【工程测试技术】第13章流体参量测量

第13章流体参量测量

13.1压力的测量

13.1.1 弹性式压力敏感元件

1. 波登管

2. 膜片和膜盒

3. 波纹管

13.1.2 常用压力传感器

1. 应变式压力传感器

2. 压阻式压力传感器

3. 压电式压力传感器

4. 电容式压力传感器

5. 谐振式压力传感器

6. 位移式压力传感器

(1)电感式压力传感器

(2) 霍尔式压力传感器

(3)光电式压力传感器

13.1.3 压力测量装置的校准

1. 压力测量装置的静态校准

2. 压力测量装置的动态校准

13.1.4 动态压力测量的管道效应

13.2.1 常用的流量计

2. 容积式流量计

3. 速度式流量计

第13章流体参量测量

13.1压力的测量

13.2流量的测量

13.1压力的测量

压力和流量等流体参量的测量,在工业生产等众多工程领域中都具有十分重要的意义。

各种压力和流量测量装置尽管在测量原理或结构上有很大差别,但共同特点都是通过中间转换元件,把流体的压力、流量等参量转换为中间机械量,然后再用相应的传感器将中间机械量转换成电量输出。中间转换元件对测量装置的性能有着重要的影响。另一个特点是在压力和流量测量中,测量装置的测量精确度和动态响应不仅与传感器本身及由它所组成的测量系统的特性有关,而且还与由传感器、连接管道等组成的流体系统的特性有关。

压力的测量一般用于液体、蒸汽或气体等流体。物理学中将单位面积上所受到的流体作用力定义为流体的压强,而工程上则习惯于称其为“压力”,本书将采用“压力”这个名词。在国际单位制中,压力是由质量、长度和时间三个基本量得出的导出量,其单位为Pa(帕斯卡),1Pa=1N/m2。虽然已经有非常精确的压力表来提供压力的基准量,但是这些基准量最终必须依靠上述三个基本量的基准量来保证其精确度。

由于参照点的不同,在工程中流体的压力有以下几种表示方法:绝对压力——相对于完全真空(绝对压力零位)所测得的压力;大气压力——由地球表面大气层空气柱重力所形成的压力;差压(压差)——任意两个压力之间的差值;表压力——以大气压力为参考点,高于或低于大气压力的压力,高于大气压力的压力称为正压,低于大气压力的压力称为负压。压力测量装置大多采用表压力作为指示值,而很少采用绝对压力。

压力按其与时间的关系可分为静态压力和动态压力。静态压力指不随时间变化或随时间变化缓慢的压力;动态压力指随时间作快速变化的压力。作用在确定面积上的流体压力能够很容易地转换成力,因此压力测量和力测量有许多共同之处。常用的两种压力测量方法是静重比较法和弹性变形法。前者多用于各种压力测量装置的静态校准,而后者则是构成各种压力计和压力传感器的基础。

13.1.1 弹性式压力敏感元件

指针式压力计(压力表)和压力传感器主要是基于弹性变形原理工作的。某种特定形式的弹性元件,在被测流体压力的作用下,将产生与被测压力成一定函数关系的机械变位(或应变)。这种中间机械量可通过各种放大杠杆或齿轮副等转换成指针的偏转,从而直接指示被测压力的大小。中间机械量也可通过各种位移传感器(以应变为中间机械量时,则可通过应变片)及相应的测量电路转换成电量输出。由此可见,感受压力的弹性敏感元件是压力计和压力传感器的关键元件。

通常采用的弹性式压力敏感元件有波登管、膜片和波纹管三类(见图13-1)。

1. 波登管

波登管是大多数指针式压力计的弹性敏感元件,同时也被广泛用于压力变送器(用于稳态压力测量,其输出量为电量的压力测量装置)中。图13-1a所示的各种结构形式的波登管,都是横截面为椭圆形或平椭圆形的空心金属管子。当这种弹性管一侧通入有一定压力的流体时,由于内外侧的压力差(外侧一般为大气压力),迫使管子截面发生由椭圆形截面向圆形变化的变形。这种变形导致C形、螺线形和螺旋形波登管的自由端产生变位,而对于扭转型波登管来说,其输出运动则是自由端的角位移。

虽然采用波登管作为压力敏感元件可以得到较高的测量精确度,但由于其尺寸较大、固有频率较低以及有较大的滞后,故不宜作为动态压力传感器的敏感元件。

2. 膜片和膜盒

膜片是用金属或非金属材料制成的圆形薄片(见图13-1b)。若膜片的断面是平的,称其为平膜片;若膜片的断面呈波纹状的,称其为波纹膜片。将两个膜片边缘对焊起来,就构成膜盒;将几个膜盒连接起来,就组成膜盒组。平膜片比波纹膜片具有较高的抗振和抗冲击能力,在压力测量中使用得较多。

中、低压压力传感器多采用平膜片作为压力敏感元件。这种敏感元件是周边固定的圆形平膜片,其固定方式有周边机械夹固式、焊接式和整体式三种(见图13-2)。尽管机械夹固式的制造比较简便,但由于膜片和夹紧环之间的摩擦要产生滞后等问题,故较少采用。

以平膜片作为压力敏感元件的压力传感器,一般采用位移传感器来感测膜片中心的变位或在膜片表面粘贴应变片来感测其表面应变。图13-1b所示的悬链膜片是一种受温度影响较小的膜片结构。当被测压力较低,平膜片产生的变位过小,不能达到所要求的最小输出时,可采用图13-1b所示的波纹膜片和波纹膜盒。一般波纹膜片中心的最大变位量约为直径的2%,它用于稳态低压(低于几兆帕)测量或作为流体介质的密封元件。

3. 波纹管

波纹管是外周沿轴向有深槽形波纹状皱褶、可沿轴向伸缩的薄壁管子,一端开口,另一端封闭。将开口端固定,封闭端处于自由状态,如图13-1c所示。在通入一定压力的流体后,波纹管将伸长,在一定压力范围内其伸长量(即自由端位移)与压力成正比。

波纹管可在较低压力下得到较大的变位。它可测的压力较低,对于小直径的黄铜波纹管,最大允许压力约为1.5MPa。无缝金属波纹管的刚度与材料的弹性模量成正比,而与波纹管的外径和波纹数成反比,同时刚度与壁厚成近似的三次方关系。

13.1.2 常用压力传感器

1. 应变式压力传感器

目前常用的应变式压力传感器有平膜片式、圆筒式和组合式等。它们的共同特点是利用粘贴在弹性敏感元件上的应变片,感测其受压后的局部应变,从而测得流体的压力。

(1)平膜片式压力传感器图13-3为平膜片式压力传感器结构示意图。它利用粘贴在平膜片表面的应变片,感测膜片在流体压力作用下的局部应变,从而确定被测压力值的大小。

对于周边固定、一侧受均匀压力p作用的平膜片,若膜片应变值很小,则可近似地认为膜片的应力(或应变)与被测压力呈线性关系。在压力p作用下,膜片产生径向应变和切向应变,一般在中心贴片,并在边缘沿径向贴片,也可使用适应膜片应变分布的专用箔式应变花。

平膜片式压力传感器的优点是:结构简单、体积小、质量小、性能价格比高等;缺点是:输出信号小、抗干扰能力差、受温度影响大等。

(2) 圆筒式压力传感器如图13-4所示,它一端密封并具有实心端头,另一端开口并有法兰,以便固定薄壁圆筒。当压力从开口端接入圆柱筒时,筒壁产生应变。圆筒的外表面粘贴有4个相同的应变片R1、R2、R3、R4,组成四臂电桥。当筒内外压力相同时,电桥的4个桥臂电阻相等,输出电压为零;当筒内压力大于筒外压力时,R1和R4发生变化,电桥输出相应的电压信号。这种圆筒式压力传感器常在高压测量时应用。

(3)组合式压力传感器此类传感器中的应变片不直接粘贴在压力感受元件上,而是采用某种传递机构将感压元件的位移传递到贴有应变片的其他弹性元件上,如图13-5所示。图13-5a利用膜片1和悬臂梁2组合成弹性系统。在压力作用下,膜片产生位移,通过杆件使悬臂梁产生变形。图13-5b利用膜片1将压力传给弹性圆筒3,使之发生变形。图13-5c利用波登管4并在压力的作用下,自由端产生拉力,使悬臂梁2产生变形。图13-5d利用波纹管5产生的轴向力,使梁6变形。

2. 压阻式压力传感器

压阻式压力传感器(见图13-6)是在某一晶面的单晶硅膜片上,沿一定的晶轴方向扩散上一些长条形电阻。硅膜片的加厚边缘烧结在有同样膨胀系数的玻璃基座上,以保证温度变化时硅膜片不受附加应力。当硅膜片受到流体压力或压差作用时,硅膜片内部产生应力,从而使扩散在其上的电阻阻值发生变化。它的灵敏度一般要比金属材料应变片高70倍左右。

这种压阻元件一般只在硅膜片中心变位远小于其厚度的情况下使用。有的传感器使用隔离膜片将被测流体与硅膜片隔开,隔离膜片和硅膜片之间充填硅油,用它来传递被测压力。

这类传感器由于采用了集成电路的扩散工艺,因此尺寸可以做得很小。例如有的直径只有1.5~3mm,这样就可用来测量局部区域的压力,并且大大改善了动态特性(工作频率可从0到几百千赫)。由于电阻直接扩散到膜片上,没有粘贴层,因此零漂小、灵敏度高、重复性好。

3. 压电式压力传感器

图13-7所示的膜片式压电压力传感器是目前广泛采用的一种结构。3是承压膜片,有密封、预压和传递压力的作用。由于膜片的质量很小,而压电晶体的刚度又很大,所以传感器有很高的固有频率(可高达100kHz以上),因此它是动态压力测量中常用的传感器。压电式压力传感器工作可靠、测量范围宽、体积小、结构简单,并且具有较高的灵敏度和分辨率。缺点是压电元件的预压缩应力是通过拧紧壳体施加的,这将使膜片产生弯曲变形,导致传感器的线性度和动态性能变坏。

为克服压电元件在预加载过程中引起膜片的变形,可采用预紧筒加载结构,如图13-8所示。预紧筒8是一个薄壁厚底的金属圆筒,通过拉紧预紧筒对压电晶片组施加预压缩应力。在加载状态下,用电子束焊将预紧筒与芯体焊成一体。感受压力的膜片7是后来焊接到壳体上去的,它不会在压电元件的预加载过程中发生变形。预紧筒外的空腔内可以注入冷却水,以降低晶片温度,保证传感器在较高的环境温度下正常工作。采用多片压电元件层叠结构是为了提高传感器的灵敏度。

压电式压力传感器可以测量几百帕到几百兆帕的压力,并且外形尺寸可以做得很小(几毫米直径)。这种压力传感器和压电加速度计、压电力传感器一样,需采用有极高输入阻抗的电荷放大器作为前置放大,其可测频率下限是由这些放大器所决定的。

由于压电晶体具有一定的质量,故压电压力传感器在有振动的条件下工作时,就会产生与振动加速度相对应的输出信号,从而造成压力测量误差。特别是在测量较低压力或要求较高的测量精确度时,该影响不能忽视。图13-9为带加速度补偿的压力传感器。在传感器内部设置一个附加质量和一组极性相反的补偿压电晶体,在振动条件下,附加质量使补偿压电晶片产生的电荷与测量压电晶片因振动产生的电荷相互抵消,从而达到补偿目的。

4. 电容式压力传感器

电容式压力传感器采用变电容测量原理,即被测压力会引起传感器电容极板间的面积或极距发生变化,测出变化的电容量,便可知道被测压力的大小。电容式压力传感器有以下两种:

(1)差动变极距电容式压力传感器图13-10是一种差动变极距电容式压力传感器的结构示意图。

感压元件是一个全焊接的差动电容膜盒。玻璃绝缘层内侧的凹球面形金属镀膜作为固定电极1,中间被夹紧的弹性测量膜片2作为可动电极,从而组成一个差动电容。被测压力p1、p2分别作用于左右两片隔离膜片3上,通过硅油4将压力传递给测量膜片2。在差压的作用下,中心最大位移为±0.1mm左右。当测量膜片2在差压作用下向一边鼓起时,它与两个固定电极1间的电容量一个增大一个减小。测量这两个电容的变化,便可知道差压的数值。这种传感器结构坚实、灵敏度高、过载能力大;精度高,其精确度可达±0.25%~±0.05%;仪表测量范围为0~0.00001MPa至0~70MPa。

(2)变面积电容式压力传感器

图13-11所示为一种变面积式电容压力传感器。被测压力作用在金属膜片7上,通过中心柱1和支撑簧片5,使可动电极4随簧片中心位移而动作。可动电极4与固定电极3均为金属同心多层圆筒,其断面呈梳齿形,其电容量由两电极交错重叠部分的面积所决定。固定电极3与外壳之间绝缘,可动电极4则与外壳导通。压力引起的极间电容变化由中心柱1引至适当的变换电路,转换成反映被测压力的电信号输出。膜片中心位移不超过3mm,膜片背面为无硅油的封闭空间,不与被测介质接触,可视为恒定的大气压,故仅适用于压力测量,而不能测量压差。

5. 谐振式压力传感器

谐振式压力传感器是利用感压元件本身的谐振频率与压力的关系,通过测量频率信号的变化来检测压力的,有振筒式、振弦式、振膜式、石英谐振式等多种形式。以下以振筒式压力传感器为例说明。

振筒式压力传感器的感压元件是一个薄壁圆筒,圆筒本身具有一定的固有频率,当筒壁受压张紧后,其刚度发生变化,固有频率相应改变。在一定的压力作用下,变化后的振筒频率可以近似地表示为

式中 fp——受压后的振筒频率; f0——固有频率;

α——结构系数; p——被测压力。

传感器由振筒组件和激振电路组成,如图13-12所示。振筒用低温度系数的恒弹性材料制成,一端封闭为自由端,开口端固定在基座上,压力由内侧引入。绝缘支架上固定着激振线圈和检测线圈,两者空间位置互相垂直,以减小电磁耦合。激振线圈使振筒按固有的频率振动,受压前后的频率变化可由检测线圈检出。这种仪表体积小、输出频率信号、重复性好、耐振;精确度为±0.1%和±0.01%;测量范围为0~0.014MPa至0~50MPa;适用于气体测量。

6. 位移式压力传感器

位移式压力传感器是将弹性式压力敏感元件与其他元件相连,压力转换为位移等参量,进而转换为电量,常见的有以下几种:

(1)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6组成的电感式传感器。电感式压力传感器可分为自感型和差动变压器型。图13-13为其结构原理图。

图13-13a为膜盒4与变气隙式自感传感器构成的压力传感器,流体压力使膜盒4变形,从而推动固定在膜盒自由端的衔铁上移而引起电感变化。图13-13b为膜盒4与差动变压器2构成的微压力传感器。衔铁6固定在膜盒的自由端。无压力时,衔铁6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4后,膜盒4变形推动衔铁6移动,使差动变压器2输出正比于被测压力的电压。

(2) 霍尔式压力传感器

霍尔式压力传感器一般由两部分组成,一部分是弹性元件(波登管、膜盒等),用来感受压力并把压力转换成位移量,另一部分是霍尔元件和磁路系统。通常把霍尔元件固定在弹性元件上,当弹性元件在压力作用下产生位移时,就带动霍尔元件在均匀梯度的磁场中移动,从而产生霍尔电动势。图13-14为霍尔式压力传感器的结构原理图。它是用霍尔元件把波登管的自由端位移转换成霍尔电动势输出。霍尔式压力传感器结构简单、灵敏度较高,可配通用的仪表指示,还能远距离传输和记录。

(3)光电式压力传感器

利用弹性元件和光敏元件可组成光电式压力传感器,如图13-15所示。当被测压力p作用于膜片时,膜片中心处位移引起两遮光板中的狭缝一个变宽,一个变窄,导致折射到两光敏元件上的发光强度一个增强,一个减弱。把两光敏元件接成差动电路,差动输出电压可设计成与压力成正比。

(4)光纤式压力传感器

在压力测量中,微压及微差压力的传感技术一直是一个难题,特别是为获得与其相应的灵敏度及可靠性方面存在一些难点。采用光纤传感器技术可得到较好的效果。图13-16所示是一种光纤式压力传感器的原理图。将一个具有一定反射率且质地柔软的反射镜贴在承受压力(压差)的膜片上,当压(差)力使膜片发生微小变形时,便会改变反射镜所反射的入射光的发光强度,从而测得其压(差)力。

13.1.3 压力测量装置的校准

一般用静态校准来确定压力传感器或压力测量系统的静态灵敏度等各种静态性能指标,而用动态校准来确定其动态响应特性。

1. 压力测量装置的静态校准

压力测量装置的静态校准一般采用静重比较法,即标准砝码的重力通过已知直径和质量的柱塞,作用于密闭的液体系统,从而产生的标准压力为

式中 p——标准压力(Pa); gn——当地的重力加速度(m/s2); M1——标准砝码的质量(kg); M2——柱塞的质量(kg); D——柱塞直径(m)。

此标准压力作用于压力传感器的敏感元件上,实现静态校准。

常用的静态压力校准装置为图13-17所示的活塞压力计。使用时打开贮油器6的进油阀7,将液压缸的活塞退至最右侧,使整个管道充满油液。然后关闭阀门7,并分别打开通向被校准压力计和测量缸3的阀门,摇动手轮使压力缸1的活塞左移,压缩油液2。当测量柱塞4连同标准砝码5在压力油的作用下上升到规定的高度后,使砝码5和测量柱塞4一起旋转,以减小柱塞和缸体之间的摩擦力。此时即产生由式(13-2)所确定的标准压力,增减砝码的数量可改变此压力值。

在进行低压高精确度的静态压力校准时,还要计及砝码所受到的空气浮力。

2. 压力测量装置的动态校准

通常压力测量装置的动态校准有两种目的:一是确定压力测量装置的动态响应,以便估计动态误差,必要时可进行动态误差的修正;二是考虑有些压力测量装置的动态灵敏度与静态灵敏度不同,因此必须由动态校准确定灵敏度。所谓动态压力校准,就是利用波形和幅值均能满足一定要求的压力信号发生装置,向被校准的压力测量装置输入动态压力,通过测量其响应,而得到输入和输出间的动态关系。压力信号发生装置一般有正弦压力信号发生器和瞬态压力信号发生器两类。前者测量及信号处理都比较简单,但它仅适用于低压和低频的情况;后者则是目前应用最广泛的动态压力信号发生装置,这里只讨论这种装置。

瞬态压力信号发生器是指能产生阶跃或脉冲压力信号的装置。对于动态压力校准而言,目前阶跃压力信号发生装置用得较为成功。阶跃压力信号发生装置按其工作原理和结构,可分为快速阀门装置和激波管两类。

(1)快速阀门装置快速阀门装置的结构尽管很多,但其基本原理是相同的,就是将压力传感器安装在一个容积很小的容腔壁上,当这个小容腔通过快速阀门与一个高压容腔接通时,作用在传感器上的压力就迅速上升到一个稳定值。反之,如果高压小容腔通过阀门与低压容腔或大气相通时,压力就迅速降低到某个稳定值。为了加快压力跃升或下跃的速度,一方面应尽量减小容腔的容积,另一方面应尽量提高阀门的动作速度。

作为例子,图13-18给出了一个预应力杆式阀门装置的原理图。

这种动态压力校准装置由充满液体的大小两个容腔所组成,两者的容积比为1000∶1,长度比为40∶1,中间用一个特殊的阀门将它们隔开。被校准的传感器安装在较小的容腔内,通过泄放阀保证其初始压力为大气压,然后将泄放阀关闭。将大容腔的液体加压至所需的压力,由于大小容腔的容积相差甚大,因此在阀门突然开启时,两腔内最终的平衡压力与大容腔的初始压力相差不到1%。该装置是利用长阀杆的弹性变形使阀门快速开启的。

(2)激波管在气体中,当某处的压力发生突然变化时,压力波以超过音速的速度传播,其速度随压力突然变化的强弱而定,压力突变越大则波速越高。当波阵面到达某处时,该处气体的压力、温度和密度都发生剧烈变化。在波阵面尚未到达的地方,气体则完全不受它的扰动。波阵面后面的气体压力、温度和密度都比波阵面前面的高,而且气体粒子也朝着波阵面运动的方向流动,但速度低于波阵面的速度,这样的波就称为激波。

所谓激波管就是用来产生平面激波的一种装置,如图13-19所示,它用薄膜作冲击膜片,将激波管隔离为高压区和低压区,被标定的传感器装于低压区的一端。当薄膜被高压击破后形成激波,使低压区的压力迅速上升,保持一定的时间后下降。压力上升时间约为0.2μs,压力保持时间为几至几十毫秒,压力阶跃的幅值取决于激波管的结构和薄膜厚度。激波管常用来标定谐振频率比较高的压力测量设备。

3. 便携式压力校准系统

近年来出现了适合于实验室和现场动态校准和准静态校准的便携式压力校准系统,如图13-20所示。利用安装适配接头将被校准传感器和标准传感器安装到压力发生器上,转动手柄, 便产生所需要的压力。压电传感器动态或准静态校准仪内部两通道高精密电荷放大器将被校准传感器和标准传感器输出的电荷信号转换为电压信号, 经过A-D转换后,由微处理机进行分析和处理。校准仪同时配有计算机串行和并行接口,可连接计算机对校准仪进行远程设置和操作。

13.1.4 动态压力测量的管道效应

当压力传感器安装到测压点上之后,其动态特性自然还要受到被测流体的性质和安装情况的影响。为了使压力测量系统具有最佳的动态性能,传感器与测压点处的连接应该像图13-21a那样,即传感器膜片与测压点周围的壁面处于“齐平”状态。传感器膜片与测压点间的任何连接管道及容腔将在不同程度上降低测量系统的动态性能。然而在许多情况下要实现“齐平”安装是困难的,往往要采用图13-21b所示的管道—容腔安装方式。

感压元件前的引压管道和容腔的存在会引起压力信号的衰减和相位滞后,即动态压力测量的管道效应。管道效应会使整个测量系统的响应速度大大低于传感器的响应速度,造成动态压力测量的失真,因此必须予以重视。

流体的流量是指单位时间内流体流经管道或明渠某一横截面的数量。若流体以体积表示时,称为体积流量,单位为m3/s;若以质量表示时,称为质量流量,单位为kg/s。

液体体积流量可以用标准容器和秒表(或电子计时装置)来测量,也就是测量液体充满某一确定容积所需的时间。这种方法只能用来测量稳定的流量或平均流量。由于它在测量稳定的流量时可以达到很高的精确度,因此也是各种流量计静态校准的基本方法。

一般工业用或实验室用液体流量计的基本工作原理是通过某种中间转换元件或机构,将管道中流动的液体流量转换成压差、位移、力、转速等参量,然后再将这些参量转换成电量,从而得到与液体流量成一定函数关系(线性或非线性)的电量(模拟或数字)输出。

13.2.1 常用的流量计

1. 差压式流量计

差压式流量计是在流通管道上设置流动阻力件,当液体流过阻力件时,在它前后形成与流量成一定函数关系的压力差,通过测量压力差,即可确定通过的流量。因此,这种流量计主要由产生差压的装置和差压计两部分组成。产生差压的装置有多种形式,包括节流装置(孔板、喷嘴、文杜里管等)、动压管、均速管、弯管等。其他形式的差压式流量计还有转子式流量计、靶式流量计等。

(1) 节流式流量计图13-22所示的差压式流量计是使用孔板作为节流元件。在管道中插入一片中心开有锐角孔的圆板(俗称孔板),当液体流过孔板时,流动截面缩小,流动速度加快,根据伯努利方程,压力必定下降。分析表明,若在节流装置前后端面处取静压力p1和p2,则流体体积流量为

式中 qV——体积流量(m3/s); A0——孔板的开口面积(m2); ρ——液体的密度(kg/m3); α——流量系数,一个与流道尺寸、取压方式和流速分布状态有关的系数,无量纲量。

上面的分析表明,在管道中设置节流元件就是要造成局部的流速差异,得到与流速成函数关系的压差。在一定的条件下,流体的流量与节流元件前后压差的二次方根成正比,采用压力变送器测出此压差,经开方运算,便得到流量信号。在组合仪表中有各种专门的职能单元。若将节流装置、差压变送器和开方器组合起来,便成为测量流量的差压流量变送器。

上述流量—压差关系虽然比较简单,但流量系数α的确定却十分麻烦。大量的实验表明,只有在流体接近充分紊流时,即雷诺数Re大于某一界限值(约为105数量级)时,α才是与流动状态无关的常数。

流量系数除了与孔口对管道的面积比及取压方式有关之外,还和所采用的节流装置的形式有着密切关系。目前常用的节流元件还有压力损失较小的文杜里管(见图13-23c)和喷嘴(见图13-23b)等。取压方式除上述在孔板前后端面处取压的“角接取压法”外,还有在离孔板前后端面各1in(1in=25.4mm)处的管壁上取压等。取压方式不同,流量系数也不相同。此外,管壁的粗糙程度、孔口边缘的尖锐度、流体黏度、温度以及可压缩性都对此系数值有影响。由于工业上应用差压式流量计已有很长的历史,对一些标准的节流装置做过大量的试验研究,积累了一套十分完整的数据资料。使用这种流量计时,只要根据所采用的标准节流元件、安装方式和使用条件,查阅有关手册,便可计算出流量系数,而无须重新校准。

差压式流量计是目前各工业部门应用最广泛的一类流量仪表,约占整个流量仪表的70%,在较好的情况下测量精确度为±1%~±2%。但实际使用时,由于雷诺数及流体温度、黏度、密度等的变化以及孔板孔口边缘的腐蚀磨损程度不同,精确度常远低于±2%。

(2)弯管流量计当流体通过管道弯头时,受到角加速度的作用而产生的离心力会在弯头的外半径侧与内半径侧之间形成差压,此差压的二次方根与流体流量成正比。只要测出差压就可得到流量值。弯管流量计如图13-24所示。

取压口开在45°角处,两个取压口要对准。弯头的内壁应保证基本光滑,在弯头入口和出口平面各测两次直径,取其平均值作为弯头内径D。弯头曲率R取其外半径与内半径的平均值。弯管流量计的流量方程式为

式中 D——弯头内径; ρ——流体密度; Δp——差压值; k——弯管流量系数。

流量系数k与弯管的结构参数有关,也与流体流速有关,需由实验确定。

弯管流量计的特点是结构简单、安装维修方便;在弯管内流动无障碍,没有附加压力损失;对介质条件要求低。其主要缺点是产生的差压非常小。它是一种尚未标准化的仪表。由于许多装置上都有不少的弯头,可用现有的弯头作为测量弯管,所以成本低廉,尤其在管道工艺条件受限制的情况下,可用弯管流量计测量流量,但是其前直管段至少要长10D。弯头之间的差异限制了测量精度的提高,其精确度为±5%~±10%,但其重复性可达±1%。有些生产厂提供专门加工的弯管流量计,经单独标定,能使精确度提高到±0.5%。

(3)转子流量计在小流量测量中,经常使用图13-25所示的转子流量计。它也是利用流体流动的节流原理工作的流量测量装置。与上述差压流量计的不同之处在于它的压差是恒定的,而节流口的过流面积却是变化的。

图中,一个能上下浮动的转子2被置于锥形测量管1中。当被测流体自下向上流动时,由于转子2和管壁之间形成的环形缝隙的节流作用,在转子上、下端出现压差Δp,此压差对转子产生一个向上的推力,克服转子的重量使其向上移动,这就使得环形缝隙过流截面积增大,压差下降,直至压差产生的向上推力与转子的重量平衡为止。因此通过的流量不同,转子在锥形测量管中悬浮的位置也就不同,测出相应的悬浮高度,便可确定通过的流体流量。节流口的流量公式为式(13-3),式中p1-p2为节流口前后的压差(Pa)。

若Δp、ρ和α均为常数,则流量qV与环形节流口的过流面积A0成正比,对于锥形测量管,面积A0与转子所处的高度成近似的正比关系,故可采用差动变压器式等位移传感器,将流量转化为成比例的电量输出。

实际上流量系数α等是随着工作条件而变化的,因此这种流量计对被测流体的黏度或温度也是非常敏感的,并且有较严重的非线性。当被测流体的物性系数(密度、黏度)和状态参数(温度、压力)与流量计标定流体不同时,必须对流量计指示值进行修正。

(4)靶式流量计图13-26为靶式流量计的工作原理图。这种流量计是在管道中装设一圆靶(靶置于管道中央,靶的平面垂直于流体流动方向)作为节流元件。当液体流过时,靶上就受到一个推力作用,其大小与通过的流量成一定函数关系,测量推力F1(或测量管外杠杆一端的平衡力F2)即可确定流量值。

靶式流量计的流量与检测信号(力)之间的关系是非线性的,这就给使用带来很大的不便,并且限制了流量计的测量范围。近年来出现了一种新型的自补偿靶式流量计,它使用测量控制网络和专门的电控元件,使靶上所受的推力被自动平衡,于是输出的控制电流值与体积流量呈线性关系。

2. 容积式流量计

容积式流量计实际上就是某种形式的容积式液动机。液体从进口进入液动机,经过一定尺寸的工作容腔,由出口排出,使得液动机轴转动。对于一定规格的流量计来说,输出轴每转一周所通过的液体体积是恒定的,此体积称为流量计的每转排量。测量输出轴的平均转速,可得到平均流量值;而累计输出轴的转数,即可得到通过液体的总体积。容积式流量计有椭圆齿轮流量计、腰形转子流量计、螺旋转子流量计等。另外,符合一定要求的液动机也可用来测量流量。

(1)椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计的工作原理如图13-27所示。在金属壳体内,有一对精密啮合的椭圆齿轮A和B,当流体自左向右通过时,在压力差的作用下产生转矩,驱动齿轮转动。例如齿轮处于图13-27a所示的位置时,p1>p2,A轮左侧压力大,右侧压力小,产生的力矩使A轮做逆时针转动,A轮把它与壳体间月牙形容积内的液体排至出口,并带动B轮转动:在图13-27b所示的位置上,A和B两轮都产生转矩,于是继续转动,并逐渐将液体封入B轮和壳体间的月牙形空腔内;到达图13-27c所示的位置时,作用于A轮上的转矩为零,而B轮左侧的压力大于右侧,产生转矩,使B轮成为主动轮,带动A轮继续旋转,并将月牙形容积内的液体排至出口。如此继续下去,椭圆齿轮每转一周,向出口排出4个月牙形容积的液体。累计齿轮转动的圈数,便可知道流过的液体总量。测定一定时间间隔内通过的液体总量,便可计算出平均流量。

由于椭圆齿轮流量计是由固定容积来直接计量流量的,故与流体的流态(雷诺数)及黏度无关。然而,黏度变化要引起泄漏量的变化,从而影响测量精确度。椭圆齿轮流量计只要加工精确,配合紧密,并防止使用中腐蚀和磨损,便可得到很高的精确度。一般情况下测量精确度为0.5%~1%,较好的可达0.2%。

应当指出,当通过流量计的流量恒定时,椭圆齿轮在一周内的转速是变化的,但每周的平均角速度是不变的。在椭圆齿轮的短轴与长轴之比为0.5的情况下,转动角速度的脉动率接近0.65。由于角速度的脉动,测量瞬时转速并不能表示瞬时流量,而只能测量整数圈的平均转速来确定平均流量。

椭圆齿轮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通过流量计的液体总量。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,因此测量精确度很低。有些椭圆齿轮流量计的外伸轴带有测速发电机或光电测速孔盘。前者是模拟电量输出,后者是脉冲输出。采用相应的二次仪表,可读出平均流量和累计流量。

(2) 腰形转子流量计图13-28为腰形转子流量计的原理图。壳体中装有经过精密加工、表面光滑无齿但能作密切配滚的一对转子,每个转子的转轴上都装有一个同步齿轮,这对处于另外腔室中的同步齿轮相互啮合,以保证两个转子的相对运动关系。在通过流量计的流量恒定的情况下,转子角速度脉动率约为0.22。但如果采用特殊结构,即两对转子按45°相位差的关系组合起来,那么这个数值可减小到0.027。由于转子的各处配合间隙会产生泄漏,从而使这种流量计在小流量测量时误差较大。