流体参数的测量

流体参数的测量第一页，共四十四页，编辑于2023年，星期日学习导航14.1压力的测量14.2流量的测量14.3流速测量系统14.4液位测量第二页，共四十四页，编辑于2023年，星期日14.1压力的测量

14.1.1压力测量原理

压力是流体介质作用于单位面积的平均力，Pa。

1Pa=1N/m2；1atm(标准大气压)=101325Pa=1.033at(工程大气压)。表示压力的术语14.1压力的测量第三页，共四十四页，编辑于2023年，星期日14.1.2压力测量传感器1．弹性元件压力传感器各种压力计和压力传感器多采用弹性变形法，将压力先转换为位移（或应变），利用元件的弹性变形直接推动一个机械结构以指示读数，或者用传感器把机械运动转变成电信号以供显示或控制。14.1压力的测量

采用波登管的霍尔式压力传感器第四页，共四十四页，编辑于2023年，星期日（1）波登管14.1.2压力测量传感器14.1压力的测量

截面为扁形，在流体压力下鼓起，导致封闭的自由端位移。测量精度高，体积大，固有频率低，滞后较大，不适宜动态压力测量。不同形式的波登管第五页，共四十四页，编辑于2023年，星期日膜片是用弹性材料制成的圆形薄片式压力传感器，主要有平膜片、波形膜片和悬链式膜片。应用时，膜片的边缘刚性固定作为腔体的密封元件，在流体压力作用下，膜片的中心产生位移，可以用位移传感器测量位移；或在膜片表面粘贴应变片测量应变。（2）膜片14.1.2压力测量传感器14.1压力的测量

波形膜片膜盒的应用第六页，共四十四页，编辑于2023年，星期日（3）波纹管

波纹管是一种表面上有许多同心环状波纹的薄壁圆筒。波纹管作为压力敏感元件，使用时应将开口端焊接于固定基座上并将被测流体通入管内。在流体压力的作用下，密封的自由端会产生一定的位移。在波纹管弹性范围内，自由端的位移与作用压力呈线性关系。14.1压力的测量

14.1.2压力测量传感器波纹管第七页，共四十四页，编辑于2023年，星期日2．应变式压力传感器平膜片任意位置的应变是压力的函数。膜片应变压力传感器14.1压力的测量

14.1.2压力测量传感器第八页，共四十四页，编辑于2023年，星期日3．电容式压力传感器电容式压力传感器是将压力转换成电容的变化，经电路变换成电量输出单电容压力传感器差动电容压力传感器14.1压力的测量

14.1.2压力测量传感器第九页，共四十四页，编辑于2023年，星期日4．压电式压力传感器压力通过膜片作用于压电晶体，动态响应能力强。对晶体加预紧力，防止冲击损坏。温度补偿：水冷；用线膨胀系数大的金属片补偿晶片与金属的膨胀差。14.1压力的测量

14.1.2压力测量传感器压电式压力传感器第十页，共四十四页，编辑于2023年，星期日14.1.3测压传感器的标定1．静态标定静态标定是指标定系统在静态压力的作用下，确定压力传感器输出量与输入量之间的对应关系，并确定反映传感器精确度的有关指标。为了获得较好的标定精度，作为标定基准仪器的精度比被标定传感器的精度至少要高出一个数量级。一般静态标定的加载方法有：砝码、杠杆－砝码机构、标准测力环或力传感器、标准测力机等。14.1压力的测量

14.1.3测压传感器的标定压力表试验器结构示意图第十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期日2．动态标定目的是确定压力传感器的动态特性，从而确定传感器的工作频率范围及动态误差。正弦响应法。利用正弦激振器输入激振信号，获得正弦响应。正弦激振器有活塞缸正弦压力发生器、凸轮-喷嘴正弦压力发生器。瞬态响应法。适于高幅值、宽频带。常用激波管装置。由于激波管制造精度要求高，设备复杂，因此有时选用冲击力法。冲击力法利用机械冲击力，简单，方便，但是误差较大。14.1压力的测量

14.1.3测压传感器的标定活塞缸正弦压力发器

凸轮-喷嘴正弦压力发生器

第十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期日瞬态响应使用于幅值较高、频率范围较宽的条件下，确定压力传感器的动态响应。对高速响应的压力传感器，可采用激波管装置。在工程中，由于激波管制造精度要求高，设备复杂，因此有时选用冲击力法测试传感器的动态特性。冲击力法是指机械装置撞击被标传感器，产生一个瞬时撞击力，记录数据，求得压力传感器的动态特性。冲击力法结构简单、使用方便，但误差较大。14.1压力的测量

14.1.3测压传感器的标定第十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期日14.2流量的测量质量流量

14.2流量的测量体积流量

两种流量的关系

质量累积流量

体积累积流量平均流量

流量q与压力差Δp有如下关系第十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期日14.2.1节流变压降式流量计

14.2.1节流变压降式流量计

节流变压降式流量计简称节流式流量计或差压式流量计，它由节流装置、导压管路及差压计等部分组成。1．节流变压降式流量计的工作原理及计算公式

14.2流量的测量第十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期日2．标准节流装置常用的节流装置有标准孔板，喷嘴和文丘里管。因为摩擦阻力和在节流装置后形成漩涡要消耗能量，所以流体通过节流装置后造成压力损失即净压力损失。14.2流量的测量14.2.1节流变压降式流量计

第十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期日14.2.2阻力式流量计

14.2.2阻力式流量计

14.2流量的测量1．转子流量计

浮子（转子）置于透明的锥形管中，所受浮力和流体的拖动力与重力平衡，垂直方向的位置随流量变化。转子在流体冲击下旋转，沿锥管中心线移动。

读数容易、压降低、流量与刻度成线性。第十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期日用应变计测量流体推力。推力主要由节流产生的静压差和流体动压力组成，与流量有确定的关系。较小的雷诺数即可使流量系数为常数，所以适于测量黏度较大的流体。2．靶式流量计14.2流量的测量14.2.2阻力式流量计

第十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期日14.2.3涡轮流量计涡轮流量计的理论基础是动量矩守恒原理，通常由涡轮流量变送器和显示仪表两部分组成。14.2流量的测量14.2.3涡轮流量计流体推动涡轮旋转，用磁电转速传感器测量涡轮转速。体积流量：输出脉冲频率仪表常数涡轮流量计的工作原理涡轮流量计第十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期日14.2.4容积式流量计

14.2.4容积式流量计1．椭圆齿轮流量计

通过容积的变化计量体积流量。进出口压力差导致齿轮转动。每转流量即排量q为常数，流量正比于齿轮转速

n：14.2流量的测量椭圆齿轮流量计流体传送过程分解第二十页，共四十四页，编辑于2023年，星期日2．腰轮转子流量计腰轮转子流量计对流体的计量过程，同椭圆齿轮流量计相类似，是通过腰轮(转子)与壳体之间所形成的固定计量空间来实现的。每当腰轮转过一圈，便排出四个固定计量体积的流体，只要记下腰轮的转动转数，就可得到被测流体的体积流量。腰轮的转动也是靠流体的入口和出口的压差Δp=p1-p2来实现的。14.2流量的测量14.2.4容积式流量计第二十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期日14.2.5质量流量计

在管道中放置一热电阻，如果管道中流体不流动，且热电阻的加热电流保持恒定，则热电阻的阻值亦为恒定值。当流体流动时，引起对流热交换，热电阻的温度下降。若忽略热电阻通过固定件的热传导损失，则热电阻的热平衡为

14.2流量的测量14.2.5质量流量计热电阻加热电流热电阻阻值热电转换系数对流热交换系数热电阻换热表面积热电阻温度流体温度流体密度

流体流速

当管道截面一定时，由v就可得质量流量。因此可以使加热电流不变，而通过测量热电阻的阻值来测量质量流量或保持热电阻的阻值不变，而通过测量加热电流I来测量质量流量。第二十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期日2．间接测量质量流量

（1）体积流量计加密度计利用体积流量计测出体积流量，利用密度计测量流体密度，计算得质量流量。节流式流量计压力差和耙式流量计的受力都与qv2成正比，而质量流量可以写为

14.2.5质量流量计14.2流量的测量所以用密度计测量出流体密度，即可计算出质量流量。利用速度式流量计测出体积流量，再用密度计测量流体密度，两个参数相乘可以计算出质量流量。利用节流式流量计或耙式流量计测量出qv2，再用速度式流量计测量出体积流量qv，然后作除法(qv2)/qv，同样可以得到质量流量。第二十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期日（2）体积流量加温度压力补偿密度和温度间的关系为

14.2流量的测量14.2.5质量流量计质量流量为

按理想气体状态方程计算

因此，质量流量为所以，测量出气体的压力、温度和体积流量即可计算出质量流量。

第二十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期日14.2.6流量计的标定

流量计在出厂前都要逐个标定。但在实际使用中，为了保证测试的准确性，有时需再次进行标定。流量计的标定与计时器、计量器相关。一般情况下，计时器可选用电子秒表,计量器有基准容器、基准秤、基准体积管和基准表等。14.2流量的测量第二十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期日14.3流速测量系统

14.3.1皮托管流速计

14.3流速测量系统

1、皮托管测速原理2、总压和静压之差与流速的关系皮托管测速的理论公式修正后的流速公式考虑到压缩性的影响，实际流速计算公式第二十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期日14.3.2热线和热膜风速计

14.3流速测量系统

热线风速计是建立在热平衡原理基础上的。由热平衡原理可知，任何时候金属丝中由温度升高所保留的热量应该等于风速降低所积累的热量；反之任何时候金属丝中由温度降低所损失的热量应该等于风速上升所耗散掉的热量。（1）热线敏感元件

典型的热线敏感元件是具有0.5~10m直径、0.1~2mm长的金属丝。将金属丝的两端焊接到两根叉杆上，叉杆的另一端接上引出线，再加上保护罩并且在保护罩和叉杆之间装以绝缘填料，构成了热线探针。（2）热膜敏感元件

第二十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期日3．工作原理14.3.2热线和热膜风速计根据热平衡原理，热线中的热产生应该等于热耗散。在金属丝没有热传导的情况下，加热电流在金属丝中所产生的热量应该等于流体所带走的热量。

根据焦耳定律根据耗散理论Q1=Q2

恒流工作方式。I=常数，有恒温工作方式。R=常数，有14.3流速测量系统

第二十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期日14.3.3利用激光多普勒效应的流速测量1．激光多普勒测速计的组成激光多普勒流速计通常由激光器、入射光学单元、接收光学单元、多普勒信号处理器、数据处理系统组成。14.3流速测量系统

第二十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期日2．激光多普勒测速计的工作原理激光多普勒测速计是利用激光多普勒效应来测量流体运动速度的。14.3.3利用激光多普勒效应的流速测量照射光的频率为f0，粒子P的运动速度为v。根据相对论变换公式，经多普勒效应后粒子接收到的光波频率为多普勒测速原理图当v·eo<<c时，可以简化为14.3流速测量系统

第三十页，共四十四页，编辑于2023年，星期日当静止的观察者（或光检测器）从某一方向上观察粒子的散射光时，由于它们之间又有相对运动，接收到的散射光又会同粒子所接收到的不同，其大小为忽略高阶项，可以得到经历两次多普勒效应后的频率关系式在许多情况下，速度的方向常常是已知的(例如风洞、管流)。入射光、散射光和粒子速度方向布置成图，就可以得到更为简单形式的多普勒频移表达式14.3流速测量系统

14.3.3利用激光多普勒效应的流速测量第三十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期日14.4液位测量14.4.1浮力式液位测量14.4液位测量14.4.1浮力式液位测量1．浮子式液位计浮子因受浮力漂浮在液面上，当它的浮力与本身的重量相等时，浮子平衡在某个位置，此时有吃水线移动ΔH所引起的浮力增量为ΔF，而ΔF=ρgΔV，则浮子定位力的表达式为第三十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期日液位增加，浮子上移，重锤下移，即标尺下端代表液位高，与直观印象恰恰相反。若想使重锤指向与液位变化方向一致，则应增加滑轮数目，但这样会使摩擦阻力增大，进而增加测量误差。例如，用于常压或敞口容器的浮子重锤液位计，自由状态下的浮子能跟随液面升降。然而液位计里的浮子总要通过某种传动方式把位移传到容器外，即构成了浮子式液位计。液面上的浮子由绳索（钢丝绳）经滑轮与被测液体容器外的平衡重锤和指针相连。随着液位的上升或下降，浮子带动指针上下移动，在标尺上指示出液位的高度。平衡时有

G=F+W

14.4液位测量14.4.1浮力式液位测量第三十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期日2．浮筒式液位计浮筒式液位计原理图

浮筒的重力等于弹簧的初始弹力G=Cx0浮力作用与弹簧的弹力和浮筒的重力平衡时G=C(x0-Δx)+ρgA(H-Δx)

被测液位H>>Δx，H≈h，则上式简化为

当液位发生变化，如液面升高ΔH，则浮筒所受浮力增加，弹簧被压缩量减小Δx′，同理可得14.4液位测量14.4.1浮力式液位测量第三十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期日3．杠杆浮球式液位计

适用于高温、黏度大液体的杠杆浮球式液位计。浮球是不锈钢的空心球，通过连杆和转动轴连接，配合平衡重锤用来调节液位计的灵敏度，使浮球刚好一半浸没在液体中。浮球随液位升降而带动转轴旋转，指针就在标尺上指示液位值。

14.4液位测量14.4.1浮力式液位测量第三十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期日14.4.2差压式液位测量

1．普通型差压式液位计

14.4.2差压式液位测量普通型差压式液位计原理示意图

14.4液位测量差压变送器正压室的压力：负压室的压力：两室的压差：差压式液位计的示值除了与液位高度有关外，还与液体密度和差压仪表的安装位置有关。当这些因素影响较大时，必须进行修正。第三十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期日2．带隔离罐的差压式液位计由于内外温差使气体导压管中的气体凝结成液体，为了保持低压室的液柱高度恒定，一般在变送器的负压室与气体取压口之间装有隔离罐，并填充隔离液。这时差压变送器正压室的压力未变，而负压室的压力为

两室的压差为

14.4液位测量14.4.2差压式液位测量第三十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期日3.差压式变送器有预紧力的中心敏感膜片作为可动极板和两边固定的弧形电容极板形成电容C1和C2，被测压力p+、p-分别加在膜盒两侧的隔离膜片上，通过腔内所充硅油的传递，作用到中心敏感膜片的两侧。当p+=p-时，中心敏感膜片在中心位置，此时C1=C2；当p+p-时，存在压差p中心膜片产生位移，改变了它与两边弧形电容极板的间距，因而C1C2。

14.4液位测量14.4.2差压式液位测量第三十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期日14.4.3电容式液位测量电容式液位测量仪表是是利用液位升降变化导致电容器电容值变化的原理设计而成的。1．用于导电介质的电容液位计

14.4液位测量液位为H时电容的变化量：灵敏度S

电容量的变化与液位高度成正比，测出电容量的变化，便可知道液位高度。第三十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期日2．用于