第1章 流体测量技术

第一章流体测量技术目录第一节流体压强的测量第二节流体在管道中的流动状态第四节简单管路计算全国高等学校高职高专药品类专业卫生部“十一五”规划教材《生物制药设备》第三节流量测量仪表学习目标知识目标1.掌握流体静压强、密度、流量、流速、黏度、层流、湍流、层流底层等基本概念；2.熟悉流体静力学基本方程式、流量方程式；3.了解柏努利方程式、范宁公式的意义。能力目标1.学会流体静力学基本方程式、流量方程式简单计算；2.掌握U形管压差计、孔板流量计、转子流量计的使用方法。第一节流体压强的测量

一、表压强和真空度的测量

（一）流体的密度1、流体的密度定义：物性参数：结构，温度，压强液体：不可压缩流体，气体：可压缩流体（1）气体的密度为标准状态下气体的压力、温度和密度；

为特定条件下气体的压力、温度和密度

为气体总摩尔数

混合气体各组分的摩尔分数混合气体的平均摩尔质量混合气体的平均密度（2）混合气体的平均密度为气相中各组分的质量分数2.相对密度（3）混合液体的平均密度物质的密度和标准物质的密度之比称为相对密度，符号为，无量纲量。以4℃的水为比较标准时，有（二）流体的静压强1.压强定义流体的静压强，其单位为流体受力面积，其单位为作用在面积A上的压力，其单位为牛顿2.标准大气压的概念在温度是0℃纬度是45度的海平面上，单位面积所承受的大气压力称为1个标准大气压，表示为3.压强单位之间的换算4.绝对压强、表压强和真空度(1)绝对压强密闭容器内压强的真实值称为绝对压强（2）真空度抽气密闭容器内绝对压强小于大气压强，其差值叫真空度。（3）表压强用压力计测出的容器内压强值。扣除了大气背景值三者关系表压强=绝对压强-大气压强真空度=大气压强-绝对压强二、流体压强差和液位测量仪表（一）流体静力学基本方程式如液柱上方只有大气，则讨论

1.在静止的、连续的、同一种液体内部，等压面为水平面。

2.静止液体液面上的压强能以同样大小传递到液体内部。

3.压强是深度的函数。

4.压强差的大小可以用一定高度的液柱表示，但要注明是何种液体。

5.单位：能量，称为静压能，位能。静止流体内部的能量守恒与转化。（二）流体压强差和液位测量仪表1.U形管压差计液体气体指示液密度待测液密度2.液位计3.计算液封高度第二节流体在管道中的流动状态一、管道和管件（一）制药用管道的材质1.金属材料美国标准中国标准UNS编码3040Cr18Ni9S30400304L00Cr19Ni10S304033160Cr17Ni12Mo2S31600316L00Cr17Ni14Mo2S316030Cr18Ni12Mo2Ti不锈钢牌号对照表合金冶炼时加入适量铬、钼、钛、铜、钴、镍、铌、锰等元素，可得不锈钢。2.非金属材料

用于制造制药设备的非金属材料可分为有机合成高分子材料和陶瓷材料塑料陶瓷玻璃植物纤维（二）管道和管件1.常用管道表示钢管外径是壁厚是内径是316L或316Ti不锈钢管2.管件

大小头、三通、弯头、法兰、阀门、卡箍等，其中阀门有蝶阀、球阀、止回阀、隔膜阀、换向阀、取样阀、呼吸式调节阀气动隔膜阀用途较广，可防止药液被微生物污染。

弹性膜，当将汽缸中气体放出时，隔膜向回收缩，工作室空间增大，液体经进口活门向出口活门流出，当向汽缸中充气时，气室内压力增大，隔膜向工作室凸出，工作室空间减小直至全封闭，流体被截止。二、流量和流速1.流量对于管道任意截面，单位时间内流过的流体的数量称为流量。（1）体积流量（2）质量流量（3）统计流量与质量流量的关系2.流速单位时间内流体在流动方向上流过的距离称为流速，用表示。单位流速与流量的关系管道横截面积，如果管道是圆管，可导出流量方程式上式常用于管道选型计算。横截面积平均流速例题1：

某药厂需要架设一条输送自来水的管道，输水量为，试计算所需管道的直径。解：根据流量公式计得：水的密度体积流量自来水的流速

计算所得直径查手册得管子型号规格反算流速结论流速小于标准，不能用，需要另外选择。选择的管子，反算流速：符合要求。三、定态流动和黏度（一）定态流动和非定态流动定态流动流体在管路系统中流动时，如果管路系统中任何空间位置处流体的流速、流量、压强等参数都不随时间改变而变化如果各空间位置处流体流动的参数随时间改变而改变，则称之为非定态流动。非定态流动2.定态流动的连续性方程式（二）流体的黏度1.流体的内摩擦力

流体在管中流动时，是被分割成无数极薄的一层套着一层的“流筒”，各层以不同的速度向前流动。

由于分子的不规则运动，高速分子穿入低速流筒，其结果是速度快的流筒对慢的流筒起带动作用；低速分子跃迁到高速流筒，其结果是速度慢的流筒对速度快的流筒起拖拽的作用，于是流筒之间产生了相互作用并形成了流动阻力，这种作用力称为流体的内摩擦力。又称为流体的粘滞力。

2.流体的黏度促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力称为黏度。

表示符号定义公式单位又称为换算关系泊厘泊

凡是服从牛顿粘性定律的的流体称为牛顿型流体

水针注射剂、葡萄糖输液凡是不服从牛顿粘性定律的流体称为非牛顿型流体

发酵液、细胞培养液

四、流体的流动类型1.雷诺实验管内流速（1）层流（2）湍流2.雷诺准数及流型判断（1）雷诺准数（2）流型判断层流过渡流湍流例题

密度为，黏度为的液体，以流量通过内径为的圆管。试判断管中流体的流动类型。解：已知

故该流体为湍流。第三节流量测量仪表一、转子流量计转子流量计由锥形玻璃管和转子组成。锥形玻璃管是一根上大下小带有刻度的玻璃管道，转子是由金属材料加工成类似于驼螺的锥体或圆球形，它可以沿锥形管中心线上下自由移动。

被测流体从锥形管下端流入流经转子与锥形管壁间的环形断面，从上端流出。被测流体的流动对转子产生了向上的推动力，推动力将转子托起并使之升高，推动力的大小随流量变化而变化。当推动力正好等于转子在流体中的显示重量时，转子受力处于平衡状态而停留在锥形管的某一高度。

转子流量计工作原理

转子在锥形管中的位置高度，与所通过的流量有函数关系。读取转子位置高度，可求得相应的流量值。优点和应用具有结构简单、直观、压力损失小、维修方便、测量精度高等特点。转子流量计适用于测量小流量，也可以用于测量腐蚀性流体介质的流量。

二、孔板流量计在金属板上钻一圆孔，将U型压差计的两支管分别固定在金属板的两个面上即构成一支孔板流量计。使用时将孔板流量计垂直插入管道中，U形管上的指示液即发生移动形成液柱差，差值读数R，将读数代入有关公式即可计算出流体的流速和流量。孔板流量计的读数及流量之间的数学关系体积流量质量流量金属板上圆孔截面积，总校正系数，又称流量系数或孔流系数，无因次。

第四节简单管路计算一、柏努利方程式（一）流体具有的能量形式

1.内能内能是储存于流体内部的能量，它是由原子和分子的运动以及彼此相互作用而产生的能量总和。它与流体的温度有关，用U表示，单位是

2.位能流体因受重力的作用，在离地心不同高度的位置上所具有的能量称为位能，用表示，单位是。其计算式为：

3.动能流体因流动所具有的能量，用表示，单位是。根据牛顿第二运动定律得：

4.静压能流体因具有静压强而产生的能量，称为静压能，用表示。单位是。其计算式为：

5.系统与外界交换的能量在管路系统中，一般都安装了流体输送机械，有些管路还安装了有加热器或者冷却器，他们给系统提供能量或者移走能量。

（二）流体流动能量守恒流体在流动过程中，各种形式的机械能在互相转变，且遵守能量守恒定律。当流体从第一位置沿管道流动到第二位置后，根据能量守恒定律，可建立下面方程式：上式为理想流体柏努利方程式。在实际过程中，有管路阻力和流体输送机械提供的动力，实际流体的柏努利方程式为柏努利方程式在进行管道布置设计中有着非常重要的作用。二、管路中的直管阻力流体在直管中流动时的内摩擦力称为直管阻力。其方向与流动方向相反，其大小用范宁公式计算：

为流体的摩擦系数，是无因次系数。可以通过现场实验、经验公式和图解法求得。三、管路中的局部阻力管路系统中的管件对流体流动产生的阻力称为局部阻力。

局部阻力的计算方法有两种，即当量长度法和阻力系数法。1.当量长度法把管件折算成与之相当的直管长度来计算阻力的方法。

2.阻力系数法

在管道直径、流体密度、黏度、流动速度不变的情况下，局部阻力与动能成正比例关系。

称为阻力系数，通常规定，进口为0.5，出口为1.0，其余的可查阅相关的手册和资料。四、管路总阻力的计算

流体流动总阻力包括直管阻力和管件局部阻力。假设系统中管道直径不变，则总阻力的计算公式是

系统中所有直管的长度之和，系统中所有管件、阀门的当量长度之和，

系统中所有的局部阻力系数之和。

孔