第十章 流体参量测ppt课件

第十章流体参量测量 压力测量和流量测量是工程测试领域中的一个重要的物理量 第一节压力的测量 压力的定义流体或固体垂直作用在单位面积 S 上的力 F 称为压力 p 也称压强 而工程上则习惯于称其为压力 压力单位是Pa 帕 1Pa 1N m2 1个标准大气压 101325Pa 1 01325工程大气压工程中常采用的压力有绝对压力 pa 表压力 pg 真空 pv 和差压等几种 压力的分类压力 静态压力和动态压力静态压力 不随时间变化或变化非常缓慢的压力 动态压力 随时间变化的压力 压力测量方法静态压力测量 一般采用压力表 压力变送器进行测量 动态压力测量 弹性变形测压法 将敏感元件感受压力而产生的弹性变形量转换为电量再进行测量 一 压力测量的弹性元件 压力测量弹性元件通常有波登管 膜片 波纹管等 利用弹性敏感元件的应力应变特性弹性敏感元件在被测压力作用下产生应力 应变 利用应力 应变来测量压力的 如应变式压力传感器等 利用弹性敏感元件的压力集中力特性弹性敏感元件将被测压力转换成集中力 利用测量集中力来测量压力的 如压电式压力传感器 利用弹性敏感元件的压力位移特性将被测压力转换为弹性敏感元件的位移来测量的 如电容式压力传感器 波纹管 波登管 波登管 二 常用压力传感器 1 应变式压力传感器 1 膜片应变式压力传感器的主要元件是含有半导体应变片的特殊膜片 利用压阻效应工作 该传感器的弹性敏感元件是周边固定的平圆膜片 在上面粘贴一个组合应变片 当膜片在被测压力作用下发生弹性变形时 应变片也发生相应的变化 从而使应变片的阻值发生变化 由四个电阻组成的电桥就有相应的输出信号 r t 径向 切向应变 p 被测流体压力 Pa E 材料弹性模量 N m2 材料泊桑比 h 膜片厚度 m R 膜片半径 m r 膜片任意位置的半径 m 工作过程 被测压力 作用 膜片 膜片应变 电阻应变片 电阻变化 电量的输出 粘 外接电路 2 筒式应变压力传感器 膜片式压力传感器是作为腔体的密封元件 可以在膜片表面粘贴应变片测量应变 膜片式压力传感器 一般膜片式压力传感器是作为腔体的密封元件 膜片中心在流体压力作用下产生位移 可以用位移传感器测量该位移 式中E 材料的弹性模量 N m2 材料的泊桑比 h 膜片厚度 m R 膜片半径 m yc 膜片中心位移 m 当yc h 1 3时 yc h 3 yc h 故可忽略高次项 p与yc近似成线性关系 2 压阻式压力传感器 压阻式传感器的结构如图所示 其核心部分是一圆形的硅膜片 在沿某晶向切割的N型硅膜片上扩散四个阻值相等的P型电阻 构成平衡电桥 硅膜片周边用硅杯固定 其下部是与被测系统相连的高压腔 上部为低压腔 通常与大气相通 在被测压力作用下 膜片产生应力和应变 P型电阻产生压阻效应 其电阻发生相对变化 3压电式压力传感器 膜片式压电传感器 因此 在性能稳定性和勤务性上都大大优于活塞式结构 目前正在逐渐取代后者 由于膜片质量小 和压电元件相比 刚度也很小 如果提供合适的预紧力 传感器的固有频率可达100kHz以上 膜片式压电测压传感器结构示意图 它用金属膜片代替活塞 膜片起着传递压力 实现预压和密封三个作用 膜片用微束等离子焊和本体焊接 整个结构是密封的 活塞式压电传感器 活塞式压电压力传感器的结构示意图 该传感器主要由传感器本体 活塞 砧盘 晶体 导电片 引出导线等组成 传感器在装配时用顶螺丝给晶片组件一定的预紧力 以保证活塞 砧盘 晶片 导电片之间压紧 避免受冲击时因有间隙而使晶片损坏 并可提高传感器的固有频率 测量时 传感器通过螺纹安装到测压孔上 锥面起密封作用 被测压力作用在活塞的端面上 并通过活塞的另一头把压力传送到压电晶体上 测气体压力的电感传感器 自感型 电感式压力传感器 电感式压力传感器一般由两部分组成 一部分是弹性元件 用来感受压力并把压力转换成位移量 另一部分是由线圈和衔铁组成的电感式传感器 可分为自感型和差动变压器型 图为其结构原理图 为由膜盒与变气隙自感传感器构成的压力传感器 流体压力使膜盒变形 从而推动固定在膜盒自由端的衔铁上移引起电感变化 被测压力 作用 膜片 电感变化 外接电路 电量的输出 差动变压器式微压传感器 图为膜盒与差动变压器构成的微压力传感器 衔铁固定在膜盒的自由端 无压力时 衔铁在差动变压器线圈的中部 输出电压为零 当被测压力通过接头输入膜盒后 膜盒变形推动衔铁移动 使差动变压器输出正比与被测压力的电压 测压系统的定度 标定 静态标定和动态标定静态标定的目的 确定系统静态特性指标 如线性度 灵敏度 滞后和重复性等 动态标定的目的 确定系统的动态特性参数 如频率响应函数 时间常数 固有频率及阻尼比等 1 测压系统的静态标定 常用的静压发生装置有 活塞式压力发生器 杠杆式压力发生器及弹簧测力计式压力发生器 被标定的压力传感器或压力仪表安装在压力计的接头上 当转动手轮时 加压油缸的活塞往前移动使油缸增压 并把压力传至各部分 当压力达到一定值时 将精密活塞连同上面所加的标准砝码顶起 轻轻转动砝码盘 使精密活塞与砝码旋转 以减小活塞与缸体之间的磨擦力 此时油压与砝码 连同活塞 的重力相平衡 传感器或压力仪表受到的压力等于砝码 连同活塞 的重力与活塞的有效面积之比可表示为p为油缸的压力 Pa m1为标准砝码的质量 kg m2为活塞的质量 kg D为活塞的直径 m g为当地的重力加速度 m s2 压力标定过程 标定时 以一定的压力间距逐点加压 记录下所加的压力值Pi 以及相应的记录仪器的电压偏移量Vi 标定时所施加的最大压力应略大于待测压力的最大值 然后 再逐次减小压力 记录下测压系统记录仪器的电压偏移量Vi 并重复3 5次 测压系统的动态标定 要获得一个令人满意的周期或阶跃的压力源 动态压力源的分类如下 稳态周期性压力源 活塞与缸筒 凸轮控制喷嘴 声谐振器 验音盘等 非稳态压力源 快速卸荷阀 脉冲膜片 闭式爆炸器 激波管及落锤液压动标装置等 1 稳态标定法常见的活塞和缸筒装置就是一种简单的稳态周期性校准压力源 活塞运动源的一种变型是传动膜片 膜盒或弹簧管 通过连杆与管端连接的偏心轮使弹簧管弯曲 这样来使用弹簧管 效果很好 2 非稳态标定采用稳态周期性压力源来确定压力系统的动态特性时 往往受到所能产生的压力幅值和频率的限制 高压和稳态频率很难同时获得 为此 在较高压力振幅范围内 为了确定压力传感器的高频响应特性 必须借助于阶跃函数理论 可采用各种方法来产生所需要的脉冲 最简单的一种方法是在液压源与传感器之间使用一个快速卸荷阀 从0上升到90 的全压力的时间为10ms 采用脉冲膜片也可获得阶跃压力 用薄塑料膜片或塑料薄板 把两个空腔隔开 由撞针或尖刀使膜片产生机械损坏 由此发现 降压而不是升压 可产生一个更接近理想的阶跃函数 降压时间约为0 25ms 激波管能产生非常接近的瞬态 标准 压力 激波管的结构十分简单 它是一根两端封闭的长管 用膜片分成两个独立空腔 激波管 用激波管标定压力 或力 传感器是目前最常用的方法 它具有以下特点 压力幅度范围宽 便于改变压力值 频率范围广 2kHz 2 5MHz 便于分析研究和数据处理 激波管是产生激波的核心部分 由高压室1和低压室2组成 1 2之间由铝或塑料膜片3隔开 激波压力的大小由膜片的厚度来决定 标定时根据要求对高 低压室充以压力不同的压缩气体 通常采用压缩空气 低压室一般为一个大气压 仅给高压室充以高压气体 当高 低压室的压力差达到一定程度时膜片破裂 高压气体迅速膨胀进入低压室 形成激波 该激波的波阵面压力保持恒定 接近理想的阶跃波 并以超音速施加于被标定的传感器上 传感器在激波的激励下按固有频率产生一个衰减振荡 如图13 20所示 其波形由显示系统记录下来 以供确定传感器的动态特性之用 激波管标定装置系统原理框图 1 激波管的高压室2 激波管的低压室3 激波管高低压室间的膜片4 侧面被标定的传感器5 底面被标定的传感器6 7 各为测速压力传感器8 测速前置级9 数字式频率计10 测压前置级11 记录记忆装置12 气源13 气压表14 泄气门 第二节流量的测量 流量的概念 流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量 前者称体积流量 m3 s 后者称质量流量 kg s 通常流体流量有体积流量qv和质量流量qm之分 它们之间的关系为 为流体的密度 在某一段时间内流体流量的总和 称为总流量 如果在截面上速度分布是均匀的 则 一 常用的流量计 1压差式流量计 节流式流量计主要由两部分组成 节流装置和测量静压差的差压计 节流装置是安装在流体管道中 使流体的流通截面发生变化 引起流体静压变化的一种装置 常用的节流装置有文丘利管 喷嘴和孔板 如图所示 当充满圆管的流体流经在管道内部安装的节流装置时 流束将在节流件处形成局部收缩 使流速增大 静压力降低 于是在节流件前后产生压力差 该压力差通过差压计检出 流体的体积流量或质量流量与差压计所测得的差压值有确定的数值关系 当它流经管道内节流件时 流束将在节流件处形成局部收缩 因而流速增加 静压力降低 于是在节流件前后便产生了压差 流体流量愈大 产生的压差愈大 因而可依据压差来衡量流量的大小 压差流量计原理与压力分布情况如图所示 流体的体积流量或质量流量与差压计所测得的差压值有确定的数值关系 a 流量系数 E 流体压缩系数 对不可压缩流体 E 1 对可压缩流体 E 1 A0 孔板的最小截面积 为流体的密度 常用的节流装置有标准孔板 喷嘴和文杜里管等 文丘利管压力损失最小 而孔板压力损失最大 流体阻力式流量计 工作原理 管道内置入一阻力体 流量大小 阻力体受力变化 阻力体运动位置变化 根据阻力体不同 这类流量计有 转子 浮子 流量计靶式流量计 2 转子流量计 浮子流量计 转子流量计又名浮子流量计或面积流量计 具有结构简单 使用维护方便 对仪表前后直管段长度要求不高 压力损失小且恒定 测量范围比较宽 工作可靠且线性刻度 可测气体 蒸汽 电 气远传金属浮子流量计 和液体的流量 适用性广等特点 当被测流体自锥管下端流入流量计时 由于流体的作用 浮子上下端面产生一差压 该差压即为浮子的上升力 当差压值大于浸在流体中浮子的重量时 浮子开始上升 随着浮子的上升 浮子最大外径与锥管之间的环形面积逐渐增大 流体的流速则相应下降 作用在浮子上的上升力逐渐减小 直至上升力等于浸在流体中的浮子的重量时 浮子便稳定在某一高度上 这时浮子在锥管中的高度与所通过的流量有对应的关系 只要保持流量系数a为常数 则流量与浮子高度h之间就存在一一对应的近似线性关系 显然 对于不同的流体 由于密度发生变化 所以qv与h之间的对应关系也将发生变化 3 靶式流量计 靶式流量计是以管内流动的流体给予插入管中的靶的推力F来测量流量的一种测量装置 它的结构原理如图所示 当被测流体通过装有圆靶的管道时 流体冲击圆靶使其受推力F作用 经杠杆将力传递给粘有应变片的悬臂梁 也可采用其它形式的力传感器 这样应变电桥就输出与力F成正比的电压 由测得的F值就可根据下述关系确定流量的大小 式中 F为靶受到流体的阻力 为阻力系数 A1为靶迎流面积 d为靶直径 v为靶和管壁间环面积中的平均流速 为介质密度 靶式流量计的结构如图所示 在被测管道中心迎着流速方向安装一个靶 当介质流过时 靶受到流体的作用力 流量与靶输出力F的平方根成正比 测量靶所受的力F 就可以测定被测介质的流量 4 涡轮流量计 在管道中心安放一个涡轮 两端由轴承支撑 当流体通过管道时 冲击涡轮叶片 对涡轮产生驱动力矩 使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转 在一定的流量范围内 涡轮的旋转角速度与流体流速成正比 由此 流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到 从而可以计算得到通过管道的流体流量 qv f K f 流量计输出信号的频率 K 流量计的仪表系数 涡轮流量计的特点 1 高精确度 基本误差可达 0 25 1 5 在所有流量计中 它属于最精确的 2 重复性好 短期重复性可达0 05 0 2 3 输出脉冲频率信号 无零点漂移 抗干扰能力强 4 测量范围度宽 中大口径可达40 1 10 1 5 结构紧凑轻巧 安装维护方便 6 适用高压测量 仪表表体上不必开孔 易制成高压型仪表 7 难以长期保持校准特性 需要定期校验 容积式流量计 这类仪表用仪表内的一个固定容量的容积连续地测量被测介质 最后根据定量容积称量的次数来决定流过的总量 习惯上人们把计量表也称为流量计 根据它的结构不同 这类仪表主要有椭圆齿轮流量计 腰轮流量汁 活塞式流量计等 椭圆齿轮流量计 其主要部分是壳体和装在壳体内的一对相互啮合的椭圆齿轮 它们与盖板构成了一密闭的流体计量空间 流体的进出口分别位于两个椭圆齿轮轴线构成平面的两侧壳体上 如图所示 流体进入流量计时 进出口压力差Dp p1 p2的存在 使得椭圆齿轮受到力矩的作用而转动 A B两轮交替带动 以椭圆齿轮与壳体间固定的月牙型计量空间为计量单位 不断地把入口处的流体送到出口 图所示仅为椭圆齿轮转动1 4周的情况 相应排出的流体量为一个月牙型空腔容积 所以 椭圆齿轮每转一周所排流体的容积为固定的月牙型计量空间容积V0的4倍 若椭圆齿轮的转数为n 则通过椭圆齿轮流量计的流量为 已知排量q值的椭圆齿轮流量计 只要测量出转数n 便可确定通过流量计的流量大小 腰轮转子流量计 腰轮转子流量计对流体的计量过程 同椭圆齿轮流量计相类似 是通过腰轮 转子 与壳体之间所形成的固定计量空间来实现的 每当腰轮转过一圈 便排出四个固定计量体积的流体 只要记下腰轮的转动转数 就可得到被测流体的体积流量 已知排量q值的腰轮转子流量计 只要测量出转数n 便可确定通过流量计的流量大小 上述两种转子型式的容积流显计 可用于各种液体流量的测量 尤其是用于油流量的准确测量 在高压力 大流量的气体流量测量中 这类流量计也有应用 由容积流量计的外伸轴一般带有机械计数器 由它的读数便可确定流量计的总流量 这种流量计同秒表配合 可测出平均流量 但由于用秒表测量的人为误差大 因此测量精度较低 现在大多数椭圆齿轮流量计的外伸轴都带有测速发电机或光电测速盘 再同二次仪表相连 可准确地显示出平均流量和累积流量 涡街 Vortex 流量计 利用流体流过阻碍物时产生稳定的漩涡 通过测量其漩涡产生频率而实现流量计量 由涡街流量传感器和流量显示仪表两部分构成 理论基础 卡门涡街 原理 在流动的流体中放置一根其轴线与流向垂直的非流线型柱形体 如三角柱 圆柱等 称之为漩涡发生体 当流体沿漩涡发生体绕流时 会在漩涡发生体下游产生如图所示不对称但有规律的交替漩涡列 这就是所谓的卡门涡街 冯 卡门对涡街的稳定条件进行了研究 于1911年得到结论 只有当两漩涡列之间的距离H和同列的两漩涡之间的距离L之比满足下面的关系时 所产生的涡街才是稳定的 圆柱体后漩涡发生的频率为 圆柱体表面开有导压孔 与圆柱体内部空腔相通 空腔由隔板分成两部分 在隔板的中央部分有 小孔 在小孔中装有检测流体流动的铂电阻丝 当旋涡在圆柱体下游侧产生时 出于升力的作用 使得圆柱体下方的压力比上方高一些 圆柱体下方的流体在上下压力差的作用下 从圆柱体下方导压孔进入空腔 通过隔板中央部分的小孔 流过铂电阻丝 从上方导压孔流出 如果将铂电阻丝加热到高于流体温度的某温度值 则当流体流过铂电阻丝时 就会带走热量 改变其温度 也即改变其电阻值 当圆柱体上方产生一个旋涡时 则流体从上导压孔进入 由下导压孔流出 又一次通过铂电阻丝 又改变一次它的电阻值 由此可知 电阻值变化与流动变化相对应 也既与旋涡的频率相对应 所以 可由检测铂电阻丝电阻变化频率得到涡频率 进而得到流量值 涡街流量计的特点 被测流体本身就是振动体 无机械可动部件 几乎不受流体组成 密度 粘度 压力等因素的影响 可得到与流量成正比的频率输出信号 应用范围广泛 可适用液体 气体和蒸气 测量范围宽 一般范围度可达10 1以上 精确度为中上水平 测速式流量计 速度式流量计是从直接测量管道内流体流速v作为流量测量依据的 若测得的是管道截面上的平均流速v 则流体的体积流量qv A v A为测量管道横截面积 若测得的是管道横截面上的某一点流速v 则流体的体积流量qv K A v K为截面上的平均流速与被测点流速的比值 它与管道内流速分布有关 测速式流量计主要有涡轮流量计 超声波流量计和电磁流量计几种 电磁流量计 电磁流量计由电磁流量传感器 转换器以及显示仪表等组成 也可由电磁流量传感器和显示仪表直接组成 几乎可适用于所有电导率大于10 5W cm的导电性液体 如图所示 设在均匀磁场中 垂直于磁场方向有一个直径为D的管道 管道由不导磁材料制成 当导电的液体在导管中流动时 导电液体切割磁力线 因而在磁场及流动方向垂直的方向上产生感应电动势 如安装一对电极 则电极间产生和流速成比例的电位差 式中 E为感应电动势 B为磁感应强度 D为管道内径 v为液体在管道内平均流速 电感应电势与流量成线性关系 电磁流量计的特点 1 可以测量各种腐蚀性介质 酸 碱 盐溶液以及带有悬浮颗粒的浆液 2 无机械惯性 反应灵敏 可以测量脉冲流量 3 线性较好 可直接进行等分刻度 4 只能测量导电液体 不能测量气体 蒸气以及大量气泡的液体或者电导率很低的液体 5 不能用于测量高温介质 超声波流量计 当超声波在流体中传播时 会载带流体流速的信息 因此 根据对接收到的超声波信号进行分析计算 可以检测到流体的流速 进而可以得到流量值 超声波流量测量方法有很多 主要介绍传播速度差方法的基本原理与流量方程 传播速度差法的基本原理为 测量超声波脉冲在顺流和逆流传播过程中的速度之差来得到到被测流体的流速 根据测量的物理量的不同 可以分为时差法 测量顺 逆流传播时由于超声波传播速度不同而引起的时间差 相差法 测量超声波在顺 逆流中传播的相位差 频差法 测量顺 逆流情况下超声脉冲的循环频率差 频差法是目前常用的测量方法 它是在前两种测量方法的基础上发展起来的 在流量计管壁的斜对面固定两个超声波振子TR1 TR2 兼作为超声波的发送和接收元件 由一侧的振子产生的超声波脉冲穿过管壁 流体 管壁为另一侧的振子所接收 并转换为电脉冲 经放大后再用此电脉冲激发对面的发送振子 形成所谓单环自激振荡 超声波流量计的原理 流速不同会使超声波在流体中传播的速度发生变化 通过分析计算改变的超声波信号 可以检测到流体的流速 进而可以得到流量值 时差法 设超声波发生器与接收器之间的距离为L 则超声波到达上 下游接收器的传播时间差为 c 超声波在静止介质中的传播速度 流体的速度 频差法 通过测量顺流和逆流时超声脉冲的重复频率差来测量流速 在上 下游等距离处收到超声波的频率差为 利用频率差测流速时与超声波传播速度c无关 因此工业上常用频率差法 超声波流量计的特点 优点 流体中不插入任何元件 对流速无影响 也没有压力损失 能用于任何液体 也能测量气体的流量 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 量程比较宽 可达5 1 输出与流量之间呈线性等优点 缺点 只能用于测量200 以下的流体 结构复杂 成本较高 质量流量计 1 在工业生产中 由于物料平衡 热平衡以及储存 经济核算等所需要的都是质量 并非体积 2 在测量工作中