影像測量儀
靶式流量計最早出現(xiàn)于20世紀60年代, 最初主要用于解決高粘度、低雷諾數(shù)流體的流量測量問題。我國于70年代開始開發(fā)該種儀表, 由于受當時技術水平的限制, 主要有氣動靶式流量計和矢量機構電動靶式流量計兩種類型。因為品種單一、調(diào)試繁瑣、密封不可靠、抗干擾能力差等原因, 致使靶式流量計在80年代至90年代初幾乎退出市場。隨著電子技術的飛速發(fā)展及新型傳感器技術的涌現(xiàn), 靶式流量計在測量精度、抗干擾性、密封可靠性、校驗調(diào)試等方面都有很大進步, 重新獲得了市場認可, 成為流量測量的常用設備。
靶式流量計測量原理 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置一個稱為靶的圓板, 流體沿靶周圍流過時, 靶受到推力的作用, 力的大小與流體的動能和靶的面積成正比。當管道的雷諾數(shù)大于流量計的界限雷諾數(shù)時, 流量與靶受到的力有確定的數(shù)值對應關系?？捎檬?1)進行計算:
式中: qm----質量流量，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))，對于不可壓縮性流體γ=1，對于可壓縮性流體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。
靶式流量計的分類靶式流量計的關鍵技術是力的轉換方式, 即傳感器的結構形式。經(jīng)過幾十年的發(fā)展進步, 其類型已多種多樣。不同的生產(chǎn)廠商有不同分類方法, 目前尚無統(tǒng)一標準規(guī)定。為便于描述和統(tǒng)一認識從兩個方面對靶式流量計按結構和信號轉換形式進行了分類, 如圖1所示。
按結構形式分為:軸封膜片結構型;撓性管結構型;扭力管結構型和差壓靶結構型。按信號轉換形式分為:力-氣壓轉換型, 稱為氣動靶式流量計;力-位移-電壓轉換型、力-應變-電壓轉換型、力-扭距-電壓轉換型, 此三種轉換形式都稱為電動靶式流量計;另外還有力-差壓轉換型, 稱為差壓靶式流量計。無論何種結構形式, 靶式流量計都由力產(chǎn)生裝置(靶片和測量管)、力轉換裝置和信號處理單元(包括顯示部分)三大部分組成。
軸封膜片氣動靶式流量計
軸封膜片氣動式流量計是一種力-氣壓轉換型的流量計, 結構如圖2所示,其工作過程是:杠桿在靶力的作用下繞軸封膜片轉動, 改變噴嘴的出氣間隙, 從而改變氣動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, 通過零點調(diào)整機構來調(diào)整噴嘴的初始位置, 以設定零點;通過改變滿量程調(diào)整機構的位置來調(diào)整噴嘴的出氣間隙,也可以通過改變靶片的大小, 使不同的流量產(chǎn)生相同的靶力來調(diào)整滿量程。
該結構流量計出現(xiàn)得較早, 但現(xiàn)在已很少使用。其原因是:由于結構上的問題, 導致該流量計的零點穩(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)場必須提供標準氣源, 相關設備投入大、維護成本高。但在一些特殊的地方, 如防爆要求嚴格、老設備改造等場合還經(jīng)常可以見到該類型流量計。
軸封膜片位移靶式流量計
軸封膜片位移靶式流量計是一種力-位移-電壓轉換型的流量計, 其結構如圖3所示。其工作過程是:杠桿在靶力的作用下繞軸封膜片轉動, 通過矢量機構帶動差動變壓器中的鐵芯移動, 改變差動變壓器的輸出電壓, 該電壓送電器單元處理后, 輸出與流量相關的電流信號。調(diào)試時, 通過零點調(diào)整機構, 設定鐵芯的初始位值, 以設定零點;通過滿量程調(diào)整機構改變矢量機構的角度, 來設定靶力達到最大時鐵芯的移動距離;也可以通過改變靶片的大小, 使不同的流量產(chǎn)生相同的靶力來設定滿量程。
上述結構是靶式流量計在七八十年代的主要結構形式, 而到90年代初期已基本不生產(chǎn)。由于結構復雜、調(diào)試極其困難、穩(wěn)定性很差、易受到振動干擾, 測量精度和靈敏度低、量程范圍窄、耐壓能力低, 一度導致靶式流量計的市場萎縮殆盡。至今仍有人對靶式流量計抱有不良印象, 就是這種結構造成的。
軸封膜片應變靶式流量計
軸封膜片應變靶式流量計是一種力-應變-電壓轉換類型的流量計, 其結構如圖4所示。其工作過程是:靶力通過杠桿(軸封膜片為支點)傳遞到彈性體,對彈性體產(chǎn)生彎矩作用,引起彈性體彎曲變形, 導致由四個應變計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,輸出與流量相關的電流信號。調(diào)試時, 只需調(diào)整電器單元的兩個電位器, 就可以完成零點和滿量程的設置。此外, 該結構需另設靜壓調(diào)整裝置,以消除靜壓漂移。
上述結構是90年代中期發(fā)展起來的, 在力的轉換方式上已經(jīng)完全摒棄了以往機械的模式, 它采用的是以電子技術為基礎、以應變測量為手段的測力方式, 測量精度大為提高。由于電子技術的廣泛使用,使流量計的結構大為簡化, 可靠性提高,調(diào)試簡單, 制造成本和維護費用明顯降低, 使一度萎靡的靶式流量計市場重現(xiàn)生機。
撓性管靶式流量計
撓性管靶式流量計也是一種力-應變-電壓轉換型的流量計, 其結構如圖5所示。其工作過程是:靶力通過杠桿傳遞到撓性管上, 對撓性管產(chǎn)生彎矩作用, 引起撓性管彎曲變形, 導致由四個應變計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, 輸出與流量相關的電流信號。其調(diào)試方式與軸封膜片應變靶式流量計基本相同, 只需調(diào)整電器單元的兩個電位器來完成零點和滿量程的設置, 但不需要靜壓調(diào)整裝置。
該結構是軸封膜片應變靶式流量計的改進型, 它將前者的彈性體和軸封膜片設計成一體, 使機構更為簡化。撓性管結構的顯著優(yōu)勢是提高了流量計的耐壓性能和密封可靠性, 使耐壓能力達到25 MPa以上。中間環(huán)節(jié)的減少, 消除了力的傳遞誤差, 提高了測量精度。不足之處是對應變計的耐溫性能要求有所提高,應變計的粘接工藝要求更嚴格。現(xiàn)在市場上的靶式流量計大多是這種結構。
扭力管靶式流量計
扭力管靶式流量計也是一種力-應變-電壓轉換型的流量計, 其結構如圖6所示。其工作過程是:靶力通過杠桿傳遞到扭力管上, 對扭力管產(chǎn)生扭矩作用,引起扭力管扭轉變形, 導致由四個扭矩應變計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, 輸出與流量相關的電流信號。其調(diào)試方式與撓性管靶式流量計完全相同,只需調(diào)整電器單元的兩個電位器來完成零點和滿量程的設置,同樣不需要靜壓調(diào)整裝置。
該結構是最近的全新結構, 其開發(fā)目的是解決微小流量、寬量程比、高溫和高壓的測量要求。根據(jù)類似結構的使用經(jīng)驗, 其所測靶力可在0.1 N到幾百N范圍, 耐壓能力可達到42 MPa以上。
差壓靶式流量計
差壓靶式流量計的測量原理與其他靶式流量計的測量原理有較大區(qū)別, 它是通過測量靶片上下游的壓力差來測量流體流量的。其計算公式如下:
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----測量管直徑，單位m。
從計算公式的推導過程和公式的形式上可以看出:差壓靶式流量計兼有節(jié)流裝置(差壓原理)和靶式流量計(測力)的數(shù)學特征。研究和試驗表明:靶片上所受到的力包括流體流動對靶的作用力、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。在差壓靶流量計研究推導過程中, 前兩項都給出了明確的計算公式, 因此,式(2)比式(1)包含了更多的影響因素, 計算結果也更精確。差壓靶式流量計的結構如圖7所示。其工作過程是:流體流經(jīng)差壓膜盒(靶片)時, 對差壓膜盒施以差壓作用, 該差壓傳遞給電器單元進行處理, 輸出與流量相關的電流信號。該流量計不需要任何調(diào)整, 可直接投入使用。
差壓靶式流量計是一種全新概念的流量測量儀表, 它綜合了節(jié)流裝置和靶式流量計的優(yōu)點, 克服了各自的缺點, 具有理論清晰、結構簡單、安裝維修方便、測量精度高、性能可靠等優(yōu)點, 必將為流量測量行業(yè)提供更好的服務。
靶式流量計一般應用在以下場所:
所測流體必須是牛頓流體;
流體必須充滿流量計的測量管;
流體在物理上和熱力學上應是均勻的, 并可知道測量條件下的密度和粘度;
流體流經(jīng)流量計時不發(fā)生相變, 如要確定是否有相變, 在進行流量計算時, 對氣體則可假定是等熵過程, 對液體則可假定是等溫過程。流速應是恒定的, 或者只隨時間做輕微而緩慢的變化;
管道雷諾數(shù)應大于2 000(不同的制造商可能有不同的界限要求)。
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