第八章-流速和流量测量

第八章流速和流量测量本章学习要求：1、掌握流体速度大小的测量；2、熟悉热线风速仪的测量原理；3、熟悉激光多普勒测速仪的测量原理；4、掌握流量的基本测量原理；5、熟悉节流压差式流量计及速度式流量计的测量原理；6、了解其它形式流量计的测量原理。第一节概述流量的概念

流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量，前者称体积流量（m3/s)，后者称质量流量(kg/s)。如果在截面上速度分布是均匀的，则：流过管道某截面的流体的速度在截面上各处不可能是均匀的，假定在这个截面上某一微小单元面积上dAF速度是均匀的，流过该单元面积上的体积流量为整个截面上的流量qv为测量某一段时间内流过的流体量，即瞬时流量对时间的积分，称之流体总量。

用来测量流量的仪表统称为流量计。测量总量的仪表称为流体计量表或总量计。流体的几个概念

（一）粘性在流体的内部相互接触的部分在其切线方向的速度有差别时会产生减小其速度差的作用。这是因为流速快的部分要加速与其相接触的流速慢的部分，而流速慢的部分要减小与其相接触的流速快的部分，流体的这种性质，称为粘性。

衡量流体粘性大小的物理量称为粘度。设有两块面积很大距离很近的平板，两平板中间是流体。令底下的平板保持不动，而以一恒定力推动上面平板，使其以速度v沿x方向活动。由于流体粘性的作用，附在上板底面的一薄层液体以速度v随上板运动。而下板不动故附在其上的流体不动，所以两板间的液体就分成无数薄层而运动，如图所示。作用力F与受力面平行，称为剪力，剪力与板的速度v、板的面积S成正比，而与两板间的距离y成反此，即称为粘度，或动力粘度(dynamicviscosity)，单位是：泊（P）(Pa.s)（Kinematicviscosity）（二）层流和紊流流体在细管中的流动形式可分为层流和紊流两种。所谓层流(laminarflow)就是流体在细管中流动的流线平行于管轴时的流动。所谓紊流(turbulentflow)就是流体在细管中流动的流线相对混乱的流动。利用雷诺数可以判断流动的形式。如果雷诺数小于某一值时，可判断为层流，而大于此值时则判断为紊流。由此，我们发现管内流体流动时存在着两种状态：一为层流状态一为紊流状态．在不同的流动状态下，流体有不同的流动特性。在层流流动状态时，流量与压力降成正比；在紊流流动状态时，流量与压力降的平方根成正比，而且在层流与紊流两种不同的流动状态时，其管内的速度分布也大不相同。这些对于许多采用测量流速来得到流量的测量方法是很重要的。在层流流动状态下，流速分布是以管轴为中心线的轴对称抛物线分布。在紊流流动状态下，管内流速同样是以管中心线轴对称的分布，但是其分布呈指数曲线形式。雷诺数是表征流体流动时惯性力与粘性力之比。利用细管直径d，可求出雷诺数Rd：为细管中的平均流速；为流体的运动粘度,d为管径。Rd＜2320时为层流，Rd＞2320时为紊流；（三）雷诺数所谓平均流速，一般是指流过管路的体积流量除以管路截面积所得到的数值。（四）流体流动的连续性方程流体在管道内作稳定流动的情况：即流体在稳定流动，且不可压缩时，流过各截面流体的体积为常量。因此利用上式，很方便的求出流体流过管道不同截面时的流速。（五）流体伯努力方程二、流量仪表的分类（一）计量表1.容积式计量表这类仪表用仪表内的一个固定容量的容积连续地测量被测介质，最后根据定量容积称量的次数来决定流过的总量。习惯上人们把计量表也称为流量计。根据它的结构不同，这类仪表主要有椭圆齿轮流量计、腰轮流量汁、活塞式流量计等。2.速度式计量表在仪表中装一旋转叶轮，流体流过时，推动叶轮旋转，叶轮的转动正比于流过介质的总量，叶轮转动带动计数器的齿轮机构，计数器即显示读数。这类计量表机构简单，但精度低。一般在2％左右，大多的水表即采用此结构表。（二）流量计第二节总量测量仪表（一）椭圆齿轮流量计每转一周，两个齿轮共送出四个标准体积的流体。二、腰轮流量计（罗茨流量计）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。腰轮上没有齿，它们不是直接相互啮合转动，而是通过安装在体外的传动齿轮组进行传动．三、容积式流量计的误差仪表输出由指针指示，指示值I:流量较小时，误差为负值，在流量增大时、误差为正值、且基本保持不变。这种现象主要是由于在运动件的间隙中泄漏所引起的。这个泄漏量与间隙、粘度、前后压差有关，另外也和流过体积V所需的时间有关。上述两种转子型式的容积流显计，可用于各种液体流量的测量，尤其是用于油流量的准确测量，在高压力、大流量的气体流量测量中，这类流量计也有应用．由于椭圆齿轮容积流量计直接依靠测量轮啮合，因此对介质的清洁要求较高，不允许有固体颗粒杂质流过流量计．当充满圆管的流体流经在管道内部安装的节流装置时，流束将在节流件处形成局部收缩，使流速增大，静压力降低，于是在节流件前后产生压力差．该压力差通过差压计检出．流体的体积流量或质量流量与差压计所测得的差压值有确定的数值关系。差压式流量计（节流式流量计）选定两个截面，I—I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，由伯努利方程式得由于流束在节流装置后的最小收缩面积S2，实际上很难确切地知道它的数值，因此用节流装置开孔的截面积S0来表示,其中称为流束的收缩系数，其大小与节流装置的类型有关。p1’、p2’—流体在截面I—I和II—II处的静压力v1、v2’—流体在截面I—I和II—II处的平均流速上面得到的流速是理论值，因为理想的不可压缩的流体是不存在的。流体有粘度，故有摩擦，因此实际的流速应修正。其次，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。考虑这两方面的因素，在II—II截面上的流速流过截面II—II的体积流量为节流式流量计主要由两部分组成：节流装置和测量静压差的差压计。节流装置是安装在流体管道中，使流体的流通截面发生变化，引起流体静压变化的一种装置。常用的节流装置有文丘利管、喷嘴和孔板，如图所示。常用的节流装置文丘利管孔板喷嘴标准孔板是用不锈钢或其它金属材料制造的薄板，它具有圆形开孔并与管道同心，其直角入口边缘非常锐利，且相对于开孔轴线是旋转对称的。标准孔板的形状如图所示．标准喷嘴即ISAl932喷嘴．它是一个以管道喉部开孔轴线为中心线的旋转对称体，由两个圆弧曲面构成的入口收缩部分及与之相接的圆筒形喉部所组成．其结构如图所示标准文丘利喷嘴是标准文丘利管的一种型式，如图所示．它由廓形修圆的收敛部分，圆筒形喉部和扩散段组成．喉部取压平面之前上游平面A、入口圆弧B、C和喉部的圆筒E部分与标准喷嘴完全相同.1．取压方式差压式流量计是通过测量节流件前后压力差p来实现流量测量的，而压力差p的值与取压孔位置和取压方式紧密相关。节流装置的取压方式有以下5种，各种取压方式及取压孔位置如图所示．(1)角接取压:上下游取压管位于孔板(或喷嘴)的前后端面处。角接取压包括单独钻孔和环室取压。如图中l—l位置。(2)法兰取压：上下游侧取压孔的轴线至孔板上、下游侧端面之间的距离均为25.4±0.8mm（1inch)。取压孔开在孔板上下游侧的法兰上．如图中2—2位置．（3)径距取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为1Dm±0.1Dm，下游侧取压孔的轴线至孔极下游端面的距离为0.5Dm。如图中的3.3位置（Dm管道直径）。(4)理论取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为lDm±0.1Dm，下游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离因值不同而异。该距离理论上就是流束收缩到最小截面的距离。如图中的4—4位置。(5)管接取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为2.5Dm，下游侧取压孔的轴线至孔板下游端面的距离为8Dm．如图中的5—5位置．该方法使用很少．标准取压装置是国家标形中规定的两种取压装置，即角接取压装置和法兰取压装置。其中角接取压适用于孔板和喷嘴，而法兰取压仅用于孔板。(1)角接取压装置角接取压装置可以采用环室或夹紧环(单独钻孔)取得节流件前后的差压。（2）法兰取压装置法兰取压装置由两个带取压孔的取压法兰组成。标准取压装置一、浮子流量计（转子流量计）转子流量计又名浮子流量计或面积流量计。浮子流量计具有结构简单，使用维护方便，对仪表前后直管段长度要求不高，压力损失小且恒定，测量范围比较宽，工作可靠且线性刻度，可测气体、蒸汽(电、气远传金属浮子流量计)和液体的流量，适用性广等特点．第四节流体阻力式流量计浮子流量计的测量本体由一根自下向上扩大的垂直锥管和一只可以沿着锥管的轴向自由移动的浮子组成．如图所示．当被测流体自锥管下端流入流量计时，由于流体的作用，浮子上下端面产生一差压，该差压即为浮子的上升力。当差压值大于浸在流体中浮子的重量时，浮子开始上升。随着浮子的上升．浮子最大外径与锥管之间的环形面积逐渐增大，流体的流速则相应下降，作用在浮子上的上升力逐渐减小，直至上升力等于浸在流体中的浮子的重量时，浮子便稳定在某一高度上。这时浮子在锥管中的高度与所通过的流量有对应的关系。作用在浮子上的力有：流体自下而上运动时，作用在浮子上的升力F;浮子本身的垂直向下的重力W；流体对浮子所产生的垂直向上的浮力B。当浮子处于平衡状态时，可列出平衡方程式转子流量计的测量原理式中，cd为浮子的升力系数；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。只要保持流量系数a为常数，则流量与浮子高度h之间就存在一一对应的近似线性关系．我们可以将这种对应关系直接刻度在流量计的锥管上．显然，对于不同的流体，由于密度发生变化，所以qv与h之间的对应关系也将发生变化，原来的流量刻度将不再适用．所以原则上，转子流量计应该用实际介质进行标定．注意：

速度式流量计是从直接测量管道内流体流速v作为流量测量依据的。若测得的是管道截面上的平均流速v，则流体的体积流量qv＝A*v；(A为测量管道横截面积)。若测得的是管道横截面上的某一点流速v，则流体的体积流量qv＝K*A*v(K为截面上的平均流速与被测点流速的比值，它与管道内流速分布有关)．第五节测速式流量计一、电磁流量计电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。可以测量各种腐蚀性介质：酸、碱、盐溶液以及带有悬浮颗粒的浆液。被测介质在测量管内，由于没有阻滞部件，所以没有压力损失。此流量计无机械惯性，反应灵敏，可以测量脉冲流量，而且线性较好，可以直接进行等分刻度。但电磁流量计由于只能测量导电液体，因此对于气体、蒸气以及含大量气泡的液体，或者电导率很低的液体不能测量。由于测量管内衬材料一般不宜在高温下工作，所以目前一般的电磁流量计还不能用于测量高温介质。如图所示，设在均匀磁场中，垂直于磁场方向有一个直径为D的管道。管道由不导磁材料制成，当导电的液体在导管中流动时，导电液体切割磁力线，因而在磁场及流动方向垂直的方向上产生感应电动势，如安装一对电极，则电极间产生和流速成比例的电位差。

式中，c为感应电动势：B为磁感应强度，D为管道内径；v为液体在管道内平均流速。1．直流励磁直流励磁方式用直流电产生磁场或采用永久磁铁，它能产生一个恒定的均匀磁场．这种直流励磁变送器的最大优点是受交流电磁场干扰影响很小，因而可以忽略液体中的自感现象的影响。但是，使用直流磁场易使通过测量管道的电解质液体被极化，即电解质在电场中被电解，产生正负离子，在电场力的作用下，负离子跑向正极，正离子跑向负极。这样，将导致正负电极分别被相反极性的离子所包围，严重影响仪表的正常工作．所以，直流励磁一般只用于测量非电解质液体，如液态金属等．2．交流励磁目前，工业上使用的电磁流量计，大都采用工频(50Hz)电源交流励磁方式，即它的磁场是由正弦交变电流产生的，所以产生的磁场也是一个交变磁场。交变磁场变送器的主要优点是消除了电极表面的极化干扰．另外，由于磁场是交变的，所以输出信号也是交变信号。直流励磁方式和交流励磁方式各有优缺点，为了充分发挥它们的优点，尽量避免它们的缺点，70年代以来，人们开始采用低频方波励磁方式．它的励磁电流波形如图所示，其频率通常为工频的1／4一l／10．从图可见，在半个周期内，磁场是恒稳的直流磁场，它具有直流励磁的特点，受电磁干扰影响很小。从整个时间过程看，方波信号又是一个交变的信号，所以它能克服直流励磁易产生的极化现象．因此，低频方波励磁是一种比较好的励磁方式，目前已在电磁流量计上广泛的应用．

3．低频方波励磁当超声波在流体中传播时，会载带流体流速的信息。因此，根据对接收到的超声波信号进行分析计算，可以检测到流体的流速，进而可以得到流量值。超声波流量测量方法有很多，本节主要介绍传播速度差方法和多普勒方法的基本原理与流量方程．二、超声波流量计传播速度差法的基本原理为：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。根据测量的物理量的不同，可以分为时差法(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)、相差法(测量超声波在顺、逆流中传播的相位差)、频差法(测量顺、逆流情况下超声脉冲的循环频率差)。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．在测量管道中，装两个超声波发射换能器F1和F2以及两个接收换能器J1和J2，管径为D，流体由左向右流动，速度为v，此时由F1到J2超声波传播速度为F2到J1超声波传播速度为：1、时差法如果超声波发生器发射一短小脉冲，其顺流传播时间为而逆流传播的时间为测量速度差的方法2、相差法所谓相差法，既是通过测量超声波在顺流和逆流时传播的相位差来得到流速．3、频差法此法是通过测量顺流和逆流时超声脉冲的重复频率差去测量流速。在单通道法中脉冲重复频率是在一个发射脉冲被接收器接收之后，立即发射出一个脉冲，这样以一定频率重复发射，对于顺流和逆流重复发射频率为2、多普勒法

多普勒法是利用声学多普勒原理确定流体流量的．多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动，会引起声波在频率上的变化，这种频率变化正比于运动的目标和静止的换能器之间的相对速度。左图是超声多普勒流量计示意图。超声换能器安装在管外。从发射晶体T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率偏移与流体流速成正比。如忽略管壁影响，并假设流体没有速度梯度，以及粒子是均匀分布的，可得方程流体振动流量计是60年代末期发展起来的一种较新的流量测量技术。它具有如下一些特点：可得到与流量成正比的频率输出信号；被测流体本身就是振动体，无机械可动部件，几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响；所以，该测量方法越来越受到人们的重视，涡街流量计（Vortexflowmeter)是利用流体流过阻碍物时产生稳定的漩涡，通过测量其漩涡产生频率而实现流量计量的。涡街流量计由涡街流量传感器和流量显示仪表两部分构成，第六节振动式流量计涡街流量计实现流量测量的理论基础是流体力学中著名的“卡门涡街”原理。在流动的流体中放置一根其轴线与流向垂直的非流线性柱形体(如三棱柱、圆柱等)，称之为漩涡发生体，见图。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。由于漩涡之间的相互影响，其形成通常是不稳定的。冯.卡门对涡列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之比满足时，所产生的涡街才是稳定的圆柱体后漩涡发生的频率为：圆柱体表面开有导压孔，与圆柱体内部空腔相通．空腔由隔板分成两部分，在隔板的中央部分有一小孔，在小孔中装有检测流体流动的铂电阻丝．当旋涡在圆柱体下游侧产生时，由于升力的作用，使得圆柱体下方的压力比上方高一些，圆柱体下方的流体在上下压力差的作用下，从圆柱体下方导压孔进入空腔，通过隔板中央部分的小孔，流过铂电阻丝，从上方导压孔流出。如果将铂电阻丝加热到高于流体温度的某温度值，则当流体流过铂电阻丝时，就会带走热量，改变其温度，也即改变其电阻值。当圆柱体上方产生一个旋涡时，则流体从上导压孔进入，由下导压孔流出，又一次通过铂电阻丝，又改变一次它的电阻值。由此可知：电阻值变化与流动变化相对应，也既与旋涡的频率相对应。所以，可由检测铂电阻丝电阻变化频率得到涡频率，进而得到流量值。在工业