武漢大學(xué)第四章流速和流量測(cè)量

第四章流速和流量的測(cè)量課件設(shè)計(jì)：洪冶§4.1流速的測(cè)量§4.1.1皮托管測(cè)速法皮托管測(cè)量原理L型皮托管課件設(shè)計(jì)：洪冶§4.1.1.1相關(guān)概念我們把沒(méi)有粘性的流體稱為理想流體．理想不可壓縮流體的伯努利方程（能量方程）

(Benoulli’sEquation)理想不可壓縮流體在重力場(chǎng)中作定常流動(dòng)時(shí)，具有三種形式的能量：位勢(shì)能、壓力勢(shì)能和動(dòng)能，在流線上任何一處三者能量之和保持恒定。課件設(shè)計(jì)：洪冶1.勢(shì)能（Potentialenergy）:mgz1,mgz2，Permass:gz1,gz22.動(dòng)能（Kineticenergy）:

Permass:3.壓力能（Pressureenergy）:

Workdone＝force×distance=

Permass:

V2,p2z1z2V1,p1課件設(shè)計(jì)：洪冶§4.1.1.2皮托管的結(jié)構(gòu)課件設(shè)計(jì)：洪冶皮托管測(cè)速原理圖動(dòng)壓(Pv)＋靜壓(Ps)＝全壓（Pt)課件設(shè)計(jì)：洪冶

§4.1.1.3測(cè)量誤差分析總壓孔直徑：d=0.5D靜壓孔直徑：d1=0.12D靜壓孔距端部距離：3~4D靜壓孔離支桿距離：8~10D

皮托管頭部和支桿對(duì)流場(chǎng)的影響1、皮托管的形狀影響課件設(shè)計(jì)：洪冶修正后的流速公式：為皮托管系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定。一般在0.99～1.01之間。皮托管是測(cè)量流體速度的主要工具之一,廣泛用于船舶和飛行體的測(cè)速。在測(cè)量時(shí)，只要把皮托管對(duì)準(zhǔn)流體流動(dòng)的方向，使內(nèi)管頂端（滯止點(diǎn)）能感受全壓力pt，而具有靜壓孔的外管感受靜壓力ps。課件設(shè)計(jì)：洪冶

2、皮托管偏離特性的影響結(jié)論：皮托管方向要正對(duì)流體流向。課件設(shè)計(jì)：洪冶3、流體壓縮性影響空氣高速流動(dòng)時(shí)，如果不進(jìn)行壓縮性影響的修正，將會(huì)產(chǎn)生10%左右的測(cè)量誤差。課件設(shè)計(jì)：洪冶§4.1.2

多普勒測(cè)速當(dāng)光源和反射體或散射體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的聲波頻率與入射聲波頻率存在差別的現(xiàn)象稱為光學(xué)多普勒效應(yīng)，是奧地利學(xué)者多普勒于1842年發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)單色光束入射到運(yùn)動(dòng)體上某點(diǎn)時(shí)，光波在該點(diǎn)被運(yùn)動(dòng)體散射，散射光頻率與入射光頻率相比，產(chǎn)生了正比于物體運(yùn)動(dòng)速度的頻率偏移，稱為多普勒頻移。課件設(shè)計(jì)：洪冶

圖4多普勒效應(yīng)原理kiksP課件設(shè)計(jì)：洪冶課件設(shè)計(jì)：洪冶后向散射型多普勒測(cè)速原理從入射光束方向看，后向散射是指接收散射光束的光電檢測(cè)器位于被測(cè)物體后面，即與光源在同一側(cè)。激光器S發(fā)出光束垂直人射到運(yùn)動(dòng)體，并在P點(diǎn)散射，散射光由光電檢測(cè)器R接收。根據(jù)多普勒效應(yīng)檢測(cè)多普勒頻移，如果人射光與散射光的夾角為，則多普勒頻移為：2v課件設(shè)計(jì)：洪冶多普勒效應(yīng)的另一種解釋

輻射的波長(zhǎng)因?yàn)楣庠春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高(藍(lán)移(blueshift))。在運(yùn)動(dòng)的波源后面，產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，頻率變得較低(紅移(redshift))。波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。根據(jù)光波紅/藍(lán)移的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度。所有波動(dòng)現(xiàn)象(包括光波)都存在多普勒效應(yīng)。課件設(shè)計(jì)：洪冶

多普勒測(cè)速儀的工作原理是利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體頻率的變化。電磁波的傳播同樣有多普勒特性。當(dāng)一個(gè)發(fā)出固定頻率的波的物體，相對(duì)于觀察地點(diǎn)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在觀察地點(diǎn)收到的頻率隨著它們的相對(duì)速度而變化即當(dāng)物體向著觀察點(diǎn)接近時(shí)，波長(zhǎng)就變短，頻率就變高；而遠(yuǎn)離觀察點(diǎn)時(shí)，波長(zhǎng)就變長(zhǎng)，頻率就變低,這樣通過(guò)頻率的變化就能計(jì)算出衛(wèi)星的高度、速度和方位。若用此法連續(xù)測(cè)量，就可得到精確的衛(wèi)星實(shí)際軌道數(shù)據(jù)。

2、超聲多普勒法是怎樣測(cè)量血液流動(dòng)的?多普勒測(cè)速儀應(yīng)用實(shí)例1、衛(wèi)星跟蹤測(cè)軌系統(tǒng)課件設(shè)計(jì)：洪冶利用多普勒效應(yīng)制成的儀器有激光多普勒測(cè)量?jī)x、超聲多普勒測(cè)量?jī)x等，具有精度高、非接觸、不擾亂流場(chǎng)、響應(yīng)快、空間分辨率高、使用方便的特點(diǎn)，廣泛用于流速測(cè)量、工業(yè)中鋼板、鋁材測(cè)量、醫(yī)學(xué)中血液循環(huán)監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷等。非接觸測(cè)量可以克服由于機(jī)械磨損和打滑造成的測(cè)量誤差。課件設(shè)計(jì)：洪冶課件設(shè)計(jì)：洪冶機(jī)械方法測(cè)量流速機(jī)械方法測(cè)量流速是根據(jù)置于流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體的流速成正比的原理來(lái)進(jìn)行流速測(cè)量的。機(jī)械式風(fēng)速儀是利用葉輪測(cè)量流速的實(shí)例翼型和杯型課件設(shè)計(jì)：洪冶課件設(shè)計(jì)：洪冶課件設(shè)計(jì)：洪冶機(jī)械式風(fēng)速儀可用來(lái)測(cè)定儀表所在位置的氣流速度，也可用于大型管道中氣流的速度場(chǎng)，尤其適用于相對(duì)濕度較大的氣流速度的測(cè)定。課件設(shè)計(jì)：洪冶散熱率法測(cè)量流速散熱率法測(cè)量流速的原理，是將發(fā)熱的測(cè)速傳感器置于被測(cè)流體中，利用發(fā)熱的測(cè)速傳感器的散熱率與流體流速成比例的特點(diǎn)，通過(guò)測(cè)定傳感器的散熱率來(lái)獲得流體的流速?？ㄋ麥囟扔?jì)課件設(shè)計(jì)：洪冶熱線風(fēng)速儀是利用被加熱的金屬絲的熱量損失來(lái)測(cè)量氣體流速的。課件設(shè)計(jì)：洪冶課件設(shè)計(jì)：洪冶課件設(shè)計(jì)：洪冶課件設(shè)計(jì)：洪冶課件設(shè)計(jì)：洪冶課件設(shè)計(jì)：洪冶流體速度是流過(guò)熱線的電流和熱線電阻（熱線溫度）的函數(shù)課件設(shè)計(jì)：洪冶1.恒流型熱線風(fēng)速儀如果在熱線工作過(guò)程中，人為地用一恒值電流對(duì)熱線加熱，由于流體對(duì)熱線對(duì)流冷卻，且冷卻能力隨著流速的增大而加強(qiáng)。當(dāng)流速呈穩(wěn)態(tài)時(shí)，則可根據(jù)熱線電阻值的大小確定流體的速度。課件設(shè)計(jì)：洪冶電路簡(jiǎn)單課件設(shè)計(jì)：洪冶2.恒溫型熱線風(fēng)速儀如果在熱線工作過(guò)程中，始終保持熱線的溫度不變，則可通過(guò)測(cè)得流經(jīng)熱線的電流值來(lái)確定流體的速度。課件設(shè)計(jì)：洪冶課件設(shè)計(jì)：洪冶在實(shí)際測(cè)量電路中，測(cè)量的不是流經(jīng)電路的電流，而是惠斯頓電橋的橋頂電壓?？擞⒐剑篍2=A+Bun課件設(shè)計(jì)：洪冶課件設(shè)計(jì)：洪冶(三)熱線風(fēng)速計(jì)的校準(zhǔn)

校準(zhǔn)的原因：1.探針的性能是隨制造工藝、探針尺寸和金屬材料的不同而異。2.探針的性能也和流體的溫度、密度等緊密相關(guān)。3.探針的性能還和污染情況、速度范圍等其它外部條件有關(guān)。4.探針在測(cè)量中是和電子儀器結(jié)合在一起使用的，因此真正的響應(yīng)關(guān)系是建立在輸出電壓E和流動(dòng)速度U之間的。 對(duì)于接近于大氣壓條件下的大多數(shù)實(shí)用情形，可以忽略密度變化的影響，校準(zhǔn)表達(dá)式如下：式中E為風(fēng)速計(jì)輸出電壓，A,B為以來(lái)于熱線尺寸、流體物理特性和流動(dòng)條件的常數(shù)，指數(shù)n在一定的速度范圍內(nèi)恒定，在大范圍內(nèi)隨速度而變。課件設(shè)計(jì)：洪冶熱線探頭的實(shí)際特性曲線必須經(jīng)過(guò)風(fēng)洞校準(zhǔn)試驗(yàn)求得

按一個(gè)已知速度U，對(duì)應(yīng)在風(fēng)速計(jì)上讀出一個(gè)電壓值E來(lái)做出E-U曲線，也就是校準(zhǔn)曲線。產(chǎn)生這種已知速度U的裝置稱之為校準(zhǔn)裝置。課件設(shè)計(jì)：洪冶

當(dāng)熱線軸線與氣流速度的方向垂直時(shí)，氣流對(duì)熱線的冷卻能力最大，即熱線的熱耗最大，若兩者的交角逐漸減小，則熱線的熱耗也逐漸減小。課件設(shè)計(jì)：洪冶課件設(shè)計(jì)：洪冶

在無(wú)限長(zhǎng)線中，如果沿線方向均勻加熱，并且假定過(guò)熱比不大，那么每單位長(zhǎng)度的熱損耗僅僅與垂直速度分量Ucos有關(guān)。其中為來(lái)流與x軸之間的夾角，于是

式中Ky偏航因子，說(shuō)明傾斜熱線的熱損失確實(shí)要比正常熱線在同樣法線速度分量值情況下的熱損失大一些。在鉑絲的情形，當(dāng)l/d=200時(shí)，Ky值差不多為0.2。當(dāng)l/d增加時(shí)，Ky值逐漸減小，在l/d=600，Ky值幾乎為零。對(duì)于在三維空間工作的熱線，引進(jìn)坡度因子Kz對(duì)于一般的有限長(zhǎng)線，實(shí)際上存在著沿線方向的熱對(duì)流轉(zhuǎn)換，于是一般情況Kz的值大約在1到1.2之間課件設(shè)計(jì)：洪冶(四)平均流速的測(cè)量實(shí)際使用時(shí)，采用下面公式

E2=A+B+CVR式中A----A=;E0是流體速度為零時(shí)熱線電橋的橋頂電橋

B、C、n----根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用最小二乘法確定的常數(shù)

vR----當(dāng)量冷卻速度，簡(jiǎn)稱冷速度vR意義：如果速度為v的氣流對(duì)熱線的冷卻作用與在支桿平面內(nèi)且垂直于熱線的氣流速度vR的冷卻速度相同，則vR叫做v的“冷速度”。課件設(shè)計(jì)：洪冶

用熱線風(fēng)速儀測(cè)量平面氣流平均流速的大小和方向，分直接測(cè)量和間接測(cè)量。直接測(cè)量平面氣流：轉(zhuǎn)動(dòng)熱線探頭以改變來(lái)流對(duì)熱線的沖角，直到橋頂電壓E達(dá)到最大值。此時(shí)，來(lái)流方向與熱線垂直，速度v的大小可根據(jù)測(cè)得的橋頂電壓E和熱線探頭速度特性曲線求得。 缺點(diǎn)：方向誤差較大間接測(cè)量平面氣流：放入熱線探頭后可測(cè)得橋頂電壓E1,將探頭轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)已知角度，再得到橋頂電壓E2,查速度特性曲線可得vR1和vR2,解聯(lián)立方程

vR1=v(a+bcos) vR2=v[a+bcos(+)]從而解得v和，v為平均流速。課件設(shè)計(jì)：洪冶(五)脈動(dòng)氣流的測(cè)量當(dāng)氣流在平均流速上迭加一個(gè)脈動(dòng)速度時(shí)，熱線風(fēng)速儀的橋頂電壓E含有兩個(gè)分量：直流電壓和交流電壓e。此時(shí)橋頂電壓與流速的關(guān)系可寫為 （+e)2=A+B展開(kāi)得

2+2e+e2=A+B+ B+對(duì)平均流速，有

2=A+B忽略高階無(wú)窮小量，得脈動(dòng)速度

=這樣，測(cè)得e后就可方便地得到課件設(shè)計(jì)：洪冶(六)熱線風(fēng)速儀的頻率特性熱線風(fēng)速儀用于非穩(wěn)定氣流的測(cè)量時(shí)，應(yīng)考慮熱線的熱慣性。熱線是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)其傳遞函數(shù)G(j)為：

式中

---角頻率

K----熱線的靜態(tài)靈敏度

T----熱線的時(shí)間常數(shù)

由熱線的頻率特性可見(jiàn)，電壓e一階滯后于流速v。 在恒溫風(fēng)速儀中，速度脈動(dòng)引起的測(cè)量橋路不平衡誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大，并按一定的相位關(guān)系反饋到橋路頂端，調(diào)整橋路供電電壓，使測(cè)量橋路自動(dòng)平衡。這種負(fù)反饋?zhàn)饔檬拐麄€(gè)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)比熱線的時(shí)間常數(shù)小500倍，從而大大的拓寬了測(cè)量氣流脈動(dòng)的頻率范圍。

課件設(shè)計(jì)：洪冶 恒溫風(fēng)速儀在使用中的關(guān)鍵問(wèn)題是系統(tǒng)的頻率最佳化的調(diào)節(jié)問(wèn)題 因?yàn)橄Ｍ谝欢ǖ念l率范圍內(nèi)，風(fēng)速儀對(duì)速度脈動(dòng)的響應(yīng)是均勻的。這就需要最佳化調(diào)節(jié)，最佳化調(diào)節(jié)就是將風(fēng)速儀系統(tǒng)調(diào)節(jié)到測(cè)量精度所允許的最寬、最適當(dāng)?shù)念l率響應(yīng)范圍。

方波試驗(yàn)：利用具有高次諧波的方形波這種特殊形狀的電流加在熱絲上，以代替加在熱絲上的實(shí)際風(fēng)速，來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)速儀系統(tǒng)的最佳頻率響應(yīng)，得到風(fēng)速計(jì)的截止頻率。課件設(shè)計(jì)：洪冶課件設(shè)計(jì)：洪冶（七）智能流速測(cè)量系統(tǒng)課件設(shè)計(jì)：洪冶課件設(shè)計(jì)：洪冶課件設(shè)計(jì)：洪冶3.系統(tǒng)利用了單片機(jī)控制操作處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多種智能化功能，提高了自動(dòng)化程度。

有：

（1）冷電阻的自動(dòng)測(cè)量 （2）過(guò)熱比的自動(dòng)調(diào)節(jié)； （3）工作電阻的自動(dòng)測(cè)量； （4）探針電流的安全加載； （5）偏置電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié) （6）系統(tǒng)硬件的自動(dòng)診斷；課件設(shè)計(jì)：洪冶4.系統(tǒng)穩(wěn)定性好，頻帶很寬，一般可達(dá)700KHz以上，比傳統(tǒng)HWFA寬三到五倍，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。5.系統(tǒng)配置了WindowsNT平臺(tái)上的多功能多用途的先進(jìn)軟件包，大大地?cái)U(kuò)大了使用范圍，軟件功能有較大的發(fā)展。課件設(shè)計(jì)：洪冶（八）熱線風(fēng)速儀的應(yīng)用三個(gè)速度的分離和測(cè)量通常速度分量的測(cè)量是建立在熱線方向的靈敏度基礎(chǔ)上的，為了對(duì)脈動(dòng)分量獲得最大并且相同的靈敏度，一般總是將熱線放置在與平均流速成45度角的位置上。單線探針?lè)ㄟ@種方法就是在熱線對(duì)速度和偏航角敏感關(guān)系式的基礎(chǔ)上，用繞探針軸旋轉(zhuǎn)以改變偏航角的辦法，建立具有u,v,w三個(gè)未知數(shù)的三個(gè)方程，然后解出u,v,w以實(shí)現(xiàn)三個(gè)速度分量的分離和測(cè)量。熱線的脈動(dòng)電壓輸出是平均流速和流動(dòng)角度的函數(shù)在小擾動(dòng)情況下課件設(shè)計(jì)：洪冶從上式可得其中速度靈敏系數(shù)角度靈敏系數(shù)利用上式，用改變偏航角的辦法建立三個(gè)方程，從而解出u2,uv,v2,然后再繞探針軸旋轉(zhuǎn)90度，再變動(dòng)偏航角，又建立三個(gè)方程，從而又可解出u2,uw,w2。課件設(shè)計(jì)：洪冶動(dòng)力測(cè)壓法測(cè)量流速在靜止氣體中，由于不存在切向力，故這個(gè)力與所取面積的方向無(wú)關(guān)，稱為靜壓力。對(duì)于運(yùn)動(dòng)流體而言，靜壓可用垂直于流體運(yùn)動(dòng)方向單位面積上的作用力來(lái)衡量?？倝毫κ侵噶黧w在某點(diǎn)速度等熵滯止到零時(shí)所達(dá)到的壓力。課件設(shè)計(jì)：洪冶臨界點(diǎn)滯止壓力是指在沒(méi)有外力的作用下，流體速度絕熱地減速到零時(shí)所產(chǎn)生的壓力，此時(shí)，流體的全部動(dòng)能全部絕熱地轉(zhuǎn)變成壓力能。總壓與靜壓之差稱為動(dòng)壓課件設(shè)計(jì)：洪冶應(yīng)用動(dòng)力測(cè)壓法測(cè)量流速的壓力感受元件為測(cè)壓管伯努利方程式課件設(shè)計(jì)：洪冶不可壓縮流體課件設(shè)計(jì)：洪冶可壓縮氣體課件設(shè)計(jì)：洪冶測(cè)壓管的使用上限不超過(guò)相當(dāng)于馬赫數(shù)為0.25時(shí)的流速測(cè)壓管的使用下限為被測(cè)量的流速在全壓孔直徑上的雷諾數(shù)需超過(guò)200課件設(shè)計(jì)：洪冶測(cè)壓差的方法（1）利用總壓管、靜壓管，分別測(cè)量流體的總壓和靜壓，以確定流體速度。（2）利用專門設(shè)計(jì)的復(fù)合測(cè)壓管，同時(shí)測(cè)量流體的總壓和靜壓（或兩者之差），以確定流體速度。由測(cè)壓管、連接管和顯示或記錄儀表三部分組成的測(cè)壓系統(tǒng)，就可以測(cè)量流體的流速。課件設(shè)計(jì)：洪冶1.流體總壓、靜壓的測(cè)量(1)

流體總壓測(cè)量與測(cè)壓管測(cè)量流體總壓的總壓管在使用時(shí)，其感壓孔軸線應(yīng)對(duì)準(zhǔn)來(lái)流方向。希望總壓管對(duì)流動(dòng)方向越不敏感越好課件設(shè)計(jì)：洪冶L形總壓管制造容易，使用安裝方便。它對(duì)流動(dòng)偏斜角的靈敏性取決于壓力孔直徑與管子外徑之比以及總壓管頭部的形狀課件設(shè)計(jì)：洪冶圓柱形總壓管可以制作得很小，慣性不大，工藝性好，制造容易，使用方便。課件設(shè)計(jì)：洪冶套管式總壓管在馬赫數(shù)變化較大范圍內(nèi)，它對(duì)流動(dòng)偏斜角的不靈敏度達(dá)到±(40～50)課件設(shè)計(jì)：洪冶（2）流體的靜壓測(cè)量與測(cè)壓管測(cè)量被繞流體表面上某點(diǎn)的壓力或流道壁面上流體的壓力這時(shí)可利用在通道壁面或繞流物體表面開(kāi)靜壓孔的方法進(jìn)行測(cè)量。課件設(shè)計(jì)：洪冶確定流場(chǎng)中某點(diǎn)的壓力，也就是運(yùn)動(dòng)流體的壓力。這時(shí)可以利用尺寸較小具有一定形狀的測(cè)壓管插入流體中，進(jìn)行流體壓力測(cè)量。L形靜壓管、盤形靜壓管、套管形靜壓管需要測(cè)量平直流道內(nèi)的流體靜壓時(shí)可采用在流道壁面開(kāi)靜壓孔的方法來(lái)測(cè)量。課件設(shè)計(jì)：洪冶課件設(shè)計(jì)：洪冶二、測(cè)壓管的標(biāo)定測(cè)壓管標(biāo)定的主要目的是為了確定測(cè)壓管的校正系數(shù)、方向特性、速度特性等內(nèi)容。課件設(shè)計(jì)：洪冶1.總壓管的標(biāo)定總壓管要標(biāo)定的是總壓管的校正系數(shù)以及在不同流速時(shí)，總壓管對(duì)流動(dòng)偏斜角的不靈敏性。課件設(shè)計(jì)：洪冶2.靜壓管的標(biāo)定靜壓管要標(biāo)定的是：靜壓管在零偏斜角時(shí)，靜壓管的校正系數(shù)或速度特性，以鑒定靜壓孔對(duì)氣流靜壓的感受能力在不同流速時(shí)，靜壓管對(duì)氣流方向變化的不靈敏性課件設(shè)計(jì)：洪冶3.畢托管的標(biāo)定畢托管要標(biāo)定的是畢托管的校正系數(shù)以及在不同流速時(shí)，畢托管對(duì)流動(dòng)偏斜角的不靈敏性課件設(shè)計(jì)：洪冶4.測(cè)壓管的標(biāo)定方法測(cè)壓管的標(biāo)定是在校正風(fēng)洞內(nèi)采用比較法進(jìn)行標(biāo)定的。課件設(shè)計(jì)：洪冶

§4.2流量測(cè)量§4.2.1概述

一、流體的流量流量的定義：流體流量是指單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道或明渠某一截面流體的量，也稱為瞬時(shí)流量。在某一段時(shí)間間隔內(nèi)流過(guò)某一截面的流體的量稱為流過(guò)的總量，也稱作積分流量或累積流量?？偭砍缘玫娇偭康臅r(shí)間就稱為該段時(shí)間內(nèi)的平均流量。流體流量的表示：一般可分為質(zhì)量流量qm和體積流量qV。兩者之間滿足以下關(guān)系：

qv=vF在國(guó)際單位制中，qm的單位為kg/s，qV的單位為m3／s。

二、流量測(cè)量方法1．容積法；2．速度法；3．質(zhì)量法三、流量測(cè)量系統(tǒng)流量測(cè)量系統(tǒng)一般由傳感器、信號(hào)傳輸、信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置和流量顯示及計(jì)算裝置四部分組成。課件設(shè)計(jì)：洪冶（1）體積流量qv單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某截面的流體的體積,單位為m3/s。根據(jù)定義,體積流量可用下式表示:qv=（11-26）式中V為截面A中某一面積元dA上的流速。如果用流體的平均流束V表示,則體積流量可寫成qv=vA（11-27）（2）質(zhì)量流量qm單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某截面的流體的質(zhì)量,單位為kg/s。根據(jù)定義,質(zhì)量流量可用下式表示:qm=（11-28）若用平均流速表示,則可簡(jiǎn)寫為（11-29）

傳感器感受流量Q的變化，Q可以是質(zhì)量流量qm或體積流量qV，其輸出為與流量有關(guān)的某個(gè)物理量，如差壓、速度等。信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置將輸出量轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號(hào)，然后由顯示積算裝置直接顯示瞬時(shí)流量或?qū)λ矔r(shí)流量積分得到累積流量。

四、流量計(jì)的校驗(yàn)與標(biāo)定流量計(jì)的標(biāo)定是一件比較困難的工作，因?yàn)榱髁渴琴|(zhì)量或體積對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，難以由定義直接做出流量單位的標(biāo)準(zhǔn)器。一般是在流量不變的前提下，使流體連續(xù)流入標(biāo)準(zhǔn)容器V中，精確測(cè)量流體流動(dòng)的起止時(shí)間和流入容器的流體總量，用平均流量代替瞬時(shí)流量作為標(biāo)準(zhǔn)。因此，在累積時(shí)間內(nèi)，必須保證流體流動(dòng)高度穩(wěn)定，并且計(jì)時(shí)和計(jì)量都要足夠準(zhǔn)確。課件設(shè)計(jì)：洪冶§4.2.2渦輪流量計(jì)

一、渦輪流量計(jì)的組成及測(cè)量原理

渦輪流量計(jì)由兩部分組成：變送器和指示積算器。變送器完成將被測(cè)流量轉(zhuǎn)換成一定頻率的脈沖信號(hào)輸出，指示積算器接受變送器輸出的脈沖信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換、放大、運(yùn)算、邏輯計(jì)數(shù)，顯示瞬時(shí)流量和累積總量。

渦輪流量計(jì)實(shí)質(zhì)上為一零功率輸出的渦輪機(jī)，其變送器主要由渦輪、導(dǎo)流器、磁電轉(zhuǎn)換器組成，結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。殼體和導(dǎo)流器由不導(dǎo)磁材料制成。導(dǎo)流器的作用是支承葉輪并導(dǎo)直流體的流動(dòng)，以減少流體自旋及渦漩的干擾。

渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)

1—渦輪；2—支承；3—永久磁鋼；4—感應(yīng)線圈；

5—?dú)んw；6—導(dǎo)流器

課件設(shè)計(jì)：洪冶

（1）流量一轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換原理當(dāng)渦輪處于勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的平衡狀態(tài)時(shí)，假設(shè)不計(jì)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦阻力、流體粘性阻力及感應(yīng)線圈中感應(yīng)電流所引起的電磁反作用力矩的影響。

設(shè)渦輪葉片與軸線的夾角為θ，葉輪的平均半徑為r0，流體的流通面積為A0，流體流經(jīng)葉輪相應(yīng)半徑r0處的軸向流速為v0切向流速為vg，故有

式中C——與葉輪參數(shù)、軸向流速分布有關(guān)的系數(shù)；

——平均流速。

課件設(shè)計(jì)：洪冶

（2）葉輪轉(zhuǎn)速的測(cè)量在渦輪流量計(jì)中，葉輪的轉(zhuǎn)速是通過(guò)磁電轉(zhuǎn)換的原理來(lái)測(cè)量的，輸出信號(hào)為代表轉(zhuǎn)速的脈沖頻率信號(hào)。磁電裝置中的永久磁鋼上繞有線圈，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)永久磁鋼的頂部時(shí)，因葉片為導(dǎo)磁材料而改變?cè)怕返拇抛瑁瑥亩勾磐òl(fā)生變化，故在線圈上感應(yīng)出電勢(shì)信號(hào)。顯然電勢(shì)信號(hào)是脈動(dòng)式的，其頻率為

f=zn式中z——

渦輪上的葉片數(shù)。

式中——儀表常數(shù)。在一定時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)流量進(jìn)行積分時(shí)，得累積的總流量為：式中N——在t1到t2時(shí)間間隔內(nèi)流過(guò)QV流體時(shí)輸出的脈沖數(shù)。課件設(shè)計(jì)：洪冶儀表常數(shù)ζ的意義為單位體積流量輸出的脈沖數(shù)。從理論上說(shuō)，在一定條件（流體性質(zhì)、狀態(tài)、變送器結(jié)構(gòu)、流量一定）下，ζ是一個(gè)常數(shù)。當(dāng)上述條件變化時(shí)，ζ值也隨之變化。這是因?yàn)樯鲜鰲l件都將能影響到式中的參數(shù)C。在前述qV～n關(guān)系推導(dǎo)的前提條件中，流體的粘滯阻力將會(huì)影響流通截面A0上的流速分布，這種影響也表現(xiàn)為C的變化。從理論上研究各種因素對(duì)C的影響較為復(fù)雜，對(duì)于渦輪流量計(jì)，反映C值變化的是儀表常數(shù)ζ，它是根據(jù)實(shí)際情況標(biāo)定的，而且在使用的范圍內(nèi)按實(shí)際標(biāo)定出的ζ值是常值。下圖是儀表常數(shù)ζ隨Re變化的特性曲線。

實(shí)際上，渦輪流量計(jì)出廠時(shí)。ζ值由廠家根據(jù)適用的流體標(biāo)定給出。

課件設(shè)計(jì)：洪冶（二）磁電轉(zhuǎn)換器

磁電轉(zhuǎn)換器是把渦輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電氣頻率信號(hào)的裝置，它由磁電感應(yīng)裝置和前置放

大器組成。

轉(zhuǎn)速一頻率轉(zhuǎn)換是一種磁阻式磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換方式。感應(yīng)裝置安裝在管道外部殼體上，它是由永久磁鋼和感應(yīng)線圈組成，正對(duì)下部的轉(zhuǎn)動(dòng)渦輪。渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)到永久磁鋼的正下方時(shí)，磁路的磁阻最?。划?dāng)葉片轉(zhuǎn)過(guò)時(shí)，磁阻變大。由于磁阻的變化，所以磁路中的磁通發(fā)生變化，因此在線圈中感應(yīng)出電勢(shì)。其電勢(shì)是脈動(dòng)電勢(shì)，頻率f=zn。

感應(yīng)出的電勢(shì)信號(hào)比較微弱，經(jīng)置于轉(zhuǎn)換器之中的前置放大器放大后輸出。

二、流量指示積算器

流量指示積算器是渦輪流量計(jì)的顯示器。它完成瞬時(shí)流量的顯示和總量顯示。它的電路主要有兩部分：瞬時(shí)流量顯示電路和總量顯示電路。

課件設(shè)計(jì)：洪冶

渦輪流量計(jì)的這種顯示器，實(shí)際上是一個(gè)脈沖頻率測(cè)量和計(jì)數(shù)的儀表，它將渦輪變送器輸出的單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)和一段時(shí)間內(nèi)的脈沖總數(shù)按瞬時(shí)流量和累積流量顯示出來(lái)。這類顯示儀表的類型很多，在儀表設(shè)計(jì)中可根據(jù)實(shí)際需要靈活選用。下圖是一種顯示儀表的工作原理方框圖。儀表由整形電路、頻率—電壓變換電路、儀表常數(shù)除法運(yùn)算電路、電磁計(jì)數(shù)器和自動(dòng)回零電路、機(jī)內(nèi)振蕩器和電源等部分組成。顯示儀表工作原理方框圖課件設(shè)計(jì)：洪冶

§4.2.3轉(zhuǎn)子流量計(jì)

轉(zhuǎn)子流量計(jì)是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用較為廣泛的一類流量計(jì)。它又稱浮子流量計(jì)、恒壓降變截面流量計(jì)。按錐形管材料的不同可分為玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)和金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)。玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)耐壓能力低，一般為就地直讀式。金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)耐壓能力高，一般有就地指示型和信號(hào)遠(yuǎn)傳型。

轉(zhuǎn)子流量計(jì)適用于多種介質(zhì)的流體（氣體、液體），在火電廠中，常用于化學(xué)水處理過(guò)程的水流量測(cè)量和鍋爐點(diǎn)火過(guò)程控制中的輕油油量測(cè)量。它特別適用于小管徑，低雷諾數(shù)的中小流量測(cè)量。

一、玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)

（一）結(jié)構(gòu)組成

玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)主要由錐形管、轉(zhuǎn)子兩部分組成。

玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)

1—

罩殼；2—玻璃錐管；3—浮子

4—密封填料；5—連接法蘭

課件設(shè)計(jì)：洪冶（二）工作原理及流量公式浮子處于錐形管中，相當(dāng)于通流面積A0可變的節(jié)流件。流體流經(jīng)節(jié)流件所產(chǎn)生的差壓與體積流量的關(guān)系如下：式中α——與浮子形狀、尺寸等有關(guān)的流量系數(shù)。

ρ——流體密度。當(dāng)浮子處于力平衡情況下，差壓對(duì)浮子產(chǎn)生向上的作用力加上流體對(duì)浮子的浮力，等于浮子的重力，即由此可知

式中Af——浮子的有效面積。

Vf——浮子體積。

ρf，ρ——分別為浮子材料和流體的密度；

g——當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取Ｕn件設(shè)計(jì)：洪冶體積流量qV與通流面積A0之間的關(guān)系：考慮到錐度很小的錐形管中通流面積A0與浮子在管中的高度H近似成正比，即

A0≈CH式中C——與圓錐管錐度有關(guān)的比例系數(shù)。因此可得體積流量與浮子高度的關(guān)系式：由上式可知，如果增大錐管長(zhǎng)度H，增大錐度，可擴(kuò)大儀表的量程，提高流量測(cè)量范圍。流量公式中的流量系數(shù)α與浮子的形狀以及流體的雷諾數(shù)等有關(guān)，對(duì)于一定的浮子形狀，當(dāng)雷諾數(shù)大于某一數(shù)值時(shí)，流量系數(shù)趨于一常數(shù)。因此，對(duì)于一定材料、形狀的浮子和一定密度的流體，雷諾數(shù)在低限雷諾數(shù)以上，就能得到體積流量和浮子位置之間的線性刻度關(guān)系。如圖4-9所示三種浮子的轉(zhuǎn)子流量計(jì)流量系數(shù)α與雷諾數(shù)的關(guān)系。課件設(shè)計(jì)：洪冶

1為旋轉(zhuǎn)式浮子，它的低限雷諾數(shù)約為6000，較其它兩種下限值要高，多用于直接指示的轉(zhuǎn)子流量計(jì)；2為圓盤式浮子，它的低限雷諾數(shù)約為300，3為板式浮子，低限雷諾數(shù)約為40，它們?cè)谳^低的雷諾數(shù)下，流量系數(shù)α就趨于常數(shù)，流量的測(cè)量范圍比較寬。玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的示值顯示有兩種：一種在錐管上由轉(zhuǎn)子的高度直接讀出流量值，另一種是采用百分刻度（分為等分和非等分刻度）。

二、金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)的錐形管是用金屬材料制成的，對(duì)于流量的檢測(cè)原理與玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)是相同的。很顯然，測(cè)量時(shí)不能直接從錐形管內(nèi)直接測(cè)出浮子的位置，因此都是把浮子的位移再進(jìn)行傳遞變換。傳遞變換后的位移信號(hào)可以直接用于就地指示，也可以將該位移進(jìn)一步進(jìn)行電氣信號(hào)的轉(zhuǎn)換。金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)有就地指示型和電氣信號(hào)遠(yuǎn)傳型，由于浮子的位移必須經(jīng)過(guò)傳遞機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以浮子的位移與流量一般是非線性關(guān)系，這主要是位移傳遞機(jī)構(gòu)所致。課件設(shè)計(jì)：洪冶§4.2.4

渦街流量計(jì)

渦街流量計(jì)，又稱旋渦流量計(jì)，是70年代發(fā)展起來(lái)的一種新型流量計(jì)。它適用于氣體流量和液體流量測(cè)量。儀表的精確度高（達(dá)±1.0％），量程比寬（B=30：1），輸出線性好。它輸出頻率信號(hào)，抗干擾性能好，便于遠(yuǎn)距離傳輸，在火電廠可用于送風(fēng)流量的測(cè)量。渦街流量計(jì)由檢測(cè)器和轉(zhuǎn)換器組成。

一、測(cè)量原理這種流量計(jì)的工作原理是利用了流體力學(xué)中的卡門渦街現(xiàn)象，即在流體中放置一個(gè)外形為對(duì)稱形狀的非流線型柱體，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，它的下游兩側(cè)就會(huì)交替產(chǎn)生兩列不對(duì)稱的的漩渦，兩側(cè)漩渦的旋轉(zhuǎn)方向相反，并輪流從柱體上分離出來(lái)，在下游側(cè)形成所謂的“渦街”，如圖所示。

“渦街”的發(fā)生情況（a）圓柱體；（b）等邊三角形柱體課件設(shè)計(jì)：洪冶實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)h／L=0.281時(shí)，產(chǎn)生的渦街是穩(wěn)定的，這就是“卡門渦街”。且單側(cè)的漩渦脫落的頻率f與柱體附近的流體流速v成正比，與柱體的特征尺寸l成反比，即式中St——斯特羅哈爾數(shù)，無(wú)因次數(shù)；

l

—一柱體的特征尺寸。St是以柱體特征尺寸l計(jì)算流體雷諾數(shù)Rel的函數(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，Rel在500~150000的范圍內(nèi)，St基本不變。對(duì)于圓柱體，St=0.2；對(duì)于等邊三角柱體，St=0.16。因此當(dāng)柱體的形狀、尺寸決定后，就可以通過(guò)測(cè)定單側(cè)旋渦釋放頻率f來(lái)測(cè)量流速和流量。對(duì)于工業(yè)圓管，旋渦流量計(jì)一般應(yīng)用在Rel=1000~100000范圍內(nèi)。設(shè)管內(nèi)插入柱體和未插入柱體的管道通流截面比為m，當(dāng)l/D<0.3時(shí)，可以證明根據(jù)流動(dòng)的連續(xù)性原理，管道的通流截面比與柱體處的流體流速v及無(wú)柱體處的管內(nèi)平均流速有如下關(guān)系：

課件設(shè)計(jì)：洪冶圓管中旋渦的發(fā)生頻率f與管內(nèi)平均流速的關(guān)系為:所以，體積流量與頻率f之間的關(guān)系為：

二、旋渦發(fā)生頻率f

的檢測(cè)方法只要測(cè)得旋渦的發(fā)生頻率f，就可以測(cè)得流體的體積流量。旋渦頻率信號(hào)

f的檢出方法很多，可以利用漩渦發(fā)生時(shí)發(fā)熱體散熱條件變化的熱檢出；也可以用漩渦發(fā)生體兩側(cè)產(chǎn)生的差壓來(lái)檢出，差壓信號(hào)可通過(guò)壓電變送或應(yīng)變片變送，等等。

三、渦街流量計(jì)的特點(diǎn)及安裝渦街流量計(jì)具有以下的特點(diǎn)：（1）漩渦的頻率只與流速有關(guān)，在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，幾乎不受流體性質(zhì)（壓力、溫度、粘度和密度等）變化的影響，故可不需單獨(dú)標(biāo)定。（2）測(cè)量精度高，誤差約為1級(jí)，重復(fù)性約±0.5級(jí)，不存在零點(diǎn)漂移的問(wèn)題。（3）壓力損式小，流量測(cè)量范圍寬。渦街流量計(jì)特別適于大口徑管道的流量測(cè)量。課件設(shè)計(jì)：洪冶四漩渦頻率的測(cè)量圖

圖為三角柱體渦街檢測(cè)器原理示意圖，在三角柱體的迎流面對(duì)稱地嵌入兩個(gè)熱敏電阻組成橋路的兩臂，以恒定電流加熱使其溫度稍高于流體，在交替產(chǎn)生的漩渦的作用下，兩個(gè)電阻被周期地冷卻，使其阻值改變，阻值的變化由橋路測(cè)出，即可測(cè)得漩渦產(chǎn)生頻率，從而測(cè)出流量。課件設(shè)計(jì)：洪冶§4.2.5電磁流量計(jì)

(1)測(cè)量原理和結(jié)構(gòu)

電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)原理制成的一種流量計(jì)。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)電流體在磁場(chǎng)中沿垂直磁力線方向流動(dòng)而切割磁力線時(shí)，在對(duì)稱安裝在流通管道兩側(cè)的電極上將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，此電勢(shì)與流速成正比。

流體流量方程為：

B—為磁感應(yīng)強(qiáng)度；D—管道內(nèi)徑；u—流體平均流速；E—感應(yīng)電勢(shì)。課件設(shè)計(jì)：洪冶電磁流量計(jì)原理圖MKULC2100系列電磁流量計(jì)課件設(shè)計(jì)：洪冶

測(cè)量介質(zhì)：導(dǎo)電介質(zhì)

流速范圍：0.3~10m/s

測(cè)量精度：0.5%FS

1.0%FS

顯示方式：LCD顯示瞬時(shí)流量，累積流量。

介質(zhì)溫度：0~70℃；0~90℃；0~150℃（可選）

壓力：1.6Mpa；2.5Mpa；6.4Mpa；16Mpa；25Mpa； 32Mpa

輸出信號(hào)：頻率輸出0~2kHz；

電壓輸出1~5V

電流輸出4-20mA；

RS-485串行接口

斷電數(shù)據(jù)保存時(shí)間：10年

電源：220VAC±15%

24VDC±5%（可選）

平均無(wú)故障工作時(shí)間：MTBF=30000h

防護(hù)等級(jí)：IP67、IP68（只適用于分體型）

襯里材料：聚氨脂橡膠、氯丁橡膠、聚四氟乙烯、F46。

電極材料：316L，哈氏合金HB；哈氏合金HC；特殊材料

（如：鈦、鉭、鉑等稀有金屬材料）。

MKULC2100系列電磁流量計(jì)性能特點(diǎn)：課件設(shè)計(jì)：洪冶

電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖所示：

課件設(shè)計(jì)：洪冶(2)

電磁流量計(jì)的特點(diǎn)及應(yīng)用

優(yōu)點(diǎn)：

壓力損失小，適用于含有顆粒、懸浮物等流體的流量測(cè)量；可以用來(lái)測(cè)量腐蝕性介質(zhì)的流量；流量測(cè)量范圍大；流量計(jì)的管徑小到1mm，大到2m以上；測(cè)量精度為0.5-1.5級(jí)；電磁流量計(jì)的輸出與流量呈線性關(guān)系；反應(yīng)迅速，可以測(cè)量脈動(dòng)流量。

缺點(diǎn)：

被測(cè)介質(zhì)必須是導(dǎo)電的液體，不能用于氣體、蒸汽及石油制品的流量測(cè)量；流速測(cè)量下限有一定限度；工作壓力受到限制。結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，成本較高。

課件設(shè)計(jì)：洪冶

§4.2.6

容積式流量計(jì)橢圓齒輪流量計(jì)橢圓齒輪流量計(jì)工作原理：課件設(shè)計(jì)：洪冶由于流體在流量計(jì)入、出口處的壓力P1P2，當(dāng)A、B兩輪處于(a)所示位置時(shí)，A輪與殼體間構(gòu)成容積固定的半月形測(cè)量室(圖中陰影部分)，此時(shí)進(jìn)出口差壓作用于B輪上的合力矩為零，而在A輪上的合力矩不為零，產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)力矩，使得A輪作順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)B輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，測(cè)量室內(nèi)的流體排向出口；當(dāng)兩輪旋轉(zhuǎn)處于(b)位置時(shí)，兩輪均為主動(dòng)輪；當(dāng)兩輪旋轉(zhuǎn)90，處于(c)位置時(shí)，轉(zhuǎn)子B與殼體之間構(gòu)成測(cè)量室，此時(shí)，流體作用于A輪的合力矩為零，而作用于B輪的合力矩不為零，B輪帶動(dòng)A輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將測(cè)量室內(nèi)的流體排向出口。課件設(shè)計(jì)：洪冶

當(dāng)兩輪旋轉(zhuǎn)至180°時(shí)，A、B兩輪重新回到位置(a)。如此周期地主從更換，兩橢圓齒輪作連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)橢圓齒輪每旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，流量計(jì)將排出4個(gè)半月形(測(cè)量室)體積的流體。設(shè)測(cè)量室的容積為V，則橢圓齒輪每旋轉(zhuǎn)一周排出的流體體積為4V。只要測(cè)量橢圓齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)N和轉(zhuǎn)速n，就可知道累積流量和單位時(shí)間內(nèi)的流量，即瞬時(shí)流量：課件設(shè)計(jì)：洪冶

當(dāng)兩輪旋轉(zhuǎn)至180°時(shí)，A、B兩輪重新回到位置(a)。如此周期地主從更換，兩橢圓齒輪作連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)橢圓齒輪每旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，流量計(jì)將排出4個(gè)半月形(測(cè)量室)體積的流體。設(shè)測(cè)量室的容積為V，則橢圓齒輪每旋轉(zhuǎn)一周排出的流體體積為4V。只要測(cè)量橢圓齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)N和轉(zhuǎn)速n，就可知道累積流量和單位時(shí)間內(nèi)的流量，即瞬時(shí)流量：課件設(shè)計(jì)：洪冶§4.2.7超聲波流量計(jì)

超聲波測(cè)流量的作用原理有傳播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、相關(guān)法、流速—液面法等多種方法。

(1)傳播速度法測(cè)量原理

超聲測(cè)速原理課件設(shè)計(jì)：洪冶①時(shí)差法

時(shí)差法就是測(cè)量超聲波脈沖順流和逆流時(shí)傳播的時(shí)間差。流體流速

t1-按順流方向，超聲波到達(dá)接收器時(shí)間；t2-按逆流方向，超聲波到達(dá)接收器時(shí)間。課件設(shè)計(jì)：洪冶②相差法

相位差法是把上述時(shí)間差轉(zhuǎn)換為超聲波傳播的相位差來(lái)測(cè)量。超聲波換能器向流體連續(xù)發(fā)射形式為

的超聲波脈沖，式中為超聲波的角頻率。

按順流方向發(fā)射時(shí)收到的信號(hào)相位；按逆流方向發(fā)射時(shí)收到的信號(hào)相位。課件設(shè)計(jì)：洪冶③頻差法

頻差法是通過(guò)測(cè)量順流和逆流時(shí)超聲脈沖的循環(huán)頻率之差來(lái)測(cè)量流量的。

順流時(shí)脈沖循環(huán)頻率：

逆流時(shí)脈沖循環(huán)頻率：

脈沖循環(huán)頻差：

流體流速:

流體體積流量方程：

課件設(shè)計(jì)：洪冶(3)超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)與應(yīng)用

超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、電子線路及流量顯示系統(tǒng)組成。超聲波換能器通常由鋯鈦酸鉛陶瓷等壓電材料制成，通過(guò)電致伸縮效應(yīng)和壓電效應(yīng)，發(fā)射和接收超聲波。換能器在管道上的配置方式如圖所示：

超聲波換能器在管道上的配置方式課件設(shè)計(jì)：洪冶§4.3節(jié)流式流量計(jì)

§4.3.1概述節(jié)流式流量計(jì)是工業(yè)上最為廣泛使用的一類流量測(cè)量?jī)x表。工作原理：在管道中放置一節(jié)流元件，流體流經(jīng)節(jié)流元件時(shí)發(fā)生節(jié)流，在節(jié)流元件的前后兩側(cè)產(chǎn)生壓力差（差壓）。當(dāng)流體、工況、管道、節(jié)流件、差壓取出方式一定時(shí)，管道流量與差壓有確定的關(guān)系。因此可通過(guò)測(cè)量差壓來(lái)測(cè)量流量。節(jié)流式流量計(jì)也稱為變壓降式流量計(jì)。分類：節(jié)流式流量計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)化和非標(biāo)準(zhǔn)化兩類。無(wú)論哪一類，它們都是非通用儀表，即安裝在生產(chǎn)過(guò)程中使用著的節(jié)流式流量計(jì)僅適用于該地的情況和工況。因此節(jié)流式流量計(jì)是根據(jù)要求具體設(shè)計(jì)、安裝、使用的。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置在火電生產(chǎn)過(guò)程中是很重要的一類流量?jī)x表。非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置多用于臟污介質(zhì)、高粘度、低雷諾數(shù)、非圓管道截面、超大及過(guò)小管徑等流量測(cè)量。它們的測(cè)量原理與計(jì)算方法與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置相同，所不同的是非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)、資料、沒(méi)有統(tǒng)一的誤差計(jì)算方法等。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算：要嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置設(shè)計(jì)、安裝和使用的國(guó)家“標(biāo)準(zhǔn)”或國(guó)際“標(biāo)準(zhǔn)”。按“標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝、使用的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，其流量與差壓的關(guān)系按理論公式標(biāo)定，并有統(tǒng)一的基本誤差、計(jì)算方法，一般不需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)定或比對(duì)。

課件設(shè)計(jì)：洪冶

組成：節(jié)流式流量計(jì)流量的測(cè)量系統(tǒng)由節(jié)流裝置、差壓計(jì)或差壓變送器、二次顯示儀表（動(dòng)圈表、自動(dòng)電位差計(jì)）等組成。在“標(biāo)準(zhǔn)”中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)、適用的條件、安裝及檢驗(yàn)方法都做了嚴(yán)格的規(guī)定。我國(guó)在1981年出版了“GB2624—81流量測(cè)量節(jié)流裝置”標(biāo)準(zhǔn)。在國(guó)際上，1991年12月由ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）出版了“ISO5176—1用差壓裝置測(cè)量流體流量”的新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。1993年2月3日我國(guó)頒布了關(guān)于節(jié)流式流量計(jì)新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，即GB／T2624—93，它的內(nèi)容與國(guó)際新標(biāo)準(zhǔn)是一致的。2.標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置

一、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的組成與類型標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置由三部分組成：節(jié)流件、取壓裝置、測(cè)量直管段（節(jié)流件前10D，后5D），如圖4-11所示。我國(guó)GB/T2624—93標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置有：角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板、法蘭取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板、D和D取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板、角接取壓標(biāo)準(zhǔn)噴嘴（ISA1932噴嘴）、長(zhǎng)徑噴嘴（D和D取壓）、經(jīng)典文丘里管（入口圓筒段上取壓和喉部取壓）、文丘里噴嘴（上游角接取壓和喉部取壓）。課件設(shè)計(jì)：洪冶

二、適用的流體條件標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置適用于測(cè)量圓形截面管道中的單相、均質(zhì)流體，即是可壓縮的（氣體）或認(rèn)為不可壓縮的（液體）牛頓流體。同時(shí)，要求流體充滿管道；流體流動(dòng)是穩(wěn)定的或隨時(shí)間緩變的；流動(dòng)不可以是脈動(dòng)流和旋轉(zhuǎn)流，流束與管道軸線平行；流體流經(jīng)節(jié)流件前流動(dòng)應(yīng)達(dá)到充分紊流，在節(jié)流件前后一定距離內(nèi)不發(fā)生相變或析出雜質(zhì)；流速小于音速。

三、適用的管道條件（一）節(jié)流件前后應(yīng)有足夠長(zhǎng)的直管段L

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置組成部分中的測(cè)量直管段（前10D后5D，一般由儀表廠提供）是直管段L（最小直管段）的一部分。對(duì)于測(cè)量直管段，要求其內(nèi)表面必須是光滑的，L的其余部分內(nèi)表面可以是粗糙的。對(duì)于管道內(nèi)表面光滑的判定是應(yīng)不超過(guò)表4-1、表4-2給出的相對(duì)粗糙度上限值。節(jié)流件上游阻流件的形式及上下游阻力件的位置將影響流速分布，節(jié)流孔d與管道內(nèi)徑D之比β=d／D（直徑比）也將影響流速分布。因此，若要求流體流到節(jié)流件前1D達(dá)到充分紊流的狀態(tài)，則要在節(jié)流件前后有足夠的直管段，不然就保證不了測(cè)量的精確度。課件設(shè)計(jì)：洪冶表4-1標(biāo)準(zhǔn)孔扳上游管段相對(duì)粗糙度（Kc/D）上限值

表4-2ISA1932噴嘴上游管段相對(duì)粗度（Kc/D）上限值課件設(shè)計(jì)：洪冶

最小直管段L由三段長(zhǎng)度（l0，l1，l2）組成，l1是節(jié)流件與上游第一阻流件之間的直管段最小長(zhǎng)度，由第一阻流件形式和β值決定，按下表查算。l0是上游第一阻流件與上游第二阻流件之間的直管段，由第二阻流件的形式和β=0.7（無(wú)論產(chǎn)的實(shí)際值為多少）決定，按下表給出值的一半計(jì)算。l2是節(jié)流件到下游阻流件直管段的最小長(zhǎng)度，無(wú)論上游阻流件的形式如何均決定于β的值，由下表查算。

課件設(shè)計(jì)：洪冶（二）適用于圓形截面管道測(cè)量段管道應(yīng)被流體充滿。節(jié)流件及取壓裝置安裝在兩圓形直管之間。在所要求的整個(gè)直管段長(zhǎng)度上，管道截面應(yīng)該是圓形的，沒(méi)有特殊要求，只是在鄰近節(jié)流裝置附近對(duì)管道的圓度有特殊要求，這在“標(biāo)準(zhǔn)”中有詳細(xì)規(guī)定。對(duì)于管道的粗糙度、節(jié)流件上游10D、下游5D（測(cè)量直管段），要求滿足給出的相對(duì)粗糙度上限值，L的其余部分和L以遠(yuǎn)的管道可以是粗糙的。

三、節(jié)流件的結(jié)構(gòu)形式（一）標(biāo)準(zhǔn)孔板標(biāo)準(zhǔn)孔板的結(jié)構(gòu)形式如圖所示。標(biāo)準(zhǔn)孔板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，價(jià)格便宜。它的特征孔徑是節(jié)流孔前段圓筒形孔徑d。標(biāo)準(zhǔn)孔板兩側(cè)的壓力差信號(hào)可以采用角接取壓（上、下側(cè)壓力在孔板前后端面處取出）、法蘭取壓（上、下側(cè)壓力在連接法蘭上距孔板前后端面25.4mm處取出）和徑距取壓（上側(cè)壓力在測(cè)量管段上距孔板前端面1D處取出，下側(cè)壓力在測(cè)量管段上距孔板后端面D處取出）。課件設(shè)計(jì)：洪冶角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板的適用范圍：d≥12.5mm，50mm≤D≤1000mm，0.2≤β≤0.75，ReD≥5×103（0.2≤β≤0.45），ReD＞104（β＞0.45）。

法蘭取壓和徑距取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板的適用范圍：d≥12.5mm，50mm≤D≤1000mm，0.2≤β≤0.75，ReD≥1260β2D（D：mm）。

孔板的角接取壓可采用單獨(dú)鉆孔或環(huán)室取壓裝置，如圖（a）所示。法蘭取壓裝置如圖（b）所示。課件設(shè)計(jì)：洪冶（二）標(biāo)準(zhǔn)噴嘴標(biāo)準(zhǔn)噴嘴有兩種結(jié)構(gòu)形式：ISA1932噴嘴、長(zhǎng)徑噴嘴。其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖所示。

當(dāng)d＞2D／3時(shí)，還應(yīng)在入口部分切除一部分圓廓形收縮段。顯然此時(shí)收縮部分的最大直徑為D，見(jiàn)圖（a）。若d≤2D／3，則噴嘴的總長(zhǎng)度為0.6041d（不包括F護(hù)槽）。若d＞2D／3，由于切除了一部分入口圓廓形收縮段，則噴嘴的總長(zhǎng)度變短，其應(yīng)切去的長(zhǎng)度為

課件設(shè)計(jì)：洪冶

ISA1932噴嘴角接取壓裝置有單獨(dú)鉆孔和環(huán)室取壓。

ISA1932噴嘴的適用范圍：50mm≤D≤500mm，0.30≤β≤0.80，7×104≤ReD≤107（0.30≤β≤0.44時(shí)），2×104≤ReD≤107（0.44≤β≤0.80時(shí)）。

五、壓力損失流體流經(jīng)節(jié)流件發(fā)生節(jié)流時(shí)，由于流體微團(tuán)的碰撞以及在節(jié)流件前后附近產(chǎn)生渦流，將產(chǎn)生能量損失。這種能量損失表現(xiàn)為不可恢復(fù)的壓力損失。壓力損失與直徑比β和流速（或流量）有關(guān)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得到它們之間的關(guān)系。對(duì)于角接標(biāo)準(zhǔn)孔板、法蘭標(biāo)準(zhǔn)孔板、徑距標(biāo)準(zhǔn)孔板、ISA1932噴嘴、長(zhǎng)徑噴嘴等標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的壓力損失可以用下式近似計(jì)算：

六、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的誤差按照“標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用時(shí)，其基本誤差是按照“標(biāo)準(zhǔn)”中提供的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算的。按“標(biāo)準(zhǔn)”計(jì)算給出的裝置測(cè)量不確定度，其置信概率為95％。當(dāng)設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用等環(huán)節(jié)中有違背“標(biāo)準(zhǔn)”要求時(shí)，則將由此產(chǎn)生附加誤差。附加誤差的極性與大小或修正系數(shù)是通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)確定的。只要標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置符合“標(biāo)準(zhǔn)”要求，就應(yīng)該按“標(biāo)準(zhǔn)”計(jì)算得出其不確定度。

課件設(shè)計(jì)：洪冶3．流量公式流量公式就是差壓和流量之間的關(guān)系式。它是通過(guò)伯努利方程和流動(dòng)連續(xù)性方程來(lái)推導(dǎo)。

一、不可壓縮流體的流量公式流體在管道中發(fā)生節(jié)流時(shí)，管道中各處的流速變化及壓力變化情況見(jiàn)圖所示。課件設(shè)計(jì)：洪冶在節(jié)流件前沒(méi)有發(fā)生節(jié)流的位置上取截面A，對(duì)于一定常的流動(dòng)，在截面A和截面B處將滿足流體質(zhì)量守恒和能量守恒。在充分紊流的理想情況下，流體流動(dòng)連續(xù)性方程和伯努利方程為由上兩式解方程組，可得引入如下幾個(gè)參數(shù)：（收縮系數(shù)）（截面比）（取壓系數(shù)）課件設(shè)計(jì)：洪冶

可寫成：

所以，可得質(zhì)量流量：

定義流量系數(shù)α和流出系數(shù)C：

于是，不可壓縮流體的流量公式為

課件設(shè)計(jì)：洪冶

二、可壓縮流體的流量公式

對(duì)于可壓縮流體，在截面A、截面B處同樣滿足質(zhì)量守恒和能量守恒。由于在截面B處可壓縮流體的密度是未知的，并且由于流體的膨脹，μ值與不可壓縮流體也不相同。但考慮到可壓縮流體的節(jié)流過(guò)程仍可視為等熵過(guò)程，故在等熵過(guò)程的熱力學(xué)方程中對(duì)未知流體密度有一定的約束。

為方便起見(jiàn)，規(guī)定公式中的密度仍使用節(jié)流件前的流體密度ρ1，α和C值仍取相當(dāng)于不可壓縮流體時(shí)的數(shù)值，而把全部的流體可壓縮性對(duì)流體系數(shù)和流出系數(shù)的影響用一個(gè)流束膨脹系數(shù)ε來(lái)考慮。當(dāng)流體為不可壓縮性流體時(shí)，ε=1。所以流量公式可統(tǒng)一寫成：

流量公式中各量的單位為：體積流量qV—m3/s；質(zhì)量流量qm——Kg/s；直徑d或D—m；密度ρ1—kg/m3；差壓Δp—Pa。

課件設(shè)計(jì)：洪冶

三、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流出系數(shù)C值及其不確定度標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流出系數(shù)C值是通過(guò)在流量試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)定qm和與之相對(duì)應(yīng)的Δp，然后用上述流量公式計(jì)算得到的。對(duì)于一定形式的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，其流量系數(shù)α和流出系數(shù)C僅與β和雷諾數(shù)ReD有關(guān)，圖4-16是標(biāo)準(zhǔn)孔板和ISA1932噴嘴的α、C和ReD、β之間的關(guān)系曲線。從圖中可見(jiàn)，當(dāng)雷諾數(shù)大到一定值后，α和C就與雷諾數(shù)值無(wú)關(guān)，趨于一定值。1．標(biāo)準(zhǔn)孔板的C值及其不確定度

“標(biāo)準(zhǔn)”中取得C值的原始實(shí)驗(yàn)，對(duì)于角接取壓是在相對(duì)粗糙度為Kc／D＜3.8×10-4，而對(duì)于徑距取壓則是在Kc／D＜10×10-4的管道中進(jìn)行的，但只要所使用管道在節(jié)流件上游側(cè)10D長(zhǎng)度內(nèi)的粗糙度不超過(guò)前節(jié)所列的限值，C的數(shù)值仍是可用的。在規(guī)定條件下，流出系數(shù)C主要取決于ReD、β，即C=f(ReD、β)。對(duì)于角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板：對(duì)于法蘭取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板：

（D：mm，

D20≥58.6mm）課件設(shè)計(jì)：洪冶

（D：mm，D20<58.6mm）對(duì)于D和D/2取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板：對(duì)于上述三種取壓方式，若ReD、β、D和Kc／D是已知的且無(wú)誤差．則C值的百分率不確定度δc／C（置信概率為95％）為：對(duì)于β≤0.6，δc／C＝0.6％；對(duì)于0.6＜β≤0.75，δc／C=β％。

2、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴（ISA1932噴嘴）的C值及其不確定度求取標(biāo)準(zhǔn)噴嘴C值的原始實(shí)驗(yàn)是在相對(duì)粗糙度Kc/D≤3.8×10-4的管道中進(jìn)行的，但只要噴嘴上游側(cè)至少有10D的長(zhǎng)度的管道的粗糙度在前節(jié)規(guī)定的限值之內(nèi)，C值仍然可用。標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的流出系數(shù)C由下式給出：對(duì)于角接取壓標(biāo)準(zhǔn)噴嘴：課件設(shè)計(jì)：洪冶對(duì)于長(zhǎng)徑噴嘴：若不考慮ReD、β、D的不確定度，并假定管道的Kc／D在規(guī)定的限值之內(nèi)，則C值的百分率不確定度δc／C（概率為95％）為：對(duì)于β≤0.6時(shí)，δc／C＝0.8％時(shí)；對(duì)于β>0.6，δc／C=（2β-0.4）％。

四、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流束膨脹系數(shù)ε值及其不確定度

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的形式確定后，其流束膨脹系數(shù)ε值決定于Δp/p1、κ和β值。其中κ是被測(cè)流體的等熵指數(shù)，對(duì)于過(guò)熱蒸汽可近似取κ＝1.3，對(duì)空氣κ=1.4。

為限制流體可壓縮性對(duì)流量測(cè)量的影響，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定節(jié)流裝置的Δp/p1＜0.25，即p2/p1＞0.75。

上述三種取壓方式的標(biāo)準(zhǔn)孔板的ε值是由實(shí)驗(yàn)確定的，可用如下的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

若β、Δp/p1和κ是已知且無(wú)誤差，則標(biāo)準(zhǔn)孔板ε值的百分率不確定度（概率95％）為4%。

課件設(shè)計(jì)：洪冶標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的流束膨脹系數(shù)ε值是根據(jù)等熵流動(dòng)過(guò)程直接從理論上推導(dǎo)出來(lái)的。由于流動(dòng)過(guò)程不可能是等熵過(guò)程，所以存在誤差，從理論上推導(dǎo)出計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)噴嘴ε的公式如下：其中

標(biāo)準(zhǔn)噴嘴ε值的百分率