第十一章流速及流量测量-机械工程测试技术

机械工程测试技术——

流速与流量测量（2）第十一章内容1、流速测量方法2、流量测量方法3、测量装置的标定重点：掌握各种流速与流量测量方法的原理、特点及应用场合

流速：流体在管道流动的速度V单位：m/s、mm/s基本方法测压管测速热线风速仪激光测速仪（下章介绍）1、流速测量测压管测速

不可压缩性流体（密度ρ是常数）流体速度v与流体总压p0以及静压ps关系为：可压缩性流体（密度ρ随速度变化）流体速度v与流体总压p0以及静压ps关系为：可压缩性修正系数ε根据马赫数M大小（和流速有关）取值利用总压、静压或两者之差可以求出流体流速1、流速测量测压管测速总压测量

流体绕流时，物体上有些点上流体完全滞止（速度为零），这些点上的压力被称为滞止压力，也叫做流体总压，在该点引出的压力就是总压1、流速测量总压静压各种取压的测量元件测压管测速静压测量流体绕流时，流体的压力等于未扰动流体的压力，这些点的压力被称为流体静压，在该点引出的压力就是静压

静压测量有两种方法:与流速方向垂直取压利用在通道壁面或绕流物体表面开静压孔利用尺寸较小具有一定形状的测压管插入流体中测量1、流速测量总压静压测压管测速一般测压管的设计制造要求：在惯性不大的情况下，测压管感受部分的尺寸尽量小对流动偏斜角不灵敏在M变化较大的范围内，测压管的校正系数要稳定1、流速测量毕托管

将测压装置总压管和静压管组合在一起，同时测量总压与静压之差的复合测压管

Ku为校正系数（一般小于1）特点：结构简单，使用方便，制造容易，价格便宜，坚固可靠流体v总压测孔p0静压测孔ps侧面分布的小孔或缝隙1、流速测量流体管道毕托管

L形毕托管

静压孔可以是沿侧面分布（等距）的小孔或狭缝；测量值对流动方向很敏感T形毕托管

为两根针管弯成L形，焊在一起。

迎气流压力孔测总压，另一压力孔测静压，这种测压管对流动方向变化敏感1、流速测量气流圆柱形复合测压管——流向原理

在一个圆柱形的支杆上，离开端部一定距离（一般大于2d）并垂直于杆子轴线的平面上有三个孔，中间一个孔用来测量流体总压，两侧孔与中间孔对称，并相隔一定的角度，用来测量流动方向

需要三个压力计：两个侧孔——压力计——调整测流方向中孔＋侧孔（1个）——压力计——压差中孔——压力计——中孔与大气的压差实际使用：对向测量法、不对向测量法对向测量法就是方向管绕其本身的轴转动，直到由两侧孔所指示的压力相等。这时两侧孔的对称中心就与流动方向一致，就可以决定流动方向角不对向测量法是将方向管轴固定在某个参考方向，测量两侧孔的压力差，根据校正曲线（侧孔压力与流动方向的关系）决定流动方向的参数1、流速测量热线风速仪

——测量流体的平均速度、脉动速度等流体参数原理

将一根通电加热的细金属丝（称热线）置于气流中，热线在气流中的散热量与流速有关，而散失热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号。

工作模式：①恒流式。通过热线的电流保持不变，温度变化时，热线电阻改变，因而两端电压变化，由此测量流速②恒温式。热线的温度保持不变，如保持150℃，根据所需施加的电流可度量流速

恒温式比恒流式应用更广泛1、流速测量风速仪探头

热线探头长度0.5～2毫米，直径1～10微米，材料为铂、钨或铂铑合金优点：热惯性小，频率响应范围宽；工作温度高，最高可达800℃

缺点：强度低、承受电流小、不适应在液体或带颗粒气流中工作热膜探头很薄(厚度小于0.1微米)金属膜代替金属丝，但多测量液体流速

优点：强度高，可在恶劣流场中工作，热传导损失小，信噪比高

缺点：频响窄，工作温度低，测量精度不高，损坏不易修复组合式:用以测量各个方向的速度分量1、流速测量风速仪探头

测量电路热线风速仪的传递函数是一个一阶惯性系统，该系统的带宽在0~10kHz之间，很容易适用于多数紊流检测，以及满足检测涡旋要求测量流体脉动流速时，必须考虑热线的热惯性（时间常数）采用细和短的热线在电子线路上采取补偿方法——恒温型1、流速测量保持温度不变风速仪探头

KA31热线式风速仪

1、流速测量定义瞬时流量：单位时间流过某截面的流体的量——q累计流量：瞬时流量的积分——Q平均流量：累计流量除以相应的时间表示法质量流量重量流量体积流量累计流量测量方法——容积式、速度式、质量式、节流式应用：水、气、油等流体的流量2、流量测量gρ容积式：分割——计量利用机械测量元件，把流体连续不断地分割成单个已知的体积V部分根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数n，来测量流量体积总量种类椭圆齿轮流量计腰轮流量计刮板流量计湿式气体流量计测量：转轴计数2、流量测量椭圆齿轮流量计

腰轮流量计

刮板式流量计湿式气体流量计

容积式测量误差

测量累计流量准确度很高；测量瞬时流量，误差较大

考虑因素（1）滑漏量:齿轮等运动部件与壳体间存在间隙引起；（2）流量：流量不能太大，否则压差引起误差增大；（3）粘度：粘度较高时滑漏量小，误差小；（4）提高仪表准确度方法：采用伺服容积流量计。使用要点入口加虑网：防止杂物进入，卡死运动部件仪表侧留有旁路，便于经常清洗不能超过仪表的规定范围2、流量测量容积式2、流量测量LC-13型椭圆齿轮流量变送器

采用新型磁敏集成传感器，可输出脉冲信号和模拟信号，配套测量仪表，实现自动控制允许基本误差（％）：±0.2、±5被测液体粘度（MPa.s）：0.6-200被测液体温度（℃）：-10℃～+50℃发送装置：GF/QF脉冲型、MF-1模拟量型速度式——涡轮流量计当流体通过流量计时，推动涡轮，使其以一定的转速旋转，此转速是流体流量的函数非接触式磁电式传感器输出信号的频率与涡轮的转速成正比2、流量测量支撑导流器磁电式传感器涡轮轴承壳体支撑转速转换成电脉冲方法：磁阻方法（导磁不锈钢作叶片——切割磁力线）：适用于清洁、有润滑性的液体和气体、不含固体颗粒（防磨损）流体感应方法（叶片不导磁，磁钢埋在涡轮内腔——检测线圈）：可用于非润滑性气体，含微小颗粒和腐蚀性流体，以及液态气体速度式——涡轮流量计安装使用保证流量计流速分布均匀仪表前加滤网，防止杂质进入注意不能超过规定最高温度、压力和转速仪表应加逆止阀，防止涡轮倒转水平安装，流体流动方向和仪表壳体所标箭头一致，仪表轴线和管道轴线一致涡流流量计的特点测量精度高，重复性好，基本误差在±0.25％～1.5％之间测量范围较宽，可测的小流量为40kg/h，最大流量可达16×106kg/h惯性小，可用于瞬时流量的测量2、流量测量速度式涡轮流量计2、流量测量产品型号公称通径（mm）流量范围（m3/h）最大工作压力（mpa）安装形式精确度前置放大器电源（v）lwgy(a)-4

lwgy(a)-4-b40.01～0.256.3螺纹0.5

1+12lwgy(a)-6

lwgy(a)-6-b60.1～0.66.3螺纹0.5

1+12lwgy(a)-10

lwgy(a)-10-b100.2～1.26.3螺纹0.5

1+12lwgy(a)-15

lwgy(a)-15-b150.6～66.3螺纹0.5

1+12lwgy(a)-25

lwgy(a)-25-b251～106.3螺纹0.5

1+12工作电压：＋24VDC（两线制）输出信号：4－20mA或1－5V（对应流量零点和满度）信号传输距离：小于250米速度式——涡街流量传感器原理在流体中放置一个对称形状的非流线型柱体时，在它的下游两侧就会交替出现有规则的旋涡，两侧漩涡旋转方向相反，并轮流地从主体上分离出来，在下游侧形成“涡街”——卡门涡街现象

漩涡形成的振动波频率f与柱体附近的流体流速v成正比，与柱体特征尺寸d成反比：2、流量测量速度式——涡街流量传感器频率检测方法：随漩涡变化的交变压力①、流体振动频率的检测

——电热丝（自热式鉑电阻丝或热敏电阻）对于圆柱形漩涡发生体，发生漩涡之侧面压力较大，交变压力随漩涡的发生而发生，使流体在孔中往复流动，小孔中电加热鉑电阻丝的电阻阻值随之而改变，与漩涡频率相对应灵敏度高，但机械强度低②、流体作用力频率的检测

——漩涡发生体内安装膜片采用应变计、压电式力传感器或电容式位移传感器等方法可测出该交变力。该方法具有寿命长，不受污染，且结构牢靠2、流量测量导压孔空腔隔墙电热丝流体速度式——涡街流量传感器特点精度高，误差约为1％输出是频率信号，抗干扰能力强漩涡流量计的安装避免管道振动不宜测量腐蚀性较强、含有悬浮物或纤维的流体口径选择根据量程选择应保证在漩涡发生体处不产生空穴现象2、流量测量速度式——涡街流量传感器2、流量测量LUGB－21/ZX涡街流量传感器感应元件不直接与被测介质接触，故性能稳定，可靠性高，传感器内无可动部件因而压损小，维护量小，使用寿命长测量介质：液体、气体、过热/饱和蒸汽工作压力：0—2.5MPA精度等级：液体±1%；气体±1%；蒸汽±1.5%输出信号：三线制电压脉冲（占空比为50%）；二线制电流信号4—20MA供电：24VDC节流式

节流式流量计是工业上使用最多的流量计，在石油、化工、发电厂等工业领域使用的流量测量仪表中，它所占的比例大约在70％左右工作原理——节流效应在管道内装入节流件，流体流经节流件时流束收缩，节流件前后产生压差，而压差和流量有一定关系，通过检测压差可以间接地得到流量。在节流装置前后端面处取静压力p1和p2，则流体体积流量为：节流式流量计：节流装置、压力传送管、差压仪表节流件标准节流装置、非标准节流装置目前常用的标准节流装置：标准孔板、标准喷嘴2、流量测量节流式标准孔板——同心薄壁锐缘孔板

加工安装都有相应要求（国标GB/T2624-1993）取压方式：角接取压：两侧压力由孔板与管道形成角顶处取出法兰取压：在特定法兰上单独钻孔取压2、流量测量法兰取压角接取压环式取压钻孔取压单独钻孔节流式

标准喷嘴

由具有两个圆弧曲面入口收缩部分和圆筒形组成，采取角接取压标准孔板和标准喷嘴的比较孔板较喷嘴压损大，适合清洁流体喷嘴比孔板流量系数稳定性好喷嘴比孔板误差小，精度高，适用于污垢流体孔板比喷嘴加工制造简单，价格便宜2、流量测量测压管标定标定目的

不同结构形式的测压管，有不同的特性和适用范围。对于精确测量，则必须进行标定，以确定其校正系数、方向特性、速度特性标定方法标定测压管的关键是要有一个已知流体真实总压、静压和速度的均匀流场目前较多的方法是在专门的设备——校正风洞中用比较法标定3、测量装置标定测压管标定校正风洞在校正风洞试验段可以得到均匀的平行气流，气流的真实总压、静压可以准确地测量出来被标定测压管放在校正风洞的试验段，把被标定测压管测得的压力和气流的真实压力相比较，可以得到测压管的校正系数和特性曲线3、测量装置标定风源待测管收缩段稳定段整流栅进口过渡段射流式校正风洞试验段热线风速仪标定对每个热线探头随配套仪器作具体标定，以获取输出电压和流速之间的真实相应关系标定表达式：流速v与输出电压E关系

A、B是与热线的几何尺寸、流体物性和流动条件有关的常数，由标定实验确定，指数n在一定的速度范围内恒定标定方法已知流速的均匀流场v，读出风速仪上相应的一个电压值E，作出E～v曲线3、测量装置标定流量计标定标定目的流量计在出厂前需