武汉大学第四章流速和流量测量

第四章流速和流量的测量课件设计：洪冶§4.1流速的测量§4.1.1皮托管测速法皮托管测量原理L型皮托管课件设计：洪冶§4.1.1.1相关概念我们把没有粘性的流体称为理想流体．理想不可压缩流体的伯努利方程（能量方程）

(Benoulli’sEquation)理想不可压缩流体在重力场中作定常流动时，具有三种形式的能量：位势能、压力势能和动能，在流线上任何一处三者能量之和保持恒定。课件设计：洪冶1.势能（Potentialenergy）:mgz1,mgz2，Permass:gz1,gz22.动能（Kineticenergy）:

Permass:3.压力能（Pressureenergy）:

Workdone＝force×distance=

Permass:

V2,p2z1z2V1,p1课件设计：洪冶§4.1.1.2皮托管的结构课件设计：洪冶皮托管测速原理图动压(Pv)＋静压(Ps)＝全压（Pt)课件设计：洪冶

§4.1.1.3测量误差分析总压孔直径：d=0.5D静压孔直径：d1=0.12D静压孔距端部距离：3~4D静压孔离支杆距离：8~10D

皮托管头部和支杆对流场的影响1、皮托管的形状影响课件设计：洪冶修正后的流速公式：为皮托管系数，由实验标定。一般在0.99～1.01之间。皮托管是测量流体速度的主要工具之一,广泛用于船舶和飞行体的测速。在测量时，只要把皮托管对准流体流动的方向，使内管顶端（滞止点）能感受全压力pt，而具有静压孔的外管感受静压力ps。课件设计：洪冶

2、皮托管偏离特性的影响结论：皮托管方向要正对流体流向。课件设计：洪冶3、流体压缩性影响空气高速流动时，如果不进行压缩性影响的修正，将会产生10%左右的测量误差。课件设计：洪冶§4.1.2

多普勒测速当光源和反射体或散射体之间存在相对运动时，接收到的声波频率与入射声波频率存在差别的现象称为光学多普勒效应，是奥地利学者多普勒于1842年发现的。当单色光束入射到运动体上某点时，光波在该点被运动体散射，散射光频率与入射光频率相比，产生了正比于物体运动速度的频率偏移，称为多普勒频移。课件设计：洪冶

图4多普勒效应原理kiksP课件设计：洪冶课件设计：洪冶后向散射型多普勒测速原理从入射光束方向看，后向散射是指接收散射光束的光电检测器位于被测物体后面，即与光源在同一侧。激光器S发出光束垂直人射到运动体，并在P点散射，散射光由光电检测器R接收。根据多普勒效应检测多普勒频移，如果人射光与散射光的夹角为，则多普勒频移为：2v课件设计：洪冶多普勒效应的另一种解释

辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高(蓝移(blueshift))。在运动的波源后面，产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低(红移(redshift))。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波红/蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。所有波动现象(包括光波)都存在多普勒效应。课件设计：洪冶

多普勒测速仪的工作原理是利用相对运动的物体频率的变化。电磁波的传播同样有多普勒特性。当一个发出固定频率的波的物体，相对于观察地点有相对运动时，在观察地点收到的频率随着它们的相对速度而变化即当物体向着观察点接近时，波长就变短，频率就变高；而远离观察点时，波长就变长，频率就变低,这样通过频率的变化就能计算出卫星的高度、速度和方位。若用此法连续测量，就可得到精确的卫星实际轨道数据。

2、超声多普勒法是怎样测量血液流动的?多普勒测速仪应用实例1、卫星跟踪测轨系统课件设计：洪冶利用多普勒效应制成的仪器有激光多普勒测量仪、超声多普勒测量仪等，具有精度高、非接触、不扰乱流场、响应快、空间分辨率高、使用方便的特点，广泛用于流速测量、工业中钢板、铝材测量、医学中血液循环监测、医学诊断等。非接触测量可以克服由于机械磨损和打滑造成的测量误差。课件设计：洪冶课件设计：洪冶机械方法测量流速机械方法测量流速是根据置于流体中的叶轮的旋转角速度与流体的流速成正比的原理来进行流速测量的。机械式风速仪是利用叶轮测量流速的实例翼型和杯型课件设计：洪冶课件设计：洪冶课件设计：洪冶机械式风速仪可用来测定仪表所在位置的气流速度，也可用于大型管道中气流的速度场，尤其适用于相对湿度较大的气流速度的测定。课件设计：洪冶散热率法测量流速散热率法测量流速的原理，是将发热的测速传感器置于被测流体中，利用发热的测速传感器的散热率与流体流速成比例的特点，通过测定传感器的散热率来获得流体的流速。卡他温度计课件设计：洪冶热线风速仪是利用被加热的金属丝的热量损失来测量气体流速的。课件设计：洪冶课件设计：洪冶课件设计：洪冶课件设计：洪冶课件设计：洪冶课件设计：洪冶流体速度是流过热线的电流和热线电阻（热线温度）的函数课件设计：洪冶1.恒流型热线风速仪如果在热线工作过程中，人为地用一恒值电流对热线加热，由于流体对热线对流冷却，且冷却能力随着流速的增大而加强。当流速呈稳态时，则可根据热线电阻值的大小确定流体的速度。课件设计：洪冶电路简单课件设计：洪冶2.恒温型热线风速仪如果在热线工作过程中，始终保持热线的温度不变，则可通过测得流经热线的电流值来确定流体的速度。课件设计：洪冶课件设计：洪冶在实际测量电路中，测量的不是流经电路的电流，而是惠斯顿电桥的桥顶电压。克英公式：E2=A+Bun课件设计：洪冶课件设计：洪冶(三)热线风速计的校准

校准的原因：1.探针的性能是随制造工艺、探针尺寸和金属材料的不同而异。2.探针的性能也和流体的温度、密度等紧密相关。3.探针的性能还和污染情况、速度范围等其它外部条件有关。4.探针在测量中是和电子仪器结合在一起使用的，因此真正的响应关系是建立在输出电压E和流动速度U之间的。 对于接近于大气压条件下的大多数实用情形，可以忽略密度变化的影响，校准表达式如下：式中E为风速计输出电压，A,B为以来于热线尺寸、流体物理特性和流动条件的常数，指数n在一定的速度范围内恒定，在大范围内随速度而变。课件设计：洪冶热线探头的实际特性曲线必须经过风洞校准试验求得

按一个已知速度U，对应在风速计上读出一个电压值E来做出E-U曲线，也就是校准曲线。产生这种已知速度U的装置称之为校准装置。课件设计：洪冶

当热线轴线与气流速度的方向垂直时，气流对热线的冷却能力最大，即热线的热耗最大，若两者的交角逐渐减小，则热线的热耗也逐渐减小。课件设计：洪冶课件设计：洪冶

在无限长线中，如果沿线方向均匀加热，并且假定过热比不大，那么每单位长度的热损耗仅仅与垂直速度分量Ucos有关。其中为来流与x轴之间的夹角，于是

式中Ky偏航因子，说明倾斜热线的热损失确实要比正常热线在同样法线速度分量值情况下的热损失大一些。在铂丝的情形，当l/d=200时，Ky值差不多为0.2。当l/d增加时，Ky值逐渐减小，在l/d=600，Ky值几乎为零。对于在三维空间工作的热线，引进坡度因子Kz对于一般的有限长线，实际上存在着沿线方向的热对流转换，于是一般情况Kz的值大约在1到1.2之间课件设计：洪冶(四)平均流速的测量实际使用时，采用下面公式

E2=A+B+CVR式中A----A=;E0是流体速度为零时热线电桥的桥顶电桥

B、C、n----根据实验数据用最小二乘法确定的常数

vR----当量冷却速度，简称冷速度vR意义：如果速度为v的气流对热线的冷却作用与在支杆平面内且垂直于热线的气流速度vR的冷却速度相同，则vR叫做v的“冷速度”。课件设计：洪冶

用热线风速仪测量平面气流平均流速的大小和方向，分直接测量和间接测量。直接测量平面气流：转动热线探头以改变来流对热线的冲角，直到桥顶电压E达到最大值。此时，来流方向与热线垂直，速度v的大小可根据测得的桥顶电压E和热线探头速度特性曲线求得。 缺点：方向误差较大间接测量平面气流：放入热线探头后可测得桥顶电压E1,将探头转过一个已知角度，再得到桥顶电压E2,查速度特性曲线可得vR1和vR2,解联立方程

vR1=v(a+bcos) vR2=v[a+bcos(+)]从而解得v和，v为平均流速。课件设计：洪冶(五)脉动气流的测量当气流在平均流速上迭加一个脉动速度时，热线风速仪的桥顶电压E含有两个分量：直流电压和交流电压e。此时桥顶电压与流速的关系可写为 （+e)2=A+B展开得

2+2e+e2=A+B+ B+对平均流速，有

2=A+B忽略高阶无穷小量，得脉动速度

=这样，测得e后就可方便地得到课件设计：洪冶(六)热线风速仪的频率特性热线风速仪用于非稳定气流的测量时，应考虑热线的热惯性。热线是一个惯性环节，在动态测量时其传递函数G(j)为：

式中

---角频率

K----热线的静态灵敏度

T----热线的时间常数

由热线的频率特性可见，电压e一阶滞后于流速v。 在恒温风速仪中，速度脉动引起的测量桥路不平衡误差信号，经过放大，并按一定的相位关系反馈到桥路顶端，调整桥路供电电压，使测量桥路自动平衡。这种负反馈作用使整个系统的时间常数比热线的时间常数小500倍，从而大大的拓宽了测量气流脉动的频率范围。

课件设计：洪冶 恒温风速仪在使用中的关键问题是系统的频率最佳化的调节问题 因为希望在一定的频率范围内，风速仪对速度脉动的响应是均匀的。这就需要最佳化调节，最佳化调节就是将风速仪系统调节到测量精度所允许的最宽、最适当的频率响应范围。

方波试验：利用具有高次谐波的方形波这种特殊形状的电流加在热丝上，以代替加在热丝上的实际风速，来调节风速仪系统的最佳频率响应，得到风速计的截止频率。课件设计：洪冶课件设计：洪冶（七）智能流速测量系统课件设计：洪冶课件设计：洪冶课件设计：洪冶3.系统利用了单片机控制操作处理技术，实现了多种智能化功能，提高了自动化程度。

有：

（1）冷电阻的自动测量 （2）过热比的自动调节； （3）工作电阻的自动测量； （4）探针电流的安全加载； （5）偏置电压的自动调节 （6）系统硬件的自动诊断；课件设计：洪冶4.系统稳定性好，频带很宽，一般可达700KHz以上，比传统HWFA宽三到五倍，改善了系统的动态性能。5.系统配置了WindowsNT平台上的多功能多用途的先进软件包，大大地扩大了使用范围，软件功能有较大的发展。课件设计：洪冶（八）热线风速仪的应用三个速度的分离和测量通常速度分量的测量是建立在热线方向的灵敏度基础上的，为了对脉动分量获得最大并且相同的灵敏度，一般总是将热线放置在与平均流速成45度角的位置上。单线探针法这种方法就是在热线对速度和偏航角敏感关系式的基础上，用绕探针轴旋转以改变偏航角的办法，建立具有u,v,w三个未知数的三个方程，然后解出u,v,w以实现三个速度分量的分离和测量。热线的脉动电压输出是平均流速和流动角度的函数在小扰动情况下课件设计：洪冶从上式可得其中速度灵敏系数角度灵敏系数利用上式，用改变偏航角的办法建立三个方程，从而解出u2,uv,v2,然后再绕探针轴旋转90度，再变动偏航角，又建立三个方程，从而又可解出u2,uw,w2。课件设计：洪冶动力测压法测量流速在静止气体中，由于不存在切向力，故这个力与所取面积的方向无关，称为静压力。对于运动流体而言，静压可用垂直于流体运动方向单位面积上的作用力来衡量。总压力是指流体在某点速度等熵滞止到零时所达到的压力。课件设计：洪冶临界点滞止压力是指在没有外力的作用下，流体速度绝热地减速到零时所产生的压力，此时，流体的全部动能全部绝热地转变成压力能。总压与静压之差称为动压课件设计：洪冶应用动力测压法测量流速的压力感受元件为测压管伯努利方程式课件设计：洪冶不可压缩流体课件设计：洪冶可压缩气体课件设计：洪冶测压管的使用上限不超过相当于马赫数为0.25时的流速测压管的使用下限为被测量的流速在全压孔直径上的雷诺数需超过200课件设计：洪冶测压差的方法（1）利用总压管、静压管，分别测量流体的总压和静压，以确定流体速度。（2）利用专门设计的复合测压管，同时测量流体的总压和静压（或两者之差），以确定流体速度。由测压管、连接管和显示或记录仪表三部分组成的测压系统，就可以测量流体的流速。课件设计：洪冶1.流体总压、静压的测量(1)

流体总压测量与测压管测量流体总压的总压管在使用时，其感压孔轴线应对准来流方向。希望总压管对流动方向越不敏感越好课件设计：洪冶L形总压管制造容易，使用安装方便。它对流动偏斜角的灵敏性取决于压力孔直径与管子外径之比以及总压管头部的形状课件设计：洪冶圆柱形总压管可以制作得很小，惯性不大，工艺性好，制造容易，使用方便。课件设计：洪冶套管式总压管在马赫数变化较大范围内，它对流动偏斜角的不灵敏度达到±(40～50)课件设计：洪冶（2）流体的静压测量与测压管测量被绕流体表面上某点的压力或流道壁面上流体的压力这时可利用在通道壁面或绕流物体表面开静压孔的方法进行测量。课件设计：洪冶确定流场中某点的压力，也就是运动流体的压力。这时可以利用尺寸较小具有一定形状的测压管插入流体中，进行流体压力测量。L形静压管、盘形静压管、套管形静压管需要测量平直流道内的流体静压时可采用在流道壁面开静压孔的方法来测量。课件设计：洪冶课件设计：洪冶二、测压管的标定测压管标定的主要目的是为了确定测压管的校正系数、方向特性、速度特性等内容。课件设计：洪冶1.总压管的标定总压管要标定的是总压管的校正系数以及在不同流速时，总压管对流动偏斜角的不灵敏性。课件设计：洪冶2.静压管的标定静压管要标定的是：静压管在零偏斜角时，静压管的校正系数或速度特性，以鉴定静压孔对气流静压的感受能力在不同流速时，静压管对气流方向变化的不灵敏性课件设计：洪冶3.毕托管的标定毕托管要标定的是毕托管的校正系数以及在不同流速时，毕托管对流动偏斜角的不灵敏性课件设计：洪冶4.测压管的标定方法测压管的标定是在校正风洞内采用比较法进行标定的。课件设计：洪冶

§4.2流量测量§4.2.1概述

一、流体的流量流量的定义：流体流量是指单位时间内流过管道或明渠某一截面流体的量，也称为瞬时流量。在某一段时间间隔内流过某一截面的流体的量称为流过的总量，也称作积分流量或累积流量。总量除以得到总量的时间就称为该段时间内的平均流量。流体流量的表示：一般可分为质量流量qm和体积流量qV。两者之间满足以下关系：

qv=vF在国际单位制中，qm的单位为kg/s，qV的单位为m3／s。

二、流量测量方法1．容积法；2．速度法；3．质量法三、流量测量系统流量测量系统一般由传感器、信号传输、信号转换装置和流量显示及计算装置四部分组成。课件设计：洪冶（1）体积流量qv单位时间内通过某截面的流体的体积,单位为m3/s。根据定义,体积流量可用下式表示:qv=（11-26）式中V为截面A中某一面积元dA上的流速。如果用流体的平均流束V表示,则体积流量可写成qv=vA（11-27）（2）质量流量qm单位时间内通过某截面的流体的质量,单位为kg/s。根据定义,质量流量可用下式表示:qm=（11-28）若用平均流速表示,则可简写为（11-29）

传感器感受流量Q的变化，Q可以是质量流量qm或体积流量qV，其输出为与流量有关的某个物理量，如差压、速度等。信号转换装置将输出量转变成相应的电信号，然后由显示积算装置直接显示瞬时流量或对瞬时流量积分得到累积流量。

四、流量计的校验与标定流量计的标定是一件比较困难的工作，因为流量是质量或体积对时间的导数，难以由定义直接做出流量单位的标准器。一般是在流量不变的前提下，使流体连续流入标准容器V中，精确测量流体流动的起止时间和流入容器的流体总量，用平均流量代替瞬时流量作为标准。因此，在累积时间内，必须保证流体流动高度稳定，并且计时和计量都要足够准确。课件设计：洪冶§4.2.2涡轮流量计

一、涡轮流量计的组成及测量原理

涡轮流量计由两部分组成：变送器和指示积算器。变送器完成将被测流量转换成一定频率的脉冲信号输出，指示积算器接受变送器输出的脉冲信号，将其转换、放大、运算、逻辑计数，显示瞬时流量和累积总量。

涡轮流量计实质上为一零功率输出的涡轮机，其变送器主要由涡轮、导流器、磁电转换器组成，结构如图4-2所示。壳体和导流器由不导磁材料制成。导流器的作用是支承叶轮并导直流体的流动，以减少流体自旋及涡漩的干扰。

涡轮流量计结构

1—涡轮；2—支承；3—永久磁钢；4—感应线圈；

5—壳体；6—导流器

课件设计：洪冶

（1）流量一转速的转换原理当涡轮处于匀速转动的平衡状态时，假设不计叶轮转动的摩擦阻力、流体粘性阻力及感应线圈中感应电流所引起的电磁反作用力矩的影响。

设涡轮叶片与轴线的夹角为θ，叶轮的平均半径为r0，流体的流通面积为A0，流体流经叶轮相应半径r0处的轴向流速为v0切向流速为vg，故有

式中C——与叶轮参数、轴向流速分布有关的系数；

——平均流速。

课件设计：洪冶

（2）叶轮转速的测量在涡轮流量计中，叶轮的转速是通过磁电转换的原理来测量的，输出信号为代表转速的脉冲频率信号。磁电装置中的永久磁钢上绕有线圈，当叶片转动经过永久磁钢的顶部时，因叶片为导磁材料而改变原磁路的磁阻，从而使磁通发生变化，故在线圈上感应出电势信号。显然电势信号是脉动式的，其频率为

f=zn式中z——

涡轮上的叶片数。

式中——仪表常数。在一定时间间隔内对流量进行积分时，得累积的总流量为：式中N——在t1到t2时间间隔内流过QV流体时输出的脉冲数。课件设计：洪冶仪表常数ζ的意义为单位体积流量输出的脉冲数。从理论上说，在一定条件（流体性质、状态、变送器结构、流量一定）下，ζ是一个常数。当上述条件变化时，ζ值也随之变化。这是因为上述条件都将能影响到式中的参数C。在前述qV～n关系推导的前提条件中，流体的粘滞阻力将会影响流通截面A0上的流速分布，这种影响也表现为C的变化。从理论上研究各种因素对C的影响较为复杂，对于涡轮流量计，反映C值变化的是仪表常数ζ，它是根据实际情况标定的，而且在使用的范围内按实际标定出的ζ值是常值。下图是仪表常数ζ随Re变化的特性曲线。

实际上，涡轮流量计出厂时。ζ值由厂家根据适用的流体标定给出。

课件设计：洪冶（二）磁电转换器

磁电转换器是把涡轮的转速转换成电气频率信号的装置，它由磁电感应装置和前置放

大器组成。

转速一频率转换是一种磁阻式磁电感应转换方式。感应装置安装在管道外部壳体上，它是由永久磁钢和感应线圈组成，正对下部的转动涡轮。涡轮转动时，当叶片转到永久磁钢的正下方时，磁路的磁阻最小；当叶片转过时，磁阻变大。由于磁阻的变化，所以磁路中的磁通发生变化，因此在线圈中感应出电势。其电势是脉动电势，频率f=zn。

感应出的电势信号比较微弱，经置于转换器之中的前置放大器放大后输出。

二、流量指示积算器

流量指示积算器是涡轮流量计的显示器。它完成瞬时流量的显示和总量显示。它的电路主要有两部分：瞬时流量显示电路和总量显示电路。

课件设计：洪冶

涡轮流量计的这种显示器，实际上是一个脉冲频率测量和计数的仪表，它将涡轮变送器输出的单位时间内的脉冲数和一段时间内的脉冲总数按瞬时流量和累积流量显示出来。这类显示仪表的类型很多，在仪表设计中可根据实际需要灵活选用。下图是一种显示仪表的工作原理方框图。仪表由整形电路、频率—电压变换电路、仪表常数除法运算电路、电磁计数器和自动回零电路、机内振荡器和电源等部分组成。显示仪表工作原理方框图课件设计：洪冶

§4.2.3转子流量计

转子流量计是工业生产过程中应用较为广泛的一类流量计。它又称浮子流量计、恒压降变截面流量计。按锥形管材料的不同可分为玻璃管转子流量计和金属管转子流量计。玻璃管转子流量计耐压能力低，一般为就地直读式。金属管转子流量计耐压能力高，一般有就地指示型和信号远传型。

转子流量计适用于多种介质的流体（气体、液体），在火电厂中，常用于化学水处理过程的水流量测量和锅炉点火过程控制中的轻油油量测量。它特别适用于小管径，低雷诺数的中小流量测量。

一、玻璃管转子流量计

（一）结构组成

玻璃管转子流量计主要由锥形管、转子两部分组成。

玻璃管转子流量计

1—

罩壳；2—玻璃锥管；3—浮子

4—密封填料；5—连接法兰

课件设计：洪冶（二）工作原理及流量公式浮子处于锥形管中，相当于通流面积A0可变的节流件。流体流经节流件所产生的差压与体积流量的关系如下：式中α——与浮子形状、尺寸等有关的流量系数。

ρ——流体密度。当浮子处于力平衡情况下，差压对浮子产生向上的作用力加上流体对浮子的浮力，等于浮子的重力，即由此可知

式中Af——浮子的有效面积。

Vf——浮子体积。

ρf，ρ——分别为浮子材料和流体的密度；

g——当地的重力加速度。课件设计：洪冶体积流量qV与通流面积A0之间的关系：考虑到锥度很小的锥形管中通流面积A0与浮子在管中的高度H近似成正比，即

A0≈CH式中C——与圆锥管锥度有关的比例系数。因此可得体积流量与浮子高度的关系式：由上式可知，如果增大锥管长度H，增大锥度，可扩大仪表的量程，提高流量测量范围。流量公式中的流量系数α与浮子的形状以及流体的雷诺数等有关，对于一定的浮子形状，当雷诺数大于某一数值时，流量系数趋于一常数。因此，对于一定材料、形状的浮子和一定密度的流体，雷诺数在低限雷诺数以上，就能得到体积流量和浮子位置之间的线性刻度关系。如图4-9所示三种浮子的转子流量计流量系数α与雷诺数的关系。课件设计：洪冶

1为旋转式浮子，它的低限雷诺数约为6000，较其它两种下限值要高，多用于直接指示的转子流量计；2为圆盘式浮子，它的低限雷诺数约为300，3为板式浮子，低限雷诺数约为40，它们在较低的雷诺数下，流量系数α就趋于常数，流量的测量范围比较宽。玻璃转子流量计的示值显示有两种：一种在锥管上由转子的高度直接读出流量值，另一种是采用百分刻度（分为等分和非等分刻度）。

二、金属管转子流量计金属管转子流量计的锥形管是用金属材料制成的，对于流量的检测原理与玻璃管转子流量计是相同的。很显然，测量时不能直接从锥形管内直接测出浮子的位置，因此都是把浮子的位移再进行传递变换。传递变换后的位移信号可以直接用于就地指示，也可以将该位移进一步进行电气信号的转换。金属管转子流量计有就地指示型和电气信号远传型，由于浮子的位移必须经过传递机构进行转换，所以浮子的位移与流量一般是非线性关系，这主要是位移传递机构所致。课件设计：洪冶§4.2.4

涡街流量计

涡街流量计，又称旋涡流量计，是70年代发展起来的一种新型流量计。它适用于气体流量和液体流量测量。仪表的精确度高（达±1.0％），量程比宽（B=30：1），输出线性好。它输出频率信号，抗干扰性能好，便于远距离传输，在火电厂可用于送风流量的测量。涡街流量计由检测器和转换器组成。

一、测量原理这种流量计的工作原理是利用了流体力学中的卡门涡街现象，即在流体中放置一个外形为对称形状的非流线型柱体，在一定的雷诺数范围内，它的下游两侧就会交替产生两列不对称的的漩涡，两侧漩涡的旋转方向相反，并轮流从柱体上分离出来，在下游侧形成所谓的“涡街”，如图所示。

“涡街”的发生情况（a）圆柱体；（b）等边三角形柱体课件设计：洪冶实验表明，当h／L=0.281时，产生的涡街是稳定的，这就是“卡门涡街”。且单侧的漩涡脱落的频率f与柱体附近的流体流速v成正比，与柱体的特征尺寸l成反比，即式中St——斯特罗哈尔数，无因次数；

l

—一柱体的特征尺寸。St是以柱体特征尺寸l计算流体雷诺数Rel的函数。经实验验证，Rel在500~150000的范围内，St基本不变。对于圆柱体，St=0.2；对于等边三角柱体，St=0.16。因此当柱体的形状、尺寸决定后，就可以通过测定单侧旋涡释放频率f来测量流速和流量。对于工业圆管，旋涡流量计一般应用在Rel=1000~100000范围内。设管内插入柱体和未插入柱体的管道通流截面比为m，当l/D<0.3时，可以证明根据流动的连续性原理，管道的通流截面比与柱体处的流体流速v及无柱体处的管内平均流速有如下关系：

课件设计：洪冶圆管中旋涡的发生频率f与管内平均流速的关系为:所以，体积流量与频率f之间的关系为：

二、旋涡发生频率f

的检测方法只要测得旋涡的发生频率f，就可以测得流体的体积流量。旋涡频率信号

f的检出方法很多，可以利用漩涡发生时发热体散热条件变化的热检出；也可以用漩涡发生体两侧产生的差压来检出，差压信号可通过压电变送或应变片变送，等等。

三、涡街流量计的特点及安装涡街流量计具有以下的特点：（1）漩涡的频率只与流速有关，在一定雷诺数范围内，几乎不受流体性质（压力、温度、粘度和密度等）变化的影响，故可不需单独标定。（2）测量精度高，误差约为1级，重复性约±0.5级，不存在零点漂移的问题。（3）压力损式小，流量测量范围宽。涡街流量计特别适于大口径管道的流量测量。课件设计：洪冶四漩涡频率的测量图

图为三角柱体涡街检测器原理示意图，在三角柱体的迎流面对称地嵌入两个热敏电阻组成桥路的两臂，以恒定电流加热使其温度稍高于流体，在交替产生的漩涡的作用下，两个电阻被周期地冷却，使其阻值改变，阻值的变化由桥路测出，即可测得漩涡产生频率，从而测出流量。课件设计：洪冶§4.2.5电磁流量计

(1)测量原理和结构

电磁流量计是基于法拉第电磁感应原理制成的一种流量计。当被测导电流体在磁场中沿垂直磁力线方向流动而切割磁力线时，在对称安装在流通管道两侧的电极上将产生感应电势，此电势与流速成正比。

流体流量方程为：

B—为磁感应强度；D—管道内径；u—流体平均流速；E—感应电势。课件设计：洪冶电磁流量计原理图MKULC2100系列电磁流量计课件设计：洪冶

测量介质：导电介质

流速范围：0.3~10m/s

测量精度：0.5%FS

1.0%FS

显示方式：LCD显示瞬时流量，累积流量。

介质温度：0~70℃；0~90℃；0~150℃（可选）

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

输出信号：频率输出0~2kHz；

电压输出1~5V

电流输出4-20mA；

RS-485串行接口

断电数据保存时间：10年

电源：220VAC±15%

24VDC±5%（可选）

平均无故障工作时间：MTBF=30000h

防护等级：IP67、IP68（只适用于分体型）

衬里材料：聚氨脂橡胶、氯丁橡胶、聚四氟乙烯、F46。

电极材料：316L，哈氏合金HB；哈氏合金HC；特殊材料

（如：钛、钽、铂等稀有金属材料）。

MKULC2100系列电磁流量计性能特点：课件设计：洪冶

电磁流量计的结构如图所示：

课件设计：洪冶(2)

电磁流量计的特点及应用

优点：

压力损失小，适用于含有颗粒、悬浮物等流体的流量测量；可以用来测量腐蚀性介质的流量；流量测量范围大；流量计的管径小到1mm，大到2m以上；测量精度为0.5-1.5级；电磁流量计的输出与流量呈线性关系；反应迅速，可以测量脉动流量。

缺点：

被测介质必须是导电的液体，不能用于气体、蒸汽及石油制品的流量测量；流速测量下限有一定限度；工作压力受到限制。结构也比较复杂，成本较高。

课件设计：洪冶

§4.2.6

容积式流量计椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计工作原理：课件设计：洪冶由于流体在流量计入、出口处的压力P1P2，当A、B两轮处于(a)所示位置时，A轮与壳体间构成容积固定的半月形测量室(图中阴影部分)，此时进出口差压作用于B轮上的合力矩为零，而在A轮上的合力矩不为零，产生一个旋转力矩，使得A轮作顺时针方向转动，并带动B轮逆时针旋转，测量室内的流体排向出口；当两轮旋转处于(b)位置时，两轮均为主动轮；当两轮旋转90，处于(c)位置时，转子B与壳体之间构成测量室，此时，流体作用于A轮的合力矩为零，而作用于B轮的合力矩不为零，B轮带动A轮转动，将测量室内的流体排向出口。课件设计：洪冶

当两轮旋转至180°时，A、B两轮重新回到位置(a)。如此周期地主从更换，两椭圆齿轮作连续的旋转。当椭圆齿轮每旋转一周时，流量计将排出4个半月形(测量室)体积的流体。设测量室的容积为V，则椭圆齿轮每旋转一周排出的流体体积为4V。只要测量椭圆齿轮的转数N和转速n，就可知道累积流量和单位时间内的流量，即瞬时流量：课件设计：洪冶

当两轮旋转至180°时，A、B两轮重新回到位置(a)。如此周期地主从更换，两椭圆齿轮作连续的旋转。当椭圆齿轮每旋转一周时，流量计将排出4个半月形(测量室)体积的流体。设测量室的容积为V，则椭圆齿轮每旋转一周排出的流体体积为4V。只要测量椭圆齿轮的转数N和转速n，就可知道累积流量和单位时间内的流量，即瞬时流量：课件设计：洪冶§4.2.7超声波流量计

超声波测流量的作用原理有传播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、相关法、流速—液面法等多种方法。

(1)传播速度法测量原理

超声测速原理课件设计：洪冶①时差法

时差法就是测量超声波脉冲顺流和逆流时传播的时间差。流体流速

t1-按顺流方向，超声波到达接收器时间；t2-按逆流方向，超声波到达接收器时间。课件设计：洪冶②相差法

相位差法是把上述时间差转换为超声波传播的相位差来测量。超声波换能器向流体连续发射形式为

的超声波脉冲，式中为超声波的角频率。

按顺流方向发射时收到的信号相位；按逆流方向发射时收到的信号相位。课件设计：洪冶③频差法

频差法是通过测量顺流和逆流时超声脉冲的循环频率之差来测量流量的。

顺流时脉冲循环频率：

逆流时脉冲循环频率：

脉冲循环频差：

流体流速:

流体体积流量方程：

课件设计：洪冶(3)超声波流量计的特点与应用

超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示系统组成。超声波换能器通常由锆钛酸铅陶瓷等压电材料制成，通过电致伸缩效应和压电效应，发射和接收超声波。换能器在管道上的配置方式如图所示：

超声波换能器在管道上的配置方式课件设计：洪冶§4.3节流式流量计

§4.3.1概述节流式流量计是工业上最为广泛使用的一类流量测量仪表。工作原理：在管道中放置一节流元件，流体流经节流元件时发生节流，在节流元件的前后两侧产生压力差（差压）。当流体、工况、管道、节流件、差压取出方式一定时，管道流量与差压有确定的关系。因此可通过测量差压来测量流量。节流式流量计也称为变压降式流量计。分类：节流式流量计有标准化和非标准化两类。无论哪一类，它们都是非通用仪表，即安装在生产过程中使用着的节流式流量计仅适用于该地的情况和工况。因此节流式流量计是根据要求具体设计、安装、使用的。标准节流装置在火电生产过程中是很重要的一类流量仪表。非标准节流装置多用于脏污介质、高粘度、低雷诺数、非圆管道截面、超大及过小管径等流量测量。它们的测量原理与计算方法与标准节流装置相同，所不同的是非标准节流装置没有统一标准化的数据、资料、没有统一的误差计算方法等。标准节流装置的设计计算：要严格遵循标准节流装置设计、安装和使用的国家“标准”或国际“标准”。按“标准”进行设计、安装、使用的标准节流装置，其流量与差压的关系按理论公式标定，并有统一的基本误差、计算方法，一般不需要进行实验标定或比对。

课件设计：洪冶

组成：节流式流量计流量的测量系统由节流装置、差压计或差压变送器、二次显示仪表（动圈表、自动电位差计）等组成。在“标准”中对标准节流装置结构、适用的条件、安装及检验方法都做了严格的规定。我国在1981年出版了“GB2624—81流量测量节流装置”标准。在国际上，1991年12月由ISO（国际标准化组织）出版了“ISO5176—1用差压装置测量流体流量”的新国际标准。1993年2月3日我国颁布了关于节流式流量计新的国家标准，即GB／T2624—93，它的内容与国际新标准是一致的。2.标准节流装置

一、标准节流装置的组成与类型标准节流装置由三部分组成：节流件、取压装置、测量直管段（节流件前10D，后5D），如图4-11所示。我国GB/T2624—93标准中规定的标准节流装置有：角接取压标准孔板、法兰取压标准孔板、D和D取压标准孔板、角接取压标准喷嘴（ISA1932喷嘴）、长径喷嘴（D和D取压）、经典文丘里管（入口圆筒段上取压和喉部取压）、文丘里喷嘴（上游角接取压和喉部取压）。课件设计：洪冶

二、适用的流体条件标准节流装置适用于测量圆形截面管道中的单相、均质流体，即是可压缩的（气体）或认为不可压缩的（液体）牛顿流体。同时，要求流体充满管道；流体流动是稳定的或随时间缓变的；流动不可以是脉动流和旋转流，流束与管道轴线平行；流体流经节流件前流动应达到充分紊流，在节流件前后一定距离内不发生相变或析出杂质；流速小于音速。

三、适用的管道条件（一）节流件前后应有足够长的直管段L

标准节流装置组成部分中的测量直管段（前10D后5D，一般由仪表厂提供）是直管段L（最小直管段）的一部分。对于测量直管段，要求其内表面必须是光滑的，L的其余部分内表面可以是粗糙的。对于管道内表面光滑的判定是应不超过表4-1、表4-2给出的相对粗糙度上限值。节流件上游阻流件的形式及上下游阻力件的位置将影响流速分布，节流孔d与管道内径D之比β=d／D（直径比）也将影响流速分布。因此，若要求流体流到节流件前1D达到充分紊流的状态，则要在节流件前后有足够的直管段，不然就保证不了测量的精确度。课件设计：洪冶表4-1标准孔扳上游管段相对粗糙度（Kc/D）上限值

表4-2ISA1932喷嘴上游管段相对粗度（Kc/D）上限值课件设计：洪冶

最小直管段L由三段长度（l0，l1，l2）组成，l1是节流件与上游第一阻流件之间的直管段最小长度，由第一阻流件形式和β值决定，按下表查算。l0是上游第一阻流件与上游第二阻流件之间的直管段，由第二阻流件的形式和β=0.7（无论产的实际值为多少）决定，按下表给出值的一半计算。l2是节流件到下游阻流件直管段的最小长度，无论上游阻流件的形式如何均决定于β的值，由下表查算。

课件设计：洪冶（二）适用于圆形截面管道测量段管道应被流体充满。节流件及取压装置安装在两圆形直管之间。在所要求的整个直管段长度上，管道截面应该是圆形的，没有特殊要求，只是在邻近节流装置附近对管道的圆度有特殊要求，这在“标准”中有详细规定。对于管道的粗糙度、节流件上游10D、下游5D（测量直管段），要求满足给出的相对粗糙度上限值，L的其余部分和L以远的管道可以是粗糙的。

三、节流件的结构形式（一）标准孔板标准孔板的结构形式如图所示。标准孔板结构简单，加工方便，价格便宜。它的特征孔径是节流孔前段圆筒形孔径d。标准孔板两侧的压力差信号可以采用角接取压（上、下侧压力在孔板前后端面处取出）、法兰取压（上、下侧压力在连接法兰上距孔板前后端面25.4mm处取出）和径距取压（上侧压力在测量管段上距孔板前端面1D处取出，下侧压力在测量管段上距孔板后端面D处取出）。课件设计：洪冶角接取压标准孔板的适用范围：d≥12.5mm，50mm≤D≤1000mm，0.2≤β≤0.75，ReD≥5×103（0.2≤β≤0.45），ReD＞104（β＞0.45）。

法兰取压和径距取压标准孔板的适用范围：d≥12.5mm，50mm≤D≤1000mm，0.2≤β≤0.75，ReD≥1260β2D（D：mm）。

孔板的角接取压可采用单独钻孔或环室取压装置，如图（a）所示。法兰取压装置如图（b）所示。课件设计：洪冶（二）标准喷嘴标准喷嘴有两种结构形式：ISA1932喷嘴、长径喷嘴。其结构形式见图所示。

当d＞2D／3时，还应在入口部分切除一部分圆廓形收缩段。显然此时收缩部分的最大直径为D，见图（a）。若d≤2D／3，则喷嘴的总长度为0.6041d（不包括F护槽）。若d＞2D／3，由于切除了一部分入口圆廓形收缩段，则喷嘴的总长度变短，其应切去的长度为

课件设计：洪冶

ISA1932喷嘴角接取压装置有单独钻孔和环室取压。

ISA1932喷嘴的适用范围：50mm≤D≤500mm，0.30≤β≤0.80，7×104≤ReD≤107（0.30≤β≤0.44时），2×104≤ReD≤107（0.44≤β≤0.80时）。

五、压力损失流体流经节流件发生节流时，由于流体微团的碰撞以及在节流件前后附近产生涡流，将产生能量损失。这种能量损失表现为不可恢复的压力损失。压力损失与直径比β和流速（或流量）有关，通过实验可得到它们之间的关系。对于角接标准孔板、法兰标准孔板、径距标准孔板、ISA1932喷嘴、长径喷嘴等标准节流装置的压力损失可以用下式近似计算：

六、标准节流装置的误差按照“标准”进行节流装置的设计、制造、安装、使用时，其基本误差是按照“标准”中提供的计算公式进行计算的。按“标准”计算给出的装置测量不确定度，其置信概率为95％。当设计、制造、安装、使用等环节中有违背“标准”要求时，则将由此产生附加误差。附加误差的极性与大小或修正系数是通过大量实验确定的。只要标准节流装置符合“标准”要求，就应该按“标准”计算得出其不确定度。

课件设计：洪冶3．流量公式流量公式就是差压和流量之间的关系式。它是通过伯努利方程和流动连续性方程来推导。

一、不可压缩流体的流量公式流体在管道中发生节流时，管道中各处的流速变化及压力变化情况见图所示。课件设计：洪冶在节流件前没有发生节流的位置上取截面A，对于一定常的流动，在截面A和截面B处将满足流体质量守恒和能量守恒。在充分紊流的理想情况下，流体流动连续性方程和伯努利方程为由上两式解方程组，可得引入如下几个参数：（收缩系数）（截面比）（取压系数）课件设计：洪冶

可写成：

所以，可得质量流量：

定义流量系数α和流出系数C：

于是，不可压缩流体的流量公式为

课件设计：洪冶

二、可压缩流体的流量公式

对于可压缩流体，在截面A、截面B处同样满足质量守恒和能量守恒。由于在截面B处可压缩流体的密度是未知的，并且由于流体的膨胀，μ值与不可压缩流体也不相同。但考虑到可压缩流体的节流过程仍可视为等熵过程，故在等熵过程的热力学方程中对未知流体密度有一定的约束。

为方便起见，规定公式中的密度仍使用节流件前的流体密度ρ1，α和C值仍取相当于不可压缩流体时的数值，而把全部的流体可压缩性对流体系数和流出系数的影响用一个流束膨胀系数ε来考虑。当流体为不可压缩性流体时，ε=1。所以流量公式可统一写成：

流量公式中各量的单位为：体积流量qV—m3/s；质量流量qm——Kg/s；直径d或D—m；密度ρ1—kg/m3；差压Δp—Pa。

课件设计：洪冶

三、标准节流装置的流出系数C值及其不确定度标准节流装置的流出系数C值是通过在流量试验台上测定qm和与之相对应的Δp，然后用上述流量公式计算得到的。对于一定形式的标准节流装置，其流量系数α和流出系数C仅与β和雷诺数ReD有关，图4-16是标准孔板和ISA1932喷嘴的α、C和ReD、β之间的关系曲线。从图中可见，当雷诺数大到一定值后，α和C就与雷诺数值无关，趋于一定值。1．标准孔板的C值及其不确定度

“标准”中取得C值的原始实验，对于角接取压是在相对粗糙度为Kc／D＜3.8×10-4，而对于径距取压则是在Kc／D＜10×10-4的管道中进行的，但只要所使用管道在节流件上游侧10D长度内的粗糙度不超过前节所列的限值，C的数值仍是可用的。在规定条件下，流出系数C主要取决于ReD、β，即C=f(ReD、β)。对于角接取压标准孔板：对于法兰取压标准孔板：

（D：mm，

D20≥58.6mm）课件设计：洪冶

（D：mm，D20<58.6mm）对于D和D/2取压标准孔板：对于上述三种取压方式，若ReD、β、D和Kc／D是已知的且无误差．则C值的百分率不确定度δc／C（置信概率为95％）为：对于β≤0.6，δc／C＝0.6％；对于0.6＜β≤0.75，δc／C=β％。

2、标准喷嘴（ISA1932喷嘴）的C值及其不确定度求取标准喷嘴C值的原始实验是在相对粗糙度Kc/D≤3.8×10-4的管道中进行的，但只要喷嘴上游侧至少有10D的长度的管道的粗糙度在前节规定的限值之内，C值仍然可用。标准喷嘴的流出系数C由下式给出：对于角接取压标准喷嘴：课件设计：洪冶对于长径喷嘴：若不考虑ReD、β、D的不确定度，并假定管道的Kc／D在规定的限值之内，则C值的百分率不确定度δc／C（概率为95％）为：对于β≤0.6时，δc／C＝0.8％时；对于β>0.6，δc／C=（2β-0.4）％。

四、标准节流装置的流束膨胀系数ε值及其不确定度

标准节流装置的形式确定后，其流束膨胀系数ε值决定于Δp/p1、κ和β值。其中κ是被测流体的等熵指数，对于过热蒸汽可近似取κ＝1.3，对空气κ=1.4。

为限制流体可压缩性对流量测量的影响，标准规定节流装置的Δp/p1＜0.25，即p2/p1＞0.75。

上述三种取压方式的标准孔板的ε值是由实验确定的，可用如下的经验公式计算：

若β、Δp/p1和κ是已知且无误差，则标准孔板ε值的百分率不确定度（概率95％）为4%。

课件设计：洪冶标准喷嘴的流束膨胀系数ε值是根据等熵流动过程直接从理论上推导出来的。由于流动过程不可能是等熵过程，所以存在误差，从理论上推导出计算标准喷嘴ε的公式如下：其中

标准喷嘴ε值的百分率