流体具有质量,单位体积内流体的质量称为密度,以表示,在流体内任意点取荣一微小
当被测流体是液体,假如它的组分明确,并且是常用介质的话,其密度可从有关手册中查取,如果要用测量的方法求密度,应求出不一样的温度下的各密度值,若气温变化在±20℃范围内,密度与温度之间基本上呈线性关系,因此可经过测量两个不一样的温度下的密度值,作出密度与温度的线性关系,然后求得该范围内任意温度点上的介质密度值,
对于气体,若不计气体分子之间的相互作用力和分子本身尺寸,即认为是理想气体,则
由于被测气体大部分为混合气体,所以这些气体的密度需通过一系列分析气体成分比例后求得,各种气体成分的密度一般可通过手册查取,若己知其各种成分的容积比,则混合气体的
如果得到了标准状态下的密度n,则在其它状态,即绝对温度T、绝对压力P状态下
Kn,K――标淮状态下和一般状态下的压缩系数,在压力较低、理想气体假定成立的范围内,压缩系数为1。
表1,1的出了几种常用气体态标准状态下的压缩系数Kn值,超声波流量计介绍
超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速,从而换算成流量。根据检验测试的方式,可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不一样的超声波流量计。起声波流量计是近十几年来随着集成电路技术快速地发展才开始应用的一种
非接触式仪表,适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态,不产生附加阻力,仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。
众所周知,目前的工业流量测量都会存在着大管径、大流量测量困难的问题,是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难,造价提高、能损加大、安装不仅这些缺点,超声波流量计均可避免。因为各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流,仪表造价基本上与被测管道口径大小无关,而别的类型的流量计随着口径增加,造价大幅度增加,故口径越大超声波流量计比相同功能别的类型流量计的功能价格比越优越。被认为是较好的大管径流量测量仪表,多普勒法超声波流量计可测双相介质的流量,故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。在发电厂中,用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量,比过去的皮脱管流速计方便得多。超声被流量汁也可用于气体测量。管径的适合使用的范围从2cm到5m,从几米宽的明渠、暗渠到500m宽的河流都可适用。
另外,超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响,又可制成非接触及便携式测量仪表,故可解决别的类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。另外,鉴于非接触测量特点,再配以合理的电子线路,一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。超声波流量计具有上述一些优点因此它慢慢的受到重视并且向产品系列化、通用化发展,现已制作而成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不一样介质,不同场合和不同管道条件的流量测量。
超声波流量计目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制,以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前我国只能用于测量200℃以下的流体。另外,超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。这是因为,普通工业计量中液体的流速常常是每秒几米,而声波在液体中的传播速度约为1500m,s左右,被测流体流速(流量)变化带给声速的变化量最大也是10,3数量级,若要求测量流速的准确度为1,,则对声速的测量准确度需为10-5,10-6数量级,因此必须有完善的测量线路才能实现,这也正是超声波流量计只有在集成电路技术快速地发展的前题下才能得到实际应用的原因。
超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分所组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量,并将其发射到被测流体中,接收器接收到的超声波信号,经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。
超声波流量计常用压电换能器。它利用压电材料的压电效应,采用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上,使其产生超声波振劝。超声波以某一角度射入流体中传播,然后由接收换能器接收,并经压电元件变为电能,以便检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应,而接收换能器则是利用压电效应。
超声波流量计换能器的压电元件常做成圆形薄片,沿厚度振动。薄片直径超过厚度的10倍,以保证振动的方向性。压电元件材料多采用锆钛酸铅。为固定压电元件,使超声波以合适的角度射入到流体中,需把元件故人声楔中,构成换能器整体(又称探头)。声楔的材料不仅要求强度高、耐老化,而且要求超声波经声楔后能量损失小即透射系数接近1。常用的声楔材料是有机玻璃,因为它透明,可以观察到声楔中压电元件的组装情况。另外,某些橡胶、塑料及胶木也可作声楔材料。
超声波流量计的电子线路包括发射、接收、信号处理和显示电路。测得的瞬时流量和累积流量值用数字量或模拟量显示。
根据对信号检测的原理,目前超声波流量计大致可分传播速度差法(包括,直接时差法、时差法、相位差法、频差法)波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型,如图所示。其中以噪声法原理及结构最简单,便于测量和携带,价格实惠公道但准确度较低,适于在流量测量准确度要求不高的场合使用。由于直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基础原理都是经过测量超声波脉冲顺流和逆流传报时速度之差来反映流体的流速的,故又统称为传播速度差法。其中频差法和时差法克服了声速随流体气温变化带来的误差,准确度较高,所以被广泛采用。按照换能器的配置方法不同,传播速度差拨又分为,Z法(透过法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的,低流速时,灵敏度很低适用性不大,多普勒法是利用声学多普勒原理,经过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普
勒频移来确定流体流量的,适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。相关法是利用有关技术测量流量,原理上,此法的测量准确度与流体中的声速无关,因而与流体温度,浓度等无关,因而测量准确度高,适合使用的范围广。但相关器价格贵,线路很复杂。在微处理机普及应用后,这个缺点可以克服。噪声法(听音法)是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理,通过检验测试噪声表示流速或流量值。其方法简单,设备价格实惠公道,但准确度低。
以上几种方法各有特点,应根据被测流体性质,流速分布情况、管路安装地点以及对测量准确度的要求等因素做出合理的选择。一般说来由于工业生产中工质的温度常不能保持恒定,故多采用频差法及时差法。只有在管径很大时才采用直接时差法。对换能器安装的步骤的选择原则一般是, 当流体沿管轴平行流动时,选用Z法, 当流动方向与管铀不平行或管路安装地点使换能器安装间隔受到限制时,采用V法或X法。当流场分布不均匀而表前直管段又较短时,也可采用多声道(例如双声道或四声道)来克服流速扰动带来的流量测量误差。多普勒法适于测量两相流,可避免常规仪表由悬浮粒或气泡造成的堵塞、磨损、附着而不能运行的弊病,因而得以迅速发展。随工业的发展及节能工作的开展,煤油混合(COM)、煤水泥合(CWM)燃料的输送和应用以及燃料油加水助燃等节能方法的发展,都为多普勒超声波流量计应用开辟广阔前景。
根据法拉第电磁感应定律, 当一导体在磁场中运动切割磁力线时,在导体的两端即产生感生电势e,其方向由右手定则确定,其大小与磁场的磁感应强度B,导体在磁场内的长度L及导体的运动速度u成正比,如果B( L) u三者互相垂直,则
与此相仿,在磁感应强度为B的均匀磁场中,垂直于磁场方向放一个内径为D的不导磁管道,当导电液体在管道中以流速u流动时,导电流体就切割磁力线,如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极(图3—17)则可以证明,只要管道内流速分布为轴对称分布,两电极之间也特产生感生电动势,
由上式可见,体积流量qv与感应电动势e和测量管内径D成线性关系,与磁场的磁感应强度B成反比,与其它物理参数无关,这就是电磁流量计的测量原理,
励磁方式即产生磁场的方式, 由前述可知,为使式(3—37)严格成立,第一个一定要满足的条件就是要有一个均匀恒定的磁场,为此,就要选择一种合适的励磁方式。 目前,一般有三种励碰方式, 即直流励磁、交流励磁和低频方波励磁,现分别予以介绍,
直流励磁方式用直流电产生磁场或采用永久磁铁,它能产生一个恒定的均匀磁场,这种直流励磁变送器的最大优点是受交流电磁场干扰影响很小,因而可忽略液体中的自感现象的影响,但是,使用直流磁场易使经过测量管道的电解质液体被极化,即电解质在电场中被电解,产生正负离子,在电场力的作用下,负离子跑向正极,正离子跑向负极,如图3—18所示,这样,将导致正负电极分别被相反极性的离子所包围,极度影响仪表的正常工作,所以,直流励磁一般只用于测量非电解质液体,如液态金属等,
目前,工业上使用的电磁流量计,大都采用工频(50Hz)电源交流励磁方式, 即它的磁场是由正弦交变电流产生的,所以产生的磁场也是一个交变磁场,交变磁场变送器的主要优点是消除了电极表面的极化于扰,另外, 由于磁场是交变的,所以输出信号也是交变信号,放大和转换低电平的交流信号要比直流信号容易得多,
由式(3,40)可知, 当测量管内径D不变,磁感应强度Bm为一定值时,两电极上输出的感生电动势e与流量qv成正比,这就是交流磁场电磁流量变送器的基本工作原理,
值得注意的是,用交流磁场会带来一系列的电磁干扰问题,例如正交干扰, 同相干扰等,这些干扰信号与有用的流量信号混杂在一起,因此,如何正确区分流量信号与干扰信号,并如何有效地抑制和排除各种干扰信号,就成为交流励磁电磁流量计研制的重要课题。
直流励磁方式和交流励滋方式各有优缺点,为了充分的发挥它们的优点,尽可能的避免它们的缺点,70年代以来,人们开始采用低频方波励磁方式,它的励磁电流波形如图3—19所示,其频率通常为工频的1 (4)l( 10)
从图3,19可见,在半个周期内,磁场是恒稳的直流磁场,它具有直流励磁的特点,受电磁干扰影响很小,从整个时间过程看,方波信号又是一个交变的信号,所以它能克服直流励滋易产生的极化现象,因此,低频方波励磁是一种比较好的励磁方式, 目前已在电磁流量计上广泛的应用,概括一下,它具有如下几个优点,
节流式流量计是一种典型的差压式流量计,是目前工业生产里用来测量气体、液体和蒸气流量的最常用的一种流量仪表,据调查统计,在炼钢厂、炼油厂等工业生产系统中所使用的流量计有(70—80),左右是节流式流量计,在整个工业生产领域中,节流式流量计也占流量仪表总数的一半以上,节流式流量计所以得到如此广泛的应用,主要是因为它具有以下两个很突出的优点,
①结构简单,安装便捷,工作可靠,成本低,又具有一定准确度,能满足工程测量的需要,
②有很长的使用历史,有丰富的、可靠的实验数据,设计加工已经标准化,只要按标准设计加工的节流式流量计,不有必要进行实际标定,也能在已知的不确定度范围内进行流量测量,
尤其是第二个优点,使得节流式流量计在制造和使用上都十分便捷, 因为对一个流量计,特别是大流量测量用的流量汁,在检定时将会遇到各种各样的困难,
节流式流量计通常由能将流体流量转换成差压信号的节流装置及测量差压并显示流量的差压计组成,安装在流通管道中的节流装置也称“一次装置”,它包括节流件、取压装置和前后直管段,显示装置也称“二次装置”,它包括差压信号管路利测量中所需的仪表,
不少国家对节流装置做了很多研究工作, AGA(美国气体协会)和ASME(美国机械工程师协会)从本世纪初就开始进行节流装置的实验,研究结果分别在1969年和1971年的报告中发表, DIN(德国工业标准)中,早就对节流装置进行了规定,到1969年已经过六次修订国际标难化组织(ISO)在汇总了各国的研究成果的基础上,分别于1967年和1968年出版了ISO,R541和ISO(R781)作为节流装置的国际标准, 1980年又对前面的两个文件进行了修订, 出版了适合于孔板、喷嘴和文丘里管的国际标准ISO 5167,我国也于1981年出版了流量测量节流装置的国家标准GB 2624,对角接取压、法兰取压的标准孔板和角接取压标准喷嘴做了具体规定,
②流体必须是牛顿流体, 即在物理上和热力学上是均匀的、单相的,或者可以认为是单相的,包括混合
气体,溶液和分散性粒子小于o, 1 m的胶体,在气体中有不大于2,(质量成分)均匀分散的固体微粒,或液体中有不大于5,(体积成分)均匀分散的气泡,也可认为是单相流体,但其密度应取平均密度,
测量流体流量的仪表统称为流量计或流量表,流量计是工业测量中重要的仪表之一,随着工业生产的发展,对流量测量的准确度和范围的要求慢慢的升高,流量测量技术日新月异,为了适应任何用途,很多类型的流量计相继问世。 目前已投入到正常的使用中的流量计已超过100种。从不同的方面出发,流量计有不同的分类方法。常用的分类方法有两种,一是按流量计采用的测量原理进行归纳分类,二是按流量计的结构原理进行分类。
(1)电学原理,用于此类原理的仪表有电磁式、差动电容式、 电感式、应变电阻式等。
(2)声学原理,利用声学原理进行流量测量的有超声波式,声学式(冲击波式)等。
(3)热学原理,利用热学原理测量流量的有热量式、直接量热式、间接量热式等。
按当前流量计产品的真实的情况,根据流量计的结构原理,大致上可归纳为以下几种类型,
力学原理,属于此类原理的仪表有利用伯努利定理的差压式、转子式,利用动量定理
的冲量式、可动管式,利用牛顿第二定律的直接质量式,利用流体动量原理的靶式,
利用角动量定理的涡轮式,利用流体振荡原理的旋涡式、涡街式,利用总静压力差的
叶轮式流量计的工作原理是将叶轮置于被测流体中,受流体流动的冲击而旋转, 以叶轮旋转的快慢来反映流量的大小。典型的叶轮式流量计是水表和涡轮流量计,其结构可以是物理运动输出式或电脉冲输出式。一般机械式传动输出的水表准确度较低,误差约±2,,但结构相对比较简单,造价低, 国内已批量生产,并标准化、通用化和系列化。电脉冲信号输出的涡轮流量计的准确度较高,一般误差为±0( 2)一0( 5)。
差压式流量计由一次装置和二次装置组成,一次装置称流量测量元件,它安装在被测流体的管道中,产生与流量(流速)成比例的压力差,供二次装置进行流量显示。二次装置称显示仪表。它接收测量元件产生的差压信号,并将其转换为相应的流量进行显示,差压流量计的一次装置常为节流装置或动压测定装置(皮托管、均速管等)。二次装置为各种机械式、电子式、组合式差压计配以流量显示仪表,差压计的差压敏感元件多为弹性元件。由于差压和流量呈平方根关系,故流量显示仪表都配有开平方装置,以使流量刻度线性化。多数仪表还设有流量积算装置,以显示累积流量,以便经济核算。这种利用差压测量流量的方法历史悠远长久, 很成熟,世界各国一般都用在较为重要的场合,约占各种流量测量方式的70,。发电厂主蒸汽、给水、凝结水等的流量测量都采用这种表计。
放在上大下小的锥形流道中的浮子受到自下而上流动的流体的作用力而移动。当此作用力与浮子的“显示重量”(浮子本身的重量减去它所受流体的浮力)相平衡时,俘子即静止。浮子静止的高度可作为流量大小的量度。由于流量计的通流截面积随浮子高度不同而异,而浮子稳定不动时上下部分的压力差相等, 因此该型流量计称变面积式流量计或等压降式流量计。该式流量计的典型仪表是转子(浮子)流量计。
利用测量流体的动量来反映流量大小的流量计称动量式流量计, 由于流动流体的动量P
Q成正比,故p Q2。设比例系数为A,则Q,A 因此,测得P,即可反映流量
Q,这种型式的流量计,大多利用检测元件把动量转换为压力、位移或力等,然后测量流量。这种流量计的典型仪表是靶式和转动翼板式流量计。
利用冲量定理测量流量的流量计称冲量式流量计,多用于测量颗粒状固体介质的流量,还用来测泥浆、结晶型液体和研磨料等的流量。流量测量范围从每小时几公斤到近万吨。典型的仪表是水平分力式冲量流量计,其测量原理是当被测介质从一定高度h自由下落到有倾
斜角 的检测板上产生一个冲力,冲力的水平分力马质量流量成正比,故测量这个水平分
力即可反映质量流量的大小。按信号(九)的检测方式,该型流量计分位移检测型和直接测力型。
电磁流量计是应用导电体在磁场中运动产生感应电动势,而感应电动势又和流量大小成正比,通过测电动势来反映管道流量的原理而制成的。其测量精度和灵敏度都较高。工业上多用以测量水、矿浆等介质的流量。可测最大管径达2m,而且压损极小。但导电率低的介质,如气体、蒸汽等则不能应用。
电磁流量计造价较高,且信号易受外磁场干扰,影响了在工业管流测量中的广泛应用。为此,产品在一直在改进更新, 向微机化发展,
超声波流量计是基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测介质的平均流速和声波本身速度的几何和的原理而设计的。它也是由测流速来反映流量大小的。超声波流量计虽然在70年代才出现,但由于它可以制成非接触型式,并可与超声波水位计联动进行开口流量测量,对流体又不产生扰动和阻力,所以很受欢迎,是一种很有发展前途的流量计。
利用多普勒效应制造的超声多普勒流量计近年来得到普遍的关注,被认为是非接触测量双相流的理想仪表。
流体振荡式流量计是利用流体在特定流道条件下流动时将产生振荡,且振荡的频率与流速成比例这一原理设计的,当通流截面一定时,流速与导容积流量成正比。因此,测量振荡频率即可测得流量,这种流量计是70年代开发和发展起来的, 由于它兼有无转动部件和脉冲数字输出的优点,很有发展前途。 目前典型的产品有涡街流量计、旋进旋涡流量计。
