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文檔簡介
制冷與低溫測試技術(shù)
0第四章流量的測量(二)0第四節(jié):超聲波流量計(jì)0f<20Hz,次聲波,f=20~20KHz:聲波f>20KHz:超聲波機(jī)械波波是振動在彈性介質(zhì)中的傳播縱波:質(zhì)點(diǎn)振動方向和傳播方向一致的波橫波:質(zhì)點(diǎn)振動方向和傳播方向垂直的波表面波:質(zhì)點(diǎn)振動介于縱波和橫波,沿表面進(jìn)行傳播的波形。根據(jù)介質(zhì)厚度與波長之比與質(zhì)點(diǎn)振動方式和傳播速度的不同,表面波又分為瑞麗波和拉普波??v波能夠在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播,橫波、表面波只能在固體介質(zhì)中傳播。具有良好的方向性??!穿透性好超聲波流量計(jì)超聲波流量計(jì)超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)是流體內(nèi)不插入任何元件,對流速無影響,也沒有壓力損失;由于超聲波能穿透金屬,可將超聲換能器裝在金屬管道外面,因此管道無須特殊加工,在直管道上隨處都可以進(jìn)行測量。超聲波頻率選擇恰當(dāng),可在流體內(nèi)遠(yuǎn)距離穿透,適于大管道甚至江河的流量測量。超聲波不受流體導(dǎo)電性及磁效應(yīng)影響,應(yīng)用范圍十分廣泛。超聲波流量計(jì)的輸出與流量的關(guān)系一般是線性的,便于刻度和小流量測量。但是,超聲波是利用流體內(nèi)的聲傳播,流體內(nèi)如有氣泡及雜音出現(xiàn),會影響它的傳播。超聲波流量計(jì)實(shí)際測定的是流體速度,受到速度分布不同的影響,雖然可以校正,但不十分準(zhǔn)確。特別是超聲流量計(jì)應(yīng)用的電子器械較多,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,成本也較高。雖然如此,由于超聲波流量具有前述突出的優(yōu)點(diǎn),在有些場合如某些高溫或腐蝕性強(qiáng)的冶金過程中及特殊流體或危險(xiǎn)流體的流量測量中,應(yīng)用超聲波流量計(jì)比較適宜。00當(dāng)超聲波在流體中傳播時(shí),會載帶流體流速的信息。因此,根據(jù)對接收到的超聲波信號進(jìn)行分析計(jì)算,可以檢測到流體的流速,進(jìn)而可以得到流量值0傳播速度差法:測量超聲波脈沖在順流和逆流傳播過程中的速度之差來得到被測流體的流速。根據(jù)測量的物理量的不同,可以分為時(shí)差法(測量順、逆流傳播時(shí)由于超聲波傳播速度不同而引起的時(shí)間差)、相差法(測量超聲波在順、逆流中傳播的相位差)、頻差法(測量順、逆流情況下超聲脈沖的循環(huán)頻率差)。頻差法是目前常用的測量方法。0由F1到J2超聲波傳播速度為
F2到J1超聲波傳播速度為:流速時(shí)差法0時(shí)差法:如果超聲波發(fā)生器發(fā)射一短小脈沖,其順流傳播時(shí)間為而逆流傳播的時(shí)間為傳播時(shí)間差由于水和低溫流體聲速c的不同,超聲波流量計(jì)不能通用,需要重新標(biāo)定。00頻差法
0多普勒法當(dāng)隨流體以速度v運(yùn)動的顆粒流向超聲波發(fā)生器時(shí),顆粒接收到的聲波頻率f1為:當(dāng)該顆粒將f1頻率的聲波反射回去,則接受器收到的是f2頻率的聲波:頻差為:若c>>vcosθ0超聲波傳感器原理與結(jié)構(gòu)入射角橫波、縱波折射角入射介質(zhì)的縱波波速則:穿透系數(shù)T=1
當(dāng)聲波垂直通過聲阻抗分別為ρ1C1,ρ2C2,ρ3C3的介質(zhì)組成的界面時(shí),只要介質(zhì)2的聲阻抗為介質(zhì)1和介質(zhì)3的幾何平均值,且選取的介質(zhì)2的厚度為聲波長的(2n+1)/4時(shí),就能獲得聲波的全透射。若ρ1C1=ρ3C3≠ρ2C2,此時(shí)相當(dāng)于在一種介質(zhì)中插入了一片厚度為d的聲阻抗為ρ2C2的異質(zhì)介質(zhì)。此時(shí),當(dāng)ωd2/C2=2πd2/λ2=nπ,T~1
聲波在介質(zhì)中傳播,不論材料性質(zhì)如何,只要他的厚度為聲波波長的一半的整數(shù)倍,那么有和無一樣。0超聲波傳感器原理與結(jié)構(gòu)超聲波穿透性較強(qiáng),具有一定的方向性,傳輸過程衰變較小,反射能力較強(qiáng),因此得到了廣泛應(yīng)用。超聲波傳感器是實(shí)現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置,能發(fā)射和接收超聲波回波,并將其轉(zhuǎn)換為電信號。
常見的超聲波傳感器以壓電式為常見。常用材料為壓電晶體和壓電陶瓷。主要保護(hù)膜,壓電晶片,吸收快、外殼、電器接觸件等組成。若壓電晶片、保護(hù)膜和工質(zhì)之間的聲阻抗匹配,三者滿足:,且保護(hù)膜厚度為四分之一波長奇數(shù)倍時(shí),其透射系數(shù)為1,使壓電振子所輻射的超聲能,全部進(jìn)入晶片。施加的應(yīng)力d:壓電率q:電荷壓電效應(yīng)0便攜式多普勒超聲波流量計(jì)
精度:±1.0%滿量程
重復(fù)性:±0.1%滿量程
管徑:25-3050mm
標(biāo)準(zhǔn)
6-25mm
可選液體(管外)溫度:
-40℃至+121℃
標(biāo)準(zhǔn)
-40℃至+149℃
可選
0第五節(jié):速度頭流量計(jì)(a)圓錐形管接頭(b)半球形管接頭當(dāng)氣體速度達(dá)到60m/s時(shí),誤差達(dá)到1%。測得的是中心最大速度,而不是平均速度,與速度分布有關(guān),一般表達(dá)式為:管道速度分布狀態(tài)0流量的求取安裝測量點(diǎn)應(yīng)位于均勻流段,上、下游各有50d直管距離皮托管管口截面嚴(yán)格垂直于流動方向皮托管外徑d0不應(yīng)超過管內(nèi)徑d的1/50,即d0<d/50由速度分布曲線積分測管中心最大流速,由求平均流速,再計(jì)算流量。0第六節(jié):靶式流量計(jì)靶式流量計(jì)是60年代隨著工業(yè)生產(chǎn)迫切需要解決高粘度、低雷諾數(shù)流體的流量測量而發(fā)展起來的一種新型流量測量儀表.可用于低雷諾數(shù)、含固體顆粒的漿液及腐蝕介質(zhì)流量測量由靶式流量變送器和顯示儀表兩部分組成,其測量元件是一個(gè)在測量管中心并垂直于流向的被稱為“靶”的圓板,通過測量流體作用在靶上的力而實(shí)現(xiàn)流量測量0靶受到流體的作用力流速流量儀表精度可達(dá)
3.0%Re>20000圖4-25電動靶式流量變送器工作原理示意圖4-26氣動靶式流量計(jì)動作原理0從轉(zhuǎn)子的懸浮高度直接讀取流量數(shù)值屬恒壓差、變截面式流量計(jì)0′1′10第七節(jié):轉(zhuǎn)子流量計(jì)0原理轉(zhuǎn)子受力平衡伯努利方程由連續(xù)性方程
α——流量系數(shù)00圖4-28轉(zhuǎn)子流量計(jì)的
-Re曲線123適用于:小流量測量基本誤差:2級優(yōu)點(diǎn):量程比(10:1)比差壓式(3:1)大,量程較大壓降小反應(yīng)快必須垂直安裝可測量腐蝕性介質(zhì)流量缺點(diǎn):不耐壓不能粘附污垢非標(biāo)準(zhǔn)化儀表,單獨(dú)標(biāo)定(水,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下測量)不宜測量高粘度流體不能測量脈動量0標(biāo)定流體:20℃水(
=1000kg/m3
)
20℃、101.3kPa下空氣(
=1.2kg/m3)式中:1——標(biāo)定流體;
2——被測流體。氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)密度修正液體介質(zhì):0氣體介質(zhì):氣體密度受壓力、溫度變化的影響要比液體大的多,不同氣體測量需要換算,同一種氣體在不同參數(shù)(溫度、壓力)下也要變化??珊雎哉扯鹊挠绊憽#ú煌瑲怏w時(shí)的密度修正)(不同狀態(tài)時(shí)的密度修正)0附加:渦街流量計(jì)流體繞流圓柱流動狀態(tài)0渦街流量計(jì)“卡門渦街”原理:在流動的流體中放置一根其軸線與流向垂直的非流線性柱形體(如三角柱、圓柱等),稱之為漩渦發(fā)生體。當(dāng)流體沿漩渦發(fā)生體繞流時(shí),會在漩渦發(fā)生體下游產(chǎn)生不對稱但有規(guī)律的交替漩渦列利用流體流過阻礙物時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)定的漩渦,通過測量其漩渦產(chǎn)生頻率而實(shí)現(xiàn)流量計(jì)量.f=st*v/d幾乎不受流體組成、密度、粘度、壓力等因素的影響。量程比達(dá)到:10:1.壓力損失小。0f=st*v/d當(dāng)Re~300~3*105,St~0.21.當(dāng)Re~3*105~3*106,有規(guī)則的渦街不再出現(xiàn);Re>106,卡門渦街出現(xiàn),st~0.270由于漩渦之間的相互影響,其形成通常是不穩(wěn)定的,只有當(dāng)兩漩渦行之間的距離h和同行的兩漩渦之間的距離L之比滿足h/L=0.281時(shí),所產(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的0渦街流量計(jì)圓柱體后漩渦發(fā)生的頻率為
St是斯特羅哈數(shù),與雷諾數(shù)有關(guān)的無量綱數(shù)0渦街流量計(jì)0渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu):圓柱體表面開有導(dǎo)壓孔,與圓柱體內(nèi)部空腔相通.空腔由隔板分成兩部分,在隔板的中央部分有小孔,在小孔中裝有檢測流體流動的鉑電阻絲工作過程:當(dāng)旋渦在圓柱體下游側(cè)產(chǎn)生時(shí),出于升力的作用,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(jìn)入空腔,通過隔板中央部分
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