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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