第五章流量测量讲义

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1、设计与制作 南航力学中心 苏小光,第五章 流 量 测 量,流量压力与温度测试,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,1意义： 流量是工业、国防、农业、医学及所有工程学科中一个非常重要的参量。 （1）.日常生活中; 水、煤气、汽油 （2）.医学；血液流量，药的剂量。 （3）.航空航天;火箭燃料加注、飞机发动机燃料消耗。 （4）.能源；石油开采、运输、贸易、计量,水电 （5）.农业;农田水利,水泵 （6）.化工;化工设备,化工生产,绪论,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,2.流量测量的对象:,（1）流量是动态量，被测流体的特性非常复杂 （2）被测流体:气体、液体、颗粒状刚体、组合混合流体 （3

2、）测量条件：多种多样 高温到极低温， 高压到低压， 微小流量到极大流量， 稳态和瞬态 （4）流动状态：层流和紊流，对液体还有黏度的大小。 （5）流量的精确测量是一个相当复杂的问题。,第五章 流量测量,流量压力与温度测试,3.测量历史 自古以来,流量测量是人类文明的一种标志。 埃及人通过测量尼罗河的流量来预测年成的好坏。 1502年，流量连续原理无疑归功于瓦伊尼 1687年，牛顿第二运动定律。 1700年，惠更斯和莱布尼茨 动能和势能，伯努利方程。 1766年，博儿达提出了单元流管的概念 1840年，魏斯巴赫做了有关流动损失、收缩系数、进入因素的等重要研究。 工业革命时，用收集称量计时来测定蒸汽

3、涡轮的流量。,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,5-1 流量测量技术基础,5.1.1.流量与常用物理参数,1.流量,流量的概念 流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量，前者称体积流量（m3/s)，后者称质量流量(kg/s)。,如果在截面上速度分布是均匀的，则：,（1）体积流量,（2）质量流量,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,流过管道某截面的流体的速度在截面上各处不可能是均匀的，假定在这个截面上某一微小单元面积上dAF速度是均匀的，流过该单元面积上的体积流量为,整个截面上的流量qv为,第五章 流量测量,流量压力与温度测试,测量某时间内流过的流体量，即瞬时流量对时间的积分，一段称之

4、累积流量,用来测量流量的仪表统称为流量计。测量总量的仪表称为流体计量表或总量计。,（3）累积流量,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,2.流体粘性 在流体的内部相互接触的部分在其切线方向的速度有差别时会产生减小其速度差的作用。这是因为流速快的部分要加速与其相接触的流速慢的部分，而流速慢的部分要减小与其相接触的流速快的部分，这就是流体的的粘滞性,这种特性称为粘性。通常同动力粘度表示,设有两块面积很大距离很近的平板，两平板中间是流体。令底下的平板保持不动，而以一恒定力推动上面平板，,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,使其以速度v沿x方向活动。由于流体粘性的作用，附在上板底面的一薄层液体以速度

5、v随上板运动。而下板不动故附在其上的流体不动，所以两板间的液体就分成无数薄层而运动，如图所示。 作用力F与受力面平行，称为剪力，剪力与板的速度v、板的面积S成正比，而与两板间的距离y成反此，即,图5-1,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,基于牛顿内摩擦定律,流体流动过程中流层间单位面积上的内摩擦力的大小与接触面法线方向的的速度梯度成正比,与流体沾性有关而与接触面上的压力无关。单位是： (Pa.s),式中： 切应力 F为内摩擦力，S为接触面积； 沿接触面积法线方向上的速度梯度 粘度系数，也称粘度和动力粘度,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,1.层 流 和 紊 流,流体在细管中的流动形式可

6、分为层流和紊流两种。 所谓层流就是流体在细管中流动的流线平行于管轴时的流动。 所谓紊流就是流体在细管中流动的流线相对混乱的流动。 利用雷诺数可以判断流动的形式。如果雷诺数小于某一值时，可判断为层流，而大于此值时则判断为紊流。,5.1.2.管内流动基本知识,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,由此，我们发现管内流体流动时存在着两种状态：一为层流状面一为紊流状态在不同的流动状态下，流体有不同的流动特性。 在层流流动状态时，流量与压力降成正比；在紊流流动状态时，流量与压力降的平方根成正比，而且在层流与紊流两种不同的流动状态时，其管内的速度分布也大不相同。这些对于许多采用测量流速来得到流量的测量方法

7、是很重要的。,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,2.雷诺数: 雷诺数是表征流体流动时惯性力与粘性力之比。利用细管直径d，可求出雷诺数Rd：,为细管中的平均流速； 为流体的运动粘度, d为管径。 Rd2320时为层流，Rd2320时为紊流；,所谓平均流速，一般是指流过管路的体积流量除以管路截面积所得到的数值。,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,3.管内流速分布与平均流速,图5-2,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,流体在管道内作稳定流动的情况， 连续性方程:(不可压缩一维定常流),4.流动基本方程液体,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,即流体在稳定流动，且不可压缩时，流过各截面流

8、体的体积为常量。因此利用上式，很方便的求出流体流过管道不同截面时的流速。,图5-3,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,第五章 流量测量,流量压力与温度测试,5.气体状态方程,理想气体状态方程，又称理想气体定律、普适气体定律，是描述理想气体在处于平衡态时，压强、体积、物质的量、温度间关系的状态方程。,其方程为pV = nRT,P理想气体的压强， V理想气体的体积， n气体物质的量， T理想气体的热力学温度； 常量：R为理想气体常数。 可以看出，此方程的变量很多。因此此方程以其变量多、适用范围广而著称，对常温常压下的空气也近似地适用 ，所以 气体流量测量时需同时测量压力与温度，转换成标准状态的

9、流量,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,5.1.3. 流量测量方法概述,1.容积式测量方法及容积式流量计,2.速度式测量方法及速度式流量计,3.节流式测量方法及节流式流量计,4.质量流量测量及质量流量计,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,5.1.4. 流量测量与计量常用术语,1.流量范围,2.额定流量,3.流量计特性曲线,4.流量系数,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,6.重复性,7.线性,5.仪表系数,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,5-2 容积式流量测量仪表,5.2.1.容积式流量测量仪表工作原理与分类,1.工作原理,这类仪表用仪表内的一个固定容量的小容积连续地测量被测介

10、质，最后根据定量容积称量的次数来决定流过的总量。习惯上人们把流量计量表称为流量计。根据它的结构不同，这类仪表主要有椭圆齿轮流量计、腰轮流量汁、活塞式流量计等。,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,2.容积式流量计分类 根据转子的结构型式分为:,优点: a测量精度高,范围宽 b 安装简单管路影响小 c使用寿命长,适用性广 d 就地指示和远传,第五章 流量测量,流量压力与温度测试,3.容积式流量计的特点,缺点: a结构复杂体积庞大 b产生躁声及振动 c不适合高温高压 d一般只适用于单相流,第五章 流量测量,流量压力与温度测试,腰轮流量计,第五章 流量测量,流量压力与温度测试,5.2.2腰轮流量计

11、,1.腰轮流量计结构,图5-4,腰轮转子见图5-4 结构见图5-5 总体结构框图见图5-6,图5-5,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,图5-6,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,2.腰轮流量计工作原理,如图5-7所示，当流体按箭头方向流入时，静压力p1均匀的作用在腰轮转子A的一侧上，转子A因力矩平衡而不转动，此时，腰轮转子B由于出入口的压力差（p=p1p2）而受到旋转力矩，如图中所示按逆时针方向旋转，,图5-7,同时带动固定在同一轴上的驱动齿轮旋转，通过一对驱动齿轮的啮合关系，使转子A按图中所示顺时针方向旋转到图5-8的位置。此时，图5-7中阴影部分（为转子与壳体之间所构成的具有一定

12、容积的计量腔）所示的液体被送到流量计的出口端。,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,图5-8,随着转子旋转位置的变化，转子B上力矩逐渐减小，而转子A上则产生转动力矩，并逐渐增大。当二个转子都旋转90，达到图5-9（c）的位置时，转子A产生的转动力矩到最大，而转子B上则无转动力矩。,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,图5-9,这时，两个驱动齿轮相互改变主从动关系，两转子交替的经过计量腔计量过的液体连续不断的由流量计的入口端排到出口端，从而达到计量的目的。一对转子每旋转一周，则有四倍于计量腔容积的流体从入口端送到出口端。 因为转子、壳体尺寸是固定不变的，腰轮每转一周排液量也是固定的。单位时间

13、内排出液体体积的大小只是与转子的转数乘正比。只要测得转子的转数，并通过与腰轮轴联接的变速机构，出轴密封机构和精度修正值，将旋转次数减速后传递到计数器，计数器即指示液体的累积流量。,第五章 流量测量,流量压力与温度测试,腰轮流量计每转排液量的计算公式是： 式中， D-为转子长轴直径； L-为转子长度； -为容积常数，对于圆周族包络形转子，=0.7956，对于摆线形转子，=0.7854,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,3. 计算公式,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,4.影响腰轮流量计精度的主要因素 (1) 粘度 腰轮流量计的壳体同转子之间总是存在一定的间隙，它必然会带来相应的泄漏误差。

14、而流体的粘度可通过表面张力的作用来改变腰轮与壳体之间的间隙，因此粘度对腰轮流量计有改善性能的作用，在小流量测量时效果更为明显. 但是粘度的提高，将使流量计的压力损失随之增大，特别是高粘度的介质，要消耗更大的能量，并将增加零件的磨损。因此在测量高粘度介质时，有时采用加大腰轮与壳体之间间隙的方法，以减小由粘度而引起的剪切力，降低压力损失。,第五章 流量测量,流量压力与温度测试,图5-10,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,(2) 温度 温度是流量测量的一个重要参数，因为随着温度的变化，粘度也将温度变化，使流量计的线性度受到影响。另外，由于各个零件热膨胀系数不同，温度变化也会使腰轮与壳体以及轴和

15、轴承孔之间的间隙发生变化，从而影响流量计的测量精度，甚至会造成转子卡住不转，因此要求流量计在一定的纬度范围内使用。,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,(3) 压力 流量计外壳必须能承受管路系统的压力，特别在管路系统压力较高的场合，理论上被测介质都会受到压力影响。 例如：流量计的外壳会产生变形，液体体积也会被压缩，这些因素都回影响流量计的精度。但对这些因素引起的示值误差是否要考虑修正，应根据测量精度的要求而定。如测量精度要求很高应作修正，一般精度的0.5级的流量计就不作修正，而作为流量标准装置的体积管在工作时，就要作压力修正。,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,(4) 压力损失 腰轮流量

16、计的压力损失由转子等各转动部件所产生的摩擦阻力，液体的粘滞阻力以及计量腔中液体紊流所造成的阻力等引起。可以根据流量计进出口前后的压力表读出压力差。 腰轮流量计压力损失的特性是：当流量增大时，压力损失也增大；介质粘度越高，压力损失也就越大；而压力损失过大将影响流量计的基本误差。因此流量计的压力损失应尽可能小，这样基本误差也相当较小。图2-15表示粘度同压损之间的关系。,第五章 流量测量,流量压力与温度测试,图5-11,第五章 流量测量,流量压力与温度测试,图5-12,流量压力与温度测试,第五章 流量测量,(5 )泄漏量 泄漏量是造成腰轮流量计误差偏大的主要原因之一。腰轮转子在工作时，它和壳体之间的间隙，由液体表面张力作用进行互补密封。如前所述，粘度高