第1章 流體測量技術(shù)

第一章流體測量技術(shù)目錄第一節(jié)流體壓強的測量第二節(jié)流體在管道中的流動狀態(tài)第四節(jié)簡單管路計算全國高等學校高職高專藥品類專業(yè)衛(wèi)生部“十一五”規(guī)劃教材《生物制藥設(shè)備》第三節(jié)流量測量儀表學習目標知識目標1.掌握流體靜壓強、密度、流量、流速、黏度、層流、湍流、層流底層等基本概念；2.熟悉流體靜力學基本方程式、流量方程式；3.了解柏努利方程式、范寧公式的意義。能力目標1.學會流體靜力學基本方程式、流量方程式簡單計算；2.掌握U形管壓差計、孔板流量計、轉(zhuǎn)子流量計的使用方法。第一節(jié)流體壓強的測量

一、表壓強和真空度的測量

（一）流體的密度1、流體的密度定義：物性參數(shù)：結(jié)構(gòu)，溫度，壓強液體：不可壓縮流體，氣體：可壓縮流體（1）氣體的密度為標準狀態(tài)下氣體的壓力、溫度和密度；

為特定條件下氣體的壓力、溫度和密度

為氣體總摩爾數(shù)

混合氣體各組分的摩爾分數(shù)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量混合氣體的平均密度（2）混合氣體的平均密度為氣相中各組分的質(zhì)量分數(shù)2.相對密度（3）混合液體的平均密度物質(zhì)的密度和標準物質(zhì)的密度之比稱為相對密度，符號為，無量綱量。以4℃的水為比較標準時，有（二）流體的靜壓強1.壓強定義流體的靜壓強，其單位為流體受力面積，其單位為作用在面積A上的壓力，其單位為牛頓2.標準大氣壓的概念在溫度是0℃緯度是45度的海平面上，單位面積所承受的大氣壓力稱為1個標準大氣壓，表示為3.壓強單位之間的換算4.絕對壓強、表壓強和真空度(1)絕對壓強密閉容器內(nèi)壓強的真實值稱為絕對壓強（2）真空度抽氣密閉容器內(nèi)絕對壓強小于大氣壓強，其差值叫真空度。（3）表壓強用壓力計測出的容器內(nèi)壓強值?？鄢舜髿獗尘爸等哧P(guān)系表壓強=絕對壓強-大氣壓強真空度=大氣壓強-絕對壓強二、流體壓強差和液位測量儀表（一）流體靜力學基本方程式如液柱上方只有大氣，則討論

1.在靜止的、連續(xù)的、同一種液體內(nèi)部，等壓面為水平面。

2.靜止液體液面上的壓強能以同樣大小傳遞到液體內(nèi)部。

3.壓強是深度的函數(shù)。

4.壓強差的大小可以用一定高度的液柱表示，但要注明是何種液體。

5.單位：能量，稱為靜壓能，位能。靜止流體內(nèi)部的能量守恒與轉(zhuǎn)化。（二）流體壓強差和液位測量儀表1.U形管壓差計液體氣體指示液密度待測液密度2.液位計3.計算液封高度第二節(jié)流體在管道中的流動狀態(tài)一、管道和管件（一）制藥用管道的材質(zhì)1.金屬材料美國標準中國標準UNS編碼3040Cr18Ni9S30400304L00Cr19Ni10S304033160Cr17Ni12Mo2S31600316L00Cr17Ni14Mo2S316030Cr18Ni12Mo2Ti不銹鋼牌號對照表合金冶煉時加入適量鉻、鉬、鈦、銅、鈷、鎳、鈮、錳等元素，可得不銹鋼。2.非金屬材料

用于制造制藥設(shè)備的非金屬材料可分為有機合成高分子材料和陶瓷材料塑料陶瓷玻璃植物纖維（二）管道和管件1.常用管道表示鋼管外徑是壁厚是內(nèi)徑是316L或316Ti不銹鋼管2.管件

大小頭、三通、彎頭、法蘭、閥門、卡箍等，其中閥門有蝶閥、球閥、止回閥、隔膜閥、換向閥、取樣閥、呼吸式調(diào)節(jié)閥氣動隔膜閥用途較廣，可防止藥液被微生物污染。

彈性膜，當將汽缸中氣體放出時，隔膜向回收縮，工作室空間增大，液體經(jīng)進口活門向出口活門流出，當向汽缸中充氣時，氣室內(nèi)壓力增大，隔膜向工作室凸出，工作室空間減小直至全封閉，流體被截止。二、流量和流速1.流量對于管道任意截面，單位時間內(nèi)流過的流體的數(shù)量稱為流量。（1）體積流量（2）質(zhì)量流量（3）統(tǒng)計流量與質(zhì)量流量的關(guān)系2.流速單位時間內(nèi)流體在流動方向上流過的距離稱為流速，用表示。單位流速與流量的關(guān)系管道橫截面積，如果管道是圓管，可導出流量方程式上式常用于管道選型計算。橫截面積平均流速例題1：

某藥廠需要架設(shè)一條輸送自來水的管道，輸水量為，試計算所需管道的直徑。解：根據(jù)流量公式計得：水的密度體積流量自來水的流速

計算所得直徑查手冊得管子型號規(guī)格反算流速結(jié)論流速小于標準，不能用，需要另外選擇。選擇的管子，反算流速：符合要求。三、定態(tài)流動和黏度（一）定態(tài)流動和非定態(tài)流動定態(tài)流動流體在管路系統(tǒng)中流動時，如果管路系統(tǒng)中任何空間位置處流體的流速、流量、壓強等參數(shù)都不隨時間改變而變化如果各空間位置處流體流動的參數(shù)隨時間改變而改變，則稱之為非定態(tài)流動。非定態(tài)流動2.定態(tài)流動的連續(xù)性方程式（二）流體的黏度1.流體的內(nèi)摩擦力

流體在管中流動時，是被分割成無數(shù)極薄的一層套著一層的“流筒”，各層以不同的速度向前流動。

由于分子的不規(guī)則運動，高速分子穿入低速流筒，其結(jié)果是速度快的流筒對慢的流筒起帶動作用；低速分子躍遷到高速流筒，其結(jié)果是速度慢的流筒對速度快的流筒起拖拽的作用，于是流筒之間產(chǎn)生了相互作用并形成了流動阻力，這種作用力稱為流體的內(nèi)摩擦力。又稱為流體的粘滯力。

2.流體的黏度促使流體流動產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力稱為黏度。

表示符號定義公式單位又稱為換算關(guān)系泊厘泊

凡是服從牛頓粘性定律的的流體稱為牛頓型流體

水針注射劑、葡萄糖輸液凡是不服從牛頓粘性定律的流體稱為非牛頓型流體

發(fā)酵液、細胞培養(yǎng)液

四、流體的流動類型1.雷諾實驗管內(nèi)流速（1）層流（2）湍流2.雷諾準數(shù)及流型判斷（1）雷諾準數(shù)（2）流型判斷層流過渡流湍流例題

密度為，黏度為的液體，以流量通過內(nèi)徑為的圓管。試判斷管中流體的流動類型。解：已知

故該流體為湍流。第三節(jié)流量測量儀表一、轉(zhuǎn)子流量計轉(zhuǎn)子流量計由錐形玻璃管和轉(zhuǎn)子組成。錐形玻璃管是一根上大下小帶有刻度的玻璃管道，轉(zhuǎn)子是由金屬材料加工成類似于駝螺的錐體或圓球形，它可以沿錐形管中心線上下自由移動。

被測流體從錐形管下端流入流經(jīng)轉(zhuǎn)子與錐形管壁間的環(huán)形斷面，從上端流出。被測流體的流動對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了向上的推動力，推動力將轉(zhuǎn)子托起并使之升高，推動力的大小隨流量變化而變化。當推動力正好等于轉(zhuǎn)子在流體中的顯示重量時，轉(zhuǎn)子受力處于平衡狀態(tài)而停留在錐形管的某一高度。

轉(zhuǎn)子流量計工作原理

轉(zhuǎn)子在錐形管中的位置高度，與所通過的流量有函數(shù)關(guān)系。讀取轉(zhuǎn)子位置高度，可求得相應(yīng)的流量值。優(yōu)點和應(yīng)用具有結(jié)構(gòu)簡單、直觀、壓力損失小、維修方便、測量精度高等特點。轉(zhuǎn)子流量計適用于測量小流量，也可以用于測量腐蝕性流體介質(zhì)的流量。

二、孔板流量計在金屬板上鉆一圓孔，將U型壓差計的兩支管分別固定在金屬板的兩個面上即構(gòu)成一支孔板流量計。使用時將孔板流量計垂直插入管道中，U形管上的指示液即發(fā)生移動形成液柱差，差值讀數(shù)R，將讀數(shù)代入有關(guān)公式即可計算出流體的流速和流量。孔板流量計的讀數(shù)及流量之間的數(shù)學關(guān)系體積流量質(zhì)量流量金屬板上圓孔截面積，總校正系數(shù)，又稱流量系數(shù)或孔流系數(shù)，無因次。

第四節(jié)簡單管路計算一、柏努利方程式（一）流體具有的能量形式

1.內(nèi)能內(nèi)能是儲存于流體內(nèi)部的能量，它是由原子和分子的運動以及彼此相互作用而產(chǎn)生的能量總和。它與流體的溫度有關(guān)，用U表示，單位是

2.位能流體因受重力的作用，在離地心不同高度的位置上所具有的能量稱為位能，用表示，單位是。其計算式為：

3.動能流體因流動所具有的能量，用表示，單位是。根據(jù)牛頓第二運動定律得：

4.靜壓能流體因具有靜壓強而產(chǎn)生的能量，稱為靜壓能，用表示。單位是。其計算式為：

5.系統(tǒng)與外界交換的能量在管路系統(tǒng)中，一般都安裝了流體輸送機械，有些管路還安裝了有加熱器或者冷卻器，他們給系統(tǒng)提供能量或者移走能量。

（二）流體流動能量守恒流體在流動過程中，各種形式的機械能在互相轉(zhuǎn)變，且遵守能量守恒定律。當流體從第一位置沿管道流動到第二位置后，根據(jù)能量守恒定律，可建立下面方程式：上式為理想流體柏努利方程式。在實際過程中，有管路阻力和流體輸送機械提供的動力，實際流體的柏努利方程式為柏努利方程式在進行管道布置設(shè)計中有著非常重要的作用。二、管路中的直管阻力流體在直管中流動時的內(nèi)摩擦力稱為直管阻力。其方向與流動方向相反，其大小用范寧公式計算：

為流體的摩擦系數(shù)，是無因次系數(shù)。可以通過現(xiàn)場實驗、經(jīng)驗公式和圖解法求得。三、管路中的局部阻力管路系統(tǒng)中的管件對流體流動產(chǎn)生的阻力稱為局部阻力。

局部阻力的計算方法有兩種，即當量長度法和阻力系數(shù)法。1.當量長度法把管件折算成與之相當?shù)闹惫荛L度來計算阻力的方法。

2.阻力系數(shù)法

在管道直徑、流體密度、黏度、流動速度不變的情況下，局部阻力與動能成正比例關(guān)系。

稱為阻力系數(shù)，通常規(guī)定，進口為0.5，出口為1.0，其余的可查閱相關(guān)的手冊和資料。四、管路總阻力的計算

流體流動總阻力包括直管阻力和管件局部阻力。假設(shè)系統(tǒng)中管道直徑不變，則總阻力的計算公式是

系統(tǒng)中所有直管的長度之和，系統(tǒng)中所有管件、閥門的當量長度之和，

系統(tǒng)中所有的局部阻力系數(shù)之和。

孔