模块五、流量检测上

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,*,*,机、电类,传感器与检测技术项目教程,模块五、流量检测,课件,统一书号：ISBN ISBN 978-7-111-48817-0,课程配套网站,或,2015年2月第1版,（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）,10/24/2024,1,本模块介绍,“,流量,” 的基本概念、,节流式流量计,、,超声波式流量计，,还介绍了,电磁兼容原理,以及,电磁式流量计,、,科里奥利流量计,。,内容简介,今天是：,10/24/2024,現在時間,是：,01:44,10/24/2024,2,模块五、流量检测（上）,目录,进入,知识链接、流量的基本概念,项目一、节流式流量计,项目二、超声波式流量计,项目三、流量变送器的电磁兼容试验,拓展阅读一 电磁式流量计,拓展阅读二 科里奥利质量式流量计,进入,进入,进入,进入,10/24/2024,3,知识链接、流量的基本概念,流体流过一定截面的量称为“流量”。,包含瞬时流量,和,累积流量,。,流量用体积表示时称为“体积流量”，,用质量表示时称为“质量流量”。,Q,=,vA,（5-1）,M,=,Q,=,vA,（5-2）,式中,Q,体积流量（m,3,/s）；,M,质量流量（kg/s）；,流体密度（kg/m,3,）；,v,流体平均速度（m/s）；,A,流通管道截面积（m,2,）,。,現在時間,是,：,01:44,10/24/2024,4,Q,及,M,与直径,D,、密度,的关系,如果流通管道的截面积为圆形，直径为,D,（单位为m），则：,Q,=,v,D,2,/4，,M,=,v,D,2,/4。,例5-1,已知工作状态下的质量流量最大值,M,max,=500t/h，,工作状况下被测流体的密度,=800kg/m,3,，,求：工作状态下最大的体积流量,Q,为多少立方米每小时？,解,Q,M,/,500 000kg/h800 kg/m,3,=635m,3,/h。,10/24/2024,5,解,1）,Q,=,v,D,2,/4=(15m/s)3.14(0.25m),2,4=0.736m,3,/s。,2）,M,=,Q,=10kg/m,3,0.736m,3,/s=7.36kg/s。,3）,Q,总,=,Qt,=0.736m,3,/s3600s=2649.6m,3,。,4）,M,总,=,M,t,=7.36kg/s3600s(1000kg/t)=26.50t/h,例5-2,已知某过热蒸气（本教材中特指水蒸气，以下同）的密度,=10kg/m3，管道直径,D,=250mm，被测管道中的平均流速,v,=15m/s，求：,1）该过热蒸气的平均体积流量,Q,。,2）该过热蒸气的平均质量流量,M,。,3）该过热蒸气一小时累积的体积总量,Q,总,为多少立方米？,4）该过热蒸气每小时的质量总量,M,总,为多少吨？,10/24/2024,6,流体在管道中的流速分布,a）层流时的流速分布 b）紊流时的流速分布,10/24/2024,7,表5-1 常用流量计特性,类型,工作原理,积算,特性,介质,种类,压力,损失,低速特性,含杂质,液体,含气,高粘度,量程比,明渠堰式,变面积,非线性,液,小,好,可,可,否,20:1,玻璃转子式,变面积,非线性,气、液,小,好,少量,可,否,10:1,椭圆齿轮式,容积,线性,气、液,大,好,否,少量,可,20:1,蜗轮式,叶片旋转,线性,气、液,大,好,否,否,否,10:1,涡街式,漩涡频率,线性,气、汽、液,较小,不好,否,否,否,10:1,10/24/2024,8,表5-1 常用流量计特性（续）,类型,工作原理,积算,特性,介质,种类,压力,损失,低速特性,含杂质,液体,含气,高粘度,量程比,孔板式,压力差,开平方,气、汽、液,大,不好,否,否,否,5:1,超声波式,时间差、,频率差,线性,气、液,小,不好,可,否,可,20:1,电磁式,磁感应,线性,导电液,小,不好,可,少量,可,20:1,科氏质量式,开氏力,非线性,液,中等,好,可,少量,可,10:1,10/24/2024,9,玻璃转子流量计,(图5-2),a）结构示意图 b）实物,1下基座法兰 2O型垫圈 3玻璃锥管 4浮子,5刻度 6上限挡板 7保护外壳 8上基座法兰,10/24/2024,10,椭圆齿轮流量计,（,图5-3,）,椭圆齿轮流量计属于容积式流量计,，又称,定排量流量计,，是准确度较高的一类流量计。容积式流量计按其测量元件分类，又分为,椭圆齿轮流量计,、,腰轮流量计,、,刮板流量计,、,旋转活塞流量计,、,往复活塞流量计,、,圆盘流量计,、,液封转筒式流量计,等。,10/24/2024,11,椭圆齿轮流量计的工作过程,图5-4,椭圆齿轮流量计的工作过程,a）,齿轮1的两端分别处于入口侧和出口侧,b）齿轮1中的液体,被挤到出口侧,c）,齿轮2的两端分别处于入口侧和出口侧,10/24/2024,12,涡轮流量计结构示意图,（,图5-5,）,1安装法兰 2流体入口导流片（固定）,3导流片固定杆 4涡轮轴承,10/24/2024,13,多叶片转子涡轮流量计工作原理,涡轮感受流体的平均流速,。,壳体由非磁性的不锈钢制成；,涡轮由导磁的不锈钢制成，,装有螺旋状叶片。,管道的直径越大，叶片的数量就越多（424片不等）。,涡轮两端由耐磨的碳化钨硬质合金或四氟化碳轴承支撑。,测量气体时，叶片的倾角为1015；,测量液体时，叶片的倾角为3045。,叶片与内壳间的间隙为1mm左右。,10/24/2024,14,多叶片转子涡轮流量计工作原理(续),当涡轮旋转时，,导磁叶片顶部周期性地切割磁力线，,使通过线圈的磁感应强度,B,发生周期性变化，,从而在线圈内感应出频率为,f,的电脉冲信号,e,o,。,再经放大、整形，微处理器即可计算得到涡轮的转速：,n,=60,f,/,z,。,式中的,z,为涡轮的叶片数目。,将转速信号远传至二次仪表。,10/24/2024,15,磁电接近开关发讯器原理示意图,(,图5-6,),1被测旋转体(导磁不锈钢叶片）,2非导磁涡轮壳体,3永久磁铁,4线圈,5发讯器磁性外壳 6磁力线,10/24/2024,16,卡门涡街流量计,(,图5-7,),1安装法兰 2管道,3旋涡发生锥体,4卡门旋涡,5超声波发生器探头,6超声波接收器探头,10/24/2024,17,卡门涡街流量计原理,当流体流经圆锥体时,由于流体和圆锥体之间的摩擦,一部分流体的动能转化为流体振动,在锥体的后部两侧交替地产生,卡门旋涡,。,由于两侧旋涡的旋转方向相反,所以下游的流体产生振动,在额定范围内，其流体的振动频率与流速成正比,。常用的非线性柱体有,圆柱体（横向）,、,圆柱体(纵向),、,圆锥体,等。,10/24/2024,18,无可动部件,；,量程范围宽(100:1),；,压力损失小,；几乎不受流体的压力、温度等参数的影响；,气、液均可以使用，,可用于大口径管道的气、液测量,。,气体或液体管道及涡流发生锥体,卡门涡街流量计优点,卡门涡街流量计的内腔,没有可动部件,10/24/2024,19,流量报警开关,(,图5-8,),a）内部结构图 b）触点状态图 c）外形,1挡板 2安装接管 3密封波纹管 4杆杠,5弹簧,6灵敏度微调螺钉,7微动开关触点,8报警开关外壳,10/24/2024,20,项目一 节流式流量计,【项目教学目标】, 知识目标,1）熟悉节流式流量计的工作原理。,2）熟悉标准节流孔板的种类和特性。,3）掌握节流孔板的取压方法。,4）熟悉节流式流量测量的误差合成。, 技能目标,1）掌握节流式流量计的流量计算与调校。,2）掌握节流装置的安装。,回目录,10/24/2024,21,任务一 认识节流式流量计,图5-9,节流式流量计工作原理框图,10/24/2024,22,节流现象,利用流体流经节流装置产生压强差，,将感受的流体流量转换成可用输出信号,。,在节流装置的前、后，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。,节流装置是差压式流量传感器的流量敏感检测元件,，,是安装在流体流动的管道中的阻力元件,。,各种节流孔板,10/24/2024,23,科学家伯努利,在一个流体系统，比如气流、水流中，,流速越快，流体产生的压力就越小,，这就是被称为“流体力学之父”的丹尼尔伯努利1738年发现的“,伯努利定律,”。,这个压力差产生的力量是巨大的，空气能够托起沉重的飞机。,10/24/2024,24,当流体流经节流元件时，,由于流通面积突然减小，流束成局部收缩，部分“压力能”转化为动能，处于收缩截面处的流体平均流速增加,。根据伯努利方程，管道中流体的,流速越大，压力就越小,，所以流体节流之后的压力小于节流之前的压力，,在节流件的上游侧与下游侧之间产生差压,p,。若已知流体状态、节流件的形式，以及管道的尺寸，通过测量节流件前、后的差压，根据有关公式，就可以计算出流体的流量。,机翼上下侧的流速差产生升力,10/24/2024,25,压缩空气快速通过瓶子上方时，压力减小，液体被吸出,吹气不会使,两张纸分开，,反而使间隙减小,10/24/2024,26,节流元件,（,图5-10,）,是在管道中放置一个局部面积收缩的机械元件，简称节流件。,标准节流装置就是有关计算数据都经国家相关部门试验而有统一的图表和计算公式，,按统一标准规定设计、加工和安装的节流装置，,不必经过个别标定就可以使用,。,a）标准孔板 b）喷嘴 c）文丘里管,10/24/2024,27,利用标准孔板测量流量必须满足以下条件,管道的直径必须大于50mm而小于1200mm；,流体必须充满管道，并连续流动；,不应发生气、液物态变化（即需要保持单相流）；,流体流束必须与管道轴平行，不应有旋转流或偏心流；,差压变送器的规格应与标准孔板的孔径匹配；,在计算蒸气和气体流量时，必须针对流体的压力和密度实测值进行修正,。,节流式流量计的,缺点是流体通过节流装置后，会产生不可逆的压力损失,。另外，,当流体的温度,t,、压力,p,1,变化时，流体的密度将随之改变,。所以必须进行,温度,、压力,修正。,10/24/2024,28,节流装置（,取压管及内部的节流孔板）,节流孔板,后取压管,前取压管,流体通过节流孔板时，流速加快，后取压管处的压力减小。,10/24/2024,29,节流装置外形,节流孔板,后取压管,10/24/2024,30,流体流经节流孔板时，压力和流速的变化情况,节流孔板,流速变快，压力变小,p,1,p,2,p,1,p,2,10/24/2024,31,节流装置的另一种形式文丘里管或文丘里喷嘴,文丘里喷嘴的,压力损失较小。,流体入口,狭窄部位,p,1,p,2,10/24/2024,32,文丘里管,文丘里管有一段扩展段，流体从收缩到扩展都有一定的型面引导，,涡流比喷嘴小，,压力损失是孔板的1/31/6,。文丘里管,加工复杂,，,价格昂贵,，,多用于大管径,以及,要求节能的场合,。,10/24/2024,33,文丘里喷嘴原理示意图,文丘里喷嘴在管道中的位置,前取压口,后取压口,10/24/2024,34,标准孔板的流量计算,流体通过标准孔板时，,体积流量,、,质量流量,与,孔板上、下游的两个取压口之间的差压,之间的关系为,式中,流量系数（查工况手册）；,流体的膨胀系数(液体的,1，气体的,1)；,A,0,孔板前端的开口截面积（m,2,）；,p,孔板前、后的压力差（Pa）；,流体密度（kg/m,3,）；,K,流量比例系数。,10/24/2024,35,例5-3,某节流式液体流量计中的差压变送器,不带开平方器,。原设计工况中的液体密度不变，,测得差压变为原来9倍,，求：体积流量,Q,2,是,Q,1,的多少倍？,解 根据,式（5-6）,有,所以,体积流量,Q,2,是,Q,1,的3倍。,如果密度不变，质量流量,M,2,也是,M,1,的3倍。,10/24/2024,36,例5-6,用孔板及差压变送器测量流量，差压变送器的,量程为25kPa,，对应的,最大体积流量为60m,3,/h,，工艺,要求在1/3流量量程时报警,。变送器的输出电流为,420mA,，求：,1）差压变送器带开平方器时，对应的报警输出电流值,I,1,设在多少毫安？,2）差压变送器不带开平方器时，对应的报警输出电流,I,2,设在多少毫安？,解,报警点的体积流量,Q,3,=,Q,max,/3=60m,3,/h3=20m,3,/h,。,1）变送器带开平方器时，因为,输出电流,与,流量,Q,成正比,，,所以对应的,报警输出电流为,I,1,=(20t/h60t/h)16mA+4mA=9.33mA。,10/24/2024,37,例5-6,用孔板及差压变送器测量流量，差压变送器的量程为25kPa，对应的最大体积流量为60m,3,/h，工艺,要求在1/3流量量程时报警,。变送器的输出电流为,420mA,，求：,（续）,2）差压变送器不带开平方器时，对应的报警输出电流,I,2,设在多少毫安？,解,报警点的体积流量,Q,3,=,Q,max,/3=60m,3,/h3=20m,3,/h,。,2）变送器不带开平方器时，,由于流量与差压的平方根成正比,，,所以对应于20m,3,/h流量时的差压,p,20,=25kPa(20/60),2,=2.78kPa。,对应的报警输出电流为,I,2,=(2.78kPa25kPa)16mA+4mA=5.78mA。,10/24/2024,38,例5-7,有一差压变送器用于流量测量，,量程为40kPa,，对应的,流量范围为0200m,3,/h,。实际运行中发现常态流量经常处于3540kPa之间，有时还超过40kPa，所以要求扩大差压量程，使常态流量在满度的2/3附近，问：,差压变送器的量程应如何调校（调试和校验）,?,解,按照题意，流量计调校后的量程,Q,=,Q,原,(3/2)=200m,3,/h(3/2)=300m,3,/h,。,已知原变送器量程为40kPa，当显示范围仅,0200m,3,/h时，则有：,(300/200),2,=,p,2,/40kPa,。,p,2,=40kPa(300/200),2,=90kPa。所以差压变送器的量程要调校为090kPa,。,10/24/2024,39,节流件的取压方式,图5-12,标准孔板的5种取压方式及取压孔位置,aa角接取压法,bb法兰取压法,cc理论取压法,dd径距取压法,ee管接取压法,10/24/2024,40,取压方法,（1）角接取压法：上、下游导压管位于孔板（或喷嘴）的前、后端面处是最常用的取压方法。,（2）法兰取压法：由两个带取压孔的取压法兰组成。上、下游侧取压孔的轴线至孔板上、下游侧端面之间的距离均为（25.40.8）mm。,（3）理论取压法：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为l,D,0.1,D,（,D,为管道的直径，以下同），下游侧取压孔的轴线至孔板下游端面的距离,与孔板的开孔面积,值有关。理论上应该处于流束收缩到最小截面的距离。需要对差压进行修正。理论取压法应用于管道直径,D,100mm的场合。,10/24/2024,41,取压方法（续）,（3）理论取压法：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为l,D,0.1,D,（,D,为管道的直径，以下同），下游侧取压孔的轴线至孔板下游端面的距离,与孔板的开孔面积,值有关。理论上应该处于流束收缩到最小截面的距离。需要对差压进行修正。理论取压法应用于管道直径,D,100mm的场合。,（4）径距取压法：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为1,D,0.1,D,，下游侧取压孔的轴线至孔极下游端面的距离为0.5,D,。,（5）管接取压法：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为2.5D，下游侧取压孔的轴线至孔板下游端面的距离为8,D,。这种取压方法测得的是流体流经孔板后的压力损失值。,10/24/2024,42,常用的三种标准孔板取压方法,（,图5-13,）,a）环室取压法 b）直接钻孔取压法 c）法兰取压法,1法兰 2环室 3孔板 4前导压管 5后导压管,6夹紧环 7法兰取压孔 8下游管道 9夹紧螺栓,10/24/2024,43,节流式流量计的缺点,1）流体通过节流装置后，产生不可逆的压力损失。,2）对上游直管段有较高的要求，否则将造成测量误差。,3）被测流量与差压,p,成平方根关系。流量标尺是非线性的，可加开平方器。,4）输入与输出之间是非线性关系，流量较小时，误差较大，通常要求常态流量在1/3量程以上。,10/24/2024,44,节流式流量计的缺点（续）,5）当流体的温度,t,、压力,p,1,变化时，气体的密度将随之改变，造成测量误差，必须进行温度、压力的修正和补偿。,6）在实际工况中，如果流体的各项参数变化，将引起比例系数的变化，必须根据有关参数表进行计算修正。,7）节流式流量计的测量准确度较低(1%5%)。,8）测量范围较窄，量程比一般仅为3:1左右。,10/24/2024,45,表5-2 节流式流量计的型号和规格,LG,节流装置,K孔板,标准孔板H：环室；Y：法兰；K：钻孔,S：双重孔板；Q：圆缺孔板；Z：锥形入口孔板；R：1/4圆孔板,P：偏心孔板N：整体（内藏）孔板；X：楔形孔板,P喷嘴,I：ISA1932；L：长径喷嘴；W：文丘利喷嘴；G：经典文丘利管,公称压力,x,1,kPa或,x,2,MPa,口径,（mm）,介质,1：液体；2：气体：3：蒸气；4：高温液体,补偿形式,N：不带压力、温度补偿；P：带压力补偿输出；T：带温度补偿输出；Q：带压力、温度补偿输出,W,带节流装置传感器,X,带现场显示智能节流装置,差压范围,0：微差压量程；1：低差压量程；2：中差压量程；3：高差压量程,10/24/2024,46,流量积算控制仪,属于流量测量的二次仪表,，,可以显示差压、温度、压力、瞬时流量、累积流量等,；可以根据被测流体的工况，,由仪表面板上的按键依次输入各项常数,，置入相应的存储器中，,进行开平方计算,、,温度和压力补偿,、,累积计算,等。累积流量显示范围通常可达8位数，即099 999 999；可以输出420mA、RS232、RS485等通信信号；也可以,实现上、下限报警,，,由软件设定报警值或人工输入报警值,。,10/24/2024,47,SWP-LE系列流量积算控制仪表（,图5-14,）,10/24/2024,48,例5-8,有一流量积算控制仪，,累积质量流量显示范围为099 999 999,，如图5-14a所示。每个字代表1kg/h，最大积算速度,R,=100 000字/h，求：,多少天后计数器复位（清零）,？,解,复位时间,=(99999999kg/h100 000kg/h)24h/d,=41.67d,清零后，,计算机必须记住已经清零的99999999kg/h。,10/24/2024,49,任务二 节流式流量计的安装与应用,一、对流体管道的要求,1）节流件前、后的管段不得有肉眼可见的弯曲、突出、焊渣、焊缝等。,2）如果管段不光滑，流量系数应乘以粗糙度，需进行计算修正。,3）孔板对上、下游直管段长度的要求如,表5-3,所示。,上、下游的,管道状态,上游为光滑的,直管段,上游有,缩径,上游有,扩径,上游有弯头或,突出物,上游有,阀门,下游为光滑的,直管段,对直管段的要求/直径,D,10,12,18,20,30,5,10/24/2024,50,二、孔板的安装,1）新装管路系统时，必须在冲洗或“吹扫”管道后，再进行孔板的安装。,2）孔板的安装方向（+）号应该向着流束进入的方向。,3）安装过程中，不允许工具与孔板的尖锐入口碰撞。,4）孔板的前端面与管道轴线的不垂直度应在,1,范围内,。,5）孔板的开孔应与管道轴线同心。,6）孔板的密封垫片（包括环室与法兰、环室与孔板间的垫片）夹紧后不得突入管道内壁。,10/24/2024,51,孔板的安装（续）,7）测量段管、取压法兰（或取压环室）的热胀系数应接近于孔板的热胀系数。,8）孔板安装处必须严密，不允许有泄漏现象。安装工作必须在管道试压前进行。,9）尽量将孔板与取压法兰（或取压环室）以及测量段管道预先组装，经检查合格后，再接入主管道。,10）热电偶等突出物应安装在孔板之后5,D,之外的位置。,10/24/2024,52,三、导压管的安装,（1）导压管的长度、内径与厚度:,导压,管的长度应小于16m，内径应大于6mm。,导压管越长，其内径应越大；,虽然节流式流量测量中的差压多数只有几十千帕，但系统的静压可能达到几十兆帕，必须选用无缝不锈钢管。,10/24/2024,53,导压管的安装（续）,（2）导压管在管道截面的取压位置：,测量液体流量时，取压孔的开口应位于管道下半部，与管道垂直轴线成0,45,夹角范围内。其目的是为了防止气体进入导压管，造成两根导压管中的介质密度不等，引起压力迁移；,测量气体流量时，取压孔应位于管道上半部，与管道垂直轴线成0,45,夹角范围内。其目的是为了防止水珠或污物进入导压管；,测量蒸气流量时，取压孔应位于管道中、上部与管道水平轴线成0,45,夹角范围内，防止污物进入导压管。,10/24/2024,54,管道的截面取压位置,图5-15,3种流体在管道的截面取压位置,a）液体 b）气体 c）蒸气,10/24/2024,55,四、差压变送器的安装1.,被测流体为清洁液体时的导压管安装(,图5-16,),a）差压变送器在管道下方（,放大图见下页,）,b）差压变送器在管道上方,1管道 2法兰 3孔板,4导压管,5截止阀（一次阀） 6排气阀 7沉降器,8排污阀 9三阀组,10差压变送器,11集气器,10/24/2024,56,被测流体为清洁液体时的导压管安装,放大图,图5-16a,10/24/2024,57,被测流体为清洁液体时的导压管安装,放大图,图5-16b,10/24/2024,58,2.被测流体为清洁干气体时的导压管安装示意图,a）差压变送器在管道上方（,图5-17,放大图见下页,）,b）差压变送器在管道下方,1管道 2法兰 3孔板,4导压管,5一次截止阀 6沉降器 7排污阀,8三阀组,9差压变送器,10隔离罐,11平衡阀 12二次截止阀,10/24/2024,59,被测流体为清洁干气体时的导压管安装,放大图,图5-17a,10/24/2024,60,被测流体为清洁干气体时的导压管安装,放大图,图5-17b,10/24/2024,61,3.被测流体为蒸气时，导压管安装示意图(,5-18,),a）差压变送器在管道下方 (,放大图见后页,),b）差压变送器在管道上方,1管道 2法兰 3孔板,4导压管,5一次截止阀 6排气阀 7沉降器 8排污阀,9三阀组,10差压变送器,11前、后平衡器,12集气器 13二次截止阀,10/24/2024,62,被测流体为蒸气时，导压管安装,放大图,图5-18a,10/24/2024,63,被测流体为蒸气时，导压管安装,放大图,图5-18b,10/24/2024,64,气体流量计的管线阀门操作、运行,关闭二次阀，打开一次阀和排污阀、排气阀,对导压管进行吹扫。,首先缓慢地打开节流装置上的两个一次阀，使被测气体充满导压管。,然后关闭上述阀门，打开平衡阀，再稍微打开正一次阀和二次阀,使差压变送器逐渐充满被测气体；,最后,关闭差压变送器上的平衡阀，并打开负二次阀，差压变送器投入正常运行,。,10/24/2024,65,气体流量计的管线阀门操作、运行,3蒸气流量计的管线阀门操作、运行,吹扫导压管后，关闭一次阀，将冷凝器（平衡器）和导压管中的冷凝水从排污阀排出,。,然后关闭排污阀，打开一次阀，使冷凝器和导压管内逐渐充满冷凝液,；,当排气针阀不再有气泡后，关闭排气针阀和平衡阀,，差压变送器投入正常运行。,停运顺序与启动顺序相反，即：,关闭负压阀、,打开平衡阀、,关闭正压阀。,10/24/2024,66,孔板式流量计流量偏小的原因分析,（1）投运后流量偏小的原因:,孔板装反；,导压管或阀门泄漏,；,平衡阀没有关紧,；,一次、二次截止阀没有完全打开,；,密度、流量系数等工艺参数不正确,。,（2）投运后流量逐渐偏小的原因:,孔板的尖锐入口磨损；,节流件上游端面沉积污物，需要定期停运冲洗；,正压测导压管堵塞（可以用0.3MPa的高压空气加以冲洗）,；,导压管中的隔离液流失；,变送器的零点负迁移等,。,10/24/2024,67,项目二 超声波式流量计,【项目教学目标】, 知识目标,1）熟悉超声波式流量计的工作原理。,2）熟悉超声波式流量计的种类和特性。,3）熟悉超声波式流量计的计算。, 技能目标,1掌握超声波式流量计的安装。,2掌握流量计的校验。,回目录,現在時間,是：,01:44,10/24/2024,68,任务一 认识超声波,图5-20,声波的频率分布,10/24/2024,69,次声,波,次声波是频率低于20赫兹的声波,，,人耳听不到,，但,可与人体器官发生共振,，8Hz左右的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。,次声波炸弹,(反劫机用),10/24/2024,70,可闻声波（20Hz20kHz）,美妙的音乐可使人陶醉。,280Hz2560Hz频率段称为中高声频。,小提琴约有四分之一的较高音域在此频段。,10/24/2024,71,超声波,蝙蝠能发出和听见超声波。,10/24/2024,72,蝙蝠依靠超声波定位,10/24/2024,73,超声波可以,比较容易被聚焦,，具有,能量集中,的特点。,超声波雾化器,超声波加湿器,10/24/2024,74,压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，可得到较,大功率的超声波,，可以被,聚焦,，能用于,集成电路及塑料的焊接。,超声波,塑料焊接机,10/24/2024,75,超声波集成电路金丝焊接机,10/24/2024,76,超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。,便携式超声波,探鱼器,10/24/2024,77,超声波在医学检查中的应用,胎儿的,B,超影像,10/24/2024,78,大功率超声波用于高效清洗,当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的,微小气泡被压碎,。,每个,气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力,，这种现象被称之为“,空化作用,”，超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到,清洗和冲刷工件内外表面,的作用。,超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。,10/24/2024,79,超声波清洗原理及清洗器,超声换能器,气泡,波浪,清洗物,10/24/2024,80,超声波的,波型,分类,（,图5-21,）,纵波,纵波质点的运动方向,表面波在钢材表面的传播,纵波在钢材中的传播,横波,a）纵波,b）质点的运动过程,c）横波,d）纵波在钢材中的传播,e)表面波在板材表面的传播,1超声波发生器 2钢材,3耦合剂,c,声速,波长,10/24/2024,81,4种常见超声波型,1）纵波：介质质点的振动方向与波的传播方向一致的波，又称压缩波。纵波在固体介质中传播时，其传播速度约为横波的两倍。,2）横波：介质质点的振动方向与波的传播方向垂直的波，所以又称剪切波。横波只能在固体和切变模数很高的粘滞液体中传播,。,3）表面波：沿介质两个相之间的表面中传播的波。表面波的幅值随表面下的深度迅速减小，其传播速度约为横波的0.9。当波长小于介质厚度时，也称瑞利波。,4）兰姆波：它在薄板中传播，可用于长薄壁管的无损探伤。,10/24/2024,82,纵波（疏密波）纵波：在介质中传播时，波的传播方向与质点振动方向一致。,10/24/2024,83,横波,横波也称“,凹凸波,”，是,介质粒子振动方向和波行进方向垂直,的一种波。,也称S波,若此波,沿着x轴移动,，则,振动方向为与x轴垂直的方向,上。,10/24/2024,84,表面波,表面波是,能量集中于表面附近的弹性波,。,10/24/2024,85,超声波的声速,几种常用材料的声速与密度、声阻抗的关系,（环境温度为0）,材料,密度,声阻抗,纵波声速,横波声速,/10,3,kgm,-1,Z,/MPasm,-1,c,L,/kms,-1,c,S,/kms,-1,钢,7.7,460,5.9,3.2,铜,8.9,420,4.7,2.2,铝,2.7,170,6.3,3.1,有机玻璃,1.18,32,2.7,1.20,甘油,1.27,24,1.9,水(20,),1.0,14.8,1.48,机油,0.9,12.8,1.4,空气,0.0012,410,-3,0.34,10/24/2024,86,超声波的指向角,超声波声源发出的超声波束以一定的角度,逐渐向外扩散,。在声束横截面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小。指向角,（单位为rad）与超声源的直径,D,以及波长,之间的关系为,超声波声场指向性及指向角图,10/24/2024,87,超声波入射角与反射角、折射角,图5-22,超声波的反射与折射简图,（,c,1,c,2,时）,P,c,入射波,入射角,P,r,反射波,r,反射角,P,s,折射波,折射角,10/24/2024,88,超声波的反射定律,超声波入射角,的正弦与反射角,r,的正弦之比,，,等于入射波所处介质的声速,c,1,与反射波所处介质的声速,c,r,之比,，即：sin,/sin,r,=,c,1,/,c,r,如果出射波的波型与入射波的波型都是纵波，,则,r,=,。,10/24/2024,89,超声波的折射定律,入射角,的正弦与折射角,的正弦之比,，,等于超声波在入射波所处介质1的声速,c,1,与折射波所处介质2中的传播速度,c,s,之比,，即,sin,/sin,=,c,1,/,c,s,在右图中，,折射角大于入射角,，,说明第二介质的声速,c,s,大于第一介质的声速,c,1,（与密度有关）,。,10/24/2024,90,超声波换能器,图5-23,超声波换能器（直探头）结构,1接插件,2金属外壳,3导电螺杆,4接线片,5塑料内壳,6金属丝,7阻尼吸收块,8压电晶体,6保护膜,10/24/2024,91,超声波换能器（超声探头）的外形,超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有,压电式,、,磁致伸缩式,、,电磁式,等数种，在检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为,直探头,、,斜探头,、,双探头,、,表面波探头,、,聚焦探头,、,冲水探头,、,水浸探头,、,高温探头,、,空气传导探头,以及,其他专用探头,等。,10/24/2024,92,各种超声波探头,常用频率范围：0.510MHz,常见晶片直径：530mm,接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）,外壳用金属制作,，,保护膜用硬度很高的耐磨材料制作,，防止压电晶片磨损。,保护膜,接插件,10/24/2024,93,接触式 直探头原理,超声脉冲电压输入端,接地端,保护膜,被测物上表面,耦合剂,10/24/2024,94,超声波探头中的压电陶瓷芯片,将,数百伏,的超声电脉冲,加到压电晶片上，利用,逆压电效应,，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，,利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。,10/24/2024,95,耦合技术,超声波探头不能直接在被测物表面摩擦，必须在探头和被测物表面之间加入耦合剂,10/24/2024,96,耦合剂,的种类和选择,超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层,空气薄层,，空气,将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减,。为此，,必须将接触面之间的空气排挤掉,。,在工业中，经常使用耦合剂，使之,充满在接触层中，起到传递超声波的作用,。常用的耦合剂有,自来水、机油、甘油、胶水、化学浆糊,等。,10/24/2024,97,任务二 超声波式流量计的应用,图5-25,传播时间差法超声波式流量测量示意图,F,1,发射的超声波先到达,T,1,F,2,发射的超声波后到达,T,2,图5-25a）双声道X法安装型式,10/24/2024,98,两对超声波探头测量流量原理分类,一、时间差法测量流量原理,在被测管道,上下游的一定距离上,，,分别安装两对超声波发射和接收探头（F,1,，T,1,）、（F,2,，T,2,），,其中,F,1,，T,1,的超声波是顺流传播,的，而,F,2,，T,2,的超声波是逆流传播的,。,由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差,t,，可得到流体的平均速度及流量。,10/24/2024,99,F,1,发射的超声波到达,F,2,的时间较短,一对超声波探头（Z法）测量流量原理,图5-25b）单声道V法夹装式,10/24/2024,100,例5-,10,用传播时间差法超声波式流量计测量某管道中液体的流量，已知,管道的直径为600mm,，,流体在管道中的流速为10m/s，,超声波在该液体中的声速为1500m/s,。如果超声波传播的方向与流体的流动方向的,夹角,=45,，,求：,超声波在顺流与逆流中传播的时间差为多少毫秒,？解：,10/24/2024,101,二、,频率差法测量流量原理,F,2,F,1,10/24/2024,102,频率差法测量流量分析过程,在一个固定的时间间隔,t,内,，,F,1,、,F,2,是完全相同的超声探头,，,安装在管壁外面,，,通过电子开关的控制,，,交替地作为超声波发射器与接收器,用。,首先由,F,1,发射出第一个超声脉冲,，它,通过管壁、流体及另一侧管壁被,F,2,接收,，此信号经放大后再次,触发,F,1,的驱动电路，使,F,1,发射第二个声脉冲,。,紧接着，由,F,2,发射超声脉冲,，而,F,1,作接收器,，可以,测得,F,1,的脉冲重复频率为,f,1,。同理可以,测得,F,2,的脉冲重复频率为,f,2,。,顺流发射频率,f,1,与逆流发射频率,f,2,的频率差,f,与被测流速,v,成正比,。,10/24/2024,103,一对超声波探头（V法）测量流量原理,图5-26,发射、接收探头可以安装在管道的同一侧,10/24/2024,104,例5-,11,用频率差法超声波式流量计测量某管道中流体的流量，已知,管道的直径为600mm,，流体在管道中的,流速为10m/s,。如果超声波传播的方向与流体流动方向的,夹角,=45,，求超声波在,顺流与逆流中传播的频率差为多少赫兹,？,解：,10/24/2024,105,同侧式,超声波流量计的使用,10/24/2024,106,超声波流量计现场使用,10/24/2024,107,超声波流量计现场使用,10/24/2024,108,三、多普勒法超声波式流量计原理,当,运动物体迎着波源运动时，波被压缩,，,波长变得较短,，,频率变得较高,；而,当运动物体背着波源运动时，会产生相反的效应,。产生的频偏,f,d,与波源、移动物体两者之间的相对速度,v,及运动方向有关。,物体运动的速度越快，所产生的频偏效应就越,大。超声,探头F,1,向流体发出频率为,f,1,的连续超声波,，照射到液体中的散射体（悬浮颗粒或气泡）上。,散射的超声波产生多普勒频移,f,d,，,接收探头F,2,接收到频率为,f,2,的超声波,，其值为,10/24/2024,109,多普勒效应,前进方向的频率升高,如果波源和观察者之间有,相对运动,，那么观察者,接收到的频,率,和波源的频率就不相同,了，这种现象叫做,多普勒效应,。,测出,f,就可得到运动速度,。,10/24/2024,110,多普勒效应示意,波源向左运动时，,前进方向的波长变短，频率升高,波源向右运动时，,右侧表面波被压缩,10/24/2024,111,图5-27,多普勒法超声波式流量测量示意图,10/24/2024,112,任务三 流量计的检定,按照我国计量法对计量器具管理的规定，,必须对新购进或维修过的流量计进行检定,。,检定是为了评定流量计的性能,，如：,准确度,、,重复性,、,温漂,等。检定人员必须先对被检定流量计进行外观检查，再进行示值误差等项目的检定。,液体流量计的检定（含校验）方法有：,静态容积法,、,静态称重法,、,动态容积法,、,动态称重法,、,标准体积管法,、,标准表法,等。,用标准表法与称重法结合比较准确,。气体流量计的检定方法有：,标准表法,、,钟罩法,、,音速文丘里喷嘴法,等。,10/24/2024,113,一、液体流量标准表检定法,多台被检定或被校验的流量计与标准流量计（也称标准流量表）串联,。,如果流体稳定,，可以认为被检定流量计与标准流量计的质量流量基本相等。如果不考虑液体的压缩系数，温度也相同，,体积流量也相同,。,标准流量表的量程应略高于被检定流量计，不超过25%,；允许最大绝对误差,应小于被校流量计允许最大绝对误差的1/3,。此时可以认为被检定流量计的误差,等于显示值,A,x,减去标准流量计的读数,A,0,，即：,A,x,-,A,0,。,1电磁阀 2整流器,3标准流量计,4被检定流量计a,5被校流量计b,6电动阀,图5-28,10/24/2024,114,二、水标准装置检定法,1水池 2水泵 3进水管 4稳压水塔,5溢流壁（堰）6溢流槽 7溢流管 8出水管,9截止阀 10直管道,11被检定流量计,12调节阀 13分水换向器,14旁通过渡槽 15称量计量槽,16电子秤,17放水阀,18温度传感器,（图5-29 放大图见下页）,10/24/2024,115,图5-29,水标准装置结构示意图,10/24/2024,116,休 息 一 下,拓展阅读网络资料列表网址：,回目录,10/24/2024,117,10/24/2024,現在時間,是：,01:44,休息一下,！,10/24/2024,118,