流动参数综合

流动参数的测量(流速\流量\液位)学习重点：

1、掌握流体流动速度的测量方法主要为：毕托管、热线风速仪

2、掌握工业界测量流量的常用仪表的特点。

3、掌握液位的常见测量技术一、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。第七章流速的测量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不可压缩流体可压缩气体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。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。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)（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。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。2.毕托管分别采用总压管和静压管测得流体的总压和静压，然后利用公式计算得到流体速度。缺点：不能同时测得某一点的流体的总压和静压。可同时测得流体总压和静压之差的复合测压管称为毕托管（动压管、速度探针）特点：结构简单，使用、制造方便，价格便宜，坚固可靠，精度高。毕托管测量的是空间某点处的平均速度，它的头部尺寸决定了它的空间分辨率根据所测量的流体性质，将毕托管设计成不同的形状，常用的有L形和T形。（1）L形毕托管（2）T形毕托管3.流动方向的测量与复合测压管能同时测出流体的总压及流速的大小和方向的测压管称为复合测压管在平面流场的测量中，常用二元复合测压管测量流体的总压、静压及流速的大小和方向。圆柱形、管束形和楔形测量流体总压测量流动方向二、二维气流流速的测量

对于作平面流动的气流，可以采用三孔测速管测量其流速的大小和方向。探头可以作成各种形状，如圆柱形、球形、尖劈形和锲形等。

为了提高精度，常用球形五孔三元测压管、管束形五孔三元测压管和楔形五孔三元测压管。探头形状

思考：为什么这样设计三、皮托管的标定

皮托管的标定是在校准风洞中进行的，校准风洞有吸入式、射流式、吸入-射流复合式以及正压等多种类型，其中最常用的是射流式风洞。

补充: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。第二节

热线流速仪测速

热线流速仪测速是一种以热线或热膜为探头的流速测量仪器，由于探头尺寸及热惯性均较小，因此可用于微风速、脉动速度以及皮托管难于安装场合的流速测量。一、基本构造热线流速仪有探头、信号和数据处理系统构成。探头按结构分为热线和热膜两种，均由电阻值随温度变化的热敏材料构成。

二、工作原理

热线流速仪是利用通电的探头在气流中的热量散失强度和气流速度之间的关系来测量流速的。热线流速仪的两种工作方式：恒流史和恒温式。（1）恒流式

在热线流速仪的工作过程中保持加热电流不变，热线的表面温度随流体流速而变化，其阻值也随之变化。（2）恒温式

在热线流速仪工作过程中，通过调节热线两端的电压以保持热线的电阻不变，这样可以根据电压值的变化，测出热线电流的变化，进而计算流速。

热线热膜风速计--利用放置在流场中具有加热电流的细金属丝(直径1m-10m，长度1-2mm)来测量风速的仪器。它是建立在热平衡原理基础上的。对热线材料的要求（镀铂钨丝）电阻温度系数要高机械强度要好电阻率要大热传导率要小最大可用温度要高热线探针--将金属丝的两端焊接到两根叉杆上,叉杆的另一端引出线,再加上保护罩并且在保护罩和叉杆之间装以绝缘填料,就构成了热线探针。起敏感元件作用的只有中间部分。热膜探针--由热膜、衬底、绝缘层和导线几部分构成。所谓热膜就是喷溅在衬底上的一层很薄的铂金膜，用熔焊方法将它固定在楔形或圆柱形石英骨架上，其上加有加热电流。热线的主要优点--利用极细的金属丝做成具有较大长度直径比的探针，既减少热传导的影响，又具有相当好的空间分辨率。频率响应高。热膜探针的特点：频率响应范围比热线窄。上限仅为100kHz工作温度较低，只比环境温度高20度工艺复杂，制造困难机械强度比热线高受振动的影响小，不存在内应力的问题阻值可由控制热膜厚度来调节热传导损失较小圆柱形热膜探针的优点不易被打断或碰伤细微粒不会遮断热膜有效地拉紧，重复性好连续流中金属丝的热耗散规律热传导过程---在设计中使之最小热辐射过程---温差小自由对流过程---流速大强迫对流过程与热损耗有关的因素介质的速度热线与介质之间的温度差介质的物理特性---导热、密度、粘度、浓度金属丝的物理特性---电阻温度系数、热导率、电阻率线的尺寸介质的可压缩性流动方向与热线方向之间的夹角第三节

激光多普勒流速仪测速

这种非接触式测速方法的重要优点有：①对流场无干扰；②输出特性的直线性相当好；③测量精度不受流体折射率以外的其他物理性能及温度、压力等参数的影响；④空间分辨率高、无惯性，因而频响特性好；⑤测速范围广；⑥测量方向特性稳定：⑦可以测量逆流现象中循环流的湍流速度成分。

一、工作原理

激光多普勒流速仪测速是利用激光多普勒效应进行流速测量的。多普勒效应定义：

散射光频率偏离入射光频率。。。二、测量多普勒频移的基本光路系统检测多普勒频移有两种基本方法，即直接检测和外差检测。外差检测的基本光路系统大致有三种：1、参考光束系统在流动测量中，合格的散射微粒应该具备以下基本特性：1）能够很好地跟随流体的运动2）具有高的散射效率3）具有良好的物理化学性质。

三、判断流速方向的频移装置第八章

流量测量

第一节

流量及其测量仪概述流量是流体在单位时间内通过管道或设备某横截面处的数量。质量流量：是单位时间内通过的流体质量，用qm表示，单位为kg/s。重量流量：是单位时间内通过的流体重量，用qG表示，单位为kgf/s。体积流量：是单位时间内通过的流体体积，用qV表示，单位为m3/s。

这三种方法中，质量流量是表示流量的最好方法。它们三者之间可以互相换算。质量流量和体积流量有下列关系：qm=ρqv质量流量和重量流量之间关系为：qG=qmg流量有瞬时流量和累积流量之分。所谓瞬时流量，是指在单位时间内流过管道或明渠某一截面的流体的量。所谓累积流量，是指在某一时间间隔内流体通过的总量。该总量可以用在该段时间间隔内的瞬时流量对时间的积分而得到，所以也叫积分流量。累积流量除以流体流过的时间间隔，即为平均流量。流量测量方法：（1）速度式流量测量方法——直接测出管道内流体的流速，以此作为流量测量的依据。（2）容积式流量测量方法——通过测量单位时间内经过流量仪表排出的流体的固定容积的数目来实现。（3）通过直接或间接的方法测量单位时间内流过管道截面的流体质量数。

工业上常用的流量计，按其测量原理分为以下四类：

1．差压式流量计：主要利用管内流体通过节流装置时，其流量与节流装置前后的压差有一定的关系。属于这类流量计的有标准节流装置等。

2．速度式流量计：主要利用管内流体的速度来推动叶轮旋转，叶轮的转速和流体的流速成正比。属于这类流量计的有叶轮式水表和涡轮式流量计等。3．容积式流量计：主要利用流体连续通过一定容积之后进行流量累积的原理。属于这类流量计的有椭圆齿轮流量计和腰轮流量计。

4．其它类型流量计：如基于电磁感应原理的电磁流量计、涡街流量计等。三、流量计的选用原则流量测量方法和仪表的种类繁多,分类方法也很多。至今为止,可供工业用的流量仪表种类达60种之多。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。

（1）根据被测介质的性质选择（2）根据用途选择（3）根据工况条件选择（4）其他第二节

流速法测量流量流速法测量流量是实验室常用方法

Q=AV第三节

差压式流量计一、测量原理与流量方程

差压式流量计这种以节流现象作为流量测量依据的仪表，简称差压式流量计。差压式流量计由节流装置、差压信号管道和差压计三部分组成。（一）流量方程式（二）流量方程中有关系数的确定1、流量系数2、流量膨胀校正系数二、节流装置常用的节流元件有标准件和非标准件两种。节流装置的取压方式通常有五种：角接取压、法兰取压、径距取压、理论取压和管接取压。三、差压计差压计是差压式流量计的信号检出部分。按工作原理分为：浮子式、环秤式、钟罩式、双管式、波纹管式、膜片式和电容式等。四、差压式流量计测量结果的修正

1、节流元件开孔尺寸d因温度变化的修正2、被测流体密度变化的修正3、综合修正系数a.标准孔板优点(1)应用最多的孔板式流量计结构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长;

(2)应用范围广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比拟;

(3)检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产,便于规模经济生产缺点(1)测量精度普遍偏低;

(2)范围度窄,一般仅3:1~4:1;

(3)现场安装条件要求高;

(4)压损大(指孔板、喷嘴等)

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

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4-1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，作用在浮子上的阻力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为浮子的阻力系数；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：特点(1)玻璃锥管浮子流量计结构简单,使用方便,缺点是耐压力低,有玻璃管易碎的较大风险;

(2)适用于小管径和低流速;

(3)压力损失较低。第五节

涡轮流量计

一、构造与原理涡轮流量计是一种典型的速度流量计，它利用安装于流动通道中的涡轮因叶子受流体流动的冲击而产生的旋转速度来反映流体的流量。

二、涡轮流量计的特性及其主要影响因素（一）涡轮流量计的特性1、线性特性2、压力损失特性（二）被测流体物性对流量计特性的影响1、流体粘度的影响2、流体密度的影响3、流体压力和温度的影响4、流动状态的影响优点:(1)高精度,在所有流量计中,属于最精确的流量计之一(2)重复性好;

(3)元零点漂移,抗干扰能力好;

(4)范围度宽;

(5)结构紧凑。缺点:1)不能长期保持校准特性;

(2)流体物性对流量特性有较大影响第六节

冲量式流量计

一、冲量式固体粉粒流量计的工作原理冲量法是基于动量定理进行流量测量的方法，其相应的测量仪器称为冲量式流量计，其中较典型的是水平分力式冲量式流量计。

其他流量计一、光纤差压式流量计光纤差压式流量计也是一种利用流体流动的节流原理进行流量测量的仪表。

二、光纤膜片式流量计这种流量计的工作原理是直接把流量信号转变为膜片上的位移信号。

三、光纤卡门涡街流量计光纤卡门涡街流量计与普通涡街流量计的不同之处，在于它4采用了光纤传感技术测量涡街的频率。

四容积流量计工作原理：在一定容积的空间里充满的液体，随流量计内部的运动元件的移动而被送出出口，测量这种送出流体的次数就可以求出通过流量计的流体体积。优点(1)计量精度高;

(2)安装管道条件对计量精度没有影响;

(3)可用于高粘度液体的测量;

(4)范围度宽;

(5)直读式仪表无需外部能源可直接获得累计,总量,清晰明了,操作简便。缺点(1)结构复杂,体积庞大;

(2)被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大;

(3)不适用于高、低温场合;

(4)大部分仪表只适用于洁净单相流体;

(5)产生噪声及振动。容积式流量计与差压式流量计、浮子流量计并列为三类使用量最大的流量计,常应用于昂贵介质(油品、天然气等)的总量测量。

工业发达国家近年PD流量计(不包括家用煤气表和家用水表)的销售金额占流量仪表的13%~23%;我国约占20%,其中椭圆齿轮式和腰轮式分别约占70%和20%椭圆齿轮流量计的特点流量测量与流体的流动状态无关，这是因为椭圆齿轮流量计是依靠被测介质的压头推动椭圆齿轮旋转而进行计量的。粘度愈大的介质，从齿轮和计量空间隙中泄漏出去的泄漏量愈小，因此核测介质的粘皮愈大，泄漏误差愈小，对测量愈有利。椭圆齿轮流量计计量精度高，适用于高粘度介质流量的测量，但不适用于含有固体颗粒的流体(固体颗粒会将齿轮卡死，以致无法测量流量)。如果被测液体介质中夹杂有气体时，也会引起测量误差。椭圆齿轮流量计的安装椭圆齿轮流量计在安装前应清洁管道．若液体内含有固体颗粒，则必须在管道上游加装过滤器；若含气体应安装排气装置。椭圆齿轮流量计对前后直管段没有一定的要求。它可以水平或垂直安装。安装时，应使流量计的椭圆齿轮转动轴与地面平行。椭圆齿轮流量汁的使用按照要求正确安装后的椭圆齿轮流量计，使用时即可保证足够的精度，通常累计值的精度可达0.5级，是一种较为准确的流量计量仪表。但是，如果使用时被测介质的流量过小，仪表的泄漏误差的影响就会突出，不能再保证足够的测量精度因此，不同型号规格的椭圆齿轮流量计对最小使用流量有一允许值，只有当实际被测流量大于该下限流量允许值时，测量精度才能得到保证。长期使用后的椭圆齿轮流量计，其内部的齿轮会被腐蚀和磨损，从而影响测量精度。因此，要经常注意观察，并定期拆下进行检查，若条件允许最好定期进行标定。椭圆齿轮流量计被测介质的温度,不能过高.否则不仅会增加测量误差，而且有使齿轮发生卡死的可能。为此，椭圆齿轮流量计其次，使用椭圆齿轮流量计要注意被测介质的温度不能过高，在仪表所规定的使用温度范围内使用。故障分析与排除序号故障现象原应分析排除方法备注1轮组件不转动1.有杂物2.过滤器堵3.被测介质压力过小2转子转动,计数器不动1.传动系统卡死,变速齿轮啮合不良2.传动系统,连接部分脱铆序号故障现象原应分析排除方法备注3指针转动时抖动或时走时停1.液体含气量大2.液体排量过小消气器4流量计运行时有异常响声1.流量过大,超过范围2.止推轴承磨损,轮组与中隔板或壳体摩擦或该部件松动序号故障现象原应分析排除方法备注5指针反转液体倒流6渗漏7计量误差过大1.液体含气2.旁路漏1消气器8发讯器无信号输出1.元件损坏2.光电开关松动3.发讯器连线松动序号故障现象原应分析排除方法备注9流量计积算显示仪表误差大1.有干扰信号2.显示仪故障3.显示仪与脉冲发讯器阻抗不匹配1接地2检查3加大阻抗10误差变负1.流量超出范围2.介质粘度偏小3.转子等部件转动不灵活1不得超出2更换齿轮3更换部件序号故障现象原应分析排除方法备注11误差变正1.流量有大的脉动2.介质有气3.介质粘度变大1减小脉动2加消气器3重新检定,更换调整齿轮流量计的停用1记录停运前的流量计的进出压力2先关进口阀,后关出口阀,记录累计值和停运时间3流量计的切换先投备用,备用正常后停待停流量计4流量计停运到下次启动,如计量液体高凝,粘,当管道液体降温可能凝固,停运后扫线.(压力,温度,流量都必须在流量计的允许范围)5流量计停运后,流量计的进出阀及消气器,过滤器的排污阀,等处于关闭状态.对于有伴热的流量计系统,在停运后,因注意防止因热力蹩压的相应措施.流量计的维护1保持油杯有一定数量的油.(硅油或钟油)2经常巡检,检查压力,温度,监听是否有杂音等.3清洗过滤器.过滤器前后压差超过0.05-0.154对流量计的表头齿轮传动部分,温度补偿器,精度修正器,一年清洗一次.5流量和压力不得超限使用.勿使液体倒流.第八节

超声波流量计

一、基本理论概述与常规的流量计相比，超声波具有以下特点：1）非接触测量，不干扰流体的流动状态，不产生压力损失。2）不受被测介质物理、化学性质的影响3）输出特性呈线性。

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．超声波流量计原理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，F1J1和F2J2与管道轴线夹角为a，管径为D，流体由左向右流动，速度为v，此时由F1到J1超声波传播速度为F2到J2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。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，可得方程第九章

液位测量

第一节

概述液位测量的方法可分为：沉浮式液位测量法（浮子液位计）、差压式液位测量法（差压式液位计）、电容式液位测量法（电容式液位计）、电阻式液位测量法（电阻式液位计）、电感式液位测量法（电感式液位计）、热感式液位测量法（热感式液位计）、激光液位测量法（激光液位计）、红外线液位测量法（红外线液位计）、超声波液位测量法（超声波液位计）、微波液位测量法（微波液位计）和射线液位测量法（射线液位计）等第二节

差压式液位测量法

一、基本原理差压式液位测量法的理论依据是流体（静体）静力学原理，即液体中任一点的静压力p与其自由表面上的压力之差，等于液体密度、重力加速度g和液柱高度岔H的乘积，以公式表达为

二、用差压式液位计测量锅炉汽包水位

差压式液位计是目前电厂锅炉汽包、除氧器等容水设备中用得最普遍的一种水位测量仪表。1、“水位—差压”转换原理2、平衡容器的结构与测量误差

与测量误差直接相关的问题包括：1）由于向外散热的影响，平衡容器正、负压室中的水温从上至下逐渐降低，且不易测定，因而密度和的数值难以准确确定。2）用于汽包水位测量差压式液位计，通常是在汽包额定工作压力下分度的，因此只有在相应工况下运行时仪表读数才是正确的。

第三节

电容式液位测量法 电容式液位计利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量。依此原理还可进行其它形式的物位测量。电容式液位计的结构形式很多，有平极板式、同心圆柱式等等。它的适用范围非常广泛，对介质本身性质的要求不象其它方法那样严格，对导电介质和非导电介质都能测量，此外还能测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位。不仅可作液位控制器。还能用于连续测量。电容式液位计的这些特点决定了它在液位测量中的重要地位。(1)检测原理

在液位的连续测量中，多用同心圆柱式电容器，如右图7-8所示。同心圆柱式电容器的电容量：式中：D、d——外电极内径和内电极外径(m)；

——极板间介质介电常数(F/m)；L——极板相互重叠的长度(m)。 液位变化引起等效介电常数变化，从而使电容器的电容量变化，这就是电容式液位计的检测原理。 图中：1-内电极；2-外电极。(2)安装形式