【文章內容簡介】 如鋼鐵工業(yè)高爐風口冷卻水控制，造紙工業(yè)測量紙漿液 和黑液，化學工業(yè)的強腐蝕液，有色冶金工業(yè)的礦漿 ； 小口徑、微小口徑常用于醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、生物化學等有衛(wèi)生要求的場所。 容積測量方法 容積式測量方法利用機械測量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個已知的體積部分，根據測量室逐次重復地充滿和排放該體積部分流體的次數來測量流體體積總量。 容積式流量計就是按照容積式測量方法設計的流量測量儀表。容積式流量計按其測量元件分類，可分為橢圓齒輪流量計、刮板流量計、雙浮子流量計 、旋轉活塞流量計、往復活塞流量計、圓盤流量計、液封轉筒式流量計 及膜式氣量計等。 這種測量方法的 主要優(yōu)點是 ： 1． 計量精度高 ； 2． 安裝管道條件對計量精度沒有影響 ； 3． 可用于高粘度液體的測量 ； 4． 范圍寬 ； 5． 直讀式儀表無需外部能源可直接獲得累計總量，清晰明了，操作簡便。 這種測量方法的缺點是 ： 1． 結果復雜，體積龐大 ； 2． 被測介質種類、口徑、介質工作狀態(tài)局限性較大 ； 3． 不適用于高、低溫場合 ； 4． 大部分儀表只適用于潔凈單相流體 ； 5． 產生噪聲及振動。 采用這種測量方法制造的容積式流量計，常應用于昂貴介質 (油品、天然氣等 )的總量測量。 渦輪測量方法 渦輪測量方法采用多葉片的浮子 (渦輪 )感受流體平均流速，從而推導出流量或總量。 渦輪流量計就是按照渦輪測量方法設計的流量測量儀表。它是速度式流量計中的主要種類。一般它由傳感器和顯示儀兩部分組成，也可做成整體式。渦輪流量計和容積式流量計、質量流量計稱為流量計中三類重復性、精度最佳的產品，作為十大類型 哈爾濱理工大學學士學位論文 5 流量計之一，其產品已發(fā)展為多品種、多系列批量生產的規(guī)模。 這種測量方法的主要優(yōu)點是 ： 1． 高精度，在所有流量計中，屬于最精確的流量計 ； 2． 重復性好 ； 3． 元零點漂移，抗干擾能力好 ； 4． 范圍度寬 ； 5． 結構緊湊。 這種測量方法的缺點是 ： 1． 不能長 期保持校準特性 ； 2． 流體物性對流量特性有較大影響。 采用這種測量方法制造的渦輪流量計在以下一些測量對象獲得廣泛應用 ： 石油、有機液體、無機液、液化氣、天然氣和低溫流體。 超聲測量方法 超聲測量方法是通過檢測流體流動對超聲束 (或超聲脈沖 )的作用 來 測量流量的方法。超聲流量計就是根據超聲測量方法設計的。 根據對信號檢測的原理 ， 超聲流量計可分為傳播速度差法 (直接時差法、時差法、相位差法和頻差法 )、波束偏移法、多普勒法、互相關法 及 噪聲法等。 超聲流量計和電磁流量計一樣，因儀表流通通道未設置任何阻礙件，均屬無 阻礙流量計，是適于解決流量測量困難問題的一類流量計，特別在大口徑流量測量方面有較突出的優(yōu)點，近年來它是發(fā)展迅速的一類流量計之一。 這種測量方法的主要優(yōu)點是 ： 1． 可做非接觸式測量 ； 2． 為無流動阻撓測量，無壓力損失 ； 3． 可測量非導電性液體，對無阻撓測量的電磁流量計是一種補充。 這種測量方法的缺點是 ： 1． 傳播時間法只能用于清潔液體和氣體 ； 而多普勒法只能用于測量含有一定量懸浮顆粒和氣泡的液體 ； 2． 多普勒法測量精度不高。 采用這種測量方法制造的超聲流量計有如下的廣泛應用 ： ① 傳播時間法應用于清潔、單相液體和氣 體。典型應用有工廠排放液、怪液、液化天然氣等 ； ② 氣體應用方面在高壓天然氣領域已有使用良好的經驗 ； ③ 多普勒法適用于異相含量不太高的雙相流體，例如 ： 未處理污水、工廠排放液、臟 液，通常不適用于非常清潔的液體。 研究內容 本文在對流量測量的各種方法和流量儀表的 發(fā)展動態(tài)進行綜述的基礎上， 通過對卡門渦街原理的理解和公式的推導，得出流量和應力頻率的關系。然后設計了壓電式壓力傳感器及壓力信號調節(jié)器和 A/D 轉換電路，把采集的數字信號傳遞給單片機進行處理，最后由 LCD 顯示并交給上位機處理數據。重點放在了硬件電路的設計。 哈爾濱理工大學學士學位論文 6 第 2章 流量測量基本概念 流量概念 流量定義 ： 流體流過一定截面的體積或者質量與時間之比稱為通過該截面的流量。其中，體積與時間之比，稱為體積流量 ； 質量與時間之比，稱為質量流量。 如果流體的流動是不隨時間變化的，是定常流，流量就可以用流體在單位時間內通過一定截面的體積或質量來表示。當流體的流動是隨時間變化的，為非定常流，此時流量隨時間不斷變化。因此，對某一時刻的流量，可以假定在該時刻前后某一微小的 △ t 時間內流動為恒定，用該微小時間間隔內流過的流體體積或質量來表示。 設流體通過截面中的某一微小面積為 dF ， 并 且選 取通過該微小面積流體的流速為 u ，則流體通過微小面積 dF 的體積流量 dq ，為 ： udFdq? (2— 1) 流體通過整個截面積的體積流量 q， 可用對截面積 F 積分求出 ： ?? udFq (2— 2) 質量流量可以用流體體積流量與流體密度之積來表示。若質量流量為 Q ，流體密度為 ? ，則 ： qQ?? uF?? (2— 3) 上 式中，體積流量的單位為 m3/s 或 m3/h ； 質量流量的單位為 kg/s 或 kg/h。 在工程應用中，常常同時要求測量經過一段時間流過管道的總的流體量，即要求測量通過管道的流體的累積流量。如果流體的體積流量為 VQ ，質量流量為 mQ ，那么，在時間間隔 △ t 內流體流過的累積流量，可用下式表示 ： 流體質量累積流量 ： ?? dtqQ mm (2— 4) 流體體積累積流量 ： ?? dtqQ vv (2— 5) 累積體積流量的單位為 m3，累積質量流量的單位為 kg。 所以，如果流動為穩(wěn)定流，流體密度為 ? ，由上式可以得到： vvmm QtqtqQ ?? ??? (2— 6) 從上面可以看出，累計流量的測量就是流體體積的測量或者流體質量的測量。 流量測量 參數 1．靜態(tài)特性 傳感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關，所以它們之間的關系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個不含時間變量的代數方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數有 ： 線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。 哈爾濱理工大學學士學位論文 7 2． 動態(tài)特性 所謂動態(tài)特性，是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應 容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。 3． 流量計特征曲線 流量計特性曲線是反映隨流量變化流量計性能變化的曲線。特性曲線較常用的有兩種不同表示形式 ： 一種是表示流量計的某種特性 (通常是流量系數或儀表系數，也有的是某一與流量有關的輸出量 )與流量 q 或雷諾數 Re 的關系 ； 另一種是表示流量計測量誤差隨流量 q 或雷諾數 Re 變化的關系，這種特性曲線一般稱為流量計的誤差特性曲線。 流量計的特性曲線可以通過對流量計進行理論分析而得到，而更為準確可靠的是對流量計進行標定得到，即在整個流量計的流量范圍內進行一系列的實驗得到。 4． 線性度 通常情況下，傳感器的實際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線。在實際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數，常用一條擬合直線近似地代表實際的特性曲線、線性度(非線性誤差 )就是這個近似程度的一個性能指標。 擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿量程輸出點相連的理論直線作為擬合直線 ?；驅⑴c特性曲線上各點偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。 5． 靈敏度 靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化 △ y 對輸入量變化 △ x 的比值。它是輸出 —輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間是線性關系，則靈敏度 s 是一個常數。否則，它將隨輸入量的變化而變化。靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳 感器，在位移變化 mm1 時，輸出電壓變化為 mV200 ，則其靈敏度應表示為 mmmV/200 。當傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時，靈敏度可理解為放大倍數。 提高靈敏度，可得到較高的測量精度。但靈敏度愈高，測量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差。 6． 分辨力 分辨力是指傳感器可能感受到的被測量的最小變化的能力。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當輸入變化值未超過某一數值時，傳感器的輸出不會發(fā)生變化，即傳感器對 此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當輸入量的變化超過分辨力時，其輸出才會發(fā)生變化。通常傳感器在滿量程范圍內各點的分辨力并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨力的指標。上述指標若用滿量程的百分比表示，則稱為分辨率。 7． 雷諾數 哈爾濱理工大學學士學位論文 8 測量管內流體流量時往往必須了解其流動狀態(tài)、流速分布等。雷諾數就是表征流體流動特性的一個重要參數。流體流動時的慣性力 gF 和粘性力 (內摩擦力 ) mF 之比稱為雷諾數 ， 用符號 Re 表示 ， Re 是一個無因次量。 lvvlssvFFmg ???? ??? 2Re (2— 7) 式中的動力粘度 ? 用運動粘度 ? 來代替，因為 v??? ，則 ??? vllv ??Re (2— 8) 式中 ： v流體的平均速度 l流束的定型尺寸 ? 在工作狀態(tài)下流體的運動粘度 ?動力粘度 ? 被測流體密度 由上式可知，雷諾數油的大小取決于三個參數，即流體的速度、流束的定型尺寸以及工作狀態(tài)下的粘度。雷諾數小，意味著流體流動時各質點間的粘性力占主要地位，流體各質點平行于管路內壁有 規(guī)則地流動，呈層流流動狀態(tài)。雷諾數大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流流動狀態(tài)，一般管道雷諾數 Re2020 為層流狀態(tài)， Re4000為紊流狀態(tài)， Re=2020~4000 為過渡狀態(tài)。在不同的流動狀態(tài)下，流體的運動規(guī)律 .流速的分布等都是不同的，因而管道內流體的平均流速 v 與最大流速 maxv 的比值也是不同的。因此雷諾數的大小決定了粘性流體的流動特性。 本章小結 本章介紹了流量的定義，流量測量中常用的術語，以及液體管內流動的 基本知識，并且詳細敘述了測量流量時傳感器的各種特性，正確使用和測量傳感器的特性對實驗結果分析有很大幫助； 是正確進行流量測量的基礎 。 本章為以后各章節(jié)的分析奠定了一定的基礎 。 哈爾濱理工大學學士學位論文 9 第 3章 渦街流量計基本概念 渦街流量計原理及模型 卡門渦街 渦街流量計是利用流體力學卡門渦街原理，即在流動的流體中插入一個非流線型斷面的柱體，流體流動受到影響，在一定的雷諾數范圍內將在柱體下游，產生漩渦。當這些漩渦排列成兩排 且 當兩排漩渦的間距 h 與同列中兩相鄰漩渦的間距 L 之比滿足 h/L= 時，就能得到穩(wěn)定的交替排列漩渦 。 這種穩(wěn)定而規(guī)則地排列的漩渦稱為“ 卡門渦街 ”。 圖 31 卡門渦街原理圖 實驗表明，漩渦分離頻率，即單位時間內在由柱體一側產生的漩渦數目 f 與流體速度 v 成正比，與柱體迎流面的寬度 d 成反比，即 ： dvStf ? (3— 1) 其中： f 漩渦分離頻率 (Hz ) St 斯特勞哈爾數（無量綱）。對于一定柱形在一定流量范圍內是雷諾數的函數。 v 漩渦發(fā)生體兩側的流速（ m/s） d 漩渦發(fā)生體迎流寬度（ mm） 用管道內平均流速 ? 代替 v，根據流體連續(xù)方程，有 Ddv ??? (3— 2) 其中： ? 管道內流體平均速度， m/s D渦街流量計內殼的內徑， mm 將 32 式帶入 31 式可以得到： V h 漩渦 漩渦發(fā)生體 V p V L 哈爾濱理工大學學士學位論文 10