第七章流速及流量测量

1、第七章第七章 流速及流量测量流速及流量测量7-1 流速测量流速测量7-2 流速测量仪表的标定流速测量仪表的标定7-3 流量测量方法和分类流量测量方法和分类7-4 差压式流量测量差压式流量测量7-5 叶轮式流量计叶轮式流量计7-6 电磁流量计电磁流量计7-7 涡街流量计涡街流量计7-8 容积式流量计容积式流量计 7-1 流速测量流速测量测量方法：测量方法：直接：直接：1. 机械式风速仪机械式风速仪:利用流动气体的动压推动机械装置。利用流动气体的动压推动机械装置。 2. 散热率法：热电风速仪散热率法：热电风速仪 热线风速仪热线风速仪间接：间接：1. 动力测压法，毕托管动力测压法，毕托管 2. 激光

2、测速法激光测速法一、机械方法测量流速一、机械方法测量流速1. 原理原理：置于流体中的叶轮的转动角速度与流体的流：置于流体中的叶轮的转动角速度与流体的流速成正比。速成正比。 关系对率应 成 利用流速与散热2. 2. 分类分类： 翼式：叶片为几片扭成一定角度的铝薄片。翼式：叶片为几片扭成一定角度的铝薄片。 杯式：叶片为铝制的半球形叶片杯式：叶片为铝制的半球形叶片3. 特点特点：翼式：灵敏度：翼式：灵敏度 杯式杯式 杯式杯式:测量范围上限测量范围上限翼式翼式可测：可测：0.2530m/S范围内脉动速度，最大值，最小范围内脉动速度，最大值，最小 值，平均值值，平均值4. 注意事项注意事项：风速仪的叶轮

3、全部放置于气流流速中风速仪的叶轮全部放置于气流流速中 旋转平面和气流方向之间的偏差在规旋转平面和气流方向之间的偏差在规 定范围之内。定范围之内。二、散热率法测量流速二、散热率法测量流速1. 测量原理测量原理发热的测速传感器的散热率与流体流速成比例的特点。发热的测速传感器的散热率与流体流速成比例的特点。2. 热球风速仪热球风速仪1）原理图）原理图两个独立电路：两个独立电路： 供给带热体恒定电流回路供给带热体恒定电流回路 测量带热体温度的回路测量带热体温度的回路-热电偶热电偶 带热体：金属线圈带热体：金属线圈 测量元件测量元件热电偶热电偶 二次仪表：电源、放大、显示二次仪表：电源、放大、显示粗调细

4、调玻璃球电热丝热电偶测量风速的传感器封入很小的玻璃球内2）工作过程）工作过程通电带热体通电带热体被测气流被测气流 Q散散V V Q散散 ，若，若I I一定一定 Q热热一定一定 V T热热 测出测出T热热V三、热线风速仪三、热线风速仪使用最多的测微风速，测量气流使用最多的测微风速，测量气流 运动情况运动情况1）基本原理）基本原理 以热丝（钨丝或铂丝）或热膜（铂或铬制成薄膜）以热丝（钨丝或铂丝）或热膜（铂或铬制成薄膜） 为探头为探头裸露被测气流中。裸露被测气流中。 并将探头接接入惠斯顿电桥，为一桥臂，热膜外涂并将探头接接入惠斯顿电桥，为一桥臂，热膜外涂 石英膜绝缘层石英膜绝缘层与流体绝缘与流体绝缘

5、 当当T不变时，热丝上的电功率热丝在气流中瞬时不变时，热丝上的电功率热丝在气流中瞬时 耗去的热量。耗去的热量。 I I 流过热丝电流流过热丝电流R RW W 热丝的电阻热丝的电阻 对流换热系数对流换热系数F F 热丝表面积热丝表面积T TW W 热丝表面温度热丝表面温度T Tf f 气流温度气流温度 1）热丝电阻）热丝电阻R RW W T T变化变化时对应的电阻值时对应的电阻值 热丝材料的温度电阻系数热丝材料的温度电阻系数2） 与与v v气流有关气流有关。V V散热快。散热快。)(2fWWTTFRI)(1 0fWWTTRR A A、B B与散热及热丝材料结构等有关的常数。与散热及热丝材料结构等

6、有关的常数。 气流密度气流密度以上各式代入等式：以上各式代入等式：若热丝结构等参数已定则：若热丝结构等参数已定则：仅有仅有V V、T TW W以及以及I I变化变化则：则：又又 上式说明：上式说明： I I（或（或T T）一定）一定V V与与T T（或（或I I）成单值函）成单值函数关系。数关系。 热线风速仪有恒流、恒温（恒阻）两种设计电路热线风速仪有恒流、恒温（恒阻）两种设计电路。VBAF)()(1 02fWfWTTVBATTRI),(WTIfV )(WWTfR),(WRIfV 2）恒温法）恒温法较为常用较为常用 热线感受气流速度热线感受气流速度0时，调节电桥时，调节电桥G0 进行测量时，热

7、丝进行测量时，热丝T R调节调节IT （恒温）（恒温）电桥平衡电桥平衡G0（最终最终R RW W恒定）恒定）测量测量I IV V)(IfV 3）恒流法）恒流法原理图与热球风速仪类似原理图与热球风速仪类似优点：电路简单优点：电路简单缺点：测速探头在变温度阻状态下工作，易使敏感元缺点：测速探头在变温度阻状态下工作，易使敏感元 件老化，稳定性差。件老化，稳定性差。粗调细调电热丝热电偶三、动力测压法测量流速三、动力测压法测量流速1.工作原理工作原理:2.1)伯努力方程伯努力方程 静压静压 动压动压 全压全压 毕托管毕托管 静压，总压静压，总压022PVP)(20PPV测实际测量：实际测量：K KP P

8、速度校正系数（速度校正系数（0.830.87 标准标准0.96）可压缩流：可压缩流：K K流体等熵指数流体等熵指数MM马赫数马赫数当当MM0.2按上式计算按上式计算一般情况下按不可压缩流体计算一般情况下按不可压缩流体计算 )(20PPKV)(20PPkKVP2142)24241 (MKMK)(CVM 2 2）毕托管构成原理毕托管构成原理小孔小孔M M：孔平面与来流垂直：孔平面与来流垂直每个小孔每个小孔N N：与来流相切：与来流相切进入小孔进入小孔N N的压力的压力静压静压进入小孔进入小孔M M的压力的压力静压滞止后动能转变成的一静压滞止后动能转变成的一部分压力部分压力设设M M点气体绕流而完全

9、滞止测点气体绕流而完全滞止测V VM M0 0。则则 hNNMNNPV2210221PPVMM)(20NNPPV021MV2. 毕托管的形式毕托管的形式三种基本型：三种基本型：1）动压测压管）动压测压管结构：感测头、管身、引出管结构：感测头、管身、引出管感测头：锥形、圆形、椭圆形。感测头：锥形、圆形、椭圆形。D0.3DR36D810D0.1D总 压 测 孔感 测 头外 管静 压 孔内 管管 柱静 压 引 出 管总 压 引 出 管图 7-9 毕 托 管总压测量：总压孔总压测量：总压孔感测头端部与内管连通感测头端部与内管连通静压测量：静压孔静压测量：静压孔外管表面靠近感测头端部适当外管表面靠近感测

10、头端部适当 位置有一圈小孔。位置有一圈小孔。标准毕托管：上述结构。标准毕托管：上述结构。特点特点：测量精度高，无需再校正，：测量精度高，无需再校正， 含尘浓度含尘浓度易堵塞易堵塞用途：用途： 测清洁空气的流速测清洁空气的流速 对其它仪表进行校定对其它仪表进行校定 2）T型毕托管型毕托管 结构：两根相同的金属管组成结构：两根相同的金属管组成感测头部：方向相反的两个相互平行开口。感测头部：方向相反的两个相互平行开口。总压总压:迎着来流的孔；静压：另一孔迎着来流的孔；静压：另一孔适合：测含尘较大的气流和粘度较大的液体适合：测含尘较大的气流和粘度较大的液体3）动压平均管）动压平均管，阿牛巴毕托管，阿牛

11、巴毕托管 为测多点风速而得到平均风速为测多点风速而得到平均风速适用：圆形风道适用：圆形风道风道截面风道截面若干相等面积（如图若干相等面积（如图4个相等面积）个相等面积）测出各小面积的总压力值测出各小面积的总压力值取各总压力平均值取各总压力平均值平均总压力平均总压力总压力取压管总压力取压管笛形管笛形管静压管静压管取压口背向气流取压口背向气流笛形管总压平均管静压管三、毕托管的使用三、毕托管的使用1.毕托管使用条件毕托管使用条件1）毕托管测速下限规定：毕托管总压力孔直径上的）毕托管测速下限规定：毕托管总压力孔直径上的流体流体 V太小，则动压太小太小，则动压太小测量不准测量不准， 开口较大开口较大 V

12、太小，太小， 灵敏度下降灵敏度下降T型测速型测速V3m/s2）减少测量误差：）减少测量误差： （最大（最大100mm3）使用前用标准毕托管校正）使用前用标准毕托管校正校正系数校正系数4）总压孔与流体流动方向相对，且轴线与流体流动）总压孔与流体流动方向相对，且轴线与流体流动 方向一致。方向一致。5）防止静压孔堵塞）防止静压孔堵塞200eR02. 0Dd01. 0DKVVKP标2.2.测点选择测点选择1 1）测点位置已经达到典型的紊流速度分布。）测点位置已经达到典型的紊流速度分布。 测出管道中心流速测出管道中心流速 V V平均平均 测距管道内壁处流速测距管道内壁处流速 V V平均平均选择方法：选择

13、方法： 中间距形法中间距形法应用最广应用最广管道管道若干面积相等小截面，则该小截面若干面积相等小截面，则该小截面V V各小截面各小截面的平均流速的平均流速 V V平均平均a. a. 圆形管道圆形管道分成圆环分成圆环再分再分2 2倍，测点选在面积等分倍，测点选在面积等分线上。线上。公式图表平均niRri212R)08. 0242. 0( 在以在以ri为半径的圆环上要选四个等分点作测点为半径的圆环上要选四个等分点作测点 则则 （测点数）（测点数） 圆形管道内流体的圆形管道内流体的V V平均平均各测点各测点V V测测 n测量精度测量精度 b) 矩形管道矩形管道截面分成数量与测点数相同的等面积矩截面分

14、成数量与测点数相同的等面积矩 形测区，长形测区，长:宽宽12 测点测点等面积的矩心上。等面积的矩心上。 流体测定断面分区数多少流体测定断面分区数多少根据所需准确度，流速根据所需准确度，流速分布的均匀性。分布的均匀性。 与管道断面尺寸无关。与管道断面尺寸无关。准确度准确度与使用场合有关。与使用场合有关。流速分布的均匀性流速分布的均匀性与被测流体断面位置有关。与被测流体断面位置有关。 nN43.平均流速的计算平均流速的计算 N N测点数测点数 四、激光多普勒测速技术四、激光多普勒测速技术 1. 测速原理测速原理随流体运动的微粒散射光的多普勒随流体运动的微粒散射光的多普勒效应获得速度信息。效应获得速

15、度信息。20世纪世纪60年代发展起来的一门新技术年代发展起来的一门新技术RTPV RTPV1PPPRTKPPKVPP002)(2niPPPNKV1012静止的激光源（静止的激光源（f0 ) 粒子（随流体运动）粒子（随流体运动）粒粒子接受到的光波频率（散射光频率子接受到的光波频率（散射光频率fs） 多普勒频移多普勒频移 u 粒子速度粒子速度C光速光速es粒子散射光相对于接收器方向的单位向量粒子散射光相对于接收器方向的单位向量e0粒子散射光在光速方向的单位向量粒子散射光在光速方向的单位向量u中心处静压中心处静压P，在节流处湍面产生径向压，在节流处湍面产生径向压差差径向附加速度径向附加速度 Vr ，

16、流体流向改变流体流向改变近管壁处近管壁处流体质点流向与管中心轴线倾斜流体质点流向与管中心轴线倾斜流束收缩。流束收缩。 V在流束截面积最小处后最大在流束截面积最小处后最大 ，此时静压力最小，此时静压力最小 入口侧入口侧P1出口侧静压出口侧静压P2 （，正压）（，负压）（，正压）（，负压） 且且 QP 节流原理节流原理3. 流量基本方程式及压力损失公式流量基本方程式及压力损失公式1）不可压缩流体流量方程式）不可压缩流体流量方程式质量流量质量流量体积流量体积流量2）可压缩流体流量方程）可压缩流体流量方程质量流量质量流量 )(2210PPFM)(242kg/s Pd/s)(m 3PdMQ24.2(kg

17、/s) PdM1224体积流量体积流量 流束膨胀系数流束膨胀系数 流量系数流量系数3）节流元件压力损失）节流元件压力损失 能量损失能量损失4. 实用流量方程实用流量方程5. 流量系数的确定流量系数的确定它与节流元件形式，取压方式，孔径比及流体流动状它与节流元件形式，取压方式，孔径比及流体流动状态等因素有关。由于影响因素复杂，一般通过实验确态等因素有关。由于影响因素复杂，一般通过实验确定定 /s)(m 24 312PdQPPmmP2211FFm0(kg/h) 003998. 0122PdM/s)(m d0.003998322/PQ6. 标准节流装置标准节流装置1）标准节流件标准节流件a.标准孔板

18、标准孔板b.标准喷嘴标准喷嘴c.文丘里管文丘里管标准孔板标准喷嘴文丘里管2）标准取压装置）标准取压装置标准孔板：角接取压、法兰取压标准孔板：角接取压、法兰取压标准喷嘴：角接取压标准喷嘴：角接取压3）标准节流装置使用的流体条件和管道条件。）标准节流装置使用的流体条件和管道条件。流体条件流体条件a. 连续流动连续流动b. 稳定稳定c.牛顿流体：单相，节流时不相变牛顿流体：单相，节流时不相变d.节流前已达到充分发展的紊流节流前已达到充分发展的紊流管道条件管道条件a. 直的圆形管道直的圆形管道b. 内壁洁净：光滑（粗糙度）内壁洁净：光滑（粗糙度）c. 足够的直管段。足够的直管段。三、转子式流量计三、转

19、子式流量计1. 转子流量计的特点转子流量计的特点面积式流量计面积式流量计结构简单、使用方便、价格低廉结构简单、使用方便、价格低廉最程比大：可达最程比大：可达10：1，差压式流量计为，差压式流量计为3：1最程比最大流量与最小流量之比最程比最大流量与最小流量之比直观性好直观性好测量液体（气体）体积流量测量液体（气体）体积流量测量范围：液：测量范围：液：L/h几百几百m3/h 气：几千气：几千m3/h2.结构及工作过程结构及工作过程转子、锥形管、支撑连接部分转子、锥形管、支撑连接部分锥形管锥度：锥形管锥度：1:201:200（被测流量而定）（被测流量而定） 流体从下流体从下上上转子向上转子向上 转子

20、与锥形管的面积转子与锥形管的面积V 转子受到向上推力转子受到向上推力重力流体作用力重力流体作用力转子停在某一高度转子停在某一高度Q 高度高度 Q l l3.转子流量计工作原理转子流量计工作原理在某高度在某高度h，处于平衡时，处于平衡时， 锥 形 管转 子下上PPffAPgVFP压差力浮上 转子材料密度转子材料密度 转子体积转子体积 转子最大横截面积转子最大横截面积伯努力方程：伯努力方程：ffffAPgVgVffVP21PP fA)(1fffgVAPPAQ20fffAgVA)(20fffAgVCh)(2hKA22020200244hnnhddnhdF 体积流量体积流量Q Q与转子高度或线性刻度成

21、正比。与转子高度或线性刻度成正比。又因又因为为N锥形管的锥度，其值较小，锥形管的锥度，其值较小，n2可忽略可忽略fffAgVnhdQ202四、刻度校正四、刻度校正出厂刻度标定的介质与被测介质、温度、压力不同出厂刻度标定的介质与被测介质、温度、压力不同介质密度、粘度变化介质密度、粘度变化校正校正1.原刻度以水为介质原刻度以水为介质 T、P 粘度变化不大粘度变化不大对对 作校正，则作校正，则 原介质密度原介质密度 工作时密度工作时密度 转子材料密度转子材料密度 Q 校正后介质流量校正后介质流量 仪表原刻度的流量仪表原刻度的流量)()(001ffKQKQ10fQ2. 原刻度以空气为介质原刻度以空气为

22、介质P、T 核正核正 0ff02KQKQ2 7-5 叶轮式流量计叶轮式流量计叶轮式流量计叶轮式流量计通过测量叶轮旋转次数测量流量。通过测量叶轮旋转次数测量流量。一、水表一、水表根据水流特点可分为：切线流叶轮式水表根据水流特点可分为：切线流叶轮式水表 竖式叶轮式水表竖式叶轮式水表 轴流式叶轮式水表轴流式叶轮式水表1. 切线流叶轮式水表切线流叶轮式水表水流沿切线流入表内水流沿切线流入表内叶轮旋转叶轮旋转旋转圈数旋转圈数流量流量特点：简单、价廉，适中于中、小管径的管道，水平特点：简单、价廉，适中于中、小管径的管道，水平安装。安装。2. 竖式叶轮式水表竖式叶轮式水表水流方向与叶轮的转动轴垂直，水流从下

23、面向上推动水流方向与叶轮的转动轴垂直，水流从下面向上推动叶轮旋转。叶轮旋转。特点：启动流量小，压力损失小，要水平安装适用于特点：启动流量小，压力损失小，要水平安装适用于中、小管径的管道中、小管径的管道3. 轴流式叶轮式水表轴流式叶轮式水表水流方向与叶轮的转动轴平行。水流方向与叶轮的转动轴平行。特点：压力损失小，能够以任何位置安装，适用于大特点：压力损失小，能够以任何位置安装，适用于大管径的管道。管径的管道。二、涡轮流量计二、涡轮流量计速度式流量计速度式流量计1. 组成组成1. 组成组成2. 工作原理及结构工作原理及结构涡轮涡轮将流量信号将流量信号电信号电信号指示积算仪指示积算仪显示显示Q，转换

24、成校准电流。，转换成校准电流。 涡轮涡轮传感器传感器 流体流经变送器时，推动流体流经变送器时，推动安装在摩擦力很小的滚珠安装在摩擦力很小的滚珠轴承上的涡轮。轴承上的涡轮。流体流过流体流过K-K，VPK-K与与K-K 之间不等静压场。之间不等静压场。 抵销流体的轴向推力。抵销流体的轴向推力。 流量涡轮磁电转换前置放大涡轮流量变送器显示仪表kkkk导流器磁-电转换器轴承导流器涡轮P 导流器：进入涡轮前使流体先导直，避免自旋导流器：进入涡轮前使流体先导直，避免自旋 磁电转换装置：线圈，磁钢组成磁电转换装置：线圈，磁钢组成流体流过流体流过涡轮旋转涡轮旋转叶片周期性改变磁路磁阻叶片周期性改变磁路磁阻磁磁

25、通量通量 线圈内感应出与线圈内感应出与Q成比例的脉冲信号成比例的脉冲信号 前置放大器：放大电信号，传递到二次仪表前置放大器：放大电信号，传递到二次仪表kkkk导流器磁-电转换器轴承导流器涡轮3. 输入与输出关系输入与输出关系当叶轮处于匀速转动的平衡状态，并忽略涡轮上所有当叶轮处于匀速转动的平衡状态，并忽略涡轮上所有阻力矩时，可得涡轮运动的稳态公式阻力矩时，可得涡轮运动的稳态公式rVtg0 涡轮角速度涡轮角速度 涡轮与涡轮轴线夹角涡轮与涡轮轴线夹角r 涡轮叶片的平均半径涡轮叶片的平均半径 流体流过涡轮叶片时的轴向平均速度流体流过涡轮叶片时的轴向平均速度0VrVznzf2tg022此时检测线圈感应

26、出的电脉冲信号频率为：此时检测线圈感应出的电脉冲信号频率为：0VFqv流通截面积为流通截面积为F的管道内流体的体积流量为的管道内流体的体积流量为vvKqqrFzf2tgK仪表常数仪表常数则：则： n 涡轮转速涡轮转速z 涡轮叶片数涡轮叶片数4. 安装要求安装要求涡轮流量器必须水平安装，其上游应装过滤器涡轮流量器必须水平安装，其上游应装过滤器上游侧应有上游侧应有1520D直管段直管段下游侧应有下游侧应有510D直管段直管段装消气器装消气器保证流体为单相保证流体为单相 7-6 电磁流量计电磁流量计一、工作原理一、工作原理导体在磁场运动并切割磁力线时，导体中产生感应电导体在磁场运动并切割磁力线时，导

27、体中产生感应电势势法拉弟电磁感应法拉弟电磁感应电磁流量计原理电磁流量计原理。E感应电势感应电势B磁感应强度磁感应强度D流体直径流体直径V液体流速液体流速 K仪表常数仪表常数NSVB电磁流量计原理410 BDVEVDQ24KQQDBE4104二、组成二、组成变送器、转换器、二次仪表变送器、转换器、二次仪表 7-7 涡街流量计涡街流量计一、涡街流量计一、涡街流量计：应用流体振荡原理测量流量的新型：应用流体振荡原理测量流量的新型 仪表仪表特点特点：1 1管道无可动部件管道无可动部件2 2无需外接电源无需外接电源3 3对气体对气体、蒸汽蒸汽、液体均适合液体均适合1. 原理原理1）卡门旋涡列：如图：）卡

28、门旋涡列：如图：在流体中有对称形状的非流线形状柱体在流体中有对称形状的非流线形状柱体 漩涡发生体漩涡发生体物体后出现附面层分离，形成两列非对称有规律的旋涡物体后出现附面层分离，形成两列非对称有规律的旋涡列列 卡门涡街卡门涡街实验证明：实验证明：h h、l l满足一定条件满足一定条件旋涡列稳定旋涡列稳定圆柱体满足：圆柱体满足：h hl l0.2812）旋涡频率：与物体形状、）旋涡频率：与物体形状、V有关有关 圆柱体圆柱体:St 斯特罗哈尔系数斯特罗哈尔系数 圆柱体圆柱体 fV. d(特征长度特征长度)3）体积流量）体积流量插入旋涡发生体时，旋涡发生体处流通截面积插入旋涡发生体时，旋涡发生体处流通截面积 若，若， 则则 dVSftconst(Re)fSt2 . 0tSDdDdDdDA1221sin14143 . 0/Dd)273. 01 (421DdDA在一定在一定Re内为内为St常数常数Q1与与f成线性关系。成线性关系。 若若f已知已知Q2. 流量信号的检测流量信号的检测1）原理：）原理：旋涡发生在圆柱体右下侧时，圆柱体周围形成一个环流旋涡发生在圆柱体右下侧时，圆柱体周围形成一个环流环流与圆柱体下侧流体流动方向相反环流与圆柱体下侧流体流动方向相反V ，上侧流动上侧流动方向相同方向相同VP （由下向上的升力作用在圆柱体（由