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1、機、電類《傳感器與檢測技術項目教程》模塊五、流量檢測課件統(tǒng)一書號：ISBNISBN978-7-111-48817-0課程配套網(wǎng)站www.sensor-或2015年2月第1版,（作者：梁森、黃杭美、王明霄、王侃夫）,本模塊介紹“流量”的基本概念、節(jié)流式流量計、超聲波式流量計，還介紹了電磁兼容原理以及電磁式流量計、科里奧利流量計。,內容簡介,今天是：2020年6月10日星期三,現(xiàn)在時間是：15:39,模塊五、流量檢測（上）目錄,知識鏈接、流量的基本概念項目一、節(jié)流式流量計項目二、超聲波式流量計項目三、流量變送器的電磁兼容試驗拓展閱讀一電磁式流量計拓展閱讀二科里奧利質量式流量計,知識鏈接、流量的基本

2、概念,流體流過一定截面的量稱為“流量”。包含瞬時流量和累積流量。流量用體積表示時稱為“體積流量”，用質量表示時稱為“質量流量”。Q=vA（5-1）M=ρQ=ρvA（5-2）式中Q——體積流量（m3/s）；M——質量流量（kg/s）；ρ——流體密度（kg/m3）；v——流體平均速度（m/s）；A——流通管道截面積（m2）。,現(xiàn)在時間是：15:39,Q及M與直徑D、密度ρ的關系,如果流通管道的截面積為圓形，直徑為D（單位為m），則：Q=vπD2/4，M=ρvπD2/4。例5-1已知工作狀態(tài)下的質量流量最大值Mmax=500t/h，工作狀況下被測流體的密度ρ=800kg/m3，求：工作狀態(tài)下最大的體

3、積流量Q為多少立方米每小時？解Q＝M/ρ＝500000kg/h800kg/m3=635m3/h。,解1）Q=vπD2/4=(15m/s)3.14(0.25m)24=0.736m3/s。2）M=ρQ=10kg/m30.736m3/s=7.36kg/s。3）Q總=Qt=0.736m3/s3600s=2649.6m3。4）M總=Mt=7.36kg/s3600s(1000kg/t)=26.50t/h,例5-2已知某過熱蒸氣（本教材中特指水蒸氣，以下同）的密度ρ=10kg/m3，管道直徑D=250mm，被測管道中的平均流速v=15m/s，求：1）該過熱蒸氣的平均體積流量Q。2）該過熱蒸氣的平均質量流量M

4、。3）該過熱蒸氣一小時累積的體積總量Q總為多少立方米？4）該過熱蒸氣每小時的質量總量M總為多少噸？,流體在管道中的流速分布,a）層流時的流速分布b）紊流時的流速分布,表5-1常用流量計特性,表5-1常用流量計特性（續(xù)）,玻璃轉子流量計(圖5-2),a）結構示意圖b）實物1－下基座法蘭2－O型墊圈3－玻璃錐管4－浮子5－刻度6－上限擋板7－保護外殼8－上基座法蘭,橢圓齒輪流量計（圖5-3）,橢圓齒輪流量計屬于容積式流量計，又稱定排量流量計，是準確度較高的一類流量計。容積式流量計按其測量元件分類，又分為橢圓齒輪流量計、腰輪流量計、刮板流量計、旋轉活塞流量計、往復活塞流量計、圓盤流量計、液封轉筒式流

5、量計等。,橢圓齒輪流量計的工作過程,圖5-4橢圓齒輪流量計的工作過程a）齒輪1的兩端分別處于入口側和出口側b）齒輪1中的液體被擠到出口側c）齒輪2的兩端分別處于入口側和出口側,渦輪流量計結構示意圖（圖5-5）,1－安裝法蘭2－流體入口導流片（固定）3－導流片固定桿4－渦輪軸承,多葉片轉子渦輪流量計工作原理,渦輪感受流體的平均流速。殼體由非磁性的不銹鋼制成；渦輪由導磁的不銹鋼制成，裝有螺旋狀葉片。管道的直徑越大，葉片的數(shù)量就越多（4~24片不等）。渦輪兩端由耐磨的碳化鎢硬質合金或四氟化碳軸承支撐。,測量氣體時，葉片的傾角為10~15；測量液體時，葉片的傾角為30~45。葉片與內殼間的間隙為1mm

6、左右。,多葉片轉子渦輪流量計工作原理(續(xù)),當渦輪旋轉時，導磁葉片頂部周期性地切割磁力線，使通過線圈的磁感應強度B發(fā)生周期性變化，從而在線圈內感應出頻率為f的電脈沖信號eo。再經(jīng)放大、整形，微處理器即可計算得到渦輪的轉速：,n=60f/z。式中的z為渦輪的葉片數(shù)目。將轉速信號遠傳至二次儀表。,磁電接近開關發(fā)訊器原理示意圖(圖5-6),1－被測旋轉體(導磁不銹鋼葉片）2－非導磁渦輪殼體3－永久磁鐵4－線圈5－發(fā)訊器磁性外殼6－磁力線,卡門渦街流量計(圖5-7),1－安裝法蘭2－管道3－旋渦發(fā)生錐體4－卡門旋渦5－超聲波發(fā)生器探頭6－超聲波接收器探頭,卡門渦街流量計原理,當流體流經(jīng)圓錐體時,由于流

7、體和圓錐體之間的摩擦,一部分流體的動能轉化為流體振動,在錐體的后部兩側交替地產(chǎn)生卡門旋渦。由于兩側旋渦的旋轉方向相反,所以下游的流體產(chǎn)生振動,在額定范圍內，其流體的振動頻率與流速成正比。常用的非線性柱體有圓柱體（橫向）、圓柱體(縱向)、圓錐體等。,無可動部件；量程范圍寬(100:1)；壓力損失??；幾乎不受流體的壓力、溫度等參數(shù)的影響；氣、液均可以使用，可用于大口徑管道的氣、液測量。,氣體或液體管道及渦流發(fā)生錐體,卡門渦街流量計優(yōu)點,卡門渦街流量計的內腔沒有可動部件,流量報警開關(圖5-8),a）內部結構圖b）觸點狀態(tài)圖c）外形1－擋板2－安裝接管3－密封波紋管4－桿杠5－彈簧6－靈敏度微調螺釘

8、7－微動開關觸點8－報警開關外殼,項目一節(jié)流式流量計,【項目教學目標】?知識目標1）熟悉節(jié)流式流量計的工作原理。2）熟悉標準節(jié)流孔板的種類和特性。3）掌握節(jié)流孔板的取壓方法。4）熟悉節(jié)流式流量測量的誤差合成。?技能目標1）掌握節(jié)流式流量計的流量計算與調校。2）掌握節(jié)流裝置的安裝。,任務一認識節(jié)流式流量計,圖5-9節(jié)流式流量計工作原理框圖,節(jié)流現(xiàn)象,利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置產(chǎn)生壓強差，將感受的流體流量轉換成可用輸出信號。在節(jié)流裝置的前、后，流體的靜壓力產(chǎn)生差異的現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象。節(jié)流裝置是差壓式流量傳感器的流量敏感檢測元件，是安裝在流體流動的管道中的阻力元件。,各種節(jié)流孔板,科學家伯努利,在一個流體

9、系統(tǒng)，比如氣流、水流中，流速越快，流體產(chǎn)生的壓力就越小，這就是被稱為“流體力學之父”的丹尼爾伯努利1738年發(fā)現(xiàn)的“伯努利定律”。這個壓力差產(chǎn)生的力量是巨大的，空氣能夠托起沉重的飛機。,,當流體流經(jīng)節(jié)流元件時，由于流通面積突然減小，流束成局部收縮，部分“壓力能”轉化為動能，處于收縮截面處的流體平均流速增加。根據(jù)伯努利方程，管道中流體的流速越大，壓力就越小，所以流體節(jié)流之后的壓力小于節(jié)流之前的壓力，在節(jié)流件的上游側與下游側之間產(chǎn)生差壓Δp。若已知流體狀態(tài)、節(jié)流件的形式，以及管道的尺寸，通過測量節(jié)流件前、后的差壓，根據(jù)有關公式，就可以計算出流體的流量。,機翼上下側的流速差產(chǎn)生升力,壓縮空氣快速通過

10、瓶子上方時，壓力減小，液體被吸出,吹氣不會使兩張紙分開，反而使間隙減小,節(jié)流元件（圖5-10）,是在管道中放置一個局部面積收縮的機械元件，簡稱節(jié)流件。標準節(jié)流裝置就是有關計算數(shù)據(jù)都經(jīng)國家相關部門試驗而有統(tǒng)一的圖表和計算公式，按統(tǒng)一標準規(guī)定設計、加工和安裝的節(jié)流裝置，不必經(jīng)過個別標定就可以使用。,a）標準孔板b）噴嘴c）文丘里管,利用標準孔板測量流量必須滿足以下條件,①管道的直徑必須大于50mm而小于1200mm；②流體必須充滿管道，并連續(xù)流動；③不應發(fā)生氣、液物態(tài)變化（即需要保持單相流）；④流體流束必須與管道軸平行，不應有旋轉流或偏心流；⑤差壓變送器的規(guī)格應與標準孔板的孔徑匹配；⑥在計算蒸氣和

11、氣體流量時，必須針對流體的壓力和密度實測值進行修正。節(jié)流式流量計的缺點是流體通過節(jié)流裝置后，會產(chǎn)生不可逆的壓力損失。另外，當流體的溫度t、壓力p1變化時，流體的密度將隨之改變。所以必須進行溫度、壓力修正。,節(jié)流裝置（取壓管及內部的節(jié)流孔板）,節(jié)流孔板,后取壓管,前取壓管,,,,流體通過節(jié)流孔板時，流速加快，后取壓管處的壓力減小。,節(jié)流裝置外形,節(jié)流孔板,后取壓管,,,流體流經(jīng)節(jié)流孔板時，壓力和流速的變化情況,節(jié)流孔板,流速變快，壓力變小,,,p1,p2,p1＞p2,節(jié)流裝置的另一種形式——文丘里管或文丘里噴嘴,文丘里噴嘴的壓力損失較小。,p1＞p2,文丘里管,文丘里管有一段擴展段，流體從收縮到

12、擴展都有一定的型面引導，渦流比噴嘴小，壓力損失是孔板的1/3~1/6。文丘里管加工復雜，價格昂貴，多用于大管徑以及要求節(jié)能的場合。,文丘里噴嘴原理示意圖,文丘里噴嘴在管道中的位置,標準孔板的流量計算,流體通過標準孔板時，體積流量、質量流量與孔板上、下游的兩個取壓口之間的差壓之間的關系為,,,式中α——流量系數(shù)（查工況手冊）；ε——流體的膨脹系數(shù)(液體的ε≈1，氣體的ε＜1)；A0——孔板前端的開口截面積（m2）；Δp——孔板前、后的壓力差（Pa）；ρ——流體密度（kg/m3）；K——流量比例系數(shù)。,例5-3某節(jié)流式液體流量計中的差壓變送器不帶開平方器。原設計工況中的液體密度不變，測得差壓變?yōu)樵?/p>

13、來9倍，求：體積流量Q2是Q1的多少倍？,解根據(jù)式（5-6）有,,,,所以體積流量Q2是Q1的3倍。如果密度不變，質量流量M2也是M1的3倍。,例5-6用孔板及差壓變送器測量流量，差壓變送器的量程為25kPa，對應的最大體積流量為60m3/h，工藝要求在1/3流量量程時報警。變送器的輸出電流為4~20mA，求：1）差壓變送器帶開平方器時，對應的報警輸出電流值I1設在多少毫安？2）差壓變送器不帶開平方器時，對應的報警輸出電流I2設在多少毫安？,解報警點的體積流量Q3=Qmax/3=60m3/h3=20m3/h。1）變送器帶開平方器時，因為輸出電流與流量Q成正比，所以對應的報警輸出電流為I1=(2

14、0t/h60t/h)16mA+4mA=9.33mA。,例5-6用孔板及差壓變送器測量流量，差壓變送器的量程為25kPa，對應的最大體積流量為60m3/h，工藝要求在1/3流量量程時報警。變送器的輸出電流為4~20mA，求：（續(xù)）2）差壓變送器不帶開平方器時，對應的報警輸出電流I2設在多少毫安？,解報警點的體積流量Q3=Qmax/3=60m3/h3=20m3/h。2）變送器不帶開平方器時，由于流量與差壓的平方根成正比，所以對應于20m3/h流量時的差壓Δp20=25kPa(20/60)2=2.78kPa。對應的報警輸出電流為I2=(2.78kPa25kPa)16mA+4mA=5.78mA。,例5

15、-7有一差壓變送器用于流量測量，量程為40kPa，對應的流量范圍為0～200m3/h。實際運行中發(fā)現(xiàn)常態(tài)流量經(jīng)常處于35~40kPa之間，有時還超過40kPa，所以要求擴大差壓量程，使常態(tài)流量在滿度的2/3附近，問：差壓變送器的量程應如何調校（調試和校驗）?,解按照題意，流量計調校后的量程Q=Q原(3/2)=200m3/h(3/2)=300m3/h。已知原變送器量程為40kPa，當顯示范圍僅0～200m3/h時，則有：(300/200)2=Δp2/40kPa。Δp2=40kPa(300/200)2=90kPa。所以差壓變送器的量程要調校為0~90kPa。,節(jié)流件的取壓方式,圖5-12標準孔板的

16、5種取壓方式及取壓孔位置aa－角接取壓法bb－法蘭取壓法cc－理論取壓法dd－徑距取壓法ee－管接取壓法,取壓方法,（1）角接取壓法：上、下游導壓管位于孔板（或噴嘴）的前、后端面處是最常用的取壓方法。（2）法蘭取壓法：由兩個帶取壓孔的取壓法蘭組成。上、下游側取壓孔的軸線至孔板上、下游側端面之間的距離均為（25.40.8）mm。（3）理論取壓法：上游側取壓孔的軸線至孔板上游端面的距離為lD0.1D（D為管道的直徑，以下同），下游側取壓孔的軸線至孔板下游端面的距離與孔板的開孔面積值有關。理論上應該處于流束收縮到最小截面的距離。需要對差壓進行修正。理論取壓法應用于管道直徑D＞100mm的場合。,取壓

17、方法（續(xù)）,（3）理論取壓法：上游側取壓孔的軸線至孔板上游端面的距離為lD0.1D（D為管道的直徑，以下同），下游側取壓孔的軸線至孔板下游端面的距離與孔板的開孔面積值有關。理論上應該處于流束收縮到最小截面的距離。需要對差壓進行修正。理論取壓法應用于管道直徑D＞100mm的場合。（4）徑距取壓法：上游側取壓孔的軸線至孔板上游端面的距離為1D0.1D，下游側取壓孔的軸線至孔極下游端面的距離為0.5D。（5）管接取壓法：上游側取壓孔的軸線至孔板上游端面的距離為2.5D，下游側取壓孔的軸線至孔板下游端面的距離為8D。這種取壓方法測得的是流體流經(jīng)孔板后的壓力損失值。,常用的三種標準孔板取壓方法（圖5-1

18、3）,a）環(huán)室取壓法b）直接鉆孔取壓法c）法蘭取壓法1－法蘭2－環(huán)室3－孔板4－前導壓管5－后導壓管6－夾緊環(huán)7－法蘭取壓孔8－下游管道9－夾緊螺栓,節(jié)流式流量計的缺點,1）流體通過節(jié)流裝置后，產(chǎn)生不可逆的壓力損失。2）對上游直管段有較高的要求，否則將造成測量誤差。3）被測流量與差壓Δp成平方根關系。流量標尺是非線性的，可加開平方器。4）輸入與輸出之間是非線性關系，流量較小時，誤差較大，通常要求常態(tài)流量在1/3量程以上。,節(jié)流式流量計的缺點（續(xù)）,5）當流體的溫度t、壓力p1變化時，氣體的密度將隨之改變，造成測量誤差，必須進行溫度、壓力的修正和補償。6）在實際工況中，如果流體的各項參數(shù)變化，將

19、引起比例系數(shù)的變化，必須根據(jù)有關參數(shù)表進行計算修正。7）節(jié)流式流量計的測量準確度較低(1%~5%)。8）測量范圍較窄，量程比一般僅為3:1左右。,表5-2節(jié)流式流量計的型號和規(guī)格,,流量積算控制儀,屬于流量測量的二次儀表，可以顯示差壓、溫度、壓力、瞬時流量、累積流量等；可以根據(jù)被測流體的工況，由儀表面板上的按鍵依次輸入各項常數(shù)，置入相應的存儲器中，進行開平方計算、溫度和壓力補償、累積計算等。累積流量顯示范圍通?？蛇_8位數(shù)，即0~99999999；可以輸出4~20mA、RS232、RS485等通信信號；也可以實現(xiàn)上、下限報警，由軟件設定報警值或人工輸入報警值。,SWP-LE系列流量積算控制儀表（

20、圖5-14）,例5-8有一流量積算控制儀，累積質量流量顯示范圍為0~99999999，如圖5-14a所示。每個字代表1kg/h，最大積算速度R=100000字/h，求：多少天后計數(shù)器復位（清零）？,解復位時間=(99999999kg/h100000kg/h)24h/d=41.67d清零后，計算機必須記住已經(jīng)清零的99999999kg/h。,任務二節(jié)流式流量計的安裝與應用,一、對流體管道的要求1）節(jié)流件前、后的管段不得有肉眼可見的彎曲、突出、焊渣、焊縫等。2）如果管段不光滑，流量系數(shù)應乘以粗糙度，需進行計算修正。3）孔板對上、下游直管段長度的要求如表5-3所示。,二、孔板的安裝,1）新裝管路系統(tǒng)

21、時，必須在沖洗或“吹掃”管道后，再進行孔板的安裝。2）孔板的安裝方向（+）號應該向著流束進入的方向。3）安裝過程中，不允許工具與孔板的尖銳入口碰撞。4）孔板的前端面與管道軸線的不垂直度應在1范圍內。5）孔板的開孔應與管道軸線同心。6）孔板的密封墊片（包括環(huán)室與法蘭、環(huán)室與孔板間的墊片）夾緊后不得突入管道內壁。,孔板的安裝（續(xù)）,7）測量段管、取壓法蘭（或取壓環(huán)室）的熱脹系數(shù)應接近于孔板的熱脹系數(shù)。8）孔板安裝處必須嚴密，不允許有泄漏現(xiàn)象。安裝工作必須在管道試壓前進行。9）盡量將孔板與取壓法蘭（或取壓環(huán)室）以及測量段管道預先組裝，經(jīng)檢查合格后，再接入主管道。10）熱電偶等突出物應安裝在孔板之后5

22、D之外的位置。,三、導壓管的安裝,（1）導壓管的長度、內徑與厚度:①導壓管的長度應小于16m，內徑應大于6mm。導壓管越長，其內徑應越大；②雖然節(jié)流式流量測量中的差壓多數(shù)只有幾十千帕，但系統(tǒng)的靜壓可能達到幾十兆帕，必須選用無縫不銹鋼管。,導壓管的安裝（續(xù)）,（2）導壓管在管道截面的取壓位置：①測量液體流量時，取壓孔的開口應位于管道下半部，與管道垂直軸線成0~45夾角范圍內。其目的是為了防止氣體進入導壓管，造成兩根導壓管中的介質密度不等，引起壓力遷移；②測量氣體流量時，取壓孔應位于管道上半部，與管道垂直軸線成0~45夾角范圍內。其目的是為了防止水珠或污物進入導壓管；,③測量蒸氣流量時，取壓孔應位

23、于管道中、上部與管道水平軸線成0~45夾角范圍內，防止污物進入導壓管。,管道的截面取壓位置,圖5-153種流體在管道的截面取壓位置a）液體b）氣體c）蒸氣,四、差壓變送器的安裝1.被測流體為清潔液體時的導壓管安裝(圖5-16),a）差壓變送器在管道下方（放大圖見下頁）b）差壓變送器在管道上方1－管道2－法蘭3－孔板4－導壓管5－截止閥（一次閥）6－排氣閥7－沉降器8－排污閥9－三閥組10－差壓變送器11－集氣器,被測流體為清潔液體時的導壓管安裝放大圖,圖5-16a,被測流體為清潔液體時的導壓管安裝放大圖,圖5-16b,2.被測流體為清潔干氣體時的導壓管安裝示意圖,a）差壓變送器在管道上方（圖5

24、-17放大圖見下頁）b）差壓變送器在管道下方1－管道2－法蘭3－孔板4－導壓管5－一次截止閥6－沉降器7－排污閥8－三閥組9－差壓變送器10－隔離罐11－平衡閥12－二次截止閥,被測流體為清潔干氣體時的導壓管安裝放大圖,圖5-17a,被測流體為清潔干氣體時的導壓管安裝放大圖,圖5-17b,3.被測流體為蒸氣時，導壓管安裝示意圖(5-18),a）差壓變送器在管道下方(放大圖見后頁)b）差壓變送器在管道上方1－管道2－法蘭3－孔板4－導壓管5－一次截止閥6－排氣閥7－沉降器8－排污閥9－三閥組10－差壓變送器11－前、后平衡器12－集氣器13－二次截止閥,,被測流體為蒸氣時，導壓管安裝放大圖,圖5

25、-18a,,被測流體為蒸氣時，導壓管安裝放大圖,圖5-18b,氣體流量計的管線閥門操作、運行,關閉二次閥，打開一次閥和排污閥、排氣閥,對導壓管進行吹掃。首先緩慢地打開節(jié)流裝置上的兩個一次閥，使被測氣體充滿導壓管。然后關閉上述閥門，打開平衡閥，再稍微打開正一次閥和二次閥,使差壓變送器逐漸充滿被測氣體；最后,關閉差壓變送器上的平衡閥，并打開負二次閥，差壓變送器投入正常運行。,氣體流量計的管線閥門操作、運行,3．蒸氣流量計的管線閥門操作、運行吹掃導壓管后，關閉一次閥，將冷凝器（平衡器）和導壓管中的冷凝水從排污閥排出。然后關閉排污閥，打開一次閥，使冷凝器和導壓管內逐漸充滿冷凝液；當排氣針閥不再有氣泡后

26、，關閉排氣針閥和平衡閥，差壓變送器投入正常運行。停運順序與啟動順序相反，即：關閉負壓閥、打開平衡閥、關閉正壓閥。,孔板式流量計流量偏小的原因分析,（1）投運后流量偏小的原因:①孔板裝反；②導壓管或閥門泄漏；③平衡閥沒有關緊；④一次、二次截止閥沒有完全打開；⑤密度、流量系數(shù)等工藝參數(shù)不正確。（2）投運后流量逐漸偏小的原因:①孔板的尖銳入口磨損；②節(jié)流件上游端面沉積污物，需要定期停運沖洗；③正壓測導壓管堵塞（可以用0.3MPa的高壓空氣加以沖洗）；④導壓管中的隔離液流失；⑤變送器的零點負遷移等。,項目二超聲波式流量計,【項目教學目標】?知識目標1）熟悉超聲波式流量計的工作原理。2）熟悉超聲波式流量

27、計的種類和特性。3）熟悉超聲波式流量計的計算。?技能目標1．掌握超聲波式流量計的安裝。2．掌握流量計的校驗。,現(xiàn)在時間是：15:39,任務一認識超聲波,圖5-20聲波的頻率分布,次聲波,次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽不到，但可與人體器官發(fā)生共振，8Hz左右的次聲波會引起人的恐怖感，動作不協(xié)調，甚至導致心臟停止跳動。,次聲波炸彈(反劫機用),可聞聲波（20Hz~20kHz）,美妙的音樂可使人陶醉。,280Hz~2560Hz頻率段稱為中高聲頻。小提琴約有四分之一的較高音域在此頻段。,超聲波,蝙蝠能發(fā)出和聽見超聲波。,蝙蝠依靠超聲波定位,超聲波可以比較容易被聚焦，具有能量集中的特點。,超聲波

28、霧化器,超聲波加濕器,壓電陶瓷或磁致伸縮材料在高電壓窄脈沖作用下，可得到較大功率的超聲波，可以被聚焦，能用于集成電路及塑料的焊接。,超聲波塑料焊接機,超聲波集成電路金絲焊接機,超聲波被聚焦后，具有較好的方向性，在遇到兩種介質的分界面時，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。,便攜式超聲波探魚器,超聲波在醫(yī)學檢查中的應用,胎兒的B超影像,,大功率超聲波用于高效清洗,當強的聲波信號作用于液體時，則會對液體產(chǎn)生一定的正壓，即液體體積被壓縮減小，液體中形成的微小氣泡被壓碎。每個氣泡的破裂會產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達上千個大氣壓的壓力，這種現(xiàn)象被稱之為“空化作用”，

29、超聲波清洗正是利用液體中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波來達到清洗和沖刷工件內外表面的作用。超聲清洗多用于半導體、機械、玻璃、醫(yī)療儀器等行業(yè)。,超聲波清洗原理及清洗器,超聲換能器,氣泡,,,波浪,,,清洗物,,超聲波的波型分類（圖5-21）,縱波,縱波質點的運動方向,表面波在鋼材表面的傳播,縱波在鋼材中的傳播,橫波,a）縱波b）質點的運動過程c）橫波d）縱波在鋼材中的傳播e)表面波在板材表面的傳播1－超聲波發(fā)生器2－鋼材3－耦合劑c－聲速λ－波長,4種常見超聲波型,1）縱波：介質質點的振動方向與波的傳播方向一致的波，又稱壓縮波?？v波在固體介質中傳播時，其傳播速度約為橫波的兩倍。2）橫波：介質質點的振動方

30、向與波的傳播方向垂直的波，所以又稱剪切波。橫波只能在固體和切變模數(shù)很高的粘滯液體中傳播。3）表面波：沿介質兩個相之間的表面中傳播的波。表面波的幅值隨表面下的深度迅速減小，其傳播速度約為橫波的0.9。當波長小于介質厚度時，也稱瑞利波。4）蘭姆波：它在薄板中傳播，可用于長薄壁管的無損探傷。,,縱波（疏密波）縱波：在介質中傳播時，波的傳播方向與質點振動方向一致。,,橫波,橫波也稱“凹凸波”，是介質粒子振動方向和波行進方向垂直的一種波。也稱S波,若此波沿著x軸移動，則振動方向為與x軸垂直的方向上。,表面波,表面波是能量集中于表面附近的彈性波。,超聲波的聲速,幾種常用材料的聲速與密度、聲阻抗的關系（環(huán)境

31、溫度為0℃）,超聲波的指向角,超聲波聲源發(fā)出的超聲波束以一定的角度逐漸向外擴散。在聲束橫截面的中心軸線上，超聲波最強，且隨著擴散角度的增大而減小。指向角θ（單位為rad）與超聲源的直徑D以及波長λ之間的關系為,超聲波聲場指向性及指向角圖,超聲波入射角與反射角、折射角,圖5-22超聲波的反射與折射簡圖（c1＜c2時）Pc－入射波α－入射角Pr－反射波αr－反射角Ps－折射波β－折射角,超聲波的反射定律,超聲波入射角α的正弦與反射角αr的正弦之比，等于入射波所處介質的聲速c1與反射波所處介質的聲速cr之比，即：sinα/sinαr=c1/cr如果出射波的波型與入射波的波型都是縱波，則αr=α。,,

32、超聲波的折射定律,入射角α的正弦與折射角β的正弦之比，等于超聲波在入射波所處介質1的聲速c1與折射波所處介質2中的傳播速度cs之比，即sinα/sinβ=c1/cs,在右圖中，折射角大于入射角，說明第二介質的聲速cs大于第一介質的聲速c1（與密度有關）。,超聲波換能器,圖5-23超聲波換能器（直探頭）結構1－接插件2－金屬外殼3－導電螺桿4－接線片5－塑料內殼6－金屬絲7－阻尼吸收塊8－壓電晶體6－保護膜,超聲波換能器（超聲探頭）的外形,超聲波換能器又稱超聲波探頭。超聲波換能器的工作原理有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，在檢測技術中主要采用壓電式。超聲波探頭又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面

33、波探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、高溫探頭、空氣傳導探頭以及其他專用探頭等。,各種超聲波探頭,常用頻率范圍：0.5~10MHz常見晶片直徑：5~30mm,接觸式直探頭（縱波垂直入射到被檢介質）,外殼用金屬制作，保護膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。,,,保護膜,接插件,,接觸式直探頭原理,超聲脈沖電壓輸入端,,,接地端,,,保護膜,被測物上表面,,,,耦合劑,超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片,將數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應，使晶片發(fā)射出持續(xù)時間很短的超聲振動波。當超聲波經(jīng)被測物反射回到壓電晶片時，利用壓電效應，將機械振動波轉換成同頻率的交變電荷和電壓。,耦合技術超

34、聲波探頭不能直接在被測物表面摩擦，必須在探頭和被測物表面之間加入耦合劑,耦合劑的種類和選擇,超聲探頭與被測物體接觸時，探頭與被測物體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個界面間強烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大的衰減。為此，必須將接觸面之間的空氣排擠掉。在工業(yè)中，經(jīng)常使用耦合劑，使之充滿在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦合劑有自來水、機油、甘油、膠水、化學漿糊等。,任務二超聲波式流量計的應用,圖5-25傳播時間差法超聲波式流量測量示意圖F1發(fā)射的超聲波先到達T1F2發(fā)射的超聲波后到達T2,圖5-25a）雙聲道X法安裝型式,兩對超聲波探頭測量流量原理分類,一、時間差法測量流量原理在被

35、測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發(fā)射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超聲波是順流傳播的，而F2，T2的超聲波是逆流傳播的。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測量兩接收探頭上超聲波傳播的時間差?t，可得到流體的平均速度及流量。,F1發(fā)射的超聲波到達F2的時間較短,一對超聲波探頭（Z法）測量流量原理,圖5-25b）單聲道V法夾裝式,例5-10用傳播時間差法超聲波式流量計測量某管道中液體的流量，已知管道的直徑為600mm，流體在管道中的流速為10m/s，超聲波在該液體中的聲速為1500m/s。如果超聲波傳播的方向與流體的流動方向的夾角α=45，求：超聲波在

36、順流與逆流中傳播的時間差為多少毫秒？解：,,二、頻率差法測量流量原理,F2,F1,頻率差法測量流量分析過程,在一個固定的時間間隔t內，F(xiàn)1、F2是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開關的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收器用。首先由F1發(fā)射出第一個超聲脈沖，它通過管壁、流體及另一側管壁被F2接收，此信號經(jīng)放大后再次觸發(fā)F1的驅動電路，使F1發(fā)射第二個聲脈沖。緊接著，由F2發(fā)射超聲脈沖，而F1作接收器，可以測得F1的脈沖重復頻率為f1。同理可以測得F2的脈沖重復頻率為f2。順流發(fā)射頻率f1與逆流發(fā)射頻率f2的頻率差?f與被測流速v成正比。,,,,一對超聲波探頭（V法）測量流量原理,圖5

37、-26發(fā)射、接收探頭可以安裝在管道的同一側,例5-11用頻率差法超聲波式流量計測量某管道中流體的流量，已知管道的直徑為600mm，流體在管道中的流速為10m/s。如果超聲波傳播的方向與流體流動方向的夾角α=45，求超聲波在順流與逆流中傳播的頻率差為多少赫茲？解：,,同側式超聲波流量計的使用,超聲波流量計現(xiàn)場使用,超聲波流量計現(xiàn)場使用,三、多普勒法超聲波式流量計原理,當運動物體迎著波源運動時，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高；而當運動物體背著波源運動時，會產(chǎn)生相反的效應。產(chǎn)生的頻偏fd與波源、移動物體兩者之間的相對速度v及運動方向有關。物體運動的速度越快，所產(chǎn)生的頻偏效應就越大。超聲探頭F1

38、向流體發(fā)出頻率為f1的連續(xù)超聲波，照射到液體中的散射體（懸浮顆?；驓馀荩┥?。散射的超聲波產(chǎn)生多普勒頻移fd，接收探頭F2接收到頻率為f2的超聲波，其值為,,,多普勒效應,前進方向的頻率升高,如果波源和觀察者之間有相對運動，那么觀察者接收到的頻率和波源的頻率就不相同了，這種現(xiàn)象叫做多普勒效應。測出?f就可得到運動速度。,,多普勒效應示意,波源向左運動時，前進方向的波長變短，頻率升高,波源向右運動時，右側表面波被壓縮,,,圖5-27多普勒法超聲波式流量測量示意圖,2020/6/10,113,任務三流量計的檢定,按照我國計量法對計量器具管理的規(guī)定，必須對新購進或維修過的流量計進行檢定。檢定是為了評定

39、流量計的性能，如：準確度、重復性、溫漂等。檢定人員必須先對被檢定流量計進行外觀檢查，再進行示值誤差等項目的檢定。液體流量計的檢定（含校驗）方法有：靜態(tài)容積法、靜態(tài)稱重法、動態(tài)容積法、動態(tài)稱重法、標準體積管法、標準表法等。用標準表法與稱重法結合比較準確。氣體流量計的檢定方法有：標準表法、鐘罩法、音速文丘里噴嘴法等。,2020/6/10,114,一、液體流量標準表檢定法,多臺被檢定或被校驗的流量計與標準流量計（也稱標準流量表）串聯(lián)。如果流體穩(wěn)定，可以認為被檢定流量計與標準流量計的質量流量基本相等。如果不考慮液體的壓縮系數(shù)，溫度也相同，體積流量也相同。標準流量表的量程應略高于被檢定流量計，不超過25

40、%；允許最大絕對誤差Δ應小于被校流量計允許最大絕對誤差的1/3。此時可以認為被檢定流量計的誤差Δ等于顯示值Ax減去標準流量計的讀數(shù)A0，即：Δ≈Ax-A0。,1－電磁閥2－整流器3－標準流量計4－被檢定流量計a5－被校流量計b6－電動閥,圖5-28,2020/6/10,115,二、水標準裝置檢定法,1－水池2－水泵3－進水管4－穩(wěn)壓水塔5－溢流壁（堰）6－溢流槽7－溢流管8－出水管9－截止閥10－直管道11－被檢定流量計12－調節(jié)閥13－分水換向器14－旁通過渡槽15－稱量計量槽16－電子秤17－放水閥18－溫度傳感器,（圖5-29放大圖見下頁）,2020/6/10,116,圖5-29水標準裝置結構示意圖,休息一下,拓展閱讀網(wǎng)絡資料列表網(wǎng)址：,,2020年6月10日星期三,現(xiàn)在時間是：15:39休息一下！,,