1、2022-3-171建筑環境測試技術建筑環境測試技術2第第6 6章章 物位測量物位測量 P134P1342.2.浮力式物位檢測浮力式物位檢測; ;1.1.靜壓式物位檢測靜壓式物位檢測; ;3.3.電氣式物位檢測電氣式物位檢測; ;4.4.聲學式（超聲波）物位檢測聲學式（超聲波）物位檢測; ;5.5.射線式物位檢測。射線式物位檢測。原理！3差壓變送差壓變送器器差壓變送器作差壓變送器作用：將壓差信用：將壓差信號變成號變成標準電標準電流信號流信號輸出。輸出。6.26.2靜壓式物位檢測靜壓式物位檢測; ;46.3 6.3 浮力式物位檢測浮力式物位檢測 P140一、恒浮力式物位檢測一、恒浮力式物位檢測5

2、二、變浮力式物位檢測二、變浮力式物位檢測xgACH 1. 1. 電容式液位計電容式液位計 電容式液位計利用電容式液位計利用液位高低液位高低變化變化影響影響電容器電容量大小電容器電容量大小的原理進行測量。的原理進行測量。HrRCln)(212 6.4 6.4 電氣式物位檢測電氣式物位檢測 P1417用于連續測量的電阻式液位計用于連續測量的電阻式液位計原理圖原理圖1-電阻棒；2-絕緣套；3-測量電橋電阻式液位計的原理是電阻式液位計的原理是基于液位變化引起電極基于液位變化引起電極間電阻變化間電阻變化，由電阻變，由電阻變化反映液位情況化反映液位情況 2. 2. 電阻式液位計電阻式液位計83.3.電感式

3、液位計電感式液位計 電感式液位電感式液位計利用電磁感應計利用電磁感應現象，現象，液位變化液位變化引起線圈電感變引起線圈電感變化化，感應電流也，感應電流也發生變化。發生變化。1、3-上下限線圈； 2-浮子96.5 6.5 聲學式物位檢測聲學式物位檢測 根據根據超聲波從發射到接收反射回波的時間間隔大小與超聲波從發射到接收反射回波的時間間隔大小與被測介質高度成比例關系被測介質高度成比例關系的原理，實現液位測量。的原理，實現液位測量。vtH21（6.5.1）10超聲波液位計超聲波液位計116.6 6.6 射線式物位檢測射線式物位檢測HeII0IIHlnln10 測液位測液位可通過測量射線在可通過測量射

4、線在穿過液體時強度穿過液體時強度的的變化量變化量來來實現。實現。 式中式中 吸收系數，條件固定時為常數。變形為：吸收系數，條件固定時為常數。變形為：(6.6.1)1213第第6 6章章 物位測量物位測量6.1 6.1 物位檢測的主要方法和分類物位檢測的主要方法和分類6.2 6.2 靜壓式物位檢測靜壓式物位檢測6.3 6.3 浮力式物位檢測浮力式物位檢測6.5 6.5 聲學式物位檢測聲學式物位檢測6.6 6.6 射線式物位檢測射線式物位檢測6.4 6.4 電氣式物位檢測電氣式物位檢測u 熟悉理解靜壓式、電容式、超聲波式物位檢測熟悉理解靜壓式、電容式、超聲波式物位檢測的檢測原理。的檢測原理。u 熟

5、練掌握靜壓式物位檢測的計算方法及量程遷熟練掌握靜壓式物位檢測的計算方法及量程遷移的方式、遷移量的計算。移的方式、遷移量的計算。14第第7 7章章 流速及流量測量流速及流量測量7.1 7.1 流速測量流速測量常用流速的測量方法（原理常用流速的測量方法（原理:簡答題簡答題） 機械方法機械方法 散熱率法散熱率法 動力測壓法動力測壓法 激光測速法激光測速法7.1.1、機械方法測量流速、機械方法測量流速 根據置于流體中的葉輪的根據置于流體中的葉輪的旋轉角速度旋轉角速度與流體的與流體的流流速成正比速成正比的原理來進行流速測量的。的原理來進行流速測量的。原理！15機械式風速儀是利用葉輪測量流速的實例：機械式

6、風速儀是利用葉輪測量流速的實例： 翼型和杯型翼型和杯型圖圖7.7.116177.1.2、散熱率法測量流速、散熱率法測量流速 散熱率法測量流速的原理，是將發熱的測速傳感器置于散熱率法測量流速的原理，是將發熱的測速傳感器置于被測流體中，利用發熱的測速傳感器的被測流體中，利用發熱的測速傳感器的散熱率散熱率與與流體流流體流速速成比例的特點，通過測定傳感器的散熱率來獲得流體成比例的特點，通過測定傳感器的散熱率來獲得流體的流速。的流速。 熱線風速儀熱線風速儀利用被加熱的金屬絲的熱量損失來測量利用被加熱的金屬絲的熱量損失來測量氣體流速的。氣體流速的。181920n工作原理：當熱線探頭置于流場中時，流體對熱線

7、有冷工作原理：當熱線探頭置于流場中時，流體對熱線有冷卻作用。當熱線向流體卻作用。當熱線向流體散熱達到平衡散熱達到平衡時，單位時間熱線時，單位時間熱線的發熱量的發熱量Q QR R與熱線對流體的放熱量與熱線對流體的放熱量Q Q平衡平衡，即即RQQ fT-熱線對流換熱系數；熱線對流換熱系數；wIwRwT F-流過熱線的電流；流過熱線的電流；-熱線的電阻；熱線的電阻；-熱線換熱面積；熱線換熱面積；-分別為熱線和分別為熱線和流體的溫度流體的溫度。)(fwTTFQ （7.1.2）（7.1.1）wwRRIQ2 （7.1.3）21)(2fwnfwwRRubaRRI 式中式中a a、b b皆為常數。皆為常數。

8、由傳熱學和流體力學知識推導得出熱線基本方程：由傳熱學和流體力學知識推導得出熱線基本方程： 只要固定只要固定電流或熱線電阻電流或熱線電阻兩個參數中的任何一個，兩個參數中的任何一個，就可以獲得流體速度與另一個參數的單值函數關系。按就可以獲得流體速度與另一個參數的單值函數關系。按照上式所示的熱線工作方式可以有兩種型式的熱線風速照上式所示的熱線工作方式可以有兩種型式的熱線風速儀，即儀，即恒流型恒流型和和恒溫型恒溫型兩種。兩種。-熱線在溫度為熱線在溫度為T Tf f時的電阻值。時的電阻值。fR流體速度是流過熱線的流體速度是流過熱線的電流和熱線電阻（熱線電流和熱線電阻（熱線溫度）的函數溫度）的函數（7.1

9、.6）22 如果在熱線工作過程中，人為地用一如果在熱線工作過程中，人為地用一恒值恒值電流對熱線加熱電流對熱線加熱，由于流體對熱線對流冷卻，由于流體對熱線對流冷卻，且且冷卻能力隨著流速的增大而加強冷卻能力隨著流速的增大而加強。當流速呈。當流速呈穩態時，則可根據熱線電阻值的大小確定流體穩態時，則可根據熱線電阻值的大小確定流體的速度。的速度。1. 恒流型熱線風速儀恒流型熱線風速儀 熱線電阻隨溫度變化。熱線電阻隨溫度變化。（7.1.7）fwnnfwRIubaubaRR2)()( 23電路簡單電路簡單wI電流一定，風速越大，溫度越低。電流一定，風速越大，溫度越低。 風場fwnnfwRIubaubaRR2

10、)()( 變溫變阻狀態變溫變阻狀態下工作，敏感下工作，敏感原件易老化，原件易老化，穩定性差。穩定性差。242. 恒溫型熱線風速儀恒溫型熱線風速儀 如果在熱線工作過程中，始終如果在熱線工作過程中，始終保持熱線的溫度不保持熱線的溫度不變變，則可通過，則可通過測得流經熱線的電流值來確定流體的測得流經熱線的電流值來確定流體的速度速度。 恒溫風速計的基本原理就是利用反饋電路使熱線溫恒溫風速計的基本原理就是利用反饋電路使熱線溫度和電阻保持恒定。度和電阻保持恒定。 當風速增加當風速增加熱線變冷熱線變冷（探頭溫度降低）（探頭溫度降低） 熱敏熱敏電阻電阻R R增大增大電流降低電流降低 提高橋路電壓提高橋路電壓電

11、流電流增大增大 熱敏熱敏電阻電阻R R降低降低溫度基本恒定溫度基本恒定測量出測量出電壓電壓的變化即可反映風速的變化。的變化即可反映風速的變化。252() () nwwfwfwfwfIab uRRaaR RRRbbR R（7.1.8）（7.1.9）nBuAE 2圖7.1.3在實際測量電路中，測量的不是流經電路的電流，而是惠斯在實際測量電路中，測量的不是流經電路的電流，而是惠斯頓電橋的橋頂電壓。根據橋路電壓即可測出相應風速。頓電橋的橋頂電壓。根據橋路電壓即可測出相應風速。267.1.3、動力測壓法測量流速、動力測壓法測量流速 在靜止氣體中，由于不存在切向力，故這個力與所在靜止氣體中，由于不存在切向

12、力，故這個力與所取面積的方向無關，稱為取面積的方向無關，稱為靜壓力靜壓力。 對于運動流體而言，靜壓可用對于運動流體而言，靜壓可用垂直垂直于于流體運動方向流體運動方向單位面積上的作用力來衡量。單位面積上的作用力來衡量。 總壓力是指流體在總壓力是指流體在某點速度等熵滯止到零某點速度等熵滯止到零時所達到時所達到的壓力。的壓力。 總壓與靜壓之差稱為總壓與靜壓之差稱為動壓動壓。u幾個概念幾個概念27 臨界點臨界點(滯止壓力點滯止壓力點) 滯止壓力是指在沒有外力的作用下，流體速度絕熱地減速滯止壓力是指在沒有外力的作用下，流體速度絕熱地減速到零時所產生的壓力，此時，流體的全部動能全部絕熱地到零時所產生的壓力

13、，此時，流體的全部動能全部絕熱地轉變成壓力能。轉變成壓力能。 應用動力測壓法應用動力測壓法測量流速的壓力測量流速的壓力感受元件為感受元件為測壓測壓管。管。28 測壓管的基本測量原理是依據測壓管的基本測量原理是依據伯努利伯努利方程式方程式。 測壓管的測壓管的使用上限使用上限不超過相當于馬赫數為不超過相當于馬赫數為0.25時的時的流速。流速。 測壓管的測壓管的使用下限使用下限為被測量的流速在全壓孔直徑上為被測量的流速在全壓孔直徑上的雷諾數需超過的雷諾數需超過200。0 dpudu 根據一元穩定流動的微分方程式，可得：根據一元穩定流動的微分方程式，可得：（7.1.10）Pu -流體的總壓和靜壓；流體

14、的總壓和靜壓；- - 流體速度；流體速度；- - 流體密度。流體密度。292211222002222()upupCuppCuppPP 、0u -流體的總壓和靜壓；流體的總壓和靜壓；- - 流體速度；流體速度；- - 流體密度。流體密度。只要測得流體的總壓和靜只要測得流體的總壓和靜壓之差及流體密度，就可壓之差及流體密度，就可得出流體流動速度得出流體流動速度（7.1.11）（7.1.12）當氣流速度較小時，考慮為不可壓縮流體，將上式積分當氣流速度較小時，考慮為不可壓縮流體，將上式積分可得，即：可得，即：壓力與流速壓力與流速30202401(1)2242421ppuMkMppu對于可壓縮氣體有：對于

15、可壓縮氣體有：（7.1.137.1.13） Mk-氣體壓縮性修正系數；氣體壓縮性修正系數；- - 馬赫數；馬赫數；-氣體的絕熱指數氣體的絕熱指數。31測壓差的方法測壓差的方法（1）利用）利用總壓管總壓管、靜壓管靜壓管，分別測量流體的分別測量流體的總壓和靜壓總壓和靜壓，以確定以確定流體速度流體速度。（2）利用專門設計的）利用專門設計的復合測復合測壓管壓管，同時測量流體的，同時測量流體的總壓總壓和靜壓和靜壓（或兩者之差），以（或兩者之差），以確定流體速度。確定流體速度。由由測壓管、連接管和顯示或測壓管、連接管和顯示或記錄儀表記錄儀表三部分組成的測壓三部分組成的測壓系統，就可以測量流體的流系統，就可

16、以測量流體的流速。速。321. 流體總壓、靜壓的測量流體總壓、靜壓的測量(1) 流體總壓測量與測壓管流體總壓測量與測壓管測量流體總壓的總壓管在使用時，其感壓孔軸線測量流體總壓的總壓管在使用時，其感壓孔軸線應對準來流方向。應對準來流方向。希望總壓管對流動方向越不敏感越好。希望總壓管對流動方向越不敏感越好。33L形總壓管形總壓管 制造容易，使制造容易，使用安裝方便。用安裝方便。 它對流動偏斜它對流動偏斜角的靈敏性取角的靈敏性取決于壓力孔直決于壓力孔直徑與管子外徑徑與管子外徑之比以及總壓之比以及總壓管頭部的形狀。管頭部的形狀。圖圖7.1.434圓柱形總壓管圓柱形總壓管 可以制作得很小，慣可以制作得很

17、小，慣性不大，工藝性好，性不大，工藝性好，制造容易，使用方便。制造容易，使用方便。圖圖7.1.5 圓柱形總壓管圓柱形總壓管35套管式總壓管套管式總壓管 在馬赫數變化較大范在馬赫數變化較大范圍內，它對流動偏斜圍內，它對流動偏斜角的不靈敏度達到角的不靈敏度達到(4050)套管式總壓管套管式總壓管36（2）流體的靜壓測量與測壓管）流體的靜壓測量與測壓管u測量被繞流體表面上某點的壓力或流道壁面上流體測量被繞流體表面上某點的壓力或流道壁面上流體的壓力。的壓力。這時可利用在通道壁面或繞流物體表面開這時可利用在通道壁面或繞流物體表面開靜壓孔靜壓孔的的方法進行測量。方法進行測量。u確定流場中某點的壓力，也就是

18、確定流場中某點的壓力，也就是運動流體的壓力運動流體的壓力。這時可以利用尺寸較小具有一定形狀的測壓管插入流體這時可以利用尺寸較小具有一定形狀的測壓管插入流體中，進行流體壓力測量。中，進行流體壓力測量。L L形靜壓管、盤形靜壓管、套管形靜壓管形靜壓管、盤形靜壓管、套管形靜壓管需要測量平直流道內的需要測量平直流道內的流體靜壓流體靜壓時可采用在流道壁面開時可采用在流道壁面開靜壓孔的方法來測量。靜壓孔的方法來測量。37圖圖7.1.6 壁面靜壓測量壁面靜壓測量382. 畢托管畢托管分別分別采用總壓管和靜壓管測得流體的總壓和靜壓，然后采用總壓管和靜壓管測得流體的總壓和靜壓，然后利用公式計算得到流體速度利用公

19、式計算得到流體速度。缺點：不能同時測得某一點的流體的總壓和靜壓。缺點：不能同時測得某一點的流體的總壓和靜壓。可同時測得流體總壓和靜壓之差的復合測壓管稱為可同時測得流體總壓和靜壓之差的復合測壓管稱為畢托畢托管管（動壓管、速度探針）。（動壓管、速度探針）。l特點：結構簡單，使用、制造方便，價格便宜，堅固特點：結構簡單，使用、制造方便，價格便宜，堅固可靠，精度高。可靠，精度高。l畢托管測量的是空間某點處的平均速度，它的頭部尺畢托管測量的是空間某點處的平均速度，它的頭部尺寸決定了它的空間分辨率寸決定了它的空間分辨率l根據所測量的流體性質，將畢托管設計成不同的形狀，根據所測量的流體性質，將畢托管設計成不

20、同的形狀，常用的有常用的有L形和形和T形。形。39（1）L形畢托管形畢托管)(20PPu 流體速度流體速度u - - 流體速度；流體速度；- - 流體密度。流體密度。式中式中0P， -流體的總壓和靜壓；流體的總壓和靜壓；P圖圖7.1.740（2）T形畢托管形畢托管)(20PPu 總壓靜壓來流方向敏感壁面、含塵、粘度大41測量流體測量流體總壓總壓測量流動測量流動方向方向 能同時測出流體的總壓及流速的大小和方向的測壓管稱為復合測能同時測出流體的總壓及流速的大小和方向的測壓管稱為復合測壓管。壓管。 在平面流場的測量中，常用二元復合測壓管測量流體的總壓、靜在平面流場的測量中，常用二元復合測壓管測量流體

21、的總壓、靜壓及流速的大小和方向。壓及流速的大小和方向。 圓柱形、管束形和楔形。圓柱形、管束形和楔形。3. 流動方向的測量與復合測壓管流動方向的測量與復合測壓管圖圖7.1.9 圓柱形復合測壓管圓柱形復合測壓管42 當光源和反射體或散射體之間存在相對當光源和反射體或散射體之間存在相對運動時，接收到的聲波頻率與入射聲波運動時，接收到的聲波頻率與入射聲波頻率存在差別的現象稱頻率存在差別的現象稱光學多普勒效應光學多普勒效應，是奧地利學者多普勒于是奧地利學者多普勒于18421842年發現。年發現。 當單色光束入射到當單色光束入射到運動體運動體上某點時，光上某點時，光波在該點被運動體散射，散射光頻率與波在該

22、點被運動體散射，散射光頻率與入射光頻率相比，產生了正比于物體運入射光頻率相比，產生了正比于物體運動速度的頻率偏移，稱動速度的頻率偏移，稱多普勒頻移多普勒頻移。 激光測速的激光測速的原理原理：是測量通過激光束的：是測量通過激光束的示蹤粒子示蹤粒子的多普勒信號，再根據速度與的多普勒信號，再根據速度與多普勒頻率的關系得到粒子速度。測得多普勒頻率的關系得到粒子速度。測得了粒子的速度，也就是流體流動的速度。了粒子的速度，也就是流體流動的速度。7.1.47.1.4、激光多普勒測速技術、激光多普勒測速技術非接觸測量技術非接觸測量技術 P155P15516.8W/套43(7.1.15)(7.1.15) 激光多

23、普勒測速光學布置有參考光模式、單光束模式和激光多普勒測速光學布置有參考光模式、單光束模式和雙光束模式三種雙光束模式三種。)(200eeufsDDf0ese0 -粒子散射光在光速方向的向量；-多普勒頻移；-粒子散射光相對于接收器方向的向量；-光源在真空中的波長。 測速原理是利用隨流體運動的微粒散射光的多普勒效應測速原理是利用隨流體運動的微粒散射光的多普勒效應來獲得速度的信息。分析可知多普勒頻移關系式為：來獲得速度的信息。分析可知多普勒頻移關系式為： 粒子在空氣中運動時，當光源、運動粒子和光接收器三粒子在空氣中運動時，當光源、運動粒子和光接收器三者之間的相對位置固定時，就可以從檢測到的頻移確定粒子

24、者之間的相對位置固定時，就可以從檢測到的頻移確定粒子的速度，也就是流體流動的速度。的速度，也就是流體流動的速度。44VPII光源光源;S;S光接收器光接收器;M;M反射鏡反射鏡;F;F分光鏡分光鏡;L;L透鏡透鏡;N;N光欄光欄圖7.1.12 雙光束雙散射模式光路系統I IS SM MF FL LN N 來自光源來自光源I I的一束激光被分光鏡的一束激光被分光鏡F F和反射鏡和反射鏡M M分為兩束相同分為兩束相同的光束，經透鏡的光束，經透鏡L L聚焦于測量點聚焦于測量點P P。流經測量點的粒子接受兩。流經測量點的粒子接受兩個方向的相同的入射光照射后，向四周發出散射光。散射光個方向的相同的入射光

25、照射后，向四周發出散射光。散射光經接收光欄經接收光欄N N及接收透鏡后，匯聚到光檢測器上，光檢測器及接收透鏡后，匯聚到光檢測器上，光檢測器將接收到的光信號（將接收到的光信號（多普勒頻移多普勒頻移）轉換成電信號傳輸給信號）轉換成電信號傳輸給信號處理系統。處理系統。（P156）45221光源光接收器透鏡接收透鏡平面鏡分光鏡 激光器激光器1 1發射出來的單色平行光經發射出來的單色平行光經聚焦透鏡聚焦透鏡2 2聚焦到聚焦到被測流被測流體區域內體區域內，運動粒子運動粒子使一部分激光散射，散射光與未散光之使一部分激光散射，散射光與未散光之間發生間發生頻移頻移。散射光與未散射光分別由兩個。散射光與未散射光分

26、別由兩個接收透鏡接收透鏡3 3和和4 4接接收，再經收，再經平面鏡平面鏡5 5和分光鏡和分光鏡6 6重合后，在重合后，在光電倍增管光電倍增管7 7中疊加中疊加產生頻差，光電倍增管將輸出一個與頻差產生頻差，光電倍增管將輸出一個與頻差f f 相關的交流相關的交流信號；對這個頻差信信號；對這個頻差信號進行處理，即可獲號進行處理，即可獲得運動粒子的流速得運動粒子的流速u u。即流體的流速。即流體的流速。 46處理器處理器激光器激光器發射器發射器接受透鏡接受透鏡光電倍增管光電倍增管 測量系統包括激光器、激光耦合器、信號處理器、數據處測量系統包括激光器、激光耦合器、信號處理器、數據處理系統以及激光發射和接

27、收器等。一般情況下，它的測速理系統以及激光發射和接收器等。一般情況下，它的測速范圍是范圍是-90-90283m/s283m/s，可測粒徑范圍是，可測粒徑范圍是0.50.59090m m，此范圍，此范圍還可通過更換發射鏡頭加以擴大。還可通過更換發射鏡頭加以擴大。 利用多普勒效應制成的儀器有激光多普勒測量儀、超聲多利用多普勒效應制成的儀器有激光多普勒測量儀、超聲多普勒測量儀等，具普勒測量儀等，具有精度高、非接觸、有精度高、非接觸、不擾亂流場、響應不擾亂流場、響應快、空間分辨率高、使用方便的特點，廣泛用于流速測量、快、空間分辨率高、使用方便的特點，廣泛用于流速測量、工業中鋼板、鋁材測量、醫學中血液循

28、環監測、醫學診斷工業中鋼板、鋁材測量、醫學中血液循環監測、醫學診斷等。等。47 多普勒聲納一般安裝在船體底部，由一個發射器和一個接收器組多普勒聲納一般安裝在船體底部，由一個發射器和一個接收器組成，發射器沿著固定的傾角成，發射器沿著固定的傾角斜向海底發射一束超聲波。該束超聲波斜向海底發射一束超聲波。該束超聲波在海底漫反射，其中必有一定強度的波沿在海底漫反射，其中必有一定強度的波沿POPO方向反射回接收器。由于方向反射回接收器。由于超聲波在水中的傳播速度（約超聲波在水中的傳播速度（約1500m1500ms-1s-1）大大超過船舶前進的速度，）大大超過船舶前進的速度，所以在超聲波沿所以在超聲波沿OP

29、OP方向來回傳播期間船舶前進的距離是很小的，利用方向來回傳播期間船舶前進的距離是很小的，利用多普勒頻移原理可測出船舶前進的速度。多普勒頻移原理可測出船舶前進的速度。487.2 7.2 流速測量儀表的校準流速測量儀表的校準 P156P156風洞實驗室。風洞實驗室。小結：熟練掌握常用機械法、散熱率法、動力測小結：熟練掌握常用機械法、散熱率法、動力測壓法測量流速的測量方法和工作原理。壓法測量流速的測量方法和工作原理。L形畢托管：形畢托管：)(20PPu 497.3 7.3 流量測量方法和分類流量測量方法和分類u流量流量流體在單位時間內通過管道或設備某橫流體在單位時間內通過管道或設備某橫 截面處的數量

30、。截面處的數量。l體積流量體積流量q qv v 用流體的體積來表示，單位為用流體的體積來表示，單位為m m3 3/h/h。l質量流量質量流量q qm m 用流量的質量來表示，單位為用流量的質量來表示，單位為kg/hkg/h。u常用流量表示方法：常用流量表示方法：50u瞬時流量和累積流量瞬時流量和累積流量瞬時流量瞬時流量在單位時間內流過管道或明渠某一截在單位時間內流過管道或明渠某一截 面的流體的量。面的流體的量。累積流量累積流量在某一時間間隔內流體通過的總量。在某一時間間隔內流體通過的總量。 該總量可以用在該段時間間隔內的瞬該總量可以用在該段時間間隔內的瞬 時流量對時間的積分而得到，所以也時流量

31、對時間的積分而得到，所以也 叫積分流量。叫積分流量。u累積流量除以流體流過的時間間隔，為累積流量除以流體流過的時間間隔，為平均流量。平均流量。 質量流量和體積流量關系：質量流量和體積流量關系：vmqq 51（1 1）速度法速度法測出管道內的測出管道內的平均流速平均流速，再乘以管道，再乘以管道截面積截面積求得流求得流體的體的體積流量體積流量。 較寬的使用條件，可用于各種工況下流體的流量檢測。利用平均較寬的使用條件，可用于各種工況下流體的流量檢測。利用平均流速計算流量，管路條件影響大，流動產生渦流以及截面上流速分布流速計算流量，管路條件影響大，流動產生渦流以及截面上流速分布不對稱等都會帶來測量誤差

32、。不對稱等都會帶來測量誤差。 （2 2）容積法容積法單位時間單位時間內以內以標準固定體積標準固定體積對流動介質對流動介質連續連續不斷地不斷地進行度量，以排出進行度量，以排出流體固定容積數流體固定容積數來計算流量。來計算流量。 受流體的流動狀態影響小，適用于測量高粘度、低雷諾數的流體。受流體的流動狀態影響小，適用于測量高粘度、低雷諾數的流體。（3 3）通過直接或間接的方法測量單位時間內流過管道截面的流體質）通過直接或間接的方法測量單位時間內流過管道截面的流體質量數。量數。 u流量測量方法流量測量方法通常有三種：通常有三種：527.4 7.4 差壓式流量測量方法及測量儀表差壓式流量測量方法及測量儀

33、表 P161 P161 u差壓式流量測量方法，根據差壓式流量測量方法，根據伯努利方程伯努利方程提供的基本原理，提供的基本原理，通過測量通過測量流體差壓信號流體差壓信號來來反映流體流量反映流體流量的測量方法。的測量方法。7.4.1、利用畢托管測量流量、利用畢托管測量流量inivuNFq 1流體的體積流量為：流體的體積流量為：(7.4.1)流體的質量流量為：流體的質量流量為： vmqq畢托管測量的是管道內畢托管測量的是管道內 的流速。的流速。某一點某一點管道截面積管道截面積管道截面等分數管道截面等分數平均流速平均流速53獲得管道內的獲得管道內的平均流速平均流速的方法的方法P162。圖圖7.4.17

34、.4.1圖圖7.4.27.4.2管道內速度分布管道內速度分布547.4.2、差壓式流量計！、差壓式流量計！u差壓式流量計是由將被測流體的差壓式流量計是由將被測流體的流量流量轉換成轉換成壓差壓差信號的信號的節流裝置節流裝置、壓力信號傳輸管道、壓力信號傳輸管道和用來測量差壓的和用來測量差壓的差壓計差壓計組成。組成。u常用節流裝置常用節流裝置: l 標準標準孔板孔板(雙重孔板、圓缺孔板、雙斜孔板雙重孔板、圓缺孔板、雙斜孔板);l 噴嘴噴嘴;l 文丘利噴嘴文丘利噴嘴;l 文丘利管文丘利管。55圖圖7.4.37.4.3前后產生壓力差！前后產生壓力差！檢測原理檢測原理：當充滿圓管的流體流經在管道內部安裝的

35、節流：當充滿圓管的流體流經在管道內部安裝的節流裝置時，流束將在節流件處形成裝置時，流束將在節流件處形成局部收縮，使流速增大，局部收縮，使流速增大，靜壓力靜壓力降低降低，于是在，于是在節流件前后產生壓力差節流件前后產生壓力差。流體流量愈。流體流量愈大，產生壓差愈大，這樣可依據差壓計檢出的壓差來衡量大，產生壓差愈大，這樣可依據差壓計檢出的壓差來衡量流量的大小。流量的大小。56P壓力損失壓力損失孔板前后靜孔板前后靜壓力壓力流速流速圖圖7.4.47.4.457 推導過程見（推導過程見（7.4.4）（7.4.7）式，則有）式，則有：式中式中 -節流元件的流量系數節流元件的流量系數; ; - -流束膨脹系

36、數流束膨脹系數; ; d- d-節流裝置的開孔直徑節流裝置的開孔直徑; ; 1 1-節流元件上游處流體密度節流元件上游處流體密度; ; - -節流裝置前后實際測得的壓力差節流裝置前后實際測得的壓力差. .1. 差壓式流量計差壓式流量計工作原理工作原理及流量基本公式及流量基本公式理論基礎理論基礎：流體：流體連續性方程連續性方程（質量守恒定律）和（質量守恒定律）和伯努利方伯努利方程程（能量守恒定律）。（能量守恒定律）。（7.4.8）Pdqm 1224 58Pdqv 1224 流體的體積流量為：流體的體積流量為：適用于可壓縮流體及不可壓縮流體。適用于可壓縮流體及不可壓縮流體。Pdqm 1224 流量

37、系數與節流元件的形式、取壓方式、孔徑比、流量系數與節流元件的形式、取壓方式、孔徑比、流體的流動狀態（雷諾數）等因素有關。流體的流動狀態（雷諾數）等因素有關。流量流量與與壓力差壓力差的的平方根平方根成正比成正比! 恒截面、變壓差式流量計恒截面、變壓差式流量計59 取壓方式 環室取壓環室取壓 單獨鉆孔取壓單獨鉆孔取壓 法蘭取壓法蘭取壓 標準噴嘴取壓方式標準噴嘴取壓方式 標準孔板的幾種取壓方式標準孔板的幾種取壓方式 標準孔板可采用角接取壓、法蘭取壓標準孔板可采用角接取壓、法蘭取壓 標準噴嘴采用角接取壓標準噴嘴采用角接取壓2.標準節流裝置的取壓標準節流裝置的取壓(P)方式：方式：60l 儀表性能方面儀

38、表性能方面(1) (1) 精確度、重復性、線性度、流量范圍；精確度、重復性、線性度、流量范圍； 壓力損失。壓力損失。l 流體特性方面流體特性方面 流體物性參數的確定流體物性參數的確定流體條件流體條件 標準節流裝置只適用于測量標準節流裝置只適用于測量圓形截面管道圓形截面管道中的中的單相單相、均質流體均質流體的流量，流體應充滿管道并作連續、穩定流動，的流量，流體應充滿管道并作連續、穩定流動，流速小于音速。流速小于音速。 流體在流過節流元件前應是充分發展的流體在流過節流元件前應是充分發展的紊流紊流。 (2)(2)流體的腐蝕、磨蝕、結垢、臟污等。流體的腐蝕、磨蝕、結垢、臟污等。3.選用標準節流裝置考慮

39、要點選用標準節流裝置考慮要點 P166P16661l 安裝條件方面安裝條件方面管道條件管道條件 流件前后有必要直管段長度流件前后有必要直管段長度 。l 環境條件方面環境條件方面 引壓管線、環境溫度等。引壓管線、環境溫度等。 節流裝置不能反向安裝！節流裝置不能反向安裝！62 雙波紋管差壓計；雙波紋管差壓計； 膜盒式差壓計等。膜盒式差壓計等。 差壓式流量測量系統組成差壓式流量測量系統組成節流裝置節流裝置：安裝于管道中產生差壓，節流件前后差壓與流量成開方：安裝于管道中產生差壓，節流件前后差壓與流量成開方關系。關系。引壓導管引壓導管：取節流裝置前后產生的差壓，傳送給差壓變送器。：取節流裝置前后產生的差

40、壓，傳送給差壓變送器。差壓變送器差壓變送器：產生的差壓轉換為標準電信號（：產生的差壓轉換為標準電信號（4-20mA4-20mA）。）。4. 4. 標準節流裝置的配套儀表標準節流裝置的配套儀表63 配配u u型管液柱式差壓計型管液柱式差壓計 注意注意u u型管液柱和流量的變化！型管液柱和流量的變化！64配差壓式流量測量系統配差壓式流量測量系統 節流裝置節流裝置引壓管引壓管差壓變差壓變送器送器節流裝置節流裝置1P2P1P2P圖圖7.4.77.4.765孔板流量計能量損耗較大，文丘里流量計如圖所示。孔板流量計能量損耗較大，文丘里流量計如圖所示。7.4.3、其他差壓式流量計、其他差壓式流量計66轉子流

41、量計主要由轉子流量計主要由轉子（浮子）、轉子（浮子）、帶刻度線的帶刻度線的錐形管錐形管及支撐連接部及支撐連接部分分組成。組成。從轉子的懸浮高度直接讀取流從轉子的懸浮高度直接讀取流量數值。量數值。1. 1. 轉子流量計轉子流量計67 轉子采用轉子采用不銹鋼、銅及塑料不銹鋼、銅及塑料等各種抗腐蝕材料制成，適用等各種抗腐蝕材料制成，適用于中小流量的測定，耐壓在于中小流量的測定，耐壓在 300400 kPa范圍。范圍。 68應用改變流通面積的方法檢測流量應用改變流通面積的方法檢測流量 變面積式測量方法示意圖變面積式測量方法示意圖 檢測原理檢測原理錐形管錐形管-由下往上逐漸擴大管由下往上逐漸擴大管轉子轉

42、子-阻力件阻力件 當流體自下而上流經當流體自下而上流經錐形管與轉子之間的錐形管與轉子之間的環形環形流通面積流通面積時，由于受到流時，由于受到流體的沖擊，轉子便要向上體的沖擊，轉子便要向上運動。運動。 69分析可知，轉子與玻璃管環隙的流通面積為分析可知，轉子與玻璃管環隙的流通面積為 ：)44(42200hnnhdF （7.4.12）式中式中 n n錐形管的錐度，一般較小；錐形管的錐度，一般較小； d d0 0轉子直徑。轉子直徑。htgDdhho 202020202020)2(4)2(4)(4dhnddhtgddDF 0F70式中式中 F F0 0轉子與玻璃管環隙的面積，轉子與玻璃管環隙的面積，m

43、 m2 2 q qV V流體的體積流量，流體的體積流量，m m3 3/s/sPFqv 20根據柏努利方程導出流量公式為：根據柏努利方程導出流量公式為：（7.4.11）nhdhnnhdF02200)( 由于由于n n很小，故有：很小，故有：)()44(42202200hnnhdhnnhdF 71 作用在轉子上的壓差力（向上沖力）等于轉子本身垂作用在轉子上的壓差力（向上沖力）等于轉子本身垂直向下的重力和流體對轉子所產生的垂直向上的浮力之和。直向下的重力和流體對轉子所產生的垂直向上的浮力之和。 gVpFfff)( （7.4.13）fffFgVp)( 即：即： 當轉子的上升力等于轉子的凈重力時，轉子在

44、流體中當轉子的上升力等于轉子的凈重力時，轉子在流體中處于平衡狀態。處于平衡狀態。gVff 轉子的重力轉子的重力 gVf 流體的浮力流體的浮力 72PFqv 20fffFgVp)( 將將代入代入fffvFgVFq )(20 得：得：nhdF00 由于：由于：代入上式得：代入上式得：fffvFgVnhdq )(20 （7.4.14）可見：可見：hqv 73轉子流量計特點：轉子流量計特點：恒壓差、變截面式流量計。恒壓差、變截面式流量計。刻度換算刻度換算u儀表出廠前標定儀表出廠前標定u條件：條件：溫度溫度20 20 ，壓力，壓力0.10133MPa0.10133MPa； 液體：水（液體：水（ 1000

45、kg/m1000kg/m3 3 ），）， 氣體：空氣（氣體：空氣（ 1.2kg/m1.2kg/m3 3） 垂直安裝；垂直安裝；74 轉子流量計指示值修正轉子流量計指示值修正液體流量的修正液體流量的修正kqqffvv )()(氣體流量的修正氣體流量的修正 01010101QTPTPQ 修改量程修改量程 fffvvFgVkhkqq )(2 vvqq 、-分別為修正前和修正后的流量；分別為修正前和修正后的流量；f -分別為標定流體和實際流體密度；分別為標定流體和實際流體密度； 、-轉子材料密度；轉子材料密度；75幾種流量計特點流量計流量計測速管測速管 孔板流量計孔板流量計文丘里文丘里流量計流量計轉子

46、流量計轉子流量計目的量目的量點速度點速度平均速度平均速度平均速度平均速度平均速度平均速度特征特征_變壓差變壓差變壓差變壓差變流通截面變流通截面基本公基本公式式系數系數C0.9810.60.70.9810.98 PPCu 02762. 2. 動壓平均管動壓平均管-笛形管笛形管圖圖7.4.137.4.13基于畢托管DPFuFqv2777.5 7.5 葉輪式流量計葉輪式流量計7.5.1、水表、水表 切線流葉輪式、豎式葉輪式、軸流式葉輪式；切線流葉輪式、豎式葉輪式、軸流式葉輪式； 濕式水表、干式水表。濕式水表、干式水表。圖圖7.5.17.5.1787.5.2、渦輪流量計、渦輪流量計流量流量渦輪轉速渦輪

47、轉速磁電轉換器計數脈沖個數磁電轉換器計數脈沖個數 轉換顯示出流量轉換顯示出流量圖圖7.5.37.5.3主要應用，廣泛79rtgvzznzf 220 磁電轉換器檢測線圈感應出的脈沖信號頻率為：磁電轉換器檢測線圈感應出的脈沖信號頻率為：式中式中 n n渦輪轉速；渦輪轉速； z z渦輪葉片數。渦輪葉片數。0vFqv 流通截面積為流通截面積為F的管道內流體的的管道內流體的體積流量體積流量為：為：vqrFztgf 2 8081 渦輪流量計變送器必須渦輪流量計變送器必須水平安裝；水平安裝； P174827.6 7.6 電磁流量計電磁流量計 電磁流量計是根據電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律法拉第電磁感應定

48、律研制出的研制出的一種測量一種測量導電液體體積流量導電液體體積流量的儀表。的儀表。 法拉第電磁感應定律法拉第電磁感應定律說明，當導體在磁場中切割說明，當導體在磁場中切割磁力線時，將產生電動勢。該電動勢的大小與磁感應磁力線時，將產生電動勢。該電動勢的大小與磁感應強度強度B，磁場中做垂直切割磁力線方向運動的導體長，磁場中做垂直切割磁力線方向運動的導體長度度L和導體在磁場中做垂直切割磁力線方向運動的速和導體在磁場中做垂直切割磁力線方向運動的速度度v成正比。成正比。 P17583vLvBe （7.6.1） 檢測原理檢測原理 磁感應強度磁感應強度B，導體長度，導體長度L和運動速度和運動速度v三者互相垂三

49、者互相垂直時，感生電動勢直時，感生電動勢e的大小為：的大小為：圖圖7.6.17.6.1圖圖7.6.27.6.2BV84D 由圖可知，將切割磁力線導體長度近似取為液柱由圖可知，將切割磁力線導體長度近似取為液柱直徑直徑D，液體平均流速近似作為導體運動的速度液體平均流速近似作為導體運動的速度v，可得：可得： VBDe （7.6.2）則導電液體體積流量為：則導電液體體積流量為：eBDVAqv4 V85特點：特點：使用電磁流量計的前提是，被測流體必須是導電的。使用電磁流量計的前提是，被測流體必須是導電的。86 當超聲波在流體中傳播時，會載帶流體流速的信息。當超聲波在流體中傳播時，會載帶流體流速的信息。因

50、此，根據對接收到的超聲波信號進行分析計算，可因此，根據對接收到的超聲波信號進行分析計算，可以檢測到流體的流速，進而可以得到流量值。以檢測到流體的流速，進而可以得到流量值。7.7 7.7 超聲波流量計超聲波流量計 利用利用超聲波在流體中的傳播速度會隨被測流體流速而超聲波在流體中的傳播速度會隨被測流體流速而變化變化的特點而發展起來的新型流量測量儀表。的特點而發展起來的新型流量測量儀表。 超聲波流量測量方法有很多，根據測量的物理量超聲波流量測量方法有很多，根據測量的物理量的不同，分的不同，分時差法時差法、相差法相差法、頻差法頻差法和和多普勒多普勒方法等。方法等。超聲波流量計超聲波流量計 P17687

51、時差法時差法-測量順、逆流傳播時由于超聲波傳播速度不同測量順、逆流傳播時由于超聲波傳播速度不同而引起的時間差；而引起的時間差；相差法相差法-測量超聲波在順、逆流中傳播的相位差；測量超聲波在順、逆流中傳播的相位差；頻差法頻差法-測量順、逆流情況下超聲脈沖的循環頻率差測量順、逆流情況下超聲脈沖的循環頻率差) )。 傳播速度差法的傳播速度差法的基本原理基本原理為：為：測量超聲波脈沖在測量超聲波脈沖在順流和逆流傳播過程中的速度之差來得到到被測流體順流和逆流傳播過程中的速度之差來得到到被測流體的流速。的流速。 頻差法頻差法是目前常用的測量方法，它是在前兩種測是目前常用的測量方法，它是在前兩種測量方法的基

52、礎上發展起來的。量方法的基礎上發展起來的。88 在測量管道中，裝兩個超聲波發射換能器在測量管道中，裝兩個超聲波發射換能器F F1 1和和F F2 2及兩及兩個接收換能器個接收換能器J J1 1和和J J2 2，F F1 1J J1 1和和F F2 2J J2 2與管道軸線夾角為與管道軸線夾角為a a，管，管徑為徑為D D，流體由左向右流動，速度為，流體由左向右流動，速度為v v，此時由，此時由F F1 1到到J J1 1超聲超聲波傳播速度為波傳播速度為F F2 2到到J J2 2超聲波傳播速度為：超聲波傳播速度為：1.1.時差法時差法順流逆流89 如果超聲波發生器發射一短小脈沖，其順流傳播時如

53、果超聲波發生器發射一短小脈沖，其順流傳播時間為間為而逆流傳播的時間為而逆流傳播的時間為2/sincosDtcv一般情況下，有一般情況下，有c v，即，即c2 v2，則則 cos22212vcDvctgttt 2122cDvctgttt 90 Dctgtcv22 tKDctgtcDvAqv24222.2.相差法相差法 所謂相差法，既是通過測量超聲波在順流和逆流時所謂相差法，既是通過測量超聲波在順流和逆流時傳播的傳播的相位差相位差來得到流速。來得到流速。91 上述兩種方法必須已知聲速上述兩種方法必須已知聲速c c，而聲速要隨溫度而變化，而聲速要隨溫度而變化，故只有進行聲速修正，才能提高測量精度。故

54、只有進行聲速修正，才能提高測量精度。或：或：tft 2（7.7.3）tf-超聲波的頻率。超聲波的頻率。tKqv 由由可得到流量與相位差的關系。可得到流量與相位差的關系。 Kqv923.3.頻差法頻差法 此法是通過測量順流和逆流時超聲脈沖的重復頻率差此法是通過測量順流和逆流時超聲脈沖的重復頻率差去測量流速。去測量流速。lvfff212 （7.7.4） 可見流速只與頻率差有關，而與聲速無關，消除了聲可見流速只與頻率差有關，而與聲速無關，消除了聲速的影響。速的影響。頻差法頻差法93 多普勒法是利用聲學多普勒原理確定流體流量的。多普勒法是利用聲學多普勒原理確定流體流量的。多普勒效應是當聲源和目標之間有

55、相對運動，會引起多普勒效應是當聲源和目標之間有相對運動，會引起聲波在頻率上的變化，這種頻率變化正比于聲波在頻率上的變化，這種頻率變化正比于運動的目運動的目標和靜止的換能器之間標和靜止的換能器之間的相對速度。的相對速度。2.2.多普勒法多普勒法 94 超聲換能器安裝在管外。從發射晶體超聲換能器安裝在管外。從發射晶體T T發射的超聲發射的超聲波束遇到流體中運動著顆粒或氣泡，再反射回來由接波束遇到流體中運動著顆粒或氣泡，再反射回來由接收晶體收晶體R1R1接收。發射信號與接收信號的多普勒頻率偏接收。發射信號與接收信號的多普勒頻率偏移與流體流速成正比。移與流體流速成正比。95 渦街流量計（渦街流量計（V

56、ortex flow meter) Vortex flow meter) 是是利用流體流過利用流體流過阻礙物時產生穩定的漩渦，通過測量其漩渦產生頻率而阻礙物時產生穩定的漩渦，通過測量其漩渦產生頻率而實現流量計量的。實現流量計量的。渦街流量計由渦街流量傳感器和流量渦街流量計由渦街流量傳感器和流量顯示儀表兩部分構成，顯示儀表兩部分構成，7.8 7.8 渦街流量計渦街流量計 流體振動流量計是流體振動流量計是6060年代末期發展起來的一種較新年代末期發展起來的一種較新的流量測量技術。它具有如下一些特點：的流量測量技術。它具有如下一些特點：可得到與流量可得到與流量成正比的頻率輸出信號成正比的頻率輸出信號

57、；被測流體本身就是振動體，無；被測流體本身就是振動體，無機械可動部件，幾乎不受流體組成、密度、粘度、壓力機械可動部件，幾乎不受流體組成、密度、粘度、壓力等因素的影響；所以，該測量方法越來越受到人們的重等因素的影響；所以，該測量方法越來越受到人們的重視，視，96 渦街流量計實現流量測量的理論基礎是流體力學中著渦街流量計實現流量測量的理論基礎是流體力學中著名的名的“卡門渦街卡門渦街”原理。在流動的流體中放置一根其軸線原理。在流動的流體中放置一根其軸線與流向垂直的非流線性柱形體與流向垂直的非流線性柱形體( (加三角柱、圓柱等加三角柱、圓柱等) )，稱之，稱之為漩渦發生體。當流體沿漩渦發生體繞流時，會

58、在漩渦發為漩渦發生體。當流體沿漩渦發生體繞流時，會在漩渦發生體下游產生如圖所示生體下游產生如圖所示不對稱但有規律的交替漩渦列不對稱但有規律的交替漩渦列，這，這就是所謂的卡門渦街。就是所謂的卡門渦街。9798 由于漩渦之間的相互影響，其形成通常是不穩定由于漩渦之間的相互影響，其形成通常是不穩定的。馮的。馮. .卡門對渦列的穩定條件進行了研究，于卡門對渦列的穩定條件進行了研究，于19111911年得到結論：只有當兩漩渦列之間的距離年得到結論：只有當兩漩渦列之間的距離h h和同列的和同列的兩漩渦之間的距離兩漩渦之間的距離L L之比滿足之比滿足: :此時，所產生的渦街才是穩定的。此時，所產生的渦街才是

59、穩定的。99圓柱體后漩渦發生的頻率為：圓柱體后漩渦發生的頻率為：dvSfr1 dvdvSfr1121.0 （7-68）S Sr r-與雷諾數有關的無量綱數，稱為斯特羅哈爾數；與雷諾數有關的無量綱數，稱為斯特羅哈爾數； -漩渦發生體處流體平均流速；漩渦發生體處流體平均流速；d d柱寬。柱寬。1v25Re310 210范圍內范圍內s sr r是個常數。是個常數。100 可推導出圓管中旋渦發生頻率可推導出圓管中旋渦發生頻率f f與管內平均流速與管內平均流速v v的關的關系為（系為（7-717-71）式。）式。 最后推導出圓管中體積流量與旋渦發生頻率最后推導出圓管中體積流量與旋渦發生頻率f f的關系的關系為：為：根據流體連續性方程：根據流體連續性方程：11FvFv（7-69）1FF、-分別是管道截面積、旋渦發生體處管道截面積（兩個分別是管道截面積、旋渦發生體處管道截面積（兩個弓形面積之和）。弓形面積之和）。fsdDdDvFqrv)25.11(42 （7-72）101 檢測原理檢測原理102 圓柱體表面開有導壓