.2流量的測量

當(dāng)被測導(dǎo)電液體流過管道時(shí),切割磁力線,便在和磁場及流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,其值與被測流體的流速成正比,即

E=BDv(13-7)式中B——磁感應(yīng)強(qiáng)度(T);D——管道內(nèi)徑(m);v——液體平均流速(m/s)。

由式(13-7)可得被測液體的流量為式中K——儀表常數(shù),對于固定的電磁流量計(jì),K為定值。

電磁流量計(jì)的測量管道內(nèi)沒有任何阻力件,適用于有懸浮顆粒的漿流等的流量測量,而且壓力損失極小;測量范圍寬,可達(dá)100∶1;因感應(yīng)電動(dòng)勢與被測液體溫度、壓力、黏度等無關(guān),故其使用范圍廣;可以測量各種腐蝕性液體的流量;電磁流量計(jì)慣性小,可用來測量脈動(dòng)流量;要求測量介質(zhì)的導(dǎo)電率大于0.002~0.005Ω/m中的某值,因此不能測量氣體及石油制品。13.2流量的測量(4)超聲波流量計(jì)超聲波流量計(jì)利用超聲波在流體中的傳播特性實(shí)現(xiàn)流量測量。超聲波在流體中傳播,將受到流體速度的影響,檢測接收的超聲波信號可測知流速,從而求得流量。測量方法有多種,按作用原理分為傳播速度法、多普勒效應(yīng)法、聲束偏移法、相關(guān)法等。在工業(yè)應(yīng)用中以傳播速度法最為普遍。

傳播速度法利用超聲波在流體中順流傳播與逆流傳播的速度變化來測量流體流速。具體方法有時(shí)間差法、頻差法(測量原理見圖13-33)和相差法。圖13-33時(shí)間差法和頻差法原理13.2流量的測量

在管道壁上,從上、下游兩個(gè)作為發(fā)射器的超聲換能器T1、T2發(fā)出超聲波,各自到達(dá)下游和上游作為接收器的超聲換能器R1、R2。流體靜止時(shí)的超聲波聲速為c,流體流動(dòng)時(shí)順流和逆流的聲速將不同。超聲波從T1到R1和從T2到R2的時(shí)間分別為t1和t2,可得式中L——兩探頭間的距離;v——流體平均流速。

一般情況下,c>>v,則時(shí)間差與流速的關(guān)系為測得時(shí)間差就可知流速。13.2流量的測量采用頻差法時(shí),列出頻率與流速的關(guān)系式為則頻率差與流速的關(guān)系為

采用頻差法測量可以不受聲速的影響,不必考慮流體溫度變化對聲速的影響。

超聲流量計(jì)可夾裝在管道外表面,儀表阻力損失極小,還可以做成便攜式儀表,探頭安裝方便,通用性好,可測量各種流體的流量,包括腐蝕性、高黏度、非導(dǎo)電性流體,尤其適合大口徑管道的測量。缺點(diǎn)是價(jià)格較貴,目前多用在不適于其他流量計(jì)的地方。近年來測量氣體流量的儀表也已問世。13.2流量的測量4.相關(guān)流量計(jì)

相關(guān)流量測量技術(shù)是運(yùn)用相關(guān)函數(shù)理論,通過檢測流體流動(dòng)過程中隨機(jī)產(chǎn)生的濃度、速度或是兩相流動(dòng)的密度不規(guī)則分布而產(chǎn)生的信號,測得流體的速度,從而計(jì)算流量。

相關(guān)流量計(jì)實(shí)際上是一個(gè)流速測量系統(tǒng),其工作原理如圖13-34所示。圖13-34相關(guān)流量計(jì)測量原理圖13.2流量的測量

兩個(gè)相同特性的傳感器(光學(xué)、電學(xué)或聲學(xué)傳感器)安裝在被測流體的管道上,兩者的中心距為L。當(dāng)被測流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí),流體內(nèi)部會產(chǎn)生隨機(jī)擾動(dòng),例如,單相流體中的湍流渦漩的不斷產(chǎn)生和衰減,兩相流體中離散相的顆粒尺寸和空間分布的隨機(jī)變化等,將會對傳感器所發(fā)出的能量束(如光束)或它們所形成的能量場(如電場)產(chǎn)生隨機(jī)的幅值調(diào)制或相位調(diào)制,或兩者的混合調(diào)制作用,并產(chǎn)生相應(yīng)的物理量(如電壓、電流、頻率等)的隨機(jī)變化。通過解調(diào)、放大和濾波電路,可以分別取出被測流體在通過上、下游傳感器之間的敏感區(qū)域時(shí)所發(fā)出的隨機(jī)信號X(t)和Y(t)。如果上、下游傳感器之間的距離L足夠小,則隨機(jī)信號X(t)和Y(t)彼此是基本相似的,僅下游信號Y(t)相對于上游信號X(t)有一個(gè)時(shí)間上的滯后。將兩者做相關(guān)運(yùn)算,得13.2流量的測量

互相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)的峰值位置τ0就是該時(shí)間滯后值的度量。

在理想的流動(dòng)情況下,被測流體在上、下游傳感器所在的管道截面之間的流動(dòng)滿足泰勒(G.I.Taylor)提出的“凝固”流動(dòng)圖形假設(shè)時(shí),相關(guān)速度為uc=L/τ0(13-14)

相關(guān)速度和被測流體的截面平均速度ucp相等,即ucp=qV/A=uc=L/τ0(13-15)

則被測流體的流量為qV=AL/τ0(13-16)

相關(guān)流量計(jì)既可測潔凈的液體和氣體的流量,又能測污水及多種氣-固和氣-液兩相流體的流量;管道內(nèi)無測量元件,沒有任何壓力損失;隨著微電子技術(shù)和微處理器的發(fā)展,在線流量測量專用的相關(guān)流量計(jì)價(jià)格便宜、功能齊全而且體積小。所以相關(guān)流量測量技術(shù)將會得到更快的發(fā)展。13.2流量的測量5.質(zhì)量流量檢測方法

上面介紹的流量計(jì)都是用來測體積流量的,由于流體的體積是流體溫度、壓力和密度的函數(shù),在流體狀態(tài)參數(shù)變化的情況下,采用體積流量測量方式會產(chǎn)生較大誤差。因此,在工業(yè)生產(chǎn)過程參數(shù)檢測和控制中,以及對產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量控制、經(jīng)濟(jì)核算等,需要檢測流體的質(zhì)量流量。

質(zhì)量流量計(jì)可分為直接式質(zhì)量流量計(jì)和間接式質(zhì)量流量計(jì)兩大類。(1)直接式質(zhì)量流量計(jì)直接式質(zhì)量流量計(jì)的輸出信號直接反映質(zhì)量流量,目前用得較多的有科里奧利質(zhì)量流量計(jì)和熱式質(zhì)量流量計(jì)。1)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是通過測量流體流過以一定頻率振動(dòng)的檢測管時(shí)所受科里奧利力的變化來反映質(zhì)量流量的儀表。測量精度高、受流體物性參數(shù)影響小是其主要特點(diǎn)。2)熱式質(zhì)量流量計(jì)是利用測量加熱流體或加熱物體被流體冷卻的速度與流速之間的關(guān)系,或測量加熱物體時(shí)溫度上升一定值所需的能量與流速之間的關(guān)系來測量流量的儀表。熱式質(zhì)量流量計(jì)一般用來測量氣體的質(zhì)量流量,適用于微小流量測量。當(dāng)需要測量較大流量時(shí),要采用分流方法,僅測一部分流量,再求得全部流量。它結(jié)構(gòu)簡單,壓力損失小。缺點(diǎn)是靈敏度低,測量時(shí)還要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。13.2流量的測量(2)間接式質(zhì)量流量計(jì)間接式質(zhì)量流量計(jì)是通過不同儀表的組合來間接推知質(zhì)量流量的量值。它采用密度或溫度、壓力補(bǔ)償?shù)姆椒?在測量體積流量的同時(shí),測量流體的密度或流體的溫度、壓力值,再通過運(yùn)算求得質(zhì)量流量。現(xiàn)在帶有微處理器的流量傳感器均可實(shí)現(xiàn)這一功能,這類儀表又稱為推導(dǎo)式質(zhì)量流量計(jì)。主要有三種:1)測量體積流量的儀