流速和流量测量幻灯片

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1、第四章 流速和流量的测量,4.1 流速的测量,4.1.1 皮托管测速法,皮托管测量原理,L型皮托管,4.1.1.1相关概念,我们把没有粘性的流体称为理想流体理想不可压缩流体的伯努利方程（能量方程） (Benoullis Equation),理想不可压缩流体在重力场中作定常流动时，具有三种形式的能量：位势能、压力势能和动能，在流线上任何一处三者能量之和保持恒定。,1.势能（Potential energy）: mgz1, mgz2，Permass: gz1, gz22.动能（Kinetic energy）: Permass:3.压力能（Pressure energy）: Workdoneforc

2、edistance= Permass:,4.1.1.2皮托管的结构,皮托管测速原理图,4.1.1.3 测量误差分析,总压孔直径：d=0.5D静压孔直径：d1=0.12D静压孔距端部距离：34D静压孔离支杆距离：810D,皮托管头部和支杆对流场的影响,1、皮托管的形状影响,修正后的流速公式：, 为皮托管系数，由实验标定。 一般在0.991.01之间。,皮托管是测量流体速度的主要工具之一,广泛用于船舶和飞行体的测速。在测量时，只要把皮托管对准流体流动的方向，使内管顶端（滞止点）能感受全压力 pt，而具有静压孔的外管感受静压力 ps。,4.1.1.4测量误差分析,总压孔直径：d=0.5D静压孔直径：

3、d1=0.12D静压孔距端部距离：34D静压孔离支杆距离：810D,皮托管头部和支杆对流场的影响,1、皮托管的形状影响,2、皮托管偏离特性的影响,结论：皮托管方向要正对流体流向。,3、流体压缩性影响,空气高速流动时，如果不进行压缩性影响的修正，将会产生10%左右的测量误差。,4.1.2 多普勒测速,当光源和反射体或散射体之间存在相对运动时，接收到的声波频率与入射声波频率存在差别的现象称为光学多普勒效应，是奥地利学者多普勒于1842年发现的。当单色光束入射到运动体上某点时，光波在该点被运动体散射，散射光频率与入射光频率相比，产生了正比于物体运动速度的频率偏移，称为多普勒频移。,后向散射型多普勒测

4、速原理,从入射光束方向看，后向散射是指接收散射光束的光电检测器位于被测物体后面，即与光源在同一侧。激光器S发出光束垂直人射到运动体，并在P点散射，散射光由光电检测器R接收。根据多普勒效应检测多普勒频移，如果人射光与散射光的夹角为，则多普勒频移为：,2,多普勒效应的另一种解释,辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高 (蓝移 (blue shift)。在运动的波源后面，产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低 (红移 (red shift)。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波红 /蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的

5、速度。所有波动现象 (包括光波) 都存在多普勒效应。,多普勒测速仪应用实例,1、卫星跟踪测轨系统,利用多普勒效应制成的仪器有激光多普勒测量仪、超声多普勒测量仪等，具有精度高、非接触、不扰乱流场、响应快、空间分辨率高、使用方便的特点，广泛用于流速测量、工业中钢板、铝材测量、医学中血液循环监测、医学诊断等。,非接触测量可以克服由于机械磨损和打滑造成的测量误差。,4.2 流量测量4.2.1 概述 一、流体的流量流量的定义：流体流量是指单位时间内流过管道或明渠某一截面流体的量，也称为瞬时流量。在某一段时间间隔内流过某一截面的流体的量称为流过的总量，也称作积分流量或累积流量。总量除以得到总量的时间就称为

6、该段时间内的平均流量。 流体流量的表示：一般可分为质量流量qm和体积流量qV。 两者之间满足以下关系：在国际单位制中，qm的单位为kg/s，qV的单位为m3s。 二、流量测量方法 1容积法 ； 2速度法； 3质量法三、流量测量系统 流量测量系统一般由传感器、信号传输、信号转换装置和流量显示及计算装置四部分组成。,传感器感受流量Q的变化，Q可以是质量流量qm或体积流量qV，其输出为与流量有关的某个物理量，如差压、速度等。信号转换装置将输出量转变成相应的电信号，然后由显示积算装置直接显示瞬时流量或对瞬时流量积分得到累积流量。 四、流量计的校验与标定 流量计的标定是一件比较困难的工作，因为流量是质量

7、或体积对时间的导数，难以由定义直接做出流量单位的标准器。一般是在流量不变的前提下，使流体连续流入标准容器V中，精确测量流体流动的起止时间和流入容器的流体总量，用平均流量代替瞬时流量作为标准。因此，在累积时间内，必须保证流体流动高度稳定，并且计时和计量都要足够准确。,4.2.2涡轮流量计 一、涡轮流量计的组成及测量原理 涡轮流量计由两部分组成：变送器和指示积算器。变送器完成将被测流量转换成一定频率的脉冲信号输出，指示积算器接受变送器输出的脉冲信号，将其转换、放大、运算、逻辑计数，显示瞬时流量和累积总量。 涡轮流量计实质上为一零功率输出的涡轮机，其变送器主要由涡轮、导流器、磁电转换器组成，结构如图

8、4-2所示。壳体和导流器由不导磁材料制成。导流器的作用是支承叶轮并导直流体的流动，以减少流体自旋及涡漩的干扰。 涡轮流量计结构 1涡轮；2支承；3永久磁钢；4感应线圈； 5壳体；6导流器,（1）流量一转速的转换原理 当涡轮处于匀速转动的平衡状态时，假设不计叶轮转动的摩擦阻力、流体粘性阻力及感应线圈中感应电流所引起的电磁反作用力矩的影响。设涡轮叶片与轴线的夹角为，叶轮的平均半径为r0，流体的流通面积为A0，流体流经叶轮相应半径r0处的轴向流速为v0切向流速为vg，故有式中 C与叶轮参数、轴向流速分布有关的系数； 平均流速。,（2）叶轮转速的测量 在涡轮流量计中，叶轮的转速是通过磁电转换的原理来测

9、量的，输出信号为代表转速的脉冲频率信号。磁电装置中的永久磁钢上绕有线圈，当叶片转动经过永久磁钢的顶部时，因叶片为导磁材料而改变原磁路的磁阻，从而使磁通发生变化，故在线圈上感应出电势信号。显然电势信号是脉动式的，其频率为 f = zn 式中 z 涡轮上的叶片数。 式中 仪表常数。在一定时间间隔内对流量进行积分时，得累积的总流量为：式中 N在t1到t2时间间隔内流过QV流体时输出的脉冲数。,仪表常数的意义为单位体积流量输出的脉冲数。从理论上说，在一定条件（流体性质、状态、变送器结构、流量一定）下，是一个常数。当上述条件变化时，值也随之变化。这是因为上述条件都将能影响到式中的参数C。在前述qV n关

10、系推导的前提条件中，流体的粘滞阻力将会影响流通截面A0上的流速分布，这种影响也表现为C的变化。从理论上研究各种因素对C的影响较为复杂，对于涡轮流量计，反映C值变化的是仪表常数，它是根据实际情况标定的，而且在使用的范围内按实际标定出的值是常值。下图是仪表常数随Re变化的特性曲线。实际上，涡轮流量计出厂时。值由厂家根据适用的流体标定给出。,（二）磁电转换器 磁电转换器是把涡轮的转速转换成电气频率信号的装置，它由磁电感应装置和前置放大器组成。 转速一频率转换是一种磁阻式磁电感应转换方式。感应装置安装在管道外部壳体上，它是由永久磁钢和感应线圈组成，正对下部的转动涡轮。涡轮转动时，当叶片转到永久磁钢的正

11、下方时，磁路的磁阻最小；当叶片转过时，磁阻变大。由于磁阻的变化，所以磁路中的磁通发生变化，因此在线圈中感应出电势。其电势是脉动电势，频率 f = zn。 感应出的电势信号比较微弱，经置于转换器之中的前置放大器放大后输出。 二、流量指示积算器 流量指示积算器是涡轮流量计的显示器。它完成瞬时流量的显示和总量显示。它的电路主要有两部分：瞬时流量显示电路和总量显示电路。,涡轮流量计的这种显示器，实际上是一个脉冲频率测量和计数的仪表，它将涡轮变送器输出的单位时间内的脉冲数和一段时间内的脉冲总数按瞬时流量和累积流量显示出来。这类显示仪表的类型很多，在仪表设计中可根据实际需要灵活选用。下图是一种显示仪表的工

12、作原理方框图。仪表由整形电路、频率电压变换电路、仪表常数除法运算电路、电磁计数器和自动回零电路、机内振荡器和电源等部分组成。 显示仪表工作原理方框图,4.2.3 转子流量计 转子流量计是工业生产过程中应用较为广泛的一类流量计。它又称浮子流量计、恒压降变截面流量计。按锥形管材料的不同可分为玻璃管转子流量计和金属管转子流量计。玻璃管转子流量计耐压能力低，一般为就地直读式。金属管转子流量计耐压能力高，一般有就地指示型和信号远传型。 转子流量计适用于多种介质的流体（气体、液体），在火电厂中，常用于化学水处理过程的水流量测量和锅炉点火过程控制中的轻油油量测量。它特别适用于小管径，低雷诺数的中小流量测量。

13、 一、玻璃管转子流量计 （一）结构组成 玻璃管转子流量计主要由锥形管、转子两部分组成 。 玻璃管转子流量计 1 罩壳；2玻璃锥管；3浮子 4密封填料；5连接法兰,（二）工作原理及流量公式 浮子处于锥形管中，相当于通流面积A0可变的节流件。流体流经节流件所产生的差压与体积流量的关系如下：式中 与浮子形状、尺寸等有关的流量系数。 流体密度。当浮子处于力平衡情况下，差压对浮子产生向上的作用力加上流体对浮子的浮力，等于浮子的重力，即由此可知 式中 Af浮子的有效面积。 Vf浮子体积。 f，分别为浮子材料和流体的密度； g当地的重力加速度。,体积流量qV与通流面积A0之间的关系：考虑到锥度很小的锥形管中

14、通流面积A0与浮子在管中的高度H近似成正比，即 A0 CH 式中 C与圆锥管锥度有关的比例系数。因此可得体积流量与浮子高度的关系式：由上式可知，如果增大锥管长度H，增大锥度，可扩大仪表的量程，提高流量测量范围。 流量公式中的流量系数与浮子的形状以及流体的雷诺数等有关，对于一定的浮子形状，当雷诺数大于某一数值时，流量系数趋于一常数。因此，对于一定材料、形状的浮子和一定密度的流体，雷诺数在低限雷诺数以上，就能得到体积流量和浮子位置之间的线性刻度关系。如图4-9所示三种浮子的转子流量计流量系数与雷诺数的关系。,1为旋转式浮子，它的低限雷诺数约为6000，较其它两种下限值要高，多用于直接指示的转子流量

15、计；2为圆盘式浮子，它的低限雷诺数约为300，3为板式浮子，低限雷诺数约为40，它们在较低的雷诺数下，流量系数就趋于常数，流量的测量范围比较宽。 玻璃转子流量计的示值显示有两种：一种在锥管上由转子的高度直接读出流量值，另一种是采用百分刻度（分为等分和非等分刻度）。 二、金属管转子流量计 金属管转子流量计的锥形管是用金属材料制成的，对于流量的检测原理与玻璃管转子流量计是相同的。很显然，测量时不能直接从锥形管内直接测出浮子的位置，因此都是把浮子的位移再进行传递变换。传递变换后的位移信号可以直接用于就地指示，也可以将该位移进一步进行电气信号的转换。金属管转子流量计有就地指示型和电气信号远传型，由于浮子的位移必须经过传递机构进行转换，所以浮子的位移与流量一般是非线性关系，这主要是位移传递机构所致。,