热工仪表及自动化结课论文.docx

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热工仪表及自动化结课论文

热工仪表与自动化结课论文

1.超声波测流仪

1.1测量原理

用超声波来测量流体的流量实质上是测量流体的流速。

当流体流速向量与声波方向平行时，声波的波速将发生变化，即当声波向下游传播时波速增加，声波向上游传播时波速降低。

在明渠中，一定高程的流体平均流速是通过测量两个换能器之间传播的历时差来确定的。

超声波流量计的时差法测流布置如以下图所示，在渠道两侧水下某深度处，相对地斜向装置一对电声可逆的换能器，其间距为L，该层水流平均速度为v，水流方向与AB的夹角为

，水流在AB方向的分速度为

超声波在静水中传播速度为

。

如果上游换能器A作为发射器向渠道对侧发射超声波（即顺流），经时

间后，被作为接收器的下游换能B器所接收，此时超声波的速度是

。

，超声波在水流中的传播历时为:

反之，假设以B作为发射器，A作为接收器（即逆流），在一样的水流速度影响下，超声波的速度应是

，其传播历时

为:

静水中超声波波速c受水温、压力和水中杂质含量的影响，故将上两式整理得某一水层平均流速：

式中：

为常数，只要测出顺流和逆流传播时间

就能求出v，上式就是时差法测流速的根本原理。

根据测得的水层平均流速，即可计算出全断面的流量。

1.2计算公式

大型明渠渠道水面宽、水深大，其流速纵横变化较大，一般采用多声道超声波流量计进展分层测流。

如以下图所示，沿渠两侧安放多对换能器（由声道数决定），测得假设干声道上的平均流速vi，计算各局部流量，使之累加即可求得整个断面的流量。

式中：

Ai一第i好声道与第i+1好声道之间的断面面积；

为从第i好声道计算出的流速；

为从第i+1好声道计算出的流速；

为渠底和最下一个好声道之间的断面面积；

为最上一个好声道与水面之间的断面面积；q为外表流速估计值，通过外推法利用最上一个好声道和下一个好声道计算；F为渠底摩擦系数；Wi为渠顶加权系数。

整个断面的流量Q为：

为保证测量精度，在明渠上采用超声波流量计测流时，一要使测流断面前后有足够的平直段，二要有足够的声道数量。

对于渠道水流流态不均匀的，可考虑采用穿插声路布置。

对于渠道水位变化较大的可考虑增加声道数量。

2.差压流速流量计

2.1绕流管流速流量计的理论根底

根据流体力学理论，绕圆柱体不可压缩流体无环量流动的圆柱面上压强分布为:

式中

分别指来流压强和速度；

指以前驻点为起点，在圆周方向的绕流角度；p为流体的密度．

物面上压强常用无量纲压强系数表示，压强系数的定义为:

由上两式可得不可压缩无旋绕流在圆柱面上的压强系数：

压强最大值在前后驻点处，

驻点压强系数

强最小值在

，压强系数

2.2绕流管流速流量计构造图

流量计测试系统组成

量计构造示意图流管4根对称布置示意

3电磁流速仪

3.1电磁流速仪流速测量原理

电磁流速仪是基于导电性流体在磁场中运动,产生感应的电势来推算流体流速的测量仪表,其根本工作原理是法拉第电磁感应定律。

智能电磁流速仪在其探头周围产生均匀的磁场,水在探头两侧流动时,作切割磁力线运动,假设所有质点都以平均流速V运动,那么水流速在整个探头截面上是均匀一致的,如果探头的外径为D,那么,就可以把水流看成许多直径为D连续运动

的薄圆环片,这种由液体组成的薄圆环片等效长度为D的导电体,其切割磁力线的运动速度为V。

根据电磁感应原理可知,探头两侧电极产生的感应电动势大小应为:

E=KBVD

式中:

K为仪表常数;E为感应电动势;B为磁感应强度;D为探头外径。

由上式可见,流体的流速与感应电动势E成线性关系,与磁感应强度B成反比,当磁感应强度恒定,探头外径一定,流体流速与其他参数无关,这就是电磁流速仪的测量原理,需要说明的是,要使

（1）式严格成立,必须使测量条件满足以下假定:

①磁场是均匀分布的恒定磁场;②被测流体的流速轴对称分布;③被测流体是非磁性的;④被测流体的电导率均匀且各向同性。

3.2电磁流速仪的构造

3.2.1智能电磁流速仪探头的根本构造

探头是智能电磁流速仪的核心部件。

智能电磁流速仪探头由不导磁材料制成,探头前部是水流导引端,外形采用流线型设计以减小阻力,两侧镶嵌有不锈钢材料制成的电极,探头内部装有产生磁场的励磁线圈,中部装配有处理信号的前置放大器,后部为探头尾翼。

整个探头具有防水密封性能,可承受0·5Mpa压力,智能电磁流速仪探头根本构造组成详见以下图。

电磁流速仪探头根本构造

3.2.2智能电磁流速仪的电路组成

智能电磁流速仪由电磁流速仪探头、励磁驱动电路、三值低频矩形波（简称三值波）产生电路、流速信号处理电路、单片机、RS232通讯接口以及键盘显示电路等组成,见以下图。

单片机程序控制产生三值波,其频率为5Hz,矩形波脉宽为50ms,经恒流源驱动电路驱动输出给探头励磁绕组,在探头周围产生一个恒定的磁场,从而可以在探头两侧电极,检测到流速电压信号,经探头内部前置放大电路放大,送信号处理电路进一步放大整形后,由单片机程序控制按照励磁三值波时序,作流速数据采集,经一系列数字滤波、运算处理后,得出流体的流速数据,保存单片机内部FLASH存储器内,可通过键盘显示电路,查询出保存在存储器中的测量数据,这些数据可以通过RS23通讯接口,与计算机连接,为后续流量数据整编提供流速测验数据。

电磁流速仪电路组成框图

三值低频矩形波励磁

4.旋桨流速仪

4.1设计原理及功能框图

如图1所示该仪器的原理框图,整机采用便携式设计,由自主研制的流速传感器、手持式主机及微机数据回放处理软件三局部组成。

手持式主机XX号检测系统包括信号调理、单片机、LCD、硬件抗干扰控制电路以及向计算机传发数据的通信接口电路、电源模块等。

自主研制的流速传感器的旋桨（叶轮）在流体的推动下产生驱动力矩而旋转,带动叶轮轴上装配的磁钢旋转,并通过霍尔元件产生脉冲信号。

旋桨的旋转周数与动水流速之间有下式的线性关系：

V=Kn+C=KN/T+C

式中V为流速;n为旋桨转动的频率（转子转率）;C为旋桨的修正值（仪器常数）;T为计测旋转周数所用时间;N为T时间内的旋桨周数（转子总数）;K为系数（水力螺距）。

故只要在一定时间内,测得旋桨的旋转周数,便可以求出旋桨所在位置的瞬时流速值。

流速仪原理框图

同时,手持式主机通过数据传输线对传感器信号进展采集,并经调理电路进展数据处理,最终显示并存储瞬时流速和平均流速,通过设置过水断面面积即可计算通过某一截面的流体流量。

4.2旋桨流速传感器构造

如以下图所示BH-1型便携式旋桨流速传感器构造示意图。

叶轮为7片叶片构造。

为了使叶轮对流速有很好的响应,选取了质量较轻的塑料叶轮。

叶轮、叶轮轴及中心定位盘刚性地安装在导流筒的内腔中;导流筒前后端各安装有十字形布置的前后支架;前支架上插接有导流罩,导流罩和中心套的中心处均安装了宝石轴承;叶轮轴前后端均通过轴尖与宝石轴承连接,中心套上的宝石轴承通过中心套、调节螺丝和调节螺母刚性连接在后支架上。

中心定位盘上均匀镶嵌有8个磁钢,与固定在后支架上的霍尔元件组成流速、脉冲转换器件。

叶轮的转速通过安装在导流筒内支架上的霍尔元件来测得。

在导流筒的外侧壁上装有可伸缩调节长度的测杆。

传感器示意图

传感器A-A向剖视图

4.3传感器特征

1.新颖的导流筒与导流罩的构造设计。

一方面,导流筒对流体起导向作用,以防止流体自旋而改变对叶片的作用角度;另一方面,导流罩对流体起到导流作用,使流体呈平稳的层流。

因此,保证了叶轮一直在平稳流体冲击下旋转,有效地防止了水流紊动对传感器工作特性的影响,提高了仪器本身的抗干扰能力和测量准确度,同时也降低了启动流速。

2.导流筒前端壁薄、导流罩呈子弹头流线形的设计,有效地减少了水流的阻力,使仪器具有较强的环境适应能力。

3.使用霍尔元件和磁钢作为流速、脉冲转换器件,该电磁隔离技术有效地解决了传统旋桨流速传感器的密封问题。

4.叶轮轴采用耐腐蚀的硬质合金,其与宝石轴承的连接方式为轴尖连接,即采用点接触的方式连接,点接触方式极大地减少了摩擦,更进一步降低了启动流速,提高测量准确性。

5.调节螺丝和调节螺母的设计,可方便、快捷地调节叶轮轴与其它部件的松紧程度,起到调节传感器灵敏度的作用,又便于整套仪器的校准。

6.旋桨（叶轮）、导流筒、导流罩、中心套、中心定位盘以及测杆的材料均使用耐酸碱腐蚀的工程塑料。

一方面,大大降低了整套传感器的重量;另一方面,在测流时,塑料旋桨较金属旋桨的转动惯量小,相应水流速度快,提高了传感器对流速变化的响应能力。

8.测杆设计为4节可伸缩式,操作简单,省时,使用和携带方便。

参考文献：

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[2]杨红玲,树升.超声波法与流速仪法在明渠流中的应用[J].XX农业大学报,2008

[3]李彦军，言登丰.一压流速流量计的研究与应用[J]排灌机械,2009

[4]秦平,鲁疆,沛云.种新型便携式旋桨流速仪[J]海洋技术,2009

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