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1、1,第4章 流速和流量的测量,2,第4章 流速和流量的测量,掌握稳态流体速度的测量原理及方法；掌握几种速度探针的原理及结构；掌握热线风速仪及多普勒测速仪的原理及测量电路；掌握速度方向的测量原理和几种方向探针的结构及使用方法；掌握流量测量原理和几种流量计的工作原理及结构。,3,第1节 流体速度大小的测量,测量原理：跟据不可压缩流体中柏努利方程：因此只要测出流体的总压，静压以及流体的密度就可用上式求出流体的速度。,1、速度探针,4,（a）带半球形头部的标准皮托管（b）带锥形头部的皮托管,L形皮托管,第1节 流体速度大小的测量,5,第1节 流体速度大小的测量,国际标准中称 皮托管标定系数,英国标准中
2、称 c0 皮托管标定系数,我国两种标准都用。,6,第1节 流体速度大小的测量,笛形皮托管,7,（a）吸气式（b）遮板式（c）靠背式,吸气式皮托管主要用于高含尘量的负压管道气流压力的测量；遮板式是依靠遮板来阻止灰尘直接进入测量管；靠背式是因为测压管孔径较大而不易堵塞。,测量高含尘量气流的皮托管,8,第1节 流体速度大小的测量,例：如图所示，在皮托管上连接酒精比压计，测定风管中的某点风速，已知微压计斜管的倾角为30度，l=50mm，酒精密度为800kg/m3，空气密度为1.255kg/m3，标定系数为1.0，试求管内该点的风速。,9,第1节 流体速度大小的测量,2、可压缩性对气流速度测量的影响,在
3、高速气流中必须考虑影响气体密度的压力绝对值，因为气流速度的变化会引起压力变化。可压缩气流的速度V不是由压差确定而是由压力比决定，因此在测量气流速度时，要分别测出气流的总压及静压。,式中，k是气体的等熵指数，对于空气，k=1.4。最后得到考虑可压缩性时，气流速度的公式为,式中，是对可压缩性的修正系数，它与马赫数Ma有关,10,第1节 流体速度大小的测量,与Ma三种近似关系：第一种情况，Ma0.2,第二种情况，0.2Ma=0.8,第三种情况，0.8Ma=1,11,第2节 二维流场中流动方向的测量,1、测量原理：基于流体对物体绕流时，物体表面的压力分布与流动方向有确定关系,12,第2节 二维流场中流
4、动方向的测量,（1）方向孔最佳位置的确定：必须满足该点的压力对于气流方向角的变化率为最大，即,（2）方向探针的灵敏度,13,第2节 二维流场中流动方向的测量,2、测量方法 方向测量通常有两种方法：对向测量和不对向测量。（1）对向测量使探针绕其本身的轴转动，当两测孔所指示的压力相等时，两孔的对称中心就与流动方向一致。这时相对于一定的 参考方向(初始位置)就可以决定流动方向角。（2）不对向测量将两孔的对称轴固定在某一参 考方向，测量两孔的压力差，根据校正曲线(两孔压差与流动方向的关系)确定流体方向。,14,第2节 二维流场中流动方向的测量,L 型及 U 型探针,15,第2节 二维流场中流动方向的测
5、量,圆柱三孔式探针,测量流体总压,测量流动方向,16,第2节 二维流场中流动方向的测量,17,（a）球形（b）尖劈形（c）普通圆柱形（d）发散圆柱形（e）聚合圆柱形,第2节 二维流场中流动方向的测量,18,球形三孔测速管构造1-赤道面；2-子午面；3-三孔感压球形探头；4-接管；5-干管；6-传压管；7-分度盘；8-指针；9-锁紧螺钉；10-键槽；11-接嘴,第2节 二维流场中流动方向的测量,19,第3节 三维流场中流动方向的测量,1、四孔圆柱探针 2,3,4方向孔 1总压孔,20,第3节 三维流场中流动方向的测量,2、五孔球形探针,21,第3节 三维流场中流动方向的测量,22,第3节 三维流
6、场中流动方向的测量,23,第3节 三维流场中流动方向的测量,24,第3节 三维流场中流动方向的测量,25,其他流速测量方法,一机械法测量流速,1种类：翼式、杯式,适用范围：以前：风速范围为1520m/s以内，只能测量流速的平均值，不能测量脉动流。通过机械仪表用指针指示。目前：测速范围为0.2530m/s，并且可测量流速的瞬时值。可将叶轮的转速转换成电信号。,26,2.测量原理,空气通过转杯时，推动叶片转动。根据叶片的角位移推算流过的空气量,27,28,AVM-03风速计,29,第4节 热线风速仪,工作原理：用恒定电流对热丝加热时，由于流体对热线有冷却作用，而流体冷却能力随流速的 增大而加强，因
7、此，可根据热线温度的高低(即热丝电阻值的大小)来测量流体的速度，这便 是 等电流法测量流体流速的原理。如果保持热线的温度一定(即电阻一定)，则可建立热线电流和流体速度的关系，这也就是等 温法的原理。,30,第4节 热线风速仪,31,第4节 热线风速仪,32,第4节 热线风速仪,33,第4节 热线风速仪,34,第4节 热线风速仪,测量方法：恒电流法、恒温法,都需要对流体温度值进行修正,35,第4节 热线风速仪,36,37,第4节 热线风速仪,38,二散热率法测量流速,39,40,41,第4节 热线风速仪,1支架 2电机 3风机 4闸板阀 5皮托管 6管线 7旋风分离器 8热线探头 9热线风速仪
8、10计算机系统,42,第4节 热线风速仪,43,热线风速仪的进一步细节可参考：1 盛森芝、沈熊、舒玮：流速测量技术 2 盛森芝、徐月亭、袁辉清：热线热膜流速计 2 戴昌晖：流体流动测量 3 Goldstein,R.J.，流体力学测量,44,1、流量是三大工业过程控制量（压力、温度、流量）之一；2、石油、天然气、化工原料等流 体的计量直接关系到国家利益；3、自来水、灌溉、污水处理等关 系到国计民生。,第5节 流量测量,45,大型化工企业中，流量是控制工艺过程和保证产品质量的关键因素。,46,第5节 流量测量,1流量：单位时间内流过流体的量，亦称瞬时流量。2总流量：在一段时间内流过流体量的总和，也
9、可用在这段时间内对瞬时流量的积分。3平均流量：总流量除以得到总流量的时间间隔称该段时间内的平均流量。,47,表达方式,qm质量流量 kg/sqw重量流量 kgf/sqv体积流量 m3/s,转换关系：,标准体积流量：温度为20，压力为一标准大气压测得的体积流量为标准体积流量。,48,第5节 流量测量,基本流体方程,连续性方程伯努利方程,49,截面积：A1 A2流 速：密 度：1 2,为某截面积上的平均速度,不可压缩的流体在稳定流动时，流过各截面流体的体积为常量。,1,2,第5节 流量测量,连续性方程,50,第5节 流量测量,伯努利方程,动能,压力能,势能,+,流体能,51,容积式,总量流量计,瞬
10、时流量计,速度式,压差式,流体阻力式,测速式,流体振动式,体积流量计,质量流量计,流量计分类,52,53,54,1差压式流量计：如：毕托管、孔板、喷嘴、文丘里管、转子流量计等2速度式流量计：流体推动叶轮旋转，叶轮转速与流速成正比。如：水表、涡轮流量计。3容积式流量计：流量计在被测流体的推动下，将流体一份份封闭在测量腔体内，并一份份推送出去，根据单位时间内推送出去的体积数实现流速的测量。4其他类型流量计：电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计、质量流量计等。,流量计分类,55,第6节 节流压差式流量计,1-节流元件 2-引压管路3-三阀组 4-差压计,节流式流量计组成与实物图,56,第6节 节流压
11、差式流量计,常用的节流装置,文丘利管压力损失最小，而孔板压力损失最大。,文丘利管,孔板,喷嘴,57,58,1、测量原理及流量方程,节流元件附近流速和压力分布情况,选定两个截面，II是节流装置前 流体开始受节流装置影响的截面；II-II是流束经过节流装置后收缩最 厉害的流束截面，由伯努利方程 式得,称为流束的收缩系数，其大小与节流装置的类型有关,59,1、测量原理及流量方程,考虑到使用方便，实际上经常在节流装置前后两个固定位置上测取压力p1、p2，代替p1、p2，在计算v2的公式中亦应修正,60,1、测量原理及流量方程,61,流体必须是牛顿流体，在物理学和热力学上是均匀的、单相的，或者可认为是单
12、相的流体。,b.流体必须充满管道和节流装置且连续流动，流经节流件前流动应达到充分紊流，流束平行于管道轴线且无旋转，流经节流件时不发生相变。,c.流动是稳定的或随时间缓变的。,2、节流装置标准节流装置的适用条件,62,标准节流元件的结构形式,a.标准孔板,标准孔板是一块具有与管道同心圆形开孔的圆板，迎流一侧是有锐利直角入口边缘的圆筒形孔，顺流的出口呈扩散的锥形。,结构简单，加工方便，价格便宜,压力损失较大，测量精度较低，只适用于洁净流体介质，测量大管径高温高压介质时，孔板易变形。,标准孔板,63,b.标准喷嘴,64,c.文丘里管 文丘里管有两种标准型式：经典文丘里管与文丘里喷嘴。文丘里管压力损失
13、最低，有较高的测量精度，对流体中的悬浮物不敏感，可用于污脏流体介质的流量测量，在大管径流量测量方面应用的较多。但尺寸大、笨重，加工困难，成本高，一般用在有特殊要求的场合。,65,66,文丘利管流量计实物图,67,d、非标准节流装置,a.1/4圆喷嘴,b.锥形入口孔板,c.圆缺孔板,68,3、标准节流装置取压方式,根据节流装置取压口位置可将取压方式分为理论取压、角接取压、法兰取压、径距取压与损失取压五种:,节流装置的取压方式,69,标准喷嘴：角接取压,文丘里管：角接取压,70,角取压装置,法兰取压装置,71,72,4、流体条件及管道要求1）标准节流装置只适用于圆形截面的管道中单项、均质流体的流量
14、，流体应充满圆管并连续稳定流动，流速应小于亚音速，流体在到达节流件前应是充分发展的紊流。2）节流件上下游的直管段长度应符合标准的要求。,73,74,5、流量测量误差,75,1流量系数o和 的基本相对误差,对于标准角接取压标准孔板,76,77,78,79,80,计算举例,81,82,83,84,第6节 速度式流量计,涡轮流量计,1、涡轮流量计,85,qv=f/K,f流量计输出信号的频率；K流量计的仪表系数；,86,由动量守恒定理可知，涡轮的运动方向可写成如下形式：,87,88,89,90,91,1）高精确度，基本误差可达0.251.5，在所有流量计中，它属于最精确的。2）重复性好，短期重复性可达
15、0.05-0.2；3）输出脉冲频率信号，无零点漂移，抗干扰能力强。4）测量范围度宽，中大口径可达40:1-10:1。5）结构紧凑轻巧，安装维护方便。6）适用高压测量，仪表表体上不必开孔，易制成高压型仪表。7）难以长期保持校准特性，需要定期校验。,涡轮流量计的特点,92,8030涡轮式流量传感器,专为轻腐蚀性无固态的液体设计，整体涡轮和电子模板可通过卡式插头快速方便地连接，传感器产生一个与流量成比例，便于发送和处理的频率信号。,93,技术参数,94,2、涡街流量计,涡街流量计是一种振动式流量计，输出信号是一种与流量成正比的脉冲信号，并可远距离输送。,在流动的流体中放置一根其轴线与流向垂直的非流线
16、型柱形体(如三角柱、圆柱等)，称之为漩涡发生体。当流体沿漩涡发生体绕流时，会在漩涡发生体下游产生如图所示不对称但有规律的交替漩涡列，这就是所谓的卡门涡街。,理论基础:“卡门涡街”原理,95,96,冯.卡门对涡街的稳定条件进行了研究，于1911年得到结论：只有当两漩涡列之间的距离H和同列的两漩涡之间的距离L之比满足下面的关系时，所产生的涡街才是稳定的。,L,h,97,圆柱体后漩涡发生的频率,柱体后漩涡发生的频率为：,其中Sr是与雷诺数有关的无量纲数，称为斯特罗哈数。,则体积流量为：,98,公式中的流速为圆柱体与管道的流通截面积的流速，即对应的流通面积不是管道的横截面积。在d/D小于0.3时，流通
17、面积可用近似公式：,则体积流量为：,99,涡街流量计,漩涡频率的可能检测方案:1.铂电阻丝温度计法2.膜片法3.压电晶体法4.超声波法,流量信号的检测,100,101,漩涡频率的测量图图为三角柱体涡街检测器原理示意图，在三角柱体的迎流面对称地嵌入两个热敏电阻组成桥路的两臂，以恒定电流加热使其温度稍高于流体，在交替产生的漩涡的作用下，两个电阻被周期地冷却，使其阻值改变，阻值的变化由桥路测出，即可测得漩涡产生频率，从而测出流量。,102,三角柱涡街流量计,103,LUGB型涡街流量传感器,采用国际先进技术而特别设计LUGB型涡街流量传感器，性能更稳定，抗振性能更好，是替代差压式(如孔板等)和其他流
18、量传感器量理想的流量传感器。,104,主要特点：无可动部件，长期运行可靠性较高，输出信号是与流量成正比的脉冲信号，无零点漂移，方便同计算机联网；量程比大，可达1：10，而差压式流量计只有1：3；在一定的雷诺数内，输出的频率不受流体物性和组分的变化影响，测量精度高；压力损失较小，结构简单而牢固，安装、维护较方便。,105,主要用途：1、生产企业：车间能源考核：测量蒸汽、压缩空气、水等；生产工艺过程：测原材料等；2、能源供给单位：测量蒸汽、热水、自来水等。,106,涡街流量计的特点优点:涡街流量计测量精度较高；量程比宽,可达10:1；使用寿命长，压力损失小，安装与维护比较方便；测量几乎不受流体参数
19、变化的影响，用水或空气标定后的流量计无须校正即可用于其它介质的测量；易与数字仪表或计算机接口,对气体、液体和蒸汽介质均适用。缺点:流体流速分布情况和脉动情况将影响测量准确度，因此适用于紊流流速分布变化小的情况，并要求流量计前后有足够长的直管段。,107,第7节 其他型式的流量计,1、容积式流量计,椭圆齿轮流量计,2上下两轮都有转动力矩，继续转动。,3A（下）轮力矩为0，B轮产生逆时针力矩，B轮为主动轮，带动A轮旋转,1A轮产生顺时针力矩，B轮力矩为0，在A轮的带动下顺时针转动。,108,腰轮流量计腰轮流量计又称罗茨流量计，其工作原理与椭圆齿轮流量计相同。腰轮流量计的转子是一对不带齿的腰形轮，在
20、转动过程依靠套在壳体外的与腰轮同轴上的啮合齿轮来完成驱动。,腰轮流量计除可测液体外，还可测量气体，精度可达0.1，并可做标准表使用；最大流量可达1000m3/h。,109,腰轮流量计,腰轮流量计是一种容积式流量测量仪表，用以测量封闭管中流体的体积流量。就地显示累积流量，并有远传输出接口，与相应的光电式电脉冲转换器和流量积算仪配套，可进行远程测量，显示和控制。精度高，重复性好，范围度大，对流量计前后直管段要求不高。适用较高粘度流体，流体粘度变化对示值影响较小。适用无腐蚀性能的流体，如原油，石油制品(柴油，润滑油等)。,110,刮板式流量计 转子在流量计进、出口差压作用下转动，每当相邻两刮板进入计
21、量区时均伸出至壳体内壁且只随转子旋转而不滑动，形成具有固定容积的测量室，当离开计量区时，刮板缩入槽内，流体从出口排出，同时后一刮板又与其另一相邻刮板形成测量室。转子旋转一周，排出4份固定体积的流体，由转子的转数就可以求得被测流体的流量。,凸轮式刮板流量计,111,112,113,114,2、转子流量计,115,管道内置入一阻力体。,流量大小,阻力体受力变化,阻力体 运动位置变化,2、转子流量计,116,浮子受力：B:流体内浮子的浮力 F:流体作用于浮子的力 W:浮子的重力,W,F,B,锥体,浮子,环隙,结构：锥形管浮子,转子(浮子)流量计原理图,2、转子流量计,117,力平衡条件：,转子(浮子
22、)流量计的测量原理,重力浮力阻力,式中，cd为浮子的阻力系数；o为流体密度；v为环形流 通面积的平均流速：Af为浮子的最大迎流面积。,118,119,R,r,h,qv与h近似成线性关系。,120,流体流量的修正：标定流体的密度为0，实测流体的密度为，则在同一个A0处有：,从仪表刻度上读出的流量值乘上修正系数Cg，为实测值。,测量液体时的修正,121,测量气体时的修正,122,结构简单；使用维护方便；测量范围宽；工作可靠且线性刻度；适用性广。,转子(浮子)流量计的特点,123,HH50系列智能金属管浮子流量计,124,超声波流量计的原理：流速不同会使超声波在流体中传播的速度发生变化，通过分析计算
23、改变的超声波信号，可以检测到流体的流速，进而可以得到流量值。,超声波流量计,主要介绍传播速度差法和多普勒法。,125,通过测量超声波脉冲在顺流和逆流传播过程中的速度之差来得到被测流体的流速。,1.传播速度差法,测量速差的方法有：时差法、相差法和频差法。,F1到J2超声波传播速度为：,F2到J1超声波传播速度为：,得到：,126,1）时差法,测量顺、逆流传播时由于超声波传播速度不同而引起的时间差。,顺流传播时间为：,逆流传播时间为：,时间差为：,127,1）时差法,因此可得出流速：,流量正比于时间差：,128,测量顺、逆流传播时超声波信号的相位差。,2）相差法,F1和F2发射角频率为w的连续超声
24、波，则J1和J2到的信号相位差为：,流量正比于相位差：,129,脉冲重复频率的定义:在单通道中一个发射脉冲被接收器接收之后，立即发射出另一个脉冲，这样以一定频率重复发射，这个频率称为脉冲重复频率。,频差法是目前常用的测量方法，它是在前两种测量方法的基础上发展起来的。,测量顺、逆流传播时超声脉冲的重复频率差。,3）频差法,130,顺流和逆流重复发射频率分别为:,3）频差法,频率差为：,流量正比于频率差：,131,多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动，会引起反射声波与声源在频率上的变化，这种频率变化正比于运动目标和静止的换能器之间的相对速度。,2.多普勒法,利用声学多普勒原理确定流体流量。,13
25、2,从发射晶体T1发射的超声波束遇到流体中运动着颗粒或气泡，再反射回来由接收晶体R1接收。发射信号与接收信号的多普勒频移与流体流速成正比。,多普勒法原理,133,超声波流量计的特点,优点：流体中不插入任何元件，对流速无影响，也没有压力损失；能用于任何液体，也能测量气体的流量；非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量；量程比较宽，可达5：1；输出与流量之间呈线性等优点。缺点：只能用于测量200以下的流体；结构复杂，成本较高。,134,4、质量流量计,1.在工业生产中，由于物料平衡，热平衡以及储存、经济核算等所需要的都是质量，并非体积；2.在测量工作中，常需将测出的体积流量，乘以密
26、度换算成质量流量，设备复杂，测量耗时；3.密度随温度、压力而变化，在温度、压力变化比较频繁的情况下，难以达到测量的目的。用质量流量计来直接测量质量流量，则无需再进行上述人工换算。,为什么需要质量流量计?,135,1 直接式 2 推导式 3 补偿式,质量流量计大致分为三大类：,136,直接检测与质量流量成比例的量，检测元件直接反映出质量流量。,直接式质量流量计,直接式质量流量计有两种：,1)科里奥利质量流量计2)热式质量流量计,137,1)科里奥利质量流量计,当质量m的质点以速度v在对P轴作角速度为旋转的管道内移动时，质点具有两个分量的加速度及相应的加速度力。,法向加速度：即向心加速度ar，其量
27、值为2r，方向朝向P轴。切向加速度at：即科里奥利加速度，其量值为2v，方向与ar垂直。,138,1)科里奥利质量流量计,科里奥利力：,当密度为的流体在旋转管道中以恒定速度v流动时，任何一段长度x 的管道都受到一个切向的科里奥利力Fc 的作用。,因此，测得科里奥利力就可得到质量流量。,139,通过旋转运动产生科里奥利力是困难的，目前产品均代之以管道振动产生的。,科里奥利质量流量计测量原理,1)科里奥利质量流量计,140,缺点：对外界振动干扰较为敏感，为防止管道振动影响，大部分型号的流量传感器安装固定要求较高。不能用于较大管径，目前尚局限于150（200）mm以下。大部分型号重量和体积较大。价格
28、昂贵。约为同口径电磁流量计的2 8倍；,优点：精度高、量程比大、动态特性好 可测量流体范围广泛，包括高粘度液的各种液体、含有固形物的浆液等。流体密度变化对测量值得值的影响微小。,1)科里奥利质量流量计,141,2)热式质量流量计,利用传热原理，即流动中的流体与热源之间热量交换关系来测量流量，当前主要用于测量气体。,上下游温差取决于质量流量的大小。适用于2.510-10510-3Kg/s的气体质量流量，精度达1,142,热式质量流量计示意图,电源：24VDC精度：13%F.S.流通管径：20200工作温度：-2060输出：420mA、05VDC、232接口,143,组合体积流量计和密度计来测量质量流量，通过运算得出与质量流量有关的输出信号。,推导式质量流量计,有以下几种组合方式：,144,145,146,147,补偿式质量流量测量方法，是目前工业上普遍应用的一种测量方法。,3.补偿式质量流量计,148,MKULC2100系列电磁流量计,弯管流量计,149,各种测量方法精度量程(1),150,各种测量方法精度量程(2),
