08传感器应用.ppt

8.5 变送器 8.3.5 漩涡式流量传感器 漩涡式流量传感器是利用流体振荡原理工作的。目前应用的有两种：一种是应用自然振荡的卡曼漩涡列原理；另一种是应用强迫振荡的漩涡旋进原理。 应用振荡原理的流量传感器， 前者称为卡曼涡街流量传感器（或涡街流量传感器），后者称为旋进漩涡流量传感器。 涡街流量传感器应用相对较多， 这里只介绍这种流量传感器。 在流体的流动方向上放置一个非流线型的物体（如圆柱体等），物体的下游两侧有时会交替出现漩涡。 在物体后面两排平行但不对称的漩涡列称为卡曼涡列（也称为涡街）。漩涡的频率一般是不稳定的，实验表明，只有当两列漩涡的间距h与同列中相邻漩涡的间距l满足h/l=0.281（对于圆柱体）条件时，卡曼涡列才是稳定的。并且每一列漩涡产生的频率f与流速v、圆柱体直径d的关系为 式中, St为斯特罗哈尔系数，是一个无量纲的系数。 卡曼漩涡 St主要与漩涡发生体的形状和雷诺数有关。在雷诺数为500～150 000的区域内，基本上是一个常数， 如图所示。对于圆柱体St=0.20，三角柱体St=0.16。工业上测量的流速实际上几乎不超过这个范围， 所以可以认为频率f只受流速v和漩涡发生体的特征尺寸d的支配，而不受流体的温度、压力、密度、粘度等的影响。所以当测得漩涡的频率后，就可得到流体的流速v， 即可以求得流体的体积流量qv。 斯特罗哈尔系数与雷诺数的关系 漩涡频率检测元件一般是附在漩涡发生体上。圆柱体漩涡发生体采用铂热电阻丝检测法，铂热电阻丝在圆柱体的空腔内， 如图所示。当圆柱体的右下方产生漩涡时，作为漩涡回转运动的反作用，在圆柱周围产生环流。 这环流的速度分量加在原来的流动上，所以圆柱体上侧有增加流速的作用， 圆柱体下侧有减少流速的作用。 这样，有个从下到上的升力作用到圆柱体上， 结果有部分流体从下方导压孔吸入，从上方的导压孔吹出。 如果把铂热电阻丝用电流加热到比流体温度高出某个温度，流体通过铂热电阻丝时，带走它的热量， 从而改变它的电阻值，此电阻值的变化与发出漩涡的频率相对应，即由此便可检测出与流速成比例的频率。 三角柱漩涡发生体的漩涡频率检测原理图如图所示。 埋在三角柱正面的两只热敏电阻与其它两只固定电阻构成一个电桥， 电桥通以恒定电流使热敏电阻的温度升高。 由于产生漩涡处的流速较大，使热敏电阻的温度降低， 阻值改变， 电桥输出信号。 随着漩涡交替产生，电桥输出一系列与漩涡发生频率相对应的电压脉冲。 漩涡式流量传感器在管道内没有可动部件，使用寿命长， 线性测量范围宽，几乎不受温度、压力、密度、粘度等变化的影响， 压力损失小，传感器的输出是与体积流量成比例的脉冲信号， 这种传感器对气体、液体均适用。 图15-46 三角柱体漩涡检测原理图 8.3.6 质量流量传感器 在工业生产和产品交易中，由于物料平衡，热平衡以及储存、经济核算等人们常常需要的是质量流量, 因此在测量工作中， 常常将已测出的体积流量乘以密度换算成质量流量。 而对于相同体积的流体，在不同温度、压力下，其密度是不同的，尤其对于气体流体，这就给质量流量的测量带来了麻烦，有时甚至难以达到测量的要求。 这样便希望直接用质量流量传感器来测量质量流量，无需进行换算，这将有利于提高流量测量的准确度。 质量流量传感器大致分为两类： ① 直接式: 即传感器直接反映出质量流量。 ② 推导式: 即基于质量流量的方程式， 通过运算得出与质量流量有关的输出信号。用体积流量传感器和其它传感器及运算器的组合来测量质量流量。 1. 直接式质量流量传感器——科里奥利质量流量传感器 科里奥利质量流量传感器是利用流体在直线运动的同时， 处于一个旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力而制成的一种直接式质量流量传感器。 当质量为m的质点在对P轴作角速度为ω旋转的管道内移动时，如图所示，质点具有两个分量的加速度及相应的加速度力： ① 法向加速度: 即向心加速度ar， 其量值为ω2r， 方向朝向P轴。 ② 切向加速度: 即科里奥利加速度at, 其量值为2ωv，方向与ar垂直。由于复合运动，在质点的at方向上作用着科里奥利力为2ωvm，而管道对质点作用着一个反向力，其值为-2ωvm。 当密度为ρ的流体以恒定速度v在管道内流动时，任何一段长度为Δx的管道都受到一个大小为ΔFc的切向科里奥利力， 即 ΔFc=2ωvρAΔx 式中, A为管道的流通内截面积。