传感器教案18-1流量的检测方法.doc

福建交通职业技术学院福建交通职业技术学院 教案教案 首页首页 班级 09 计控 1 2 班 日期 2011 年 6 月 23 日 编号 18 1 教 学 目 的 与 要 求 项目四 液位和流量检测 单元三 流量的检测 1 熟悉常用超生波传感器检测组件的外形和基本原理 2 掌握工业常用的流量检测方法 3 学会超生波流量传感器检测系统安装和调试的目的 时间安排 2 课时 任课教师 朱其祥 本 课 重 点 与 难 点 重点 难点 工业常用的流量检测方法 次序内 容 1 一 了解流量检测的意义及常见方法 2 二 传播速度差法 3 三 多谱勒式超声波流量传感器 4 四 思维训练 5 五 课堂提问 6 六 小结 7 七 板书安排 课 堂 进 程 福建交通职业技术学院教案纸福建交通职业技术学院教案纸 第 页 课程 传感器原理及应用 10 11 学年 第 2 学期 第 18 周 6 月 23 日 教 学 内 容 备 注 复习上节课内容 略 一 了解流量检测的意义及常见方法 1 流量的检测意义 流量的检测对于实现生产过程中的自动化 提高生产效率 保证产品质量 保障安全生产 促进科学技术的进步 都具有十分重要的意义 在工农业生产 军事工程 航天技术和日常生活中 流量检测在占有重要地位 目前 随着科学技术的发展 流量检测引入超声波 激光 电磁 核技术及微计算机等新 技术 使得无接触无活动部件的间接测量技术迅速发展 为流量检测开拓新的领域 2 液体流量的常用检测方法 流量是指流体在单位时间内通过某一截面的体积数或质量数 分别称为体积流量和质量流 量 若将瞬时流量对时间进行积分 求出累计体积或阶级质量的总和 称为累计流量 也称之 为总量 即 体积流量 单位 M3 H 质量流量 单位 T H 累计流量 单位 T H 影响流量测量有很多外部和内部的因素 因此 要准确的检测流量 就必须研究不同流体 在不同条件下的流量检测方法 超声波流量计可以做成非接触式传感器 常用于强腐蚀性 非导电性 放射性及易燃易爆 介质的流量测量 3 起声波流量计检测液体流量的方法 根据检测的方式 超声波流量计可分为传播速度差法 多普勒法 波束偏移法 噪声法和 相关法等 按照换能器的配置方法不同 超声波流量计又可分为 Z 法 透过法 V 法 反射法 和 X 法 交叉法 等 Z 法 透过法 V 法 反射法 X 法 交叉法 福建交通职业技术学院教案纸福建交通职业技术学院教案纸 第 页 课程 传感器原理及应用 10 11 学年 第 2 学期 第 18 周 6 月 23 日 教 学 内 容 备 注 二 传播速度差法 传播速度差法是检测超声波在流体顺流和逆流的速度之差反映其流量的 根据两束超声波 速度之差 检测出液体的平均速度和流量 它又可以分为时间差 相位差和频率差等检测方法 1 时间差式 设超声波的传播方向与液体的流动方向的夹角为 液体在管道内平均速度为 V 在静止 液体中声速为 C 管道的内径为 D 则超声波的顺流与逆流传播时间差为 则 体积流量约为 当管道条件 换能器安装位置和声速确定以后 C D 即为常数 流体流速和时间差 T 成正比 通过测量时间差就可得到流体流速 进而求得流体流量 2 相位差式 相位差式超声波流量计的换能器加正弦波信号电源 超声波的顺流与逆流传播相位差为 福建交通职业技术学院教案纸福建交通职业技术学院教案纸 第 页 课程 传感器原理及应用 10 11 学年 第 2 学期 第 18 周 6 月 23 日 教 学 内 容 备 注 则 体积流量约为 当管道条件 换能器安装位置 发射频率和声速确定以后 其 C D 即为常数 流体流速和相位差 成正比 通过测量相位差就可得到流体流速 进而求得流体流量 3 频率差式 超声波的顺流与逆流传播频率差为 则 体积流量约为 当管道条件 换能器安装位置确定以后 其 D 即为常数 流体流速和频率差 F 成正 比 通过测量频率差就可得到流体流速 进而求得流体流量 三 多谱勒式超声波流量传感器 在日常生活中 我们都会有这种经验 当一列鸣着汽笛的火车经过某观察者时 他 会发现火车汽笛的声调由高变低 为什么会发生这种现象呢 这是因为声调的高低是由声 波振动频率的不同决定的 如果频率高 声调听起来就高 反之声调听起来就低 这种现 象称为多普勒效应 它是用 发现者克里斯蒂安 多普勒的名字命名的 多普勒是奥地利物 理学家和数学家 他于 1842 年首先发现了这种效应 为了理 解这一现象 就需要考察火车 以恒定速度驶近时 汽笛发出的声波在传播时的规律 其结果是声波的波长缩短 好像波 福建交通职业技术学院教案纸福建交通职业技术学院教案纸 第 页 课程 传感器原理及应用 10 11 学年 第 2 学期 第 18 周 6 月 23 日 教 学 内 容 备 注 被压缩了 因此 在一定时间间隔内传播的波数就增加了 这就是观察者为什么会感受到声 调变高的原因 相反 当火车驶向远方时 声波的波长变大 好像波被拉伸了 因此 声音听起来就显得低沉 定量分析得到 f1 u v0 f u vs 其中 vs 为波源相对于介 质的速度 v0 为观察者相对于介质的速度 f 表示波源的固有频率 u 表示波在静止介质 中的传播速度 当观察者朝波源运动时 v0 取正号 当观察者背离波源 即顺着波源 运 动时 v0 取负号 当波源朝观察者运动时 vs 前面取负号 前波源背离观察者运动时vs 取正号 从上式可以很容易得知 当观察者与声源相互靠近时 f1 f 当观察者与声源 相互远离时 f1 f 设声源 S 观察者 L 分别以速度 Vs Vl 在静止的介质中沿同一直线同向运动 声源发 出声波在介质中的传播速度为 V 且 Vs 小于 V Vl 小于 V 当声源不动时 声源发射频 率为 f 波长为 X 的声波 观察者接收到的声波的频率为 f V Vl V V Vs X V Vl f V Vs 所以得 1 当观察者和波源都不动时 Vs 0 Vl 0 由上式得 f f 2 当观察者不动 声源接近观察者时 观察者接收到的频率为 F Vf V Vs 显然此时频率大于原来的频率 1 多谱勒效应 换能器 F1 发射频率为 F1 的超声波 经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡其频率将发生偏 移 以 F2 的频率反射到换能器 F2 这种现象就是多谱勒效应 F2 与 F1 的频差之差 即为多 谱勒频差 F 定义 2 相对运动体之间有电波传输时 其传输频率随瞬时相对距离的缩短和增大 而相应增高和降低的现象 2 多谱勒式超声波流量传感器的原理 设流体流速为 V 超声波声速为 C 多谱勒频移 F 正比于流体流速 V 即 福建交通职业技术学院教案纸福建交通职业技术学院教案纸 第 页 课程 传感器原理及应用 10 11 学年 第 2 学期 第 18 周 6 月 23 日 教 学 内 容 备 注 则 体积流量约为 当管道条件 超声波换能器安装位置 发射频率和声速确定以后 参数 C D F1 即 为常数 其流体流速和超声波多谱勒频移成正比 通过检测多谱勒频移就可得到流体流速 进 而求得流体的流量 四 思维训练 1 根据所检测液体高度和电流的变化 能判断出它是什么液体吗 2 电容式物位传感器除了检测液位外 可以检测粘液和粒状 粉末状材料 如仓储的粮 食 洗衣粉 砂 水泥和煤粉等物质 的物面吗 3 电容式物位传感器检测液位 是否要求被测材料的介电常数保持恒定 4 根据检测液体的密度和体积流量的变化 能计算出它的质量密度变化吗 5 超声波传感器除了检测纯净液体的流量外 能否检测混合液体的流量 可以检测气体 粒状和粉末状材料 如有害的气体 仓储的粮食 洗衣粉 砂 水泥和煤粉等物质 的流 量 6 为了消除与超生波速度有关的温度漂移 应选用那种检测方式的超声波传感器 7 根据检测液体的密度和体积流量的变化 你能计算出它的质量密度变化吗 8 超声波传感器除了检测纯净液体的流量外 能否检测混合液体的流量 可以检测气体 粒状和粉末状材料 如有害的气体 仓储的粮食 洗衣粉 砂 水泥和煤粉等物质 的流量 9 为了消除与超生波速度有关的