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[工学]化工测量及仪表第5章
5.10.1量热式质量流量计 量热式流量计除内热式之外还有外热式,其工作原理如图5-10-2所示。测量管是镍或不锈钢制成的薄壁管,总之要用导热性能良好的金属材料,否则会增加仪表的时间常数。测量管装在铝制的等温体内.测量管外绕上既作加热又作测温的铂丝。铂丝要与测量管很好地粘结在一起,以增强它们之间的热交换。两段铂丝Rl、R2与电阻R3、R4配成电桥。管内没有流体流动时电桥是平衡的,桥路没有信号输出,这时铂丝在一定功率下加热流体,使之温度升高但桥路仍处于平衡状态。 外热式质量流量计原理图 当被测流体开始流动,就不断有新的未被加热的流体流入加热区,通过加热铂丝获得热量,温度升高,铂丝因散失热量而温度降低,阻值发生变化。因Rl和R2散失热量不同所以温度也不同,阻值也不同,电桥失去平衡而有信号输出。如加热功率恒定,桥路输出的不平衡电压就与被测流体的质量流量成正比,所以通过测量电桥输出的不平衡电压就可测出被测流体的流量。 5.10.2 科氏力流量计 由力学理论可以知道,质点在旋转参照系中做直线运动时,质点要同时受到旋转角速度和直线速度的作用,即受到科里奥利力(Coriolis,简称科氏力)的作用。根据这一原理设计的质量流量计,可以测量双向流,并且没有轴承、齿轮等转动部件、测量管道中也无插入部件,因而降低了维修费用,也不必安装过滤器等。其测量准确度为±0.15%,适用于高精度的质量流量测量。 科氏力流量计 科氏力流量计由传感器和转换器两部分组成,传感器将流体的流动转换为机械振动,转换器将振动转换为与质量流量有关的电信号,以实现流量测量。 传感器所用的测量管道(振动管)有U形、环形(双环、多环)、直管形(单直、双直)及螺旋形等几种形状,但基本原理相同。下面介绍U形管式的质量流量计。 5.10.2 科氏力流量计 U形管科氏力质量流量计的基本结构如下图所示。流量计传感器的测量管道是两根平行的U形管(也可以是一根),驱动U形管产生垂直于管道角运动的驱动器是由激振线圈和永久磁铁组成。位于U形管的两个直管管端的两个检测器用于监控驱动器的振动情况和检测管端的位移情况,检测出两个振动管之间的振动时间差(Δt),以便通过转换器(二次仪表)给出流经传感器的质量流量。 5.10.2 科氏力流量计 U形管的受力情况如图所示。当U形管内充满流体而流速为零时,在驱动器对U形管进行振动时,U形管要绕O-O轴.按其本身的性质和流体的质量所决定的固有频率进行简单的振动(见右图)。当流体的流速为u时,则流体在直线运动速度u和旋转运动角速度ω的作用下,对管壁产生一个反作用力,即科里奧利力 式中F、u、ω都是向量;m为流体的质量。 5.10.2 科氏力流量计 由于入口侧和出口侧的流向相反,越靠近U形管管端的振动越大,流体在垂直方向的速度也越大,这意味着流体的垂直方向具有加速度a,通过管端至出口这部分,垂直方向的速度慢慢减小,是具有负的加速度。相当于牛顿第二定律F=ma的力F与加速度方向相反,因此,当U形管向上振动时,流体作用于入口侧管端的是向下的力F1,作用于出口侧管端的是向上的力F2,(如上图所示),并且大小相等。向下振动时,情况相似。 5.10.2 科氏力流量计 由于在U形管的两侧,受到两个大小相等方向相反的作用力,则使U形管产生扭曲运动,U形管管端绕R一R轴扭曲(如右图)。其扭力矩为 因F1=F2=F,r1=r2=r,则 又因质量流量qm=m/t,流速u=L/t,t为时间,则上式可写成 由此可以明显看出,qm取决于m、u的乘积。 5.10.2 科氏力流量计 设U形管的弹性模量为KS,扭曲角为θ,由U形管的刚性作用所形成的反作用力矩为 扭曲的全过程如上图所示。在扭曲运动中,U形管管端处于不同位置时,其管端轴线与z-z水平线间的夹角是在不断变化的,只有在其管端轴线越过振动中心位置时θ角最大。在稳定流动时,这个最大θ角是恒定的。在基本结构图所示的位置上安装两个位移检测器,就可以分别检测出入口管端和出口管端越过中心位置时的θ角。前面提到,当流体的流速为零时,即流体不流动时,U形管只作简单的上、下振动,此时管端的扭曲角θ为零,入口管端和出口管端同时越过中心位置。随着流量的增大,扭转角θ也增大,而且入口管端先于出口管端越过中心位置的时间差Δt也增大。 因T = M,则可得出如下公式 检测器 驱动器安装位置 磁铁 线圈 Time mV Time No Flow 5.10.2 科氏力流量计 假定管端在中心位置时的振动速度为ut,存在如下关系 式中Δt表示图中pl和p2点横穿z-z水平线的时间差。由于θ很小,则sinθ
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