影像測(cè)量?jī)x
靶式流量計(jì)測(cè)量原理 在恒定截面的圓筒形直管段的截面中心與流束垂直的方向設(shè)置一個(gè)稱為靶的圓板, 流體沿靶周圍流過(guò)時(shí), 靶受到推力的作用, 力的大小與流體的動(dòng)能和靶的面積成正比。當(dāng)管道的雷諾數(shù)大于流量計(jì)的界限雷諾數(shù)時(shí), 流量與靶受到的力有確定的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系?？捎檬?1)進(jìn)行計(jì)算:
式中: qm----質(zhì)量流量，單位kg/s;
qv----體積流量, m3 /s;
α----流量系數(shù)(常數(shù));
γ----流束膨脹系數(shù)(常數(shù))，對(duì)于不可壓縮性流體γ=1，對(duì)于可壓縮性流體γ<1;
D----管道內(nèi)徑，單位m;
d-----靶片直徑,單位m;
ρ-----流體密度, kg/m3;
F-----靶片受到的力，單位N。
靶式流量計(jì)的分類靶式流量計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是力的轉(zhuǎn)換方式, 即傳感器的結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展進(jìn)步, 其類型已多種多樣。不同的生產(chǎn)廠商有不同分類方法, 目前尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。為便于描述和統(tǒng)一認(rèn)識(shí)從兩個(gè)方面對(duì)靶式流量計(jì)按結(jié)構(gòu)和信號(hào)轉(zhuǎn)換形式進(jìn)行了分類, 如圖1所示。
按結(jié)構(gòu)形式分為:軸封膜片結(jié)構(gòu)型;撓性管結(jié)構(gòu)型;扭力管結(jié)構(gòu)型和差壓靶結(jié)構(gòu)型。按信號(hào)轉(zhuǎn)換形式分為:力-氣壓轉(zhuǎn)換型, 稱為氣動(dòng)靶式流量計(jì);力-位移-電壓轉(zhuǎn)換型、力-應(yīng)變-電壓轉(zhuǎn)換型、力-扭距-電壓轉(zhuǎn)換型, 此三種轉(zhuǎn)換形式都稱為電動(dòng)靶式流量計(jì);另外還有力-差壓轉(zhuǎn)換型, 稱為差壓靶式流量計(jì)。無(wú)論何種結(jié)構(gòu)形式, 靶式流量計(jì)都由力產(chǎn)生裝置(靶片和測(cè)量管)、力轉(zhuǎn)換裝置和信號(hào)處理單元(包括顯示部分)三大部分組成。
軸封膜片氣動(dòng)靶式流量計(jì)
軸封膜片氣動(dòng)式流量計(jì)是一種力-氣壓轉(zhuǎn)換型的流量計(jì), 結(jié)構(gòu)如圖2所示,其工作過(guò)程是:杠桿在靶力的作用下繞軸封膜片轉(zhuǎn)動(dòng), 改變噴嘴的出氣間隙, 從而改變氣動(dòng)放大單元的輸入壓力, 最終改變輸出壓力,使輸出壓力隨著靶力的變化而變化。調(diào)試時(shí), 通過(guò)零點(diǎn)調(diào)整機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)整噴嘴的初始位置, 以設(shè)定零點(diǎn);通過(guò)改變滿量程調(diào)整機(jī)構(gòu)的位置來(lái)調(diào)整噴嘴的出氣間隙,也可以通過(guò)改變靶片的大小, 使不同的流量產(chǎn)生相同的靶力來(lái)調(diào)整滿量程。
該結(jié)構(gòu)流量計(jì)出現(xiàn)得較早, 但現(xiàn)在已很少使用。其原因是:由于結(jié)構(gòu)上的問(wèn)題, 導(dǎo)致該流量計(jì)的零點(diǎn)穩(wěn)定性較差、靈敏度低、量程范圍窄、耐壓能力低、調(diào)試繁瑣, 而且安裝現(xiàn)場(chǎng)必須提供標(biāo)準(zhǔn)氣源, 相關(guān)設(shè)備投入大、維護(hù)成本高。但在一些特殊的地方, 如防爆要求嚴(yán)格、老設(shè)備改造等場(chǎng)合還經(jīng)?？梢砸?jiàn)到該類型流量計(jì)。
軸封膜片位移靶式流量計(jì)
軸封膜片位移靶式流量計(jì)是一種力-位移-電壓轉(zhuǎn)換型的流量計(jì), 其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其工作過(guò)程是:杠桿在靶力的作用下繞軸封膜片轉(zhuǎn)動(dòng), 通過(guò)矢量機(jī)構(gòu)帶動(dòng)差動(dòng)變壓器中的鐵芯移動(dòng), 改變差動(dòng)變壓器的輸出電壓, 該電壓送電器單元處理后, 輸出與流量相關(guān)的電流信號(hào)。調(diào)試時(shí), 通過(guò)零點(diǎn)調(diào)整機(jī)構(gòu), 設(shè)定鐵芯的初始位值, 以設(shè)定零點(diǎn);通過(guò)滿量程調(diào)整機(jī)構(gòu)改變矢量機(jī)構(gòu)的角度, 來(lái)設(shè)定靶力達(dá)到最大時(shí)鐵芯的移動(dòng)距離;也可以通過(guò)改變靶片的大小, 使不同的流量產(chǎn)生相同的靶力來(lái)設(shè)定滿量程。
上述結(jié)構(gòu)是靶式流量計(jì)在七八十年代的主要結(jié)構(gòu)形式, 而到90年代初期已基本不生產(chǎn)。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試極其困難、穩(wěn)定性很差、易受到振動(dòng)干擾, 測(cè)量精度和靈敏度低、量程范圍窄、耐壓能力低, 一度導(dǎo)致靶式流量計(jì)的市場(chǎng)萎縮殆盡。至今仍有人對(duì)靶式流量計(jì)抱有不良印象, 就是這種結(jié)構(gòu)造成的。
軸封膜片應(yīng)變靶式流量計(jì)
軸封膜片應(yīng)變靶式流量計(jì)是一種力-應(yīng)變-電壓轉(zhuǎn)換類型的流量計(jì), 其結(jié)構(gòu)如圖4所示。其工作過(guò)程是:靶力通過(guò)杠桿(軸封膜片為支點(diǎn))傳遞到彈性體,對(duì)彈性體產(chǎn)生彎矩作用,引起彈性體彎曲變形, 導(dǎo)致由四個(gè)應(yīng)變計(jì)組成的電橋失去平衡, 產(chǎn)生輸出, 該輸出經(jīng)電器單元處理,輸出與流量相關(guān)的電流信號(hào)。調(diào)試時(shí), 只需調(diào)整電器單元的兩個(gè)電位器, 就可以完成零點(diǎn)和滿量程的設(shè)置。此外, 該結(jié)構(gòu)需另設(shè)靜壓調(diào)整裝置,以消除靜壓漂移。
上述結(jié)構(gòu)是90年代中期發(fā)展起來(lái)的, 在力的轉(zhuǎn)換方式上已經(jīng)完全摒棄了以往機(jī)械的模式, 它采用的是以電子技術(shù)為基礎(chǔ)、以應(yīng)變測(cè)量為手段的測(cè)力方式, 測(cè)量精度大為提高。由于電子技術(shù)的廣泛使用,使流量計(jì)的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化, 可靠性提高,調(diào)試簡(jiǎn)單, 制造成本和維護(hù)費(fèi)用明顯降低, 使一度萎靡的靶式流量計(jì)市場(chǎng)重現(xiàn)生機(jī)。
撓性管靶式流量計(jì)
撓性管靶式流量計(jì)也是一種力-應(yīng)變-電壓轉(zhuǎn)換型的流量計(jì), 其結(jié)構(gòu)如圖5所示。其工作過(guò)程是:靶力通過(guò)杠桿傳遞到撓性管上, 對(duì)撓性管產(chǎn)生彎矩作用, 引起撓性管彎曲變形, 導(dǎo)致由四個(gè)應(yīng)變計(jì)組成的電橋失去平衡, 產(chǎn)生輸出, 該輸出經(jīng)電器單元處理, 輸出與流量相關(guān)的電流信號(hào)。其調(diào)試方式與軸封膜片應(yīng)變靶式流量計(jì)基本相同, 只需調(diào)整電器單元的兩個(gè)電位器來(lái)完成零點(diǎn)和滿量程的設(shè)置, 但不需要靜壓調(diào)整裝置。
該結(jié)構(gòu)是軸封膜片應(yīng)變靶式流量計(jì)的改進(jìn)型, 它將前者的彈性體和軸封膜片設(shè)計(jì)成一體, 使機(jī)構(gòu)更為簡(jiǎn)化。撓性管結(jié)構(gòu)的顯著優(yōu)勢(shì)是提高了流量計(jì)的耐壓性能和密封可靠性, 使耐壓能力達(dá)到25 MPa以上。中間環(huán)節(jié)的減少, 消除了力的傳遞誤差, 提高了測(cè)量精度。不足之處是對(duì)應(yīng)變計(jì)的耐溫性能要求有所提高,應(yīng)變計(jì)的粘接工藝要求更嚴(yán)格?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的靶式流量計(jì)大多是這種結(jié)構(gòu)。
扭力管靶式流量計(jì)
扭力管靶式流量計(jì)也是一種力-應(yīng)變-電壓轉(zhuǎn)換型的流量計(jì), 其結(jié)構(gòu)如圖6所示。其工作過(guò)程是:靶力通過(guò)杠桿傳遞到扭力管上, 對(duì)扭力管產(chǎn)生扭矩作用,引起扭力管扭轉(zhuǎn)變形, 導(dǎo)致由四個(gè)扭矩應(yīng)變計(jì)組成的電橋失去平衡,產(chǎn)生輸出, 該輸出經(jīng)電器單元處理, 輸出與流量相關(guān)的電流信號(hào)。其調(diào)試方式與撓性管靶式流量計(jì)完全相同,只需調(diào)整電器單元的兩個(gè)電位器來(lái)完成零點(diǎn)和滿量程的設(shè)置,同樣不需要靜壓調(diào)整裝置。
該結(jié)構(gòu)是最近的全新結(jié)構(gòu), 其開(kāi)發(fā)目的是解決微小流量、寬量程比、高溫和高壓的測(cè)量要求。根據(jù)類似結(jié)構(gòu)的使用經(jīng)驗(yàn), 其所測(cè)靶力可在0.1 N到幾百N范圍, 耐壓能力可達(dá)到42 MPa以上。
差壓靶式流量計(jì)
差壓靶式流量計(jì)的測(cè)量原理與其他靶式流量計(jì)的測(cè)量原理有較大區(qū)別, 它是通過(guò)測(cè)量靶片上下游的壓力差來(lái)測(cè)量流體流量的。其計(jì)算公式如下:
式中:P1 ----差壓膜盒(靶片)上游的壓力，單位Pa;
P2 ----差壓膜盒(靶片)下游的壓力，單位Pa;
d----差壓膜盒(靶片)直徑，單位m;
D----測(cè)量管直徑，單位m。
從計(jì)算公式的推導(dǎo)過(guò)程和公式的形式上可以看出:差壓靶式流量計(jì)兼有節(jié)流裝置(差壓原理)和靶式流量計(jì)(測(cè)力)的數(shù)學(xué)特征。研究和試驗(yàn)表明:靶片上所受到的力包括流體流動(dòng)對(duì)靶的作用力、流體在靶片上下游流速變化形成的差壓作用于靶上的力及流體與靶之間的摩擦力。在差壓靶流量計(jì)研究推導(dǎo)過(guò)程中, 前兩項(xiàng)都給出了明確的計(jì)算公式, 因此,式(2)比式(1)包含了更多的影響因素, 計(jì)算結(jié)果也更精確。差壓靶式流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖7所示。其工作過(guò)程是:流體流經(jīng)差壓膜盒(靶片)時(shí), 對(duì)差壓膜盒施以差壓作用, 該差壓傳遞給電器單元進(jìn)行處理, 輸出與流量相關(guān)的電流信號(hào)。該流量計(jì)不需要任何調(diào)整, 可直接投入使用。
差壓靶式流量計(jì)是一種全新概念的流量測(cè)量?jī)x表, 它綜合了節(jié)流裝置和靶式流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn), 克服了各自的缺點(diǎn), 具有理論清晰、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維修方便、測(cè)量精度高、性能可靠等優(yōu)點(diǎn), 必將為流量測(cè)量行業(yè)提供更好的服務(wù)。
靶式流量計(jì)一般應(yīng)用在以下場(chǎng)所:
所測(cè)流體必須是牛頓流體;
流體必須充滿流量計(jì)的測(cè)量管;
流體在物理上和熱力學(xué)上應(yīng)是均勻的, 并可知道測(cè)量條件下的密度和粘度;
流體流經(jīng)流量計(jì)時(shí)不發(fā)生相變, 如要確定是否有相變, 在進(jìn)行流量計(jì)算時(shí), 對(duì)氣體則可假定是等熵過(guò)程, 對(duì)液體則可假定是等溫過(guò)程。流速應(yīng)是恒定的, 或者只隨時(shí)間做輕微而緩慢的變化;
管道雷諾數(shù)應(yīng)大于2 000(不同的制造商可能有不同的界限要求)。
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