建筑环境测试技术 第4版 课件 Chapter 7 流速测量、Chapter 8 流量测量

第七章流速测量1建筑环境测试技术BuiltEnvironmenttestingtechnology第七章流速测量概述测压管热电风速仪叶轮风速仪激光多普勒测速仪粒子图像测速技术流速测量仪表的标定流速测量应用23熟悉测压管和热电风速仪的工作原理和使用方法；掌握叶轮风速仪、激光多普勒测速仪的工作原理和使用方法；熟悉粒子图像测速技术的工作原理；了解流速测量仪表的标定方法。本章目标7.1概述

描述流体流动状态的主要参数之一，也是重要的室外气象参数和室内环境评价参数。

流速和流量是对应的。流速的测量方法动力测压法散热效率测速法激光测速法机械测速法一、流速4测量方法测量原理特点典型仪器动力测压法一维管道流动理论接触式

测压管散热效率测速法表面热交换，热平衡原理接触式热电风速仪机械测速法运动动力学能量、动量原理接触式叶轮风速仪激光测速法多谱勒频移原理非接触式激光多谱勒测速仪流速的测量方法57.1概述7.2测压管标准测压管（毕托管）

应用动力测压法测量流速的压力感受元件为测压管由总压探头和静压探头组成。也叫动压管、风速管。1-全压测孔；2-感测头；3-外管；4-静压测孔；5-内管；6-管柱；7-静压引出接管；8-全压引出接管一、测压管677.2测压管一、测压管工作原理

A点为正常流速，压力为动压+静压，

B点流速为0，压力为滞止压力(即全压)，根据伯努利方程式：87.2测压管修正原因修正系数修正公式测头能量损失测压管的校正系数1.02～1.04气流速度过大，气体可压缩性气体可压缩性系数e公式修正与Ma（马赫数）相关M0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.00250.01000.02250.04000.06200.09000.12800.17300.21900.275097.2测压管上限不得超过相当于马赫数M＝0.25时的流速被测流体全压测孔直径上Re大于200测量断面须处于平稳流动区，必要时提高整流段全压孔迎向来流方向，偏差<8o静压孔垂直流动方向清洁气流测量方法要点107.2测压管S型测压管

S型测压管的开孔面积较大，减少了被粉尘堵塞的可能，可保证测定的正常进行。结构：直形等径并行并列管，测头管口相背长度300～3000mm。迎向流体管口测全压，背向流体管口测静压特点：使用方便，不易堵塞；但误差较大用途：一维含尘流场单点测速使用方法：将其中一个管口正对来流方向（读数最大的方向）117.2测压管PJPQPJPQ毕托管测风速127.2测压管阿牛巴测压管（1）笛形均速管结构：全压管上对称开若干个孔，静压测孔与全压孔相背特点：每两个对称孔代表一个等面积环面，各全压孔压力

在全压管内混合后代表管道平均全压用途：圆形风管多点平均风速测量137.2测压管（2）环形均速管在管道内设置若干与管道同心的空心细环管，每个环管代表一个等面积环面，各环管上迎向来流方向对称开若干个全压孔，以径向细管接通各环管，所有全压孔压力混合后代表管道平均全压。

147.2测压管多元复合测压管

结构：测头上有一个全压测孔和对称分布若干互成90°的测孔，每个测孔经传压管与测压仪表相连类型：二元复合测压管（三孔测头）三元复合测压管（五孔测头）用途：同时测量流体的速度和方向三孔测头五孔测头157.2测压管7.3热电风速仪工作原理

利用通电探头在流场中的散热量与流场速度之间存在一定关系来测定速度的。

根据热平衡原理，有Q1=Q2探头在流场的散热量：探头产生的热量：

其中

e为温度为tf时探头的电阻温度系数；R0为tf时探头的电阻。16带入平衡方程得式中

e，R0，A，B皆为常数，可见I，R，v之间存在着确定的函数关系。将

1.当Is=常数： 为恒流风速计

2.当Rs=常数： 为恒温风速计177.3热电风速仪恒流型通过热线的电流保持为恒定值，测量热线温度变化推算流速恒温型热线的温度保持为恒定值，测量通过热线的电流推算流速187.3热电风速仪组成

探头和指示仪表热电风速仪探头形式

一元热线三元热线热膜

197.3热电风速仪组成热线式热电风速仪：温度传感器焊接在电热丝的中间热球式热电风速仪：温度传感器与电热线圈不接触以玻璃球固定在一起207.3热电风速仪ITT→vI→v恒流型恒温型热线风速仪217.3热电风速仪恒流式风速仪(第一代风速仪,五十年代以前)

调节电阻的过程中，热丝温度发生变化，受热丝热惯性的影响，需要一定时间后才能达到热平衡，之后才能进行读数测量，响应慢。恒温式风速仪(第二代风速仪,五十年代以后)测量电流变化，反应快,时间常数小，热滞后效应小，频率响应宽(1MHz)。227.3热电风速仪IT→v恒流型热球风速仪237.3热电风速仪①影响热线动态特性的主要因素在于热线的热容。②热线长度越小，直径越小，热容越小，热滞后越轻微，动态性能越好。③由于测量电路的原因，恒流型比恒温型的动态特性更好。动态特性247.3热电风速仪使用注意事项热电风速仪可用于测量管道内的风速或室内空气流速(1)读数除了与通过探头的电流或测头温度有关外，还与被测介质温度、探头的表面换热特性有关。需要测出被测介质温度进行温度补偿修正。要防止因探头灰尘、油污等而改变表面换热特性。(2)探头连线很细，因此容易损坏而不易修复防止碰撞不能在夹带固体颗粒的气流中使用257.3热电风速仪使用注意事项(3)测量时应将标记红色小点一面迎向气流，防止叉杆阻挡气流(4)对不稳定气流，应读取指针摆动区间的中间值，或参考指示值出现的频率来确定267.3热电风速仪

叶轮风速仪由叶轮和计数机构组成，它是以气流动压力推动机械装置来显示风速的仪表。风速仪的敏感元件为轻型的叶轮，通常用金属铝制成，分为翼形和杯形两种。风速计算公式：u——测点的风速值，m/s；

s——叶轮风速仪指针示值，m；

τ——叶轮风速仪的有效测定时间，s277.3热电风速仪287.4叶轮风速仪测压前需调零测定时必须将叶轮风速仪全部置于气流中气流方向应垂直于叶轮的平面待气流推动叶轮转动20～30秒后再启动开关开始测量测定完毕应将指针回零读得风速值后还应在仪器所附的校正曲线上查得实际的风速值使用注意事项29机械强度大测量范围广可测量0.5~10至数十m/s的风速分辨率一般在0.1m/s左右

特点307.4叶轮风速仪7.5激光多普勒风速仪

Laser(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)意为“受激发射的辐射光放大”，1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。原理早在1917年已被著名的物理学家爱因斯坦发现。1960年美国休斯实验室的H.Maiman成功地制成第一台激光器激光的优点：高度的方向性单色性相干性高亮度超短脉冲可调谐性31当光源与光接收器之间存在相对运动时，发射光波与接收光波之间会产生频率偏移，称作多普勒频移。其大小与光源和光接收器之间相对速度有关，这种现象称为光学多普勒效应。327.5激光多普勒风速仪激光多普勒测速的双散射系原理组成

激光照射到跟随流体一起运动的微粒上，激光被运动着的微粒所散射，散射光的频率和入射光的多普勒频移与微粒的速度即流体的速度成正比，测量这个频移就可以测得流体的速度。（1）激光器（2）入射光系统（3）接收光系统(包括光检测器)（4）信号处理器（5）微机数据处理系统337.5激光多普勒风速仪典型激光多普勒测速系统

典型激光多普勒测速系统由激光器、入射光系统、接收光系统（包括光检测器）、信号处理器和微机数据处理系统等几个部分组成。347.5激光多普勒风速仪优点

①无接触测量②动态响应快③空间分辩率高④严格线性化测量⑤测量精度高⑥测速范围广且测量方向特性稳定缺点

①价格昂贵②必须在被测设备上设置透光窗③必须在流体中散播适当尺寸和浓度的粒子357.5激光多普勒风速仪7.6粒子图像测速技术背景激光多普勒测速仪和热线流速仪都属于单点测量技术，难以实现对流场的全场、瞬态测量。主要优势能够提供瞬时全场流动的定量信息，使流动可视化研究实现从定性到定量的飞跃。粒子图像测速技术(ParticleImageVelocimetry,PIV)

36基本原理PIV是通过多次摄像记录流场中粒子的位置，并分析处理摄得的图像，从而获得流场的速度分布。应用范围微尺度流动测量(微米量级)空气动力学风洞实验速度测试水流速度测量环境研究生物医学研究等377.6粒子图像测速技术PIV系统的组成：示踪粒子、光学照明部分、图像采集部分和图像处理部分。387.6粒子图像测速技术7.7流速测量仪表的标定

流速测量仪表的标定过程实际上是在均匀、稳定的流场中将被标定的仪表测得的数据与标准仪表测得的数据进行比较，根据比较结果得出被标定的仪表的修正系数或特性曲线。标定目的

确定测压管的校正系数、方向特性等标定设备39校正风洞结构示意图1—风机段2—扩散段3—测量段4—细收缩段5—工作段6—粗收缩段7—稳定段40射流式校正风洞1—待标定测压管；2—收缩段；3—稳定段；4—整流栅；5—进口过渡段417.7流速测量仪表的标定测压管的标定确定测压管的读数校正系数、方向特性风速校正系数：风压校正系数：：标准测压管和被校测压管测得的风速值；：标准测压管和被校测压管测得的动压值。、标准测压管标定目的标准仪器读数校正系数427.7流速测量仪表的标定方向校正系数

若测压管和气流来流方向在水平和垂直方向若存在角度为a、d的偏差，分别可用系数和修正。当a=0时当d=0时437.7流速测量仪表的标定热电风速仪的标定标定目的标准仪器

获得流体速度与恒流型热电风速仪测头温度、恒温型热电风速仪的电势的真实响应关系激光多普勒测速仪或标准热电风速仪利用标准风洞标定的在校正风洞中或其他已知流体流动速度的流场中，在几个不同的速度下，利用标准热电风速仪测量出风速，对恒流型热电风速仪测量热电风速仪测头的温度，对恒温型热电风速仪同时测量被标定仪器的电流（或电势），做出相应的标定曲线。标定方法447.7流速测量仪表的标定测量仪器的选用平均或者脉动风速平均风速：都能测量脉动风速：热线风速大小高风速：在本专业使用范围内（<15m/s)，都能测量低风速(<2.5m/s)：

热线，热球，转杯

7.8流速测量的应用45管道流量

都能测量，但方法不相同。

毕托管和热线不能象转杯一样在截面均匀移动流速场

毕托管，热线，热球流动方向

毕托管和热线均可测，但精度不够高。可以使用

复合测压管和多丝热线。一般常用细线或者释放

烟雾的方法，用毕托管或者热线辅助测量。

467.8流速测量的应用实例一

测量名称：柜式空调器出风口速度流场测试

测量目的：分析造成柜式空调器空气流动损失的基本原因，提高风口流动效率。

测试装置及测量方案：

测试系统包括柜式空调器室内机组、流速计、记录仪及计算机示，下图所示。其中流速计为美国TSI公司多参数通风计，型号为8384A-M-GB，热电探头，读入精度为±3%，输出精度0.015m/s，量程0～80m/s，分辨率0.1m/s。在测试过程中，出口导流片呈水平状态。TSI探头水平安装对准出口气流，距离出口面40mm。477.8流速测量的应用出风口风速测量装置示意图487.8流速测量的应用测量名称：离心压缩机叶轮内部流场测量测量目的：通过测量叶轮内部流场分布情况，分析在小流量工况下流道内气流速度矢量的变化趋势等流动特性。实例二497.8流速测量的应用测量截面位置叶轮及测量窗口中间截面相对速度矢量图盘侧相对速度矢量图盖侧相对速度矢量图50第七章重点内容：常用流速测量仪器的测量方法和原理；测压管测压修正方法；恒温性和恒流性热电风速仪。难点：激光多普勒测速仪原理要求：掌握测压管流速测量仪的工作原理；热电风速仪测试原理；叶轮风速仪测速原理；流速测量仪器的标定方法。总结51建筑环境测试技术第八章流量测量BuiltEnvironmenttestingtechnology52第八章流量测量概述流量测量方法和仪表差压式流量计容积式流量计涡轮流量计电磁流量计超声波流量计质量流量计流量仪表的选用流量计的校准53了解流量测量主要方法及常用仪表掌握差压式流量计、转子流量计、涡轮流量计的工作原理及使用方法掌握差压式流量计的标准流量公式及其节流装置的主要形式了解流量测量仪表的选用、安装和校验本章目标54流量、温度、压力和物位成为过程控制的四大参数天然气、煤气、液化石油气、蒸汽、水等气体、液体、混合流体高温、极低温高压、低压低粘度、高粘度小流量、大流量脉动流体、多相流体558.1概述流量：单位时间内流过流体的量，亦称瞬时流量。总流量：在一段时间内流过流体量的总和，也可用在这段时间内对瞬时流量的积分。平均流量：总流量除以得到总流量的时间间隔称该段时间内的平均流量。8.1概述定义56流量测量方法大致可以归纳为以下几类：通过测量流体差压信号来反映流量的差压式流量测量法；通过直接测量流体流速来得出流量的速度式流量测量法；利用标准小容积来连续测量流量的容积式流量测量法；以测量流体质量流量为目的的质量流量测量法。流量测量方法和仪表8.2流量测量方法和仪表57流量测量方法和仪表8.2流量测量方法和仪表58流量仪表的主要技术参数8.2流量测量方法和仪表流量仪表的主要技术参数主要包括以下四个：流量范围量程和量程比允许误差和精度等级压力损失5960节流式流量计8.3差压式流量计节流式流量组成流体流经节流件时压力和流速管道测点布置矩形管：将管断面划分成若干个小矩形，在小矩形矩心布置测点。圆管道：将截面分成面积相等的数个同心圆环，在每一个圆环内布置测点，测点所在圆周恰将圆环面积平分，推荐均布四个。一般n>=5，直径小于300mm时，n=3；平均流速等于各点流速平均值。8.3差压式流量计61利用毕托管测量流体流量流体质量流量流体体积流量8.3差压式流量计62差压式流量计是根据流体流动的节流原理进行流量测量的。当流体在安装有一个直径比管径小的节流件的管道中流动时,由于流通面积的突然减小,就使得流束产生局部收缩,流速加快,从而导致流体静压能降低,于是在节流件上、下游之间产生静压差,该静压差的大小与流过的流体流量大小有关,所以差压式流量计又称为节流式流量计。节流式流量计8.3差压式流量计63一般由节流装置、导压管和差压计或差压变送器等组成信号变换仪表组成1-节流元件；2-引压管路；3-三阀组；4-压差计

8.3差压式流量计节流式流量计64测量原理流体流经节流件时压力和流速伯努利方程：流体的连续运动方程：结论：截面2处流速最大。截面2处流体的静压最低。8.3差压式流量计65体积流量：质量流量：d8.3差压式流量计66用实际测得的压差代替，d’用孔板的开口孔径d代替，用β表示，并且采用一流出系数C或流量系数α。上述公式为：

8.3差压式流量计67实际流量方程（可压缩流体）

对于可压缩流体，考虑到节流过程中流体密度的变化而引入流束膨胀系数进行修正，采用节流件前的流体密度计算。8.3差压式流量计68流体必须是牛顿流体，在物理学和热力学上是均匀的单相的，或者可认为是单相的流体。流体必须充满管道和节流装置且连续流动，流经节流件前流动应达到充分紊流，流束平行于管道轴线且无旋转，流经节流件时不发生相变。流动是稳定的或随时间缓变的。①

标准节流装置的适用条件节流装置8.3差压式流量计69标准孔板②标准节流元件的结构形式标准喷嘴文丘里管节流装置8.3差压式流量计70节流装置的取压方式角接取压装置法兰取压装置8.3差压式流量计71孔板流量计8.3差压式流量计722．转子流量计恒压降变截面流量不同,转子的高度不同8.3差压式流量计73结构：转子、锥形管原理：转子受的的浮力、节流压力差与重力平衡。流量增大，节流压力差增大，转子上移，流通截面增大，节流压力差下降，力平衡恢复，新位置与流量对应。特点：适合小流量测量，有安装方向，测量读数与流体密度有关。2．转子流量计8.3差压式流量计742．转子流量计转子流量计在出厂时，对于测量气体的流量计，是以空气标定流量的，对于测量液体的流量计是以水标定流量的。当转子流量计用于其他气体或液体流量测量时，应进行密度修正。对应的校正系数为：（1）介质为液体刻度校正

（2）介质为空气或8.3差压式流量计752．转子流量计8.3差压式流量计76特点：结构简单、安装维护方便、压损小、制造成本低。适用范围：适用于圆形管道，量程较小，输出压差信号小。笛形测压管、阿牛巴毕托管3．动压平均管8.3差压式流量计7778靶式流量计原理与分类靶式流量计的测量元件是一个放在管道中心的圆形靶，流体流动时冲击到靶上，会使靶面受力，并产生相应的微小位移，这就反映了流量的大小。是一种动量式流量仪表。4.靶式流量计8.3差压式流量计79靶式流量计的优点：①结构简单,安装维护方便；

②不易堵塞;

③适合于测量粘度高、雷诺系数低的流体或浆液;④结构紧凑；靶式流量计的缺点：①由于靶片及靶杆有自重，安装好后必须重新设置零点;

②精度不是很高，一般做为过程控制类计量仪表，贸易结算慎用；

4.靶式流量计8.3差压式流量计8.4容积流量计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，通过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。基本原理8081椭圆齿轮流量计工作原理

腰轮流量计工作原理8.4容积流量计凸轮式刮板流量计8.4容积流量计82腰轮流量计：适用于水、由和其他液体、各种高低压气体的测量转式气体流量计：主要用于城市气体和丙烷气体的流量测量，只能用于小流量的气体测量薄膜式气体流量计：城市气体和丙烷气体及常压下的气体气体不允许混有微粒测量含有微粒的流体时上游设置合适的过滤器混有气泡或产生空洞的油时，应在其上游部分安装气泡分离器分类安装及应用8.4容积流量计83测得的是一段时间内的累积流量，若流动稳定，可以由此计算流量或者平均流速。水表8.4容积流量计84NS在一定范围内，涡轮的转速与流体的平均流速成正比，通过磁电转换装置将涡轮转速变成电脉冲信号，以推导出被测流体的瞬时流量和累积流量。工作原理u——流体平均流速，m/s——叶片的切向速度，m/s

f——而磁电转换器所产生的脉冲频率

8.5涡轮流量计——单位体积流量通过磁电转换器所输出的脉冲数

85准确度高，测量范围宽，最小和最大线性流量比通常为1：6-1：10；压损小，数字信号输出，便于实线信号远传和数据处理特点安装注意水平安装，安装过滤器；上游侧应有15-20D,下游侧应有5-10D的直管段8.5涡轮流量计86当导体在磁场中切割磁力线时，将产生电动势，该电动势的大小与磁感应强度B、导体长度L、垂直于磁力线方向的运动速度成正比。法拉第定律8.6电磁流量计87

B—磁感应强度，Gs

D—管道直径，m—平均流速，m/s工作原理电磁流量计原理8.6电磁流量计88NSe=BuLNS8.6电磁流量计89原理体积流量qv与感应电动势e成线性关系，而与其他物理参数无关，不受温度、压力、密度、粘度等参数的影响使用范围测量导电液体体积流量，单不能测量气体、蒸汽及石油产品选型流体的导电率不能低于下限值，最好毕仪表厂规定的下限值大一个数量级最低流速不能低于量程的10%，最大流速不能超过10m/s8.6电磁流量计90垂直安装被测流体自下而上流动若水平安装，应使变速器低于出口管，并保证测量电极在同一水平面上上游侧应有5-10D，下游侧的直管段可短一些安装8.6电磁流量计91使用范围管径20～5000mm的各种介质的流量测量选型分为固定式和便携式固定式：只能用来测量清洁液体和气体，不能用于测量悬浮颗粒和气泡超过某一范围的便携式：适用于管道流量分配状况的评价8.7超声波流量计92发射器接收器

L原理v——超声波传播途径上的平均流速——超声波传播途径上的平均流速D——管道内径K——流速分布修正系数8.7超声波流量计938.7超声波流量计9495流体的体积是流体温度、压力和密度的函数，是因变量，而流体的质量是一个不随时间、空间温度、压力的变化而变化的量。在某些科学研究、生产过程控制中所涉及的流量一般多为质量，采用体积流量计不能满足要求。技术背景质量流量计的分类间接式质量流量计直接式质量流量计间接计算得到质量——传统质量流量计直接测量质量流量——新型质量流量计8.8质量流量计96间接式质量流量计节流式流量计与密度计组合体积流量计与密度计组合两种类型体积流量计组合8.8质量流量计97直接式质量流量计热式质量流量计差压式质量流量计在管道A、B处安装两个相同的孔板，在分流管道中装有