流速与流量测量课件

《流速与流量测量课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《流速与流量测量课件（33页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第11章 流速与流量测量,11.1 流速测量方法 11.2 流量测量方法 11.3 测量装置的标定,2008年,11.1 流速测量方法,流速测量常用三种方法： 测压管测速 热线风速仪 激光测速仪,2008年,11.1.1 测压管测速,1、测压管测速原理 （1）不可压缩性流体（密度是常数），根据百努里方程： 式中，v1、v2是两个截面上流体的流速；p1、p2是两个截面上流体的静压力。 如果已知流体滞止压力（总压） p0 ，以及流体静压ps ，可以得到： 可见，利用总压、静压或两者之差可以求出流体流速。,2008年,（2）绝热可压缩性气体（密度随速度变化），百努里方程为： 式中，K为绝热指数， p

2、s、s 为气流的静压和密度； p0、0为气流滞止状态下的压力和密度。利用绝热方程可推出： 可见，可压缩气体的速度不是由压差决定，而是由两者之比决定。 为了利用压差计算，引入可压缩性修正系数，则： 式中，修正系数根据马赫数大小（流速大小）取值。 这样，就可以利用总压、静压或两者之差求出流体流速。,2008年,2、总压与静压测量,（1）总压测量 流体绕流时，物体上有些点上流体完 全滞止，即速度为零，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。 总压是静压与动压之和。 总压测量可采用总压管，其感压孔应 该对准来流方向。 （2）静压测量 流体绕流时，流体的压力等于未扰动

3、 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: 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。,总压测量,静压测量,2008年,（3）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。 特点：结构简单，使用方便，制 造容易，价格便宜，坚固可靠。 式中， Ku为校正系数，一般小于1,2008年,T型毕托管为两根针管弯成L形，焊在一起成T形。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，随着流动偏斜角增加，测量速度值与实际值差别增大。 由于两压力孔相隔距离

4、较大，不宜于沿通道长度总压梯度较大的气流流速测量，常用于含尘量大的气流流速测量和输油管道流速的测量。,L形毕托管结构简图,T型毕托管结构简图,L形毕托管静压孔可以是沿侧面分布（等距）的小孔或狭缝；如果是小孔应该不少于6个，孔直径为11.6mm。测量值对流动方向很敏感。,2008年,（4）圆柱形复合测压管 结构特点：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，可同时测量大小与方向。,实际使用：对向测量法和不对向测量法。 对向测量法就是方向管绕其本身的轴

5、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，相对于一定的参考方向就可以决定流动的方向角。 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。,2008年,测压管设计原则,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； 测压管的校正系数要稳定，在M变化较大的范围内，校正系数不变； 测压管感受孔到测压管转轴的距离应当最小； 测压管应有足够的强度； 工艺性好，制造简单。,2008年,11.1.2 热线风速仪,1、工作原理 热线风速仪是利用被电流加

6、热的热线（热膜）的热量损失进行流速测量。 连续流体中热线的热耗散存在热传导、热辐射、自由射流和强迫对流过程。理论和试验表明： 金属丝长径比超过300，两支点的热传导损耗可忽略； 流体和传感器温差小于300时热辐射可忽略； 当流体流速大于0.5m/s时，相比强迫对流而言自由对流可以忽略。 在设计探针时，尽量满足这些条件，这样热线只是在强迫对流传热下工作。,2008年,11.1.2 热线风速仪,当热线单位时间发热量Q与热线对流体的放热量平衡时有： 进一步理论推导可知： 可见：流体速度只是流过热线的电流和热线电阻（热线温度）的函数 （1）恒流工作方式Iw为常数 （2）恒温工作方式Tw为常数，热线电阻

7、Rw也不变：,精度较高，常采用此方法。,2008年,2、热线风速仪探头 分为热线探头和热膜探头两种。 （1）热线探头 典型尺寸：直径为2.55m，长度为12mm； 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。 （2）热膜探头 结构：在石英体或玻璃杆上喷镀一层很薄的金属膜作探头。 优点：强度高，可在恶劣流场中工作，热传导损失小，受振动影响小，不存在内应力问题，信噪比高。 缺点：频率响应范围比热线探头窄，工作温度低，特别是测量液体，只比环境温度高20；测量精度不高，工艺复杂，制造困难，损坏不易修复。,2008年,3 热线风

8、速仪的动态特性 在实际测量电路中，测量的不是电流，而是惠斯顿电桥的桥顶电压。 由热线风速仪的传递函数可以知道，它是一个一阶惯性系统，该系统的带宽在010kHz之间，很容易适用于多数紊流检测，以及满足检测涡旋要求。但测量流体脉动流速时，必须考虑热线的热惯性（时间常数）影响。,改进热线风速仪的动态特性方法： （1）采用细和短的热线 （2）在电子线路上采取补偿方法。恒温型热线风速仪就是利用反馈控制电路保持热线电阻恒定。供给电桥电流的改变自动跟踪气流的脉动，自动补偿了热线热惯性的影响。,恒温系统简图,2008年,流速测量方法小结,1、测压管测流速 （1）基本原理：伯努力方程通过总压与静压压差得到流速

9、（2）结构形式：毕托管（L、T型）可测总压与静压之压差 圆柱形复合测压管可测总压、静压、及方向 2、热线（热膜）风速仪测流速 （1）基本原理：利用被电流加热热线的热量损失测量流速 （2）结构形式：热线探头热惯性小、强度低； 热膜探头强度高、可测液体或带有颗粒气流流速,2008年,11.2 流量测量方法,11.2.1流量测量概述 1、定义： 流量单位时间流过某截面的流体的量，q 累计流量某一段时间内流过某截面流体的总量，Q 平均流量累计流量除以产生该量的相应的时间间隔 2、表示法 （1）质量流量 （2）重量流量 （3）体积流量 （4）累计流量 3、测量方法容积式、速度式、质量式、节流式,2008

10、年,11.2.2 容积式流量测量方法,1、测量方法 通过测量单位时间内经仪表排出流体的固定容积V的数目n来实现： 2、容积式流量计 （1）椭圆齿轮流量计 （2）腰轮流量计 （3）刮板流量计 （4）湿式气体流量计,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,2008年,3、容积式流量计测量误差 测量累计流量准确度很高； 测量瞬时流量误差较大。 注意因素： （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，否则压差引起的误差增大； （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。 4、使用要点 容积式流量内部有运动部

11、件，注意在仪表入口加滤网，防止杂物进入，卡死运动部件； 应该在仪表侧留有旁路，便于经常清洗； 注意流体的使用条件，不能超过仪表的规定范围。,2008年,11.2.3速度式流量测量方法,1、涡轮流量计直接测量流速后计算流量： （1）原理 涡轮转速与流量成正比，通过对转速的计算可得到累计流量和瞬时流量。 转速通过磁电传感器测量，得到电脉冲。 将涡轮转速转换成电脉冲信号进行处理有两种方法： 磁阻方法：用导磁不锈钢制作叶片。该方法适用于清洁、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：转子用非导磁材料制成，将一块磁钢埋在涡轮内腔。该方法如适当选材可用于非润滑性气体，含微小颗粒和腐蚀性

12、流体，以及液态气体突然气化等原因而可能造成涡轮突然高速旋转的场合。,可见，通过频率检测可求得体积流量。,2008年,（2）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； 不能超过规定最高温度、压力和转速； 不允许冲刷蒸汽通过仪表，必须加装旁路； 仪表应加逆止阀，防止涡轮倒转； 流量计必须水平安装，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。 （3）涡流流量计的特点： 优点： 测量精度高，重复性好，基本误差在0.251.5之间； 测量范围较宽，可测的小流量为40kg/h，最大流量可达16106kg/h； 惯性小，可用于瞬时流量的测量； 输出的是数字信号，容易实

13、现流量计算和定量控制， 可与调节器、执行器和计算机配套使用。 缺点：对流体的清洁度要求较高，不能有夹杂物或固体颗粒，否则误差较大，轴承磨损 快，降低仪器寿命，故仪器前应安装过滤器。另一方面，涡轮流量计不宜于测量 粘度过大的液体的流量。,2008年,2、漩涡流量计直接测量流速 （1）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漩涡，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”。 大量实验证明，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，即 ：,推导可知：,可见，通过频率检测可求得体积流量。,2008年,（2）

14、流体频率检测方法 （a）流体振动频率的检测 利用流体流动的冷却作用可检测漩涡产生的频率。检测该频率的传感器有自热式鉑电阻丝或热敏电阻。 对于圆柱形漩涡发生体，漩涡在上下侧交替发生，由于发生漩涡之侧面压力较大，交变压力随漩涡的发生而发生，在此压力作用下，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。 该方法灵敏度高，但机械强度低。 （b）流体作用力频率的检测 在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。,漩涡发生体及信号检测 原理图 1导压孔；2空腔 3隔墙；4电热丝,200

15、8年,（3）漩涡流量计特点： 精度高，误差约为1； 输出是频率信号，抗干扰能力强。 （4）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； 应保证在漩涡发生体处不产生空穴现象； 仪表上游侧应有20D长、下游侧至少5D长直管段，直管段内壁不应有凹凸； 涡旋流量计压损小、结构简单、维护方便，不受流体压力、温度、粘度和密度的影响，对于大口径管道流量测量（如烟道排气和天然气）更方便，但要求直管段长。,2008年,11.2.4 节流式流量计,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。 1、工作原理 利用节流效应来测量流量。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。 分析表明，若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： 式中，A为孔板开孔面积；为流量系数（与流道尺寸、取压方式、流速分布状态有关的系数） 2、节流件 节流装置可分为标准节流装置和非标准节流装置。目前常用的标准节流装置： （1）标准孔板 （2）标准喷嘴,2008年,（1）标准孔板,标准孔板全名为“同心薄壁锐缘孔板”，加工安装都有相应要求。其取压方式主要有两种： 角接取压：两侧压力由孔板与