第六章超声波流量计.ppt

1、6-7 超声波流量计,测量原理,包括传播速度差法 声循环法 时间差法 多普勒法,6-7-2，传播速度差法,将流体流动时与静止时超声波在流体中传播的情形进行比较，由于流速不同会使超声波的传播速度发生变化。,图6-12 超声波传播速度差法的原理图，液体中超声波的传播速度是静止液体中声波传播速度C和流体速度V的矢量和,0,相位差法,相位差法，就是测量顺、逆两个方向接受波的相位差 ，而时间差 和 的关系为：,相位差法和时间差法的原理可以看成是一样的。,超声波的频率,C=constant?,影响流体中声速C的因素,温度,图6-13，水中声音速度是水温的函数，其温度系数随温度不同而异,影响流体中声速C的因

2、素（续）,水温T（C） 含盐量S （o） 水深D（米）,（米）,声循环法的原理,首先从发生器T1沿顺流方向发射超声波脉冲，在接收器R1处接收这个信号。再在放大器-1处把此接受信号进行放大，把输出信号加到发生器T1，从T1再次发射超声波脉冲，以后重复进行。,正向循环频率,反向循环频率,两个声循环频率之差，取此差为，,与声速C无关。由于频率差非常小，检测困难,6-7-2-2相位差法,相位差法本质上和时间差法是相同的,Ft超声波频率，D管道直径,由于相位差和频率成正比，频率愈高则测量的灵敏度也高。可是应该看到，频率提高时，可能测量的最大速度值也就降低了，因此必须适当选取频率值。,6-7-2-3 声循

3、环法应用,可与被测液体中的声速无关地测量流速，现在作为大口径管道用的流量计已经得到最广泛的应用。,图6-14，麦克逊流量计方框图（附有质量流量计测量回路）,声循环回路（Sing Around Loop）,构成顺、逆两个方向的声循环回路来进行的。这种场合，脉冲经回路一圈的时间叫做声循环周期，其倒数叫做声循环频率。,两者的差频为,二组方式,图6-15，用声循环法的超声波流量计方框图,两个超声波收发器希望制造得完全相同，因而具有相同的特性，它们既起超声波发生器又起超声波接收器的作用。交替转换开关用来转换超声波的发射方向，一定时间使超声波沿顺流方向发射，再经过同一时间间隔沿逆流方向发射，时间图如图6-

4、16所示。,图6-16，时间图 (u)与加减运算指令一致，对每个(v)信号得到流速测量值，作为输出信号传送出去,为固定延迟时间，即：超声波经过塑料楔、管壁和衬材传播所需要的时间以及电信号滞后时间之和。,顺 逆,流动与声波夹角,管道直径,6-7-2-4 时间差法,用时间差法测量流速、流量，在初期是用模拟技术进行的。 近年来，由于数字式技术的进步可以精密测量微小时间，因此，在顺、逆两方向同时发射脉冲，把这些接收波前沿的时间差用数字方式进行测量（LE Flowmeter，LE流量计）,6-7-2-4 时间差法,典型例子是在进行医学实验时，用脉冲时间法测量经血管内的血液流速。 在这种实验中，把两个传感

5、器和血管相连接，使用3兆赫的小型钛酸钡陶瓷振荡器用高速交替变换的一组转换方式进行超声波的收发，在测量1厘米/秒以下到1米/秒以上的流速时线性很好。 测量范围的界限取决于飘移和噪声，据报道四小时以内在0.5厘米以下。,6-7-2-5 流量测量,管内流速分布的影响 传播速度差法从原理上看是测量超声波传播途径上的平均流速，因此，该测量值是线平均。所以，它和一般的面平均（真平均流速）不同，其差异取决于流速的分布。,图6-22，流量修正系数和雷诺数的关系,流速测量方法,流速测量方法,图6-24，小口径管道用超声波流量计的测量管示例,流量计的安装,图6-26，方形暗渠的流量测量示例,充满着水，一条测量线。

6、 混凝土使超声波超声波传播的损耗大，因此在相应于超声波传播途径部分使用不锈钢钢板。 并在探测器的对面的壁上安装上反射板，采用所谓V法一避免流动偏离管道对称轴所产生的偏流的影响。,图6-27，明渠沟流量测量法,探头（超声波收发器）固定在能给出平均流速的水深附近（离水面距离为水深60%位置），测量该位置（测量线）的速度。 预先用实验方法求出取决于水位变化的平均流速和测量流速之比，把这个值通过线性插入法来修正测量流速，通常将其作为真平均流速（流量/水流截面之值）输出；将此值与由测量水位得到的水流截面相乘，以此乘积作为流量由流量运算器输出。,6-7-3 多普勒法,由单个粒子引起的多普勒频移,若传播超声

7、波的介质中存在着一个单个的粒子，则它和周围的介质流动的规律一样，以和介质相同的速度V运动。假如给定超声波收发器T、R，把发射频率取为ft，则由于粒子的漫反射，进入超声波接收器的接收频率为fr，静止介质中的声速若取为C，则fr可以表示为：,声波与流动方向夹角,多普勒频移fD与流速V成正比。,如果有：,则,频移,多个粒子的功率谱线,图6-28，零交叉方式的多普勒流量计方框图,是考虑到照射域内的粒子集合的场合下的功率谱线密度,超声波流量测量小节,超声波流量计有各种形式，从精度上看顺序为传播速度差法、多普勒法、听音法适用于辅助测量或开关的监视。 典型的传播速度差法有声循环法和时间差法，它们都得到了广泛

8、的应用，当在用于含有很多气泡或悬浊物的液体时存在着稳定度的问题。在这样的场合用多普勒法有利，可以用来测量下水、排水、泥水等。,超声波流量测量小节,不妨碍流动、无压力损失的情况下进行测量，结果受速度分布和安装影响。 超声波流量计的使用与液体的种类和特性无关，可以测量气体，特别是在大流量测量时其优点非常显著。 从管道外壁可以测量管内流动液体的流量也是其它方法所没有的特点之一。,6-8 质量流量计,随着温度、压力的变化，流体的密度会发生变化，在温度、压力变化大的流体中，往往是达不到测体积流量的目的。 若测体积流量，就必须同时测出流体的温度和压力。在温度和压力变化的流体中，应把所测的流量值换算成某标准

9、状态下的相应值，从而研究流量变化的状况。但实际上温度、压力剧烈变动时，每次测量中都要换算成标准状态下的值是很费事的，几乎是不可能的，这样，便希望用质量流量计来测量质量流量。,质量流量计分类,直接检测与质量成比例的量，这是直接型质量流量计。 用体积流量计和密度计组合的仪器来测量质量流量，这是间接型质量流量计。,质量流量计分类,检测出管道内流动的流体的温度和压力后再与体积流量计组合起来，自动换算成预先设定的标准状态下的体积流量或质量流量的方式。这种仪器就是温度-压力自动补偿流量计。 当管道中流动的流体的组成改变从而密度变化时，这种仪器就不能正确测量质量流量，所以她不是真正的质量流量计,6-8-1直

10、接型质量流量计,量热式质量流量计 ：在流动的气体中安装电加热丝，在其上流处和下流处放置温度检测器，气体通过电热部分被加热，通过测出所产生的温度变化来求流量，这就是量热式流量计的测量原理,温度差T,加热E,质量流量G,令流动气体的质量流量为G，气体的定压比热为CP，上流和下流两侧气体的温差为T，加热电功率为E，热功当量为J，则下列关系式成立：,（6-8-1）,如果流动气体的比热是恒定的，则气体的质量流量与加热电功率成正比，与温度差成反比。利用此关系就可以测量质量流量,温度差T,加热E,质量流量G,对于空气、氮氢等气体，即使温度和压力都改变，其定压比热也几乎是恒定的，故上式的关系近似地成立。 对混

11、合气体而言，随着组分的变化，比热往外也发生很大的变化，因而上式不能成立。这样的流量计不能叫真正的质量流量计。,在量热式质量计中也有即使流体组分和状态变化也不受影响的 有边界层质量流量计（boundary layer mass flowmeter）等。 不仅能用于测气体，也能用于测液体 受到流体的比热、导热率或粘度等方面的影响，这种流量计虽比过去的量热式流量计有所改进，但原理上却是相同的流量计。,qm,差压式质量流量计,差压式质量流量计,图6-8-1，有分流管的孔板计,差压式质量流量计,差压式质量流量计,图6-8-2，两孔板方式的差压式质量流量计,图6-8-1中是其配管图，先讨论朝图上箭头方向流

12、过一定流量q时的情况。在从孔板的下流一侧到上流一侧通过分流管有体积流量为q的流动时，则在主流管道中，除了体积流量Q按箭头所指的方向流动外，还加上固定的循环流q，所以，通过孔板流动的流体的体积流量应为Q+q。在此情况下通过孔板前后产生的压力差为 ，与孔板流量计测量原理相同,则孔板A、B前后产生的压力的差就与主流管道中流体的质量流量成正比。,西蒙兹（Simmonds）质量流量计是把循环流的流量q设计得比主流管道流量的最大值还要大。所以通过孔板A的流动与通过孔板B的流动的方向相反。因此，若令孔板A的上流侧压力为P1，下流侧的压力为P2（孔板B的上流侧压力），则P2P1,图6-8-3，两孔板式的差压式

13、质量流量计试验结果图,测量比重为0.74的汽油和比重为1.54的四氯化碳的质量流量的结果,密度变化不影响结果,6-8-4，四孔板式的差压式质量流量计,为了使Qq，所以当应测量的主流管道的流量Q变大时，定流量泵的容量就要加大，而且要用两台泵，从而将它改进为四个孔板的方式，其原理结构,这种形式与惠斯登电桥的构造相同，从主流管道流入的流量分成两路，每个分流管道如图所示，分别安装了孔板A、B和C、D。而且在这两分流管的中点由安装定流量泵的管道使他们相互连接起来，四个孔板的构造、尺寸是相同的，由定流量泵按箭头方向送入恒定流量q的流体。,如果通过孔板A的体积流量为I，此时通过孔板A前后的压力差为 ，可得下

14、列关系式：,同样，对孔板B，因为流量为Q-I，所以压差为,孔板C的流量为Q+I，压差,孔板D的流量为Q-I-q，压差为,6-8-2 Li-Lee质量流量计,测量科里奥利力的质量流量计,图6-8-5，Li-Lee质量流量计原理,管道以O点为中心，以恒定角速度旋转，流体通过管道从中心O向外边流动。若从O点测量，旋转管道的长为l,管道的横截面积为F，流动流体的流速为v，流体的密度为，科里奥利力加速度为a，则有 a=2wv,在距离中心O为r处体积为（Fdr），的流体要产生加速度a所需的力矩dTr，则dTr可表为：,因此在旋转通道中的总流体，要产生加速度所必需的力矩T为,图6-8-6，Li-Lee质量流

15、量计构造,实际试制的这类质量流量计的内部构造如图6-8-6所示，流量计本体的流入部分和流出部分用旋转密封套与主管道连接，并以此旋转密封部分作为旋转轴承，测量仪器本体是用同步驱动马达以恒定的角速度旋转着。由流入口流入的流体通过旋转管之后流进直角弯管内，然后再往流出口流去。此时，在转矩管上受大上述力矩T的作用，产生与T成正比的扭转便角，此偏角由电方法检测再通过滑环送到外部。,此种质量流量计，只是在实验室中试制，目前还未用做工业上的测量仪器,6-8-3 角动量式质量流量计,图6-8-7，动量式GE质量流量计,测天然气体等质量流量的仪器,在流量计内，把周围开有流动孔的转子及同它的构造几乎相同的定子安装

16、在同一轴上，在管道内流动的流体从转子的流动孔流到定子的流动孔然后再从流出口流出去。用同步马达使转子以恒定的角速度旋转，这使流动孔中流动的流体随之作旋转运动，而定子不作旋转运动，由转子使其旋转的流体流进定子后，给它施加一个力矩，定子的任务就是检测这个力矩的大小。,如果转子的旋转角速度为，在dt微小时间内通过转子流过的流体质量为dM，dM流体对转子转轴的惯性矩为dI，则质量为dM的流体的角动量dH为： dH=dI,若与dM流体的惯性矩有关的等价旋转半径r则：,当具有这样角动量的流体流入定子时，就产生一个力矩T，根据牛顿第二定律可知，角动量对时间的变化就是力矩，因而如果转子旋转产生的角动量全部作用在

17、定子上面的话，则：,陀螺式流量累计器,图6-8-8，陀螺 图6-8-9，CE质量流量计的误差曲线,陀螺绕Z轴以角速度 旋转。当给它施以一个相对Y轴的力矩 时，陀螺又会绕X轴旋转。绕X轴旋转的运动叫进动。若陀螺绕Z轴旋转的惯性力矩为 ,进动的角速度为 ，则有下列关系：,分母是常数,I是流量计的指示读数，G是正确的质量流量值。,把最大流量作为100%时的流量比。,陀螺的进动角速度就与质量流量成正比，若将此进动的旋转次数累计起来的话，偏可求出通过流量计流体的质量流量的累计值,6-8-4 陀螺式质量流量计,图6-8-10，陀螺式质量流量计原理,圆形管道内流体绕Z轴惯性矩,流体质量,对轴的力矩,绕轴旋转

18、（即进动）,质量流量,图6-8-11，陀螺式质量流量计的配管,在这个圆形管道的入口处和出口处用旋转密封套连接。它又接在柔软的连接管上，将旋转密封套这部分作为转轴，而用马达带动流量计本体以恒定的角速度 旋转。这种形式就是预先给出恒定角速度的进动运动。因此，可以通过检测因圆形管道中流动流体的旋转恒定角速度的进动所产生对轴的力矩 ，求出质量流量。,力矩是通过安装在柔软连接管上的电阻线应变计将它引到外部而检出的,6-8-5 叶轮式质量流量计,图6-8-14，叶轮式质量流量计内部构造,前后安装两个叶片角不同的叶轮用弹簧把它们连接起来形成一个整体 在叶片安装成角的叶轮上受到质量流量为G、流速为v的流体的碰

19、撞，产生力矩T，根据流体动量定律，T与（ ）成正比，这就是说叶片安装角度大的叶轮力矩就大。,两个叶片的安装角度不同，受到流动流体作用的力矩就有差别，两叶轮间的偏移角就是两叶轮力矩之差与相连接弹簧的扭力矩平衡时的角度，两叶轮作为一个整体保持此偏移角，以与流速v成正比的角度旋转。,若两叶片安装角度分别为1和2，此两叶片受到的力矩分别为T1和T2，那么，因为对两个叶轮来说质量流量G和速度v都是相同的，所以可把他们的关系写为：,式中K1和K2，取决于流量计和叶轮形状、尺寸的装置常数。由上式可以求出两叶轮力矩之差。,若力矩差使连接叶轮的弹簧产生扭矩。两叶轮间的扭角，与力矩差成正比，故当两叶轮的形状、尺寸

20、和弹簧的弹性系数确定以后， 和Gv成正比。此时若把该比例常数取做，则应有关系：,由于叶轮是一个整体，此整体是以 与流速v成正比的角速度旋转,若叶轮旋转偏角 需要花费的时间为t，则有,t= /,t=K5G,流量计内的叶轮，在两个叶轮间旋转一个偏移角所需要的时间t是与管道中流动流体的质量流量G成正比的。因而只需要测量此时间t，就可求出质量流量。,测量时间的方法是用分别安装在叶轮上的信号发生器，使在检波线圈中产生脉冲信号、通过计数该脉冲的时间来求出t。如图6-8-14所示，由第一叶轮产生的脉冲使计数门打开，开始对从信号发生器送来的信号计数，由另一个叶轮产生的脉冲使计数门关闭，停止计数。根据此计数值可

21、求出时间t。,6-8-6 间接型质量流量计,间接型质量流量计是由直接型质量流量计以外的流量计与密度计组合而成的，是采用运算机构间接测质量流量的流量计，其形式可分为： 1）检测 的流量计和密度计的组合方式 2）检测Q的流量计和密度计的组合方式 3）检测 流量计和检测Q流量计的组合方式 其中， 为流体密度、Q为体积流量。以下分别举例说明这三种形式。,6-8-6-1 检测 的流量计和密度计的组合方式,能检测管道中流动流体的的 流量计有节流流量计和动压流量计。把它们与密度计组合起来就成为能间接求出质量流量的质量流量计,运算器,流量计,密度计,x,y,图6-8-15， 检测器与密度计组合的 图6-8-1

22、6，检出动量的流量计与密度计 质量流量计结构 组合成的质量流量计的构造,图6-8-16，检出动量的流量计与密度计组合成的质量流量计的构造,图6-8-16即是后者之例。密度的检测是用 线密度计，它如图所示，S形管道的流入处和流出处用波纹管等软管与外部管道连接，此S形管道在其中心部分有个转轴，使地可以在包含S形管道的面内旋转。流入的流体在S形管道的端部弯管处方向变化90，因此产生对S形管轴的力矩，令为T1则：,（6-8-39）,是一个与流体在端部弯管改变90的方向产生的动量变化而出现的力成正比的量。R1是伴随着流体动量变化产生的力的作用点与转轴间的距离，即臂长。,同样，在流出处的弯管流动也改变方向

23、，产生力矩T2，故对转轴的力矩T为：,R2是与流出处弯管有关的臂长,只要流量计的构造、尺寸一经决定，R1和R2就是恒定的值，则T就与 成正比。,力矩检测机构,S形管道受前述力矩T的作用而旋转，通过角偏移检测器将旋转角度变成电压，再由电压驱使力矩马达转动，通过扭力软管就起到了使S形管回复原来位置的作用。如果S形管回到原来的位置，则从角偏移检测器输出的确电压为零，扭力马达停止转动。此时扭力马达的轴的旋转角与力矩成正比，从而由式（6-8-40)可知，它与 成正比。再在连接扭力马达的轴上安装电位计A，就可得到与扭力马达轴的转角成正比的电压E1。,图6-8-17,流体密度的检测,流体密度的检测是象图6-

24、8-16所示的那样，最好是能检测出在力矩检测器处的流体密度，故应在S形管的中心处测量。线源有作为标准用的和检测用的二个。检测用的线透过旋转楔板和流体之后送入线检测部分。检测用的和标准用的线交替地送入线检测部分，为了使接受的线信号的强度相等，用自动平衡装置使楔板转动，它的旋转角便移就与密度成正比。,在密度检测器旋转楔板的轴上，如图6-8-18所示的那样安装电位计B，便可得到与楔板旋转角成正比的电压E2。从图中可知E2和E1成正比，也与流体的密度成正比，所以：,如果求出了E2的平方根，就可求出，从而得到质量流量。E2平方根的计算是由平方根运算指示电位计C，D来进行的。,图6-8-18，质量流量运算

25、回路,6-8-6-2 Q检测器和密度计的组合方式,能用来检测管道中流动流体的体积流量Q的仪器有容积流量计、电磁流量计、超声波流量计、叶轮流量计等。 把这些流量计与检测流体密度的密度计组合就可以测量质量流量。,图6-8-19，Q检测器与密度计组合的质量流量计的构造,由容积流量计和浮子式密度计组合的12、 涡轮流量计和浮子式密度计组合的13、 叶轮流量计和叶轮式密度计组合的12、 电磁流量计和利用放射性同位素的密度计组合的12， 超声波流量计和音响阻抗式密度计组合的14质量流量计,图6-8-20，叶轮流量计的叶轮式密度计,叶轮流量计检测Q；密度计测量密度,超声波流量计和超声波密度计组合的质量流量计

26、,在管道两侧的壁上相对地安装一个超声波发生器和两个接收器。当流体不流动时，从发生器发射的超声波被对面的两个接受器接收，分别得到强度相同的信号。此时差动放大器的输出为零。当流体在管道中以速度v流动时，则超声波传播方向产生便移，如果管道直径为D，超声波在流体中的传播速度为cs,那么在安装接收器的那侧管壁处超声波的偏移距离L就可表示为：,在管壁上还安装了一个与流体接触的，检测密度用的超声波发生器，给它提供固定电压使其产生共振振动，检测出它的输出E2。那么E2应与 成正比，若求出E1和E2的乘积，则有：,只需测出E1，E2即可测出质量流量。此种方式的优点是当检测的流量受到cs的影响时，被检测的密度也受

27、到cs的影响，两种影响恰好抵消，结果与无关。,6-8-6-3 检测器和Q检测器组合方式,节流流量计那样的 检测器和容积流量计及涡轮计那样的Q检测器组成的仪器可以求出质量流量。,Q,x,y,x/y运算器,6-8-6-4 温度-压力自动补偿流量计,当管道、流体的种类确定以后，还有可以把检测的流体的体积流量以及检测的流体的温度、压力，自动换算成质量流量或换算成预先给定的标准状态下的体积流量的测量方法。 检测温度、压力比检测密度容易，利用检测温度，压力的检测器与体积流量计的组合、自动换算成质量流量或标准状态下的体积流量的流量计，即温度、压力自动补偿流量计，被广泛使用了。 当流过管道的流体种类和组成改变时，这种形式的流量计测不出正确的流量，所以不能叫做真正的质量流量计。,温度-压力自动补偿,液体：忽略压力引起的密度变化，仅考虑温度引起的密度变化。因次，必须了解液体密度和温度的关系。当温度变化范围大时，温度和密度的关系不能看成是线性，自动补偿复杂。 低压气体：利用理想气体定律补偿。 高压气体：偏离理想气体方程，考虑压缩系数的变化，自动补偿困难。,温度-压力自动补偿,温度变化范围大和高压状态下，由于液体的密度与压力不是线性的，不遵守理