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1、第四章流速及流量测量v本章主要内容：v4.1概述v4.2测速管v4.3节流式流量计v4.4转子流量计v4.5涡轮流量计v4.6电磁流量计v4.7靶式流量计v4.8超声波式流量计v4.9涡街流量计v4.10哥利奥里式流量计本章重点：1.节流式流量计的工作原 理、特点、流量方程的推 导、标准节流装置、参数 分析。2.转子流量的工作原理及 特点、刻度换算。3.其他流量计的基本原理 和特点。本章难点：节流式流量计 的流量方程的推导。4.1概述v4.1.1流体与流量v流体: 是指具有流动性能的物质，一般可以认为是气体 和液体的总称。v流量: 是指单位时间内通过某截面的流体数量，称瞬 时流量。它可用质量单
2、位表示，也可用体积单位表示 ，分别称为质量流量(kg/s)和体积流量（m3/s) 。 v体积流量表达式为：v如果在截面上速度分布是均匀的，则：v质量流量表达式为：v 测量某一段时间内流过的流体量，即瞬时流量对时间 的积分，称之流体总量。 v 流体性质和流体运动的复杂性流体性质多样性 : 流体性质的多样性 表现在密度、粘度不同，单相流、多相 流之分，可压缩性的强弱，牛顿流体与 非牛顿体管路系统的多样性,管道形状， 壁面光滑程度。v 流动状态的多样性: 流体流动状态的多 样性表现在层流与紊流， 明渠流与管流 ， 充满流与非充满流，旋转流与脉动流 。 v4.1.2流量测量方法v 1.容积法原理：容积
3、型流量计测量流量的基本依据是 ，单位时间内被测流体充满(或排出)某一定容 容器的次数。即有Q = nV 式中， V为定容容器的容积n为单位时间内被测流体充满(或排出)定 容容器的次数 。 形式：椭圆齿轮式、腰轮式、刮板式、活塞 式等 。特点：流动状态对测量的影响小，精度高； 有一定的压力损失；不宜用于高温、高压、脏 污介质的测量。v2.流速法原理：速度型流量计以流体一元流动 的连续方程为理论依据，即当流通截面 确定时，流体的体积流量与截面上的平 均流速成正比。形式：差压式、转子式、涡轮式、层 流式，电磁式、声波式特点：使用性能好，精度高；可用于 高温、高压介质的测量，流动状态、Re 对测量的影
4、响大。v 3.质量法这类流量计以测量与流体质量有关的物理效 应为基础，分为直接式、推导式和温度压力补 偿式三种。直接式质量流量计利用与质量流量直接有关 的原理(如惯性系中的牛顿第二定律)进行测量 。v推导式质量流量计是同时测取流体的密度和体 积流量，通过运算而推导出质量流量的。一般 ，它由速度型流量计和密度计组合而成。温度压力补偿式质量流量计也可看成是一种 推导式质量流量计，只是它不配用密度计，而 是利用温度、压力与密度之间的关系，将温度 、压力的测量值转换为密度，再与体积流量进 行运算而得到质量流量。 v应当指出，无论哪一种流量计，都有一 定的适用范围，对流利的特性以及管道 条件都有特定的要
5、求。目前生产的容积 法和速度法流量计，都要求满足下列条 件：v 流体必须充满管道内部，并连续流动 ；v流体在物理上和热力学上是单相的， 流经测量元件时不发生相变；v流体的速度一般在音速以下。4.2测速管v测速度的结构与测量原理 测速管又称皮托（Pitot ）管，如图所示，是由两根弯成直角的同心套管组 成，内管管口正对着管道中流体流动方向，外管的 管口是封闭的，在外管前端壁面四周开有若干测压 小孔。为了减小误差，测速管的前端经常做成半球 形以减少涡流。测速管的内管与外管分别与U形压 差计相连。 v内管所测的是流体在A处的局部动能和静压能 之和，称为总压能。 测速管内管A处： 由于外管壁上的测压小
6、孔与流体流动方向平行， 所以外管仅测得流体的静压能，即外管B处：U形压差计实际反映的是内管冲压能和外管静压 能之差，即则该处的局部速度为 v由此可知，测速管实际测得的是流体在管截面某处的点速度 ，因此利用测速管可以测得流体在管内的速度分布。若要获 得流量，可对速度分布曲线进行积分。也可以利用皮托管测 量管中心的最大流速，利用图所示的关系查取最大速度与平 均速度的关系，求出管道与Re的关系、截面的平均速度， 进而计算出流量，此法较常用。v测速管的安装v1.必须保证测量点位于均匀流段，一般要求测 量点上、下游的直管长度最好大于50倍管内径 ，至少也应大于812倍。v2.测速管管口截面必须垂直于流体
7、流动方向， 任何偏离都将导致负偏差。v3.测速管的外径d0不应超过管内径d的1/50，即 d0d/50。v测速管对流体的阻力较小，适用于测量大直径 管道中清洁气体的流速，若流体中含有固体杂 质时，易将测压孔堵塞，故不易采用。此外， 测速管的压差读数教小，常常需要放大或配微 压计。 4.3节流式流量计v4.3.1测量原理与流量方程 v节流式流量计是利用流体流经节流元件产生的压力差 来实现流量测量的。将节流件垂直安装在管道中，以 一定取压方式测取孔板前后两端的压差，并与压差计 相连，即构成节流式流量计。 v节流过程分析：当流体流过管道 中的节流元件时，由于流通截面 的变化，节流件前后的静压力不 同
8、，静压差与流体的流量有关， 这种现象称为节流现象。如图所 示，流束未受到节流件影响时， 流动方向与管道中心线平行。在 节流件前，流体向中心加速，至 截面2处流束收缩到最小，此处 流速方向又与管道中心线平行， 且流速最大，压力最低，然后流 束扩张，流速下降，静压升高， 直到截面3处流束又充满管道。 由于涡流区的存在，导致流体能 量损失，故在截面3处静压力p3 不等于原先的数值，而产生了压 力损失p v流量方程的推导：（4分）根据截面1，2处的压力能、动能和势 能的关系，可写出伯努利方程如下：v另外，根据流体流动的连续性方程，有v式中，C1、C2截面1，2处的动能修正系数；v Z1、Z2，截面1，
9、2处流体对参考水平面的距离；v g重力加速度；v 能量损失系数；v A1、A2截面1，2处的流束截面。v1） 不可压缩流体的流量方程v令 =d/D v由（2）式 代入（1）式得 （1 ）（2）v又根据取压位置不同设 最后得出v其中= 称为流量系数 v1） 可压缩流体的流量方程v令1，则可压缩流体的流量方程为 v如果对于不可压缩流体取=1，那么上两式便是流体流量方程的统一形 式。 4.3.2标准节流装置v节流装置标准化建立的基础：v对于一定粗糙度的管道，几何相似（值相）等的节 流装置在流体动力学相似（管内流动雷诺数Red相等） 的条件下，流量系数相等。v标准化内容：v的实验数据（以表格或公式的形
10、式给出）；v满足相似条件的四个规定：v规定的节流件形式；v规定的取压方式；v规定的管道条件；v规定的流体条件。v因此满足规定条件的节流装置称为标准节流装置。v我国国家标准GB 262481 规定的标准 节流装置是：v 标准孔板角接取压；v 标准孔板，法兰取压；v ISA1932喷嘴，角接取压。v1.标准节流元件v标准孔板v标准孔板的形状如图所示。它是一 带有圆孔的板，圆孔与管道同心， 直角入口边缘非常锐利。孔板流量 计实计实 物图图 标标准孔板的重要的尺寸 参数是开孔直径，对对制成的孔板， 应应至少取四个大致相等的角度测测得 直径的平均值值。任一孔径的单测值单测值 与平均值值之差不得大于0.0
11、5%。孔 径应应大于或等于12.5mm，孔径比 ( 为为管道直径)为为0.2 0.8。 孔板开孔上游侧侧的直角入口边缘边缘 ， 应锐应锐 利无毛刺和划痕。若直角入口 边缘边缘 形成圆圆弧，其圆圆弧半径应应小于 或等于0.0004。孔板进进口圆圆筒的厚 度e和孔板厚度E不能过过大，以免影 响精度。 v标准喷嘴v标准喷嘴的结构如图所示 。其轮廓外形由进口端面A 、收缩部分第一圆弧曲面 与第二圆弧曲面、圆筒形 喉部和出口边缘保护糟H所 组成。圆筒形喉部e的直径 即为节流件的开孔直径， 其长度为0.3。标准喷嘴加 工比较困难，一般均由专 业厂制造，实验室所用的 在市场上购买。v标准喷嘴适用的管道直径
12、为501000mm，孔径比b 为 0.32 - 0.8，雷诺数为 2E42E6。v文丘里管v文丘里管是由入口圆筒 段A、圆锥形收缩段B、 圆筒形喉部C和圆锥形扩 散段E所组成。文丘里管 的几何形状如图3-14所 示。文丘里管第一收缩 段锥度为21 1 ，扩散段为7 15 ，文丘里的比值为0.4 - 0.7。v2.取压装置v（1）角接取压装置v角接取压装置有环室取压和 单独钻孔取压两种。如图所 示。v环室取压有均压作用，压差 比较稳定，被广泛在用。但 当管经超过，500mm时采 用单独钻孔取压。v0.65时.0.005D a 0.03Dv 0.65时,0.01Da 0.02Dv而且a应在110m
13、m范围内 。v环室缝隙的厚度f2a。v环室截面hC 1/2Da。v取压孔取410mm。（2）法兰取压装置 如图所示。 取压孔直径不大于0.08 D，（612mm)。取压孔截面距节流件 前后端面距离为25.41mm。v3.标准节流装置的管道条件v节流件前后直管段l1、l2的要求如表所示。v说明：v（1）若上游侧有两个阻力件，其间的直管段长度l0取 按上游侧第二局部阻力件形式和=0.7（不论实际值 为多少）查表所得l1的一半。v（2）如节流件上游侧有温度计套管，他与节流件的距 离应为5D（3D）（当温度计套管直径0.03D时）或 20D（当温度计套管在0.03D0.13D之间时）。一般应 尽可能把
14、温度计装于节流件之后，此时要求它与节流 件的距离大于5D。v（3）如果使用的节流件上游侧的阻力件形式没有包括 在表内，或要求的三个直管段长度有一个小于括号内 的值，则整套节流装置需单独标定。v4.标准节流装置的流体条件v 流体必须充满管道内部，并连续流动 ；v流体在物理上和热力学上是单相的， 流经测量元件时不发生相变；v流体的速度一般在音速以下。v流体流经节流件前后流束平行于管道 轴线。v4.3.3 标准节流装置的有关参数v1.流量系数v与节流装置，Red及管道粗糙度有关 。v绝对粗糙度kc和相对粗糙度kc/Dv光滑管道：kc/D0.0004v光管流量系数0：在光滑管道上测定 的流量系数。v对
15、同一节流装置，在一定的值下， 0只与Red有关。v如图所示。v界限雷诺数：保持0稳定的雷诺数的 最小值。v保持0稳定的方法：v在界限雷诺数以上测量；v限制流量的变化范围，使最大流量 和最小流量时0的变化不超过0.5%。标准孔板标准喷嘴v结论:v(1)节流式流量计一般在界限雷诺数以上进行测量;v(2)节流式流量计的量程比只有3:1。 0的修正：= 0rc 式中rc为管道粗糙度修正系数。式中n对于标准孔板n=6，对于标准喷嘴 =5.5。r0由和D/kc决定的对管道粗糙度的原始修正系数 ，如表所示。当lgRed/n 1时，取rc=r0。v2.膨胀系数v决定于p/p1， 和介质的等熵指数k。v对于角接取压标准孔板：v对于标准喷嘴：v3.压力损失pv4.3.4标准节流装置的使用范围v下表为几种标准节流装置的应用范围。表中的界限雷诺数随而变 。同时考虑以下因素：v流体条件：测量易沉淀或有腐蚀性的流体易采用喷嘴。v管道条件：在管道内壁比较粗糙的条件下，易采用喷嘴。v压力损失：在标准节流件中，孔板压力损失最大。v运行精度：在高参数、大流量的生产线上，通常采用喷嘴。v在同一值下，喷嘴较孔板的d大，故测量范围大。v与喷嘴相比，孔板的最大优点是加工方便、安装容易、省料、造 价低。4.4 转子流量计v4.4.1 转子流量计的结构与测量原理
