熱能動力工程測試技術 0708流速和流量的測量

1、1第4章 流速和流量的測量第4章 流速和流量的測量掌握穩(wěn)態(tài)流體速度的測量原理及方法； 掌握幾種速度探針的原理及結構；掌握熱線風速儀及多普勒測速儀的原理及測量電路；掌握速度方向的測量原理和幾種方向探針的結構及使用方法； 掌握流量測量原理和幾種流量計的工作原理及結構。 23第1節(jié) 流體速度大小的測量測量原理：跟據(jù)不可壓縮流體中柏努利方程： 因此只要測出流體的總壓，靜壓以及流體的密度就可用上式求出流體的速度。1、速度探針4（a）帶半球形頭部的標準皮托管 （b）帶錐形頭部的皮托管L形皮托管第1節(jié) 流體速度大小的測量5第1節(jié) 流體速度大小的測量國際標準中稱 皮托管標定系數(shù)英國標準中稱 c0 皮托管標定系

2、數(shù)我國兩種標準都用。6第1節(jié) 流體速度大小的測量笛形皮托管7（a）吸氣式 （b）遮板式 （c）靠背式吸氣式皮托管主要用于高含塵量的負壓管道氣流壓力的測量；遮板式是依靠遮板來阻止灰塵直接進入測量管；靠背式是因為測壓管孔徑較大而不易堵塞。 測量高含塵量氣流的皮托管8第1節(jié) 流體速度大小的測量例：如圖所示，在皮托管上連接酒精比壓計，測定風管中的某點風速，已知微壓計斜管的傾角為30度，l=50mm，酒精密度為800kg/m3，空氣密度為3，標定系數(shù)為，試求管內該點的風速。9第1節(jié) 流體速度大小的測量2、可壓縮性對氣流速度測量的影響在高速氣流中必須考慮影響氣體密度的壓力絕對值，因為氣流速度的變化會引起壓

3、力變化?？蓧嚎s氣流的速度V不是由壓差確定而是由壓力比決定，因此在測量氣流速度時，要分別測出氣流的總壓及靜壓。式中，k是氣體的等熵指數(shù)，對于空氣，。最后得到考慮可壓縮性時，氣流速度的公式為式中，是對可壓縮性的修正系數(shù)， 它與馬赫數(shù)Ma有關10第1節(jié) 流體速度大小的測量 與Ma三種近似關系：第一種情況，Ma0.2, 第二種情況， 0.2Ma=0.8 , 第三種情況，0.8Ma=1 ,11第2節(jié) 二維流場中流動方向的測量1、測量原理：基于流體對物體繞流時，物體表面的壓力分布與流動方向有確定關系12第2節(jié) 二維流場中流動方向的測量（1）方向孔最佳位置的確定：必須滿足該點的壓力對于氣流方向角的變化率為最

4、大，即（2）方向探針的靈敏度13第2節(jié) 二維流場中流動方向的測量2、測量方法 方向測量通常有兩種方法：對向測量和不對向測量。 （1）對向測量使探針繞其本身的軸轉動 ，當兩測孔所指示的壓力相等時，兩孔的對稱中心就與流動方向一致。這時相對于一定的 參考方向(初始位置)就可以決定流動方向角。 （2）不對向測量將兩孔的對稱軸固定在某一參 考方向，測量兩孔的壓力差，根據(jù)校正曲線(兩孔壓差與流動方向的關系)確定流體方向。14第2節(jié) 二維流場中流動方向的測量L 型及 U 型探針15第2節(jié) 二維流場中流動方向的測量圓柱三孔式探針測量流體總壓測量流動方向16第2節(jié) 二維流場中流動方向的測量17（a）球形 （b）

5、尖劈形 （c）普通圓柱形 （d）發(fā)散圓柱形 （e）聚合圓柱形第2節(jié) 二維流場中流動方向的測量18球形三孔測速管構造1-赤道面； 2-子午面； 3-三孔感壓球形探頭； 4-接管； 5-干管； 6-傳壓管； 7-分度盤； 8-指針； 9-鎖緊螺釘； 10-鍵槽； 11-接嘴第2節(jié) 二維流場中流動方向的測量19第3節(jié) 三維流場中流動方向的測量1、四孔圓柱探針 2, 3, 4方向孔 1總壓孔20第3節(jié) 三維流場中流動方向的測量2、五孔球形探針21第3節(jié) 三維流場中流動方向的測量22第3節(jié) 三維流場中流動方向的測量23第3節(jié) 三維流場中流動方向的測量24第3節(jié) 三維流場中流動方向的測量25其他流速測量方

6、法一機械法測量流速1種類：翼式、杯式杯式翼式適用范圍：以前：風速范圍為1520m/s以內，只能測量流速的平均值，不能測量脈動流。通過機械儀表用指針指示。目前：測速范圍為0.2530m/s，并且可測量流速的瞬時值?？蓪⑷~輪的轉速轉換成電信號。262.測量原理 空氣通過轉杯時，推動葉片轉動。根據(jù)葉片的角位移推算流過的空氣量2728AVM-03風速計風速計檔位測量范圍分辨率誤差M/S0.3-45.00.1 3% or 0.1 位KNOTS0.6-88.00.1 3% or 0.1 位ft/min60-880010 3% or 10 位Km/hr1-140.00.1 3% or 0.1 位溫度(AVM

7、-03)0-600.1 0.8溫度(AVM-03)32-1400.1 1.529第4節(jié) 熱線風速儀工作原理： 用恒定電流對熱絲加熱時，由于流體對熱線有冷卻作用，而流體冷卻能力隨流速的 增大而加強，因此，可根據(jù)熱線溫度的高低(即熱絲電阻值的大小)來測量流體的速度，這便 是 等電流法測量流體流速的原理。 如果保持熱線的溫度一定(即電阻一定)，則可建立熱線電流和流體速度的關系，這也就是等 溫法的原理。30第4節(jié) 熱線風速儀31第4節(jié) 熱線風速儀32第4節(jié) 熱線風速儀33第4節(jié) 熱線風速儀34第4節(jié) 熱線風速儀測量方法：恒電流法、恒溫法ITTvIv恒流型恒溫型都需要對流體溫度值進行修正35第4節(jié) 熱線

8、風速儀3637第4節(jié) 熱線風速儀38二散熱率法測量流速394041第4節(jié) 熱線風速儀1支架 2電機 3風機 4閘板閥 5皮托管 6管線 7旋風分離器 8熱線探頭 9熱線風速儀 10計算機系統(tǒng)42第4節(jié) 熱線風速儀43熱線風速儀的進一步細節(jié)可參考： 1 盛森芝、沈熊、舒瑋：流速測量技術 2 盛森芝、徐月亭、袁輝清：熱線熱膜流速計 2 戴昌暉：流體流動測量 3 Goldstein,R.J.， 流體力學測量441、流量是三大工業(yè)過程控制量 （壓力、溫度、流量）之一；2、石油、天然氣、化工原料等流 體的計量直接關系到國家利益；3、自來水、灌溉、污水處理等關 系到國計民生。第5節(jié) 流量測量45大型化工企

9、業(yè)中，流量是控制工藝過程和保證產品質量的關鍵因素。46第5節(jié) 流量測量1流量：單位時間內流過流體的量，亦稱瞬時流量。2總流量：在一段時間內流過流體量的總和，也可用在這段時間內對瞬時流量的積分。3平均流量：總流量除以得到總流量的時間間隔稱該段時間內的平均流量。47表達方式qm質量流量 kg/sqw重量流量 kgf/sqv體積流量 m3/s轉換關系：標準體積流量：溫度為20，壓力為一標準大氣壓測得的體積流量為標準體積流量。48第5節(jié) 流量測量基本流體方程連續(xù)性方程伯努利方程49截面積：A1 A2流 速： 密 度：1 2 為某截面積上的平均速度不可壓縮的流體在穩(wěn)定流動時，流過各截面流體的體積為常量。

10、12第5節(jié) 流量測量連續(xù)性方程50第5節(jié) 流量測量伯努利方程動能壓力能勢能+流體能51容積式總量流量計瞬時流量計速度式壓差式流體阻力式測速式流體振動式體積流量計質量流量計流量計分類5253541差壓式流量計：如：畢托管、孔板、噴嘴、文丘里管、轉子流量計等2速度式流量計：流體推動葉輪旋轉，葉輪轉速與流速成正比。如：水表、渦輪流量計。3容積式流量計：流量計在被測流體的推動下，將流體一份份封閉在測量腔體內，并一份份推送出去，根據(jù)單位時間內推送出去的體積數(shù)實現(xiàn)流速的測量。4其他類型流量計：電磁流量計、渦街流量計、超聲波流量計、質量流量計等。流量計分類55第6節(jié) 節(jié)流壓差式流量計1-節(jié)流元件 2-引壓管

11、路3-三閥組 4-差壓計 節(jié)流式流量計組成與實物圖 56第6節(jié) 節(jié)流壓差式流量計 常用的節(jié)流裝置文丘利管壓力損失最小，而孔板壓力損失最大。 文丘利管孔板 噴嘴57581、測量原理及流量方程 節(jié)流元件附近流速和壓力分布情況 選定兩個截面，II是節(jié)流裝置前 流體開始受節(jié)流裝置影響的截面； II-II是流束經過節(jié)流裝置后收縮最 厲害的流束截面，由伯努利方程 式得稱為流束的收縮系數(shù)，其大小與節(jié)流裝置的類型有關591、測量原理及流量方程考慮到使用方便，實際上經常在節(jié)流裝置前后兩個固定位置上測取壓力p1、p2，代替p1、p2，在計算v2的公式中亦應修正601、測量原理及流量方程61流體必須是牛頓流體，在物

12、理學和熱力學上是均勻的、單相的，或者可認為是單相的流體 。b. 流體必須充滿管道和節(jié)流裝置且連續(xù)流動，流經節(jié)流件前流動應達到充分紊流，流束平行于管道軸線且無旋轉，流經節(jié)流件時不發(fā)生相變。c. 流動是穩(wěn)定的或隨時間緩變的 。2、節(jié)流裝置標準節(jié)流裝置的適用條件62標準節(jié)流元件的結構形式a. 標準孔板 標準孔板是一塊具有與管道同心圓形開孔的圓板，迎流一側是有銳利直角入口邊緣的圓筒形孔，順流的出口呈擴散的錐形。 結構簡單，加工方便，價格便宜 壓力損失較大，測量精度較低，只適用于潔凈流體介質，測量大管徑高溫高壓介質時，孔板易變形。 標準孔板 63b. 標準噴嘴64c. 文丘里管 文丘里管有兩種標準型式：

13、經典文丘里管與文丘里噴嘴。文丘里管壓力損失最低，有較高的測量精度，對流體中的懸浮物不敏感，可用于污臟流體介質的流量測量，在大管徑流量測量方面應用的較多。但尺寸大、笨重，加工困難，成本高，一般用在有特殊要求的場合。 6566文丘利管流量計實物圖67d、非標準節(jié)流裝置圓噴嘴b. 錐形入口孔板c. 圓缺孔板683、標準節(jié)流裝置取壓方式 根據(jù)節(jié)流裝置取壓口位置可將取壓方式分為理論取壓、角接取壓、法蘭取壓、徑距取壓與損失取壓五種: 節(jié)流裝置的取壓方式69標準噴嘴：角接取壓標準孔板：角接取壓環(huán)室取壓直接鉆孔取壓法蘭取壓文丘里管：角接取壓70角取壓裝置法蘭取壓裝置 71724、流體條件及管道要求1）標準節(jié)流

14、裝置只適用于圓形截面的管道中單項、均質流體的流量，流體應充滿圓管并連續(xù)穩(wěn)定流動，流速應小于亞音速，流體在到達節(jié)流件前應是充分發(fā)展的紊流。2）節(jié)流件上下游的直管段長度應符合標準的要求。73745、流量測量誤差751流量系數(shù)o和 的基本相對誤差 對于標準角接取壓標準孔板7677787980計算舉例81828384第6節(jié) 速度式流量計渦輪流量計1、渦輪流量計85渦輪磁電轉換前置放大顯示儀表轉數(shù)脈沖qv=f/Kf流量計輸出信號的頻率；K流量計的儀表系數(shù)；86由動量守恒定理可知，渦輪的運動方向可寫成如下形式：87888990911） 高精確度，基本誤差可達，在所有流量計中，它屬于最精確的。2） 重復性好

15、，短期重復性可達；3） 輸出脈沖頻率信號，無零點漂移，抗干擾能力強。4） 測量范圍度寬，中大口徑可達40:1-10:1。5） 結構緊湊輕巧，安裝維護方便。6） 適用高壓測量，儀表表體上不必開孔，易制成高壓型儀表。7） 難以長期保持校準特性，需要定期校驗。渦輪流量計的特點928030渦輪式流量傳感器 專為輕腐蝕性無固態(tài)的液體設計，整體渦輪和電子模板可通過卡式插頭快速方便地連接，傳感器產生一個與流量成比例，便于發(fā)送和處理的頻率信號。93技術參數(shù) 管徑內孔1550(1/22)介質溫度0+100測量范圍0.310m/s(通徑15管子0.3m/s流速相當于3L/min流量)測量誤差(0.5%O.F.S+

16、2.5%O.R)環(huán)境溫度0+60最高線性誤差 0.5%O.F.S(10m/s)額定壓力PN 16bar重復精度測量值的0.4%管接頭不銹鋼輸出信號晶體管PNP和NPN集殼體PC電極開路最大100mA外殼IP 65(帶電纜插頭)頻率0200Hz渦輪聚偏二氟乙烯電源電壓1230VDC軸及軸承陶瓷942、渦街流量計渦街流量計是一種振動式流量計，輸出信號是一種與流量成正比的脈沖信號，并可遠距離輸送。 在流動的流體中放置一根其軸線與流向垂直的非流線型柱形體(如三角柱、圓柱等)，稱之為漩渦發(fā)生體。當流體沿漩渦發(fā)生體繞流時，會在漩渦發(fā)生體下游產生如圖所示不對稱但有規(guī)律的交替漩渦列，這就是所謂的卡門渦街。理論

17、基礎:“卡門渦街”原理9596對渦街的穩(wěn)定條件進行了研究，于1911年得到結論： 只有當兩漩渦列之間的距離H和同列的兩漩渦之間的距離L之比滿足下面的關系時，所產生的渦街才是穩(wěn)定的。Lh97圓柱體后漩渦發(fā)生的頻率柱體后漩渦發(fā)生的頻率為：其中Sr是與雷諾數(shù)有關的無量綱數(shù)，稱為斯特羅哈數(shù)。則體積流量為：98 公式中的流速為圓柱體與管道的流通截面積的流速，即對應的流通面積不是管道的橫截面積。在d/D小于時，流通面積可用近似公式：則體積流量為：99渦街流量計漩渦頻率的可能檢測方案:流量信號的檢測100101漩渦頻率的測量圖圖為三角柱體渦街檢測器原理示意圖，在三角柱體的迎流面對稱地嵌入兩個熱敏電阻組成橋路

18、的兩臂，以恒定電流加熱使其溫度稍高于流體，在交替產生的漩渦的作用下，兩個電阻被周期地冷卻，使其阻值改變，阻值的變化由橋路測出，即可測得漩渦產生頻率，從而測出流量。102三角柱渦街流量計103LUGB型渦街流量傳感器 采用國際先進技術而特別設計LUGB型渦街流量傳感器，性能更穩(wěn)定，抗振性能更好，是替代差壓式(如孔板等)和其他流量傳感器量理想的流量傳感器。 104主要特點：無可動部件，長期運行可靠性較高，輸出信號是與流量成正比的脈沖信號，無零點漂移，方便同計算機聯(lián)網(wǎng)；量程比大，可達1：10，而差壓式流量計只有1：3；在一定的雷諾數(shù)內，輸出的頻率不受流體物性和組分的變化影響，測量精度高；壓力損失較小

19、，結構簡單而牢固，安裝、維護較方便。105主要用途：1、 生產企業(yè)：車間能源考核：測量蒸汽、壓縮空氣、水等； 生產工藝過程：測原材料等；2、能源供給單位：測量蒸汽、熱水、自來水等。 106渦街流量計的特點優(yōu)點:渦街流量計測量精度較高；量程比寬,可達10:1；使用壽命長，壓力損失小，安裝與維護比較方便；測量幾乎不受流體參數(shù)變化的影響，用水或空氣標定后的流量計無須校正即可用于其它介質的測量；易與數(shù)字儀表或計算機接口,對氣體、液體和蒸汽介質均適用。 缺點:流體流速分布情況和脈動情況將影響測量準確度，因此適用于紊流流速分布變化小的情況，并要求流量計前后有足夠長的直管段。 107第7節(jié) 其他型式的流量計

20、1、容積式流量計橢圓齒輪流量計2上下兩輪都有轉動力矩，繼續(xù)轉動。3A（下）輪力矩為0，B輪產生逆時針力矩，B輪為主動輪，帶動A輪旋轉1A輪產生順時針力矩，B輪力矩為0，在A輪的帶動下順時針轉動。108腰輪流量計腰輪流量計又稱羅茨流量計，其工作原理與橢圓齒輪流量計相同。腰輪流量計的轉子是一對不帶齒的腰形輪，在轉動過程依靠套在殼體外的與腰輪同軸上的嚙合齒輪來完成驅動。腰輪流量計除可測液體外，還可測量氣體，精度可達，并可做標準表使用；最大流量可達1000m3/h。109 腰輪流量計 腰輪流量計是一種容積式流量測量儀表，用以測量封閉管中流體的體積流量。 就地顯示累積流量，并有遠傳輸出接口，與相應的光電

21、式電脈沖轉換器和流量積算儀配套，可進行遠程測量，顯示和控制。 精度高，重復性好，范圍度大，對流量計前后直管段要求不高。 適用較高粘度流體，流體粘度變化對示值影響較小。 適用無腐蝕性能的流體，如原油，石油制品 (柴油，潤滑油等)。 110刮板式流量計 轉子在流量計進、出口差壓作用下轉動，每當相鄰兩刮板進入計量區(qū)時均伸出至殼體內壁且只隨轉子旋轉而不滑動，形成具有固定容積的測量室，當離開計量區(qū)時，刮板縮入槽內，流體從出口排出，同時后一刮板又與其另一相鄰刮板形成測量室。轉子旋轉一周，排出4份固定體積的流體，由轉子的轉數(shù)就可以求得被測流體的流量。 凸輪式刮板流量計 1111121131142、轉子流量計

22、115管道內置入一阻力體。流量大小阻力體受力變化阻力體 運動位置變化2、轉子流量計116浮子受力： B: 流體內浮子的浮力 F: 流體作用于浮子的力 W: 浮子的重力WFB錐體浮子環(huán)隙結構：錐形管浮子轉子(浮子)流量計原理圖2、轉子流量計117力平衡條件：轉子(浮子)流量計的測量原理重力浮力阻力 式中，cd為浮子的阻力系數(shù)；o為流體密度；v為環(huán)形流 通面積的平均流速：Af為浮子的最大迎流面積。118119Rrhqv與h近似成線性關系。120流體流量的修正：標定流體的密度為0，實測流體的密度為，則在同一個A0處有：從儀表刻度上讀出的流量值乘上修正系數(shù)Cg，為實測值。測量液體時的修正121測量氣體

23、時的修正122 結構簡單； 使用維護方便； 測量范圍寬； 工作可靠且線性刻度； 適用性廣。轉子(浮子)流量計的特點123HH50系列智能金屬管浮子流量計124超聲波流量計的原理：流速不同會使超聲波在流體中傳播的速度發(fā)生變化，通過分析計算改變的超聲波信號，可以檢測到流體的流速，進而可以得到流量值。超聲波流量計主要介紹傳播速度差法和多普勒法。125 通過測量超聲波脈沖在順流和逆流傳播過程中的速度之差來得到被測流體的流速。1.傳播速度差法測量速差的方法有：時差法、相差法和頻差法。F1到J2超聲波傳播速度為：F2到J1超聲波傳播速度為：得到：1261）時差法 測量順、逆流傳播時由于超聲波傳播速度不同而

24、引起的時間差。順流傳播時間為：逆流傳播時間為：時間差為：1271）時差法因此可得出流速：流量正比于時間差：128測量順、逆流傳播時超聲波信號的相位差。2）相差法F1和F2發(fā)射角頻率為w的連續(xù)超聲波，則J1和J2到的信號相位差為：流量正比于相位差：129脈沖重復頻率的定義: 在單通道中一個發(fā)射脈沖被接收器接收之后，立即發(fā)射出另一個脈沖，這樣以一定頻率重復發(fā)射，這個頻率稱為脈沖重復頻率。 頻差法是目前常用的測量方法，它是在前兩種測量方法的基礎上發(fā)展起來的。測量順、逆流傳播時超聲脈沖的重復頻率差。 3）頻差法130順流和逆流重復發(fā)射頻率分別為:3）頻差法頻率差為：流量正比于頻率差：131 多普勒效應

25、是當聲源和目標之間有相對運動，會引起反射聲波與聲源在頻率上的變化，這種頻率變化正比于運動目標和靜止的換能器之間的相對速度。2.多普勒法利用聲學多普勒原理確定流體流量。132 從發(fā)射晶體T1發(fā)射的超聲波束遇到流體中運動著顆?；驓馀?，再反射回來由接收晶體R1接收。 發(fā)射信號與接收信號的多普勒頻移與流體流速成正比。多普勒法原理133超聲波流量計的特點優(yōu)點：流體中不插入任何元件，對流速無影響，也沒有壓力損失；能用于任何液體，也能測量氣體的流量；非接觸式儀表，適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量 ；量程比較寬，可達5：1；輸出與流量之間呈線性等優(yōu)點。缺點：只能用于測量200以下的流體；結構復雜，成

26、本較高。1344、質量流量計1. 在工業(yè)生產中，由于物料平衡，熱平衡以及儲存、經濟核算等所需要的都是質量，并非體積；2. 在測量工作中，常需將測出的體積流量，乘以密度換算成質量流量，設備復雜，測量耗時；3. 密度隨溫度、壓力而變化，在溫度、壓力變化比較頻繁的情況下，難以達到測量的目的。 用質量流量計來直接測量質量流量，則無需再進行上述人工換算。 為什么需要質量流量計?135 1 直接式 2 推導式 3 補償式質量流量計大致分為三大類：136 直接檢測與質量流量成比例的量，檢測元件直接反映出質量流量。 直接式質量流量計直接式質量流量計有兩種：1) 科里奧利質量流量計2) 熱式質量流量計1371) 科里奧利質量流量計 當質量m的質點以速度v在對P軸作角速度為旋轉的管道內移動時，質點具有兩個分量的加速度及相應的加速度力。法向加速度：即向心加速度ar，其量值為2r ，方向朝向P軸。切向加速度at：即科里奧利加速度，其量值為2v ，方向與ar垂直。1381) 科里奧利質量流量計科里奧利力： 當密度為的流體在旋轉管道中以恒定速度v流動時，任何一段長度x 的管道都受到一個切向的科里奧利力Fc 的作用。因此，測得科里奧利力就