1、第七章第七章 流速及流量測量流速及流量測量7-1 流速測量流速測量7-2 流速測量儀表的標定流速測量儀表的標定7-3 流量測量方法和分類流量測量方法和分類7-4 差壓式流量測量差壓式流量測量7-5 葉輪式流量計葉輪式流量計7-6 電磁流量計電磁流量計7-7 渦街流量計渦街流量計7-8 容積式流量計容積式流量計 7-1 流速測量流速測量測量方法：測量方法：直接：直接：1. 機械式風速儀機械式風速儀:利用流動氣體的動壓推動機械裝置。利用流動氣體的動壓推動機械裝置。 2. 散熱率法：熱電風速儀散熱率法：熱電風速儀 熱線風速儀熱線風速儀間接：間接：1. 動力測壓法，畢托管動力測壓法，畢托管 2. 激光

2、測速法激光測速法一、機械方法測量流速一、機械方法測量流速1. 原理原理：置于流體中的葉輪的轉動角速度與流體的流：置于流體中的葉輪的轉動角速度與流體的流速成正比。速成正比。 關系對率應 成 利用流速與散熱2. 2. 分類分類： 翼式：葉片為幾片扭成一定角度的鋁薄片。翼式：葉片為幾片扭成一定角度的鋁薄片。 杯式：葉片為鋁制的半球形葉片杯式：葉片為鋁制的半球形葉片3. 特點特點：翼式：靈敏度：翼式：靈敏度 杯式杯式 杯式杯式:測量范圍上限測量范圍上限翼式翼式可測：可測：0.2530m/S范圍內脈動速度，最大值，最小范圍內脈動速度，最大值，最小 值，平均值值，平均值4. 注意事項注意事項：風速儀的葉輪

3、全部放置于氣流流速中風速儀的葉輪全部放置于氣流流速中 旋轉平面和氣流方向之間的偏差在規旋轉平面和氣流方向之間的偏差在規 定范圍之內。定范圍之內。二、散熱率法測量流速二、散熱率法測量流速1. 測量原理測量原理發熱的測速傳感器的散熱率與流體流速成比例的特點。發熱的測速傳感器的散熱率與流體流速成比例的特點。2. 熱球風速儀熱球風速儀1）原理圖）原理圖兩個獨立電路：兩個獨立電路： 供給帶熱體恒定電流回路供給帶熱體恒定電流回路 測量帶熱體溫度的回路測量帶熱體溫度的回路-熱電偶熱電偶 帶熱體：金屬線圈帶熱體：金屬線圈 測量元件測量元件熱電偶熱電偶 二次儀表：電源、放大、顯示二次儀表：電源、放大、顯示粗調細

4、調玻璃球電熱絲熱電偶測量風速的傳感器封入很小的玻璃球內2）工作過程）工作過程通電帶熱體通電帶熱體被測氣流被測氣流 Q散散V V Q散散 ，若，若I I一定一定 Q熱熱一定一定 V T熱熱 測出測出T熱熱V三、熱線風速儀三、熱線風速儀使用最多的測微風速，測量氣流使用最多的測微風速，測量氣流 運動情況運動情況1）基本原理）基本原理 以熱絲（鎢絲或鉑絲）或熱膜（鉑或鉻制成薄膜）以熱絲（鎢絲或鉑絲）或熱膜（鉑或鉻制成薄膜） 為探頭為探頭裸露被測氣流中。裸露被測氣流中。 并將探頭接接入惠斯頓電橋，為一橋臂，熱膜外涂并將探頭接接入惠斯頓電橋，為一橋臂，熱膜外涂 石英膜絕緣層石英膜絕緣層與流體絕緣與流體絕緣

5、 當當T不變時，熱絲上的電功率熱絲在氣流中瞬時不變時，熱絲上的電功率熱絲在氣流中瞬時 耗去的熱量。耗去的熱量。 I I 流過熱絲電流流過熱絲電流R RW W 熱絲的電阻熱絲的電阻 對流換熱系數對流換熱系數F F 熱絲表面積熱絲表面積T TW W 熱絲表面溫度熱絲表面溫度T Tf f 氣流溫度氣流溫度 1）熱絲電阻）熱絲電阻R RW W T T變化變化時對應的電阻值時對應的電阻值 熱絲材料的溫度電阻系數熱絲材料的溫度電阻系數2） 與與v v氣流有關氣流有關。V V散熱快。散熱快。)(2fWWTTFRI)(1 0fWWTTRR A A、B B與散熱及熱絲材料結構等有關的常數。與散熱及熱絲材料結構等

6、有關的常數。 氣流密度氣流密度以上各式代入等式：以上各式代入等式：若熱絲結構等參數已定則：若熱絲結構等參數已定則：僅有僅有V V、T TW W以及以及I I變化變化則：則：又又 上式說明：上式說明： I I（或（或T T）一定）一定V V與與T T（或（或I I）成單值函）成單值函數關系。數關系。 熱線風速儀有恒流、恒溫（恒阻）兩種設計電路熱線風速儀有恒流、恒溫（恒阻）兩種設計電路。VBAF)()(1 02fWfWTTVBATTRI),(WTIfV )(WWTfR),(WRIfV 2）恒溫法）恒溫法較為常用較為常用 熱線感受氣流速度熱線感受氣流速度0時，調節電橋時，調節電橋G0 進行測量時，熱

7、絲進行測量時，熱絲T R調節調節IT （恒溫）（恒溫）電橋平衡電橋平衡G0（最終最終R RW W恒定）恒定）測量測量I IV V)(IfV 3）恒流法）恒流法原理圖與熱球風速儀類似原理圖與熱球風速儀類似優點：電路簡單優點：電路簡單缺點：測速探頭在變溫度阻狀態下工作，易使敏感元缺點：測速探頭在變溫度阻狀態下工作，易使敏感元 件老化，穩定性差。件老化，穩定性差。粗調細調電熱絲熱電偶三、動力測壓法測量流速三、動力測壓法測量流速工作原理工作原理:1)伯努力方程伯努力方程 靜壓靜壓 動壓動壓 全壓全壓 畢托管畢托管 靜壓，總壓靜壓，總壓022PVP)(20PPV測實際測量：實際測量：K KP P速度校正

8、系數（速度校正系數（0.830.87 標準標準0.96）可壓縮流：可壓縮流：K K流體等熵指數流體等熵指數MM馬赫數馬赫數當當MM0.2按上式計算按上式計算一般情況下按不可壓縮流體計算一般情況下按不可壓縮流體計算 )(20PPKV)(20PPkKVP2142)24241 (MKMK)(CVM 2 2）畢托管構成原理畢托管構成原理小孔小孔M M：孔平面與來流垂直：孔平面與來流垂直每個小孔每個小孔N N：與來流相切：與來流相切進入小孔進入小孔N N的壓力的壓力靜壓靜壓進入小孔進入小孔M M的壓力的壓力靜壓滯止后動能轉變成的一靜壓滯止后動能轉變成的一部分壓力部分壓力設設M M點氣體繞流而完全滯止測點

9、氣體繞流而完全滯止測V VM M0 0。則則 hNNMNNPV2210221PPVMM)(20NNPPV021MV2. 畢托管的形式畢托管的形式三種基本型：三種基本型：1）動壓測壓管）動壓測壓管結構：感測頭、管身、引出管結構：感測頭、管身、引出管感測頭：錐形、圓形、橢圓形。感測頭：錐形、圓形、橢圓形。D0.3DR36D810D0.1D總 壓 測 孔感 測 頭外 管靜 壓 孔內 管管 柱靜 壓 引 出 管總 壓 引 出 管圖 7-9 畢 托 管總壓測量：總壓孔總壓測量：總壓孔感測頭端部與內管連通感測頭端部與內管連通靜壓測量：靜壓孔靜壓測量：靜壓孔外管表面靠近感測頭端部適當外管表面靠近感測頭端部適

10、當 位置有一圈小孔。位置有一圈小孔。標準畢托管：上述結構。標準畢托管：上述結構。特點特點：測量精度高，無需再校正，：測量精度高，無需再校正， 含塵濃度含塵濃度易堵塞易堵塞用途：用途： 測清潔空氣的流速測清潔空氣的流速 對其它儀表進行校定對其它儀表進行校定 2）T型畢托管型畢托管 結構：兩根相同的金屬管組成結構：兩根相同的金屬管組成感測頭部：方向相反的兩個相互平行開口。感測頭部：方向相反的兩個相互平行開口?？倝嚎倝?迎著來流的孔；靜壓：另一孔迎著來流的孔；靜壓：另一孔適合：測含塵較大的氣流和粘度較大的液體適合：測含塵較大的氣流和粘度較大的液體3）動壓平均管）動壓平均管，阿牛巴畢托管，阿牛巴畢托管

11、 為測多點風速而得到平均風速為測多點風速而得到平均風速適用：圓形風道適用：圓形風道風道截面風道截面若干相等面積（如圖若干相等面積（如圖4個相等面積）個相等面積）測出各小面積的總壓力值測出各小面積的總壓力值取各總壓力平均值取各總壓力平均值平均總壓力平均總壓力總壓力取壓管總壓力取壓管笛形管笛形管靜壓管靜壓管取壓口背向氣流取壓口背向氣流笛形管總壓平均管靜壓管三、畢托管的使用三、畢托管的使用1.畢托管使用條件畢托管使用條件1）畢托管測速下限規定：畢托管總壓力孔直徑上的）畢托管測速下限規定：畢托管總壓力孔直徑上的流體流體 V太小，則動壓太小太小，則動壓太小測量不準測量不準， 開口較大開口較大 V太小，太

12、小， 靈敏度下降靈敏度下降T型測速型測速V3m/s2）減少測量誤差：）減少測量誤差： （最大（最大100mm3）使用前用標準畢托管校正）使用前用標準畢托管校正校正系數校正系數4）總壓孔與流體流動方向相對，且軸線與流體流動）總壓孔與流體流動方向相對，且軸線與流體流動 方向一致。方向一致。5）防止靜壓孔堵塞）防止靜壓孔堵塞200eR02. 0Dd01. 0DKVVKP標2.2.測點選擇測點選擇1 1）測點位置已經達到典型的紊流速度分布。）測點位置已經達到典型的紊流速度分布。 測出管道中心流速測出管道中心流速 V V平均平均 測距管道內壁處流速測距管道內壁處流速 V V平均平均選擇方法：選擇方法：

13、中間距形法中間距形法應用最廣應用最廣管道管道若干面積相等小截面，則該小截面若干面積相等小截面，則該小截面V V各小截面各小截面的平均流速的平均流速 V V平均平均a. a. 圓形管道圓形管道分成圓環分成圓環再分再分2 2倍，測點選在面積等分倍，測點選在面積等分線上。線上。公式圖表平均niRri212R)08. 0242. 0( 在以在以ri為半徑的圓環上要選四個等分點作測點為半徑的圓環上要選四個等分點作測點 則則 （測點數）（測點數） 圓形管道內流體的圓形管道內流體的V V平均平均各測點各測點V V測測 n測量精度測量精度 b) 矩形管道矩形管道截面分成數量與測點數相同的等面積矩截面分成數量與

14、測點數相同的等面積矩 形測區，長形測區，長:寬寬12 測點測點等面積的矩心上。等面積的矩心上。 流體測定斷面分區數多少流體測定斷面分區數多少根據所需準確度，流速根據所需準確度，流速分布的均勻性。分布的均勻性。 與管道斷面尺寸無關。與管道斷面尺寸無關。準確度準確度與使用場合有關。與使用場合有關。流速分布的均勻性流速分布的均勻性與被測流體斷面位置有關。與被測流體斷面位置有關。 nN43.平均流速的計算平均流速的計算 N N測點數測點數 四、激光多普勒測速技術四、激光多普勒測速技術 1. 測速原理測速原理隨流體運動的微粒散射光的多普勒隨流體運動的微粒散射光的多普勒效應獲得速度信息。效應獲得速度信息。

15、20世紀世紀60年代發展起來的一門新技術年代發展起來的一門新技術RTPV RTPV1PPPRTKPPKVPP002)(2niPPPNKV1012靜止的激光源（靜止的激光源（f0 ) 粒子（隨流體運動）粒子（隨流體運動）粒粒子接受到的光波頻率（散射光頻率子接受到的光波頻率（散射光頻率fs） 多普勒頻移多普勒頻移 u 粒子速度粒子速度C光速光速es粒子散射光相對于接收器方向的單位向量粒子散射光相對于接收器方向的單位向量e0粒子散射光在光速方向的單位向量粒子散射光在光速方向的單位向量u中心處靜壓中心處靜壓P，在節流處湍面產生徑向壓，在節流處湍面產生徑向壓差差徑向附加速度徑向附加速度 Vr ，流體流向

16、改變流體流向改變近管壁處近管壁處流體質點流向與管中心軸線傾斜流體質點流向與管中心軸線傾斜流束收縮。流束收縮。 V在流束截面積最小處后最大在流束截面積最小處后最大 ，此時靜壓力最小，此時靜壓力最小 入口側入口側P1出口側靜壓出口側靜壓P2 （，正壓）（，負壓）（，正壓）（，負壓） 且且 QP 節流原理節流原理3. 流量基本方程式及壓力損失公式流量基本方程式及壓力損失公式1）不可壓縮流體流量方程式）不可壓縮流體流量方程式質量流量質量流量體積流量體積流量2）可壓縮流體流量方程）可壓縮流體流量方程質量流量質量流量 )(2210PPFM)(242kg/s Pd/s)(m 3PdMQ24.2(kg/s)

17、PdM1224體積流量體積流量 流束膨脹系數流束膨脹系數 流量系數流量系數3）節流元件壓力損失）節流元件壓力損失 能量損失能量損失4. 實用流量方程實用流量方程5. 流量系數的確定流量系數的確定它與節流元件形式，取壓方式，孔徑比及流體流動狀它與節流元件形式，取壓方式，孔徑比及流體流動狀態等因素有關。由于影響因素復雜，一般通過實驗確態等因素有關。由于影響因素復雜，一般通過實驗確定定 /s)(m 24 312PdQPPmmP2211FFm0(kg/h) 003998. 0122PdM/s)(m d0.003998322/PQ6. 標準節流裝置標準節流裝置1）標準節流件標準節流件標準孔板標準孔板標準

18、噴嘴標準噴嘴文丘里管文丘里管標準孔板標準噴嘴文丘里管2）標準取壓裝置）標準取壓裝置標準孔板：角接取壓、法蘭取壓標準孔板：角接取壓、法蘭取壓標準噴嘴：角接取壓標準噴嘴：角接取壓3）標準節流裝置使用的流體條件和管道條件。）標準節流裝置使用的流體條件和管道條件。流體條件流體條件a. 連續流動連續流動b. 穩定穩定 牛頓流體：單相，節流時不相變牛頓流體：單相，節流時不相變 節流前已達到充分發展的紊流節流前已達到充分發展的紊流管道條件管道條件a. 直的圓形管道直的圓形管道b. 內壁潔凈：光滑（粗糙度）內壁潔凈：光滑（粗糙度）c. 足夠的直管段。足夠的直管段。三、轉子式流量計三、轉子式流量計1. 轉子流量

19、計的特點轉子流量計的特點面積式流量計面積式流量計結構簡單、使用方便、價格低廉結構簡單、使用方便、價格低廉最程比大：可達最程比大：可達10：1，差壓式流量計為，差壓式流量計為3：1最程比最大流量與最小流量之比最程比最大流量與最小流量之比直觀性好直觀性好測量液體（氣體）體積流量測量液體（氣體）體積流量測量范圍：液：測量范圍：液：L/h幾百幾百m3/h 氣：幾千氣：幾千m3/h2.結構及工作過程結構及工作過程轉子、錐形管、支撐連接部分轉子、錐形管、支撐連接部分錐形管錐度：錐形管錐度：1:201:200（被測流量而定）（被測流量而定） 流體從下流體從下上上轉子向上轉子向上 轉子與錐形管的面積轉子與錐形

20、管的面積V 轉子受到向上推力轉子受到向上推力重力流體作用力重力流體作用力轉子停在某一高度轉子停在某一高度Q 高度高度 Q l l3.轉子流量計工作原理轉子流量計工作原理在某高度在某高度h，處于平衡時，處于平衡時， 錐 形 管轉 子下上PPffAPgVFP壓差力浮上 轉子材料密度轉子材料密度 轉子體積轉子體積 轉子最大橫截面積轉子最大橫截面積伯努力方程：伯努力方程：ffffAPgVgVffVP21PP fA)(1fffgVAPPAQ20fffAgVA)(20fffAgVCh)(2hKA22020200244hnnhddnhdF 體積流量體積流量Q Q與轉子高度或線性刻度成正比。與轉子高度或線性刻

21、度成正比。又因又因為為N錐形管的錐度，其值較小，錐形管的錐度，其值較小，n2可忽略可忽略fffAgVnhdQ202四、刻度校正四、刻度校正出廠刻度標定的介質與被測介質、溫度、壓力不同出廠刻度標定的介質與被測介質、溫度、壓力不同介質密度、粘度變化介質密度、粘度變化校正校正原刻度以水為介質原刻度以水為介質 T、P 粘度變化不大粘度變化不大對對 作校正，則作校正，則 原介質密度原介質密度 工作時密度工作時密度 轉子材料密度轉子材料密度 Q 校正后介質流量校正后介質流量 儀表原刻度的流量儀表原刻度的流量)()(001ffKQKQ10fQ2. 原刻度以空氣為介質原刻度以空氣為介質P、T 核正核正 0ff

22、02KQKQ2 7-5 葉輪式流量計葉輪式流量計葉輪式流量計葉輪式流量計通過測量葉輪旋轉次數測量流量。通過測量葉輪旋轉次數測量流量。一、水表一、水表根據水流特點可分為：切線流葉輪式水表根據水流特點可分為：切線流葉輪式水表 豎式葉輪式水表豎式葉輪式水表 軸流式葉輪式水表軸流式葉輪式水表1. 切線流葉輪式水表切線流葉輪式水表水流沿切線流入表內水流沿切線流入表內葉輪旋轉葉輪旋轉旋轉圈數旋轉圈數流量流量特點：簡單、價廉，適中于中、小管徑的管道，水平特點：簡單、價廉，適中于中、小管徑的管道，水平安裝。安裝。2. 豎式葉輪式水表豎式葉輪式水表水流方向與葉輪的轉動軸垂直，水流從下面向上推動水流方向與葉輪的轉

23、動軸垂直，水流從下面向上推動葉輪旋轉。葉輪旋轉。特點：啟動流量小，壓力損失小，要水平安裝適用于特點：啟動流量小，壓力損失小，要水平安裝適用于中、小管徑的管道中、小管徑的管道3. 軸流式葉輪式水表軸流式葉輪式水表水流方向與葉輪的轉動軸平行。水流方向與葉輪的轉動軸平行。特點：壓力損失小，能夠以任何位置安裝，適用于大特點：壓力損失小，能夠以任何位置安裝，適用于大管徑的管道。管徑的管道。二、渦輪流量計二、渦輪流量計速度式流量計速度式流量計1. 組成組成1. 組成組成2. 工作原理及結構工作原理及結構渦輪渦輪將流量信號將流量信號電信號電信號指示積算儀指示積算儀顯示顯示Q，轉換成校準電流。，轉換成校準電流

24、。 渦輪渦輪傳感器傳感器 流體流經變送器時，推動流體流經變送器時，推動安裝在摩擦力很小的滾珠安裝在摩擦力很小的滾珠軸承上的渦輪。軸承上的渦輪。流體流過流體流過K-K，VPK-K與與K-K 之間不等靜壓場。之間不等靜壓場。 抵銷流體的軸向推力。抵銷流體的軸向推力。 流量渦輪磁電轉換前置放大渦輪流量變送器顯示儀表kkkk導流器磁-電轉換器軸承導流器渦輪P 導流器：進入渦輪前使流體先導直，避免自旋導流器：進入渦輪前使流體先導直，避免自旋 磁電轉換裝置：線圈，磁鋼組成磁電轉換裝置：線圈，磁鋼組成流體流過流體流過渦輪旋轉渦輪旋轉葉片周期性改變磁路磁阻葉片周期性改變磁路磁阻磁磁通量通量 線圈內感應出與線圈

25、內感應出與Q成比例的脈沖信號成比例的脈沖信號 前置放大器：放大電信號，傳遞到二次儀表前置放大器：放大電信號，傳遞到二次儀表kkkk導流器磁-電轉換器軸承導流器渦輪3. 輸入與輸出關系輸入與輸出關系當葉輪處于勻速轉動的平衡狀態，并忽略渦輪上所有當葉輪處于勻速轉動的平衡狀態，并忽略渦輪上所有阻力矩時，可得渦輪運動的穩態公式阻力矩時，可得渦輪運動的穩態公式rVtg0 渦輪角速度渦輪角速度 渦輪與渦輪軸線夾角渦輪與渦輪軸線夾角r 渦輪葉片的平均半徑渦輪葉片的平均半徑 流體流過渦輪葉片時的軸向平均速度流體流過渦輪葉片時的軸向平均速度0VrVznzf2tg022此時檢測線圈感應出的電脈沖信號頻率為：此時檢

26、測線圈感應出的電脈沖信號頻率為：0VFqv流通截面積為流通截面積為F的管道內流體的體積流量為的管道內流體的體積流量為vvKqqrFzf2tgK儀表常數儀表常數則：則： n 渦輪轉速渦輪轉速z 渦輪葉片數渦輪葉片數4. 安裝要求安裝要求渦輪流量器必須水平安裝，其上游應裝過濾器渦輪流量器必須水平安裝，其上游應裝過濾器上游側應有上游側應有1520D直管段直管段下游側應有下游側應有510D直管段直管段裝消氣器裝消氣器保證流體為單相保證流體為單相 7-6 電磁流量計電磁流量計一、工作原理一、工作原理導體在磁場運動并切割磁力線時，導體中產生感應電導體在磁場運動并切割磁力線時，導體中產生感應電勢勢法拉弟電磁

27、感應法拉弟電磁感應電磁流量計原理電磁流量計原理。E感應電勢感應電勢B磁感應強度磁感應強度D流體直徑流體直徑V液體流速液體流速 K儀表常數儀表常數NSVB電磁流量計原理410 BDVEVDQ24KQQDBE4104二、組成二、組成變送器、轉換器、二次儀表變送器、轉換器、二次儀表 7-7 渦街流量計渦街流量計一、渦街流量計一、渦街流量計：應用流體振蕩原理測量流量的新型：應用流體振蕩原理測量流量的新型 儀表儀表特點特點：1 1管道無可動部件管道無可動部件2 2無需外接電源無需外接電源3 3對氣體、蒸汽、液體均適合對氣體、蒸汽、液體均適合1. 原理原理1）卡門旋渦列：如圖：）卡門旋渦列：如圖：在流體中

28、有對稱形狀的非流線形狀柱體在流體中有對稱形狀的非流線形狀柱體 漩渦發生體漩渦發生體物體后出現附面層分離，形成兩列非對稱有規律的旋渦物體后出現附面層分離，形成兩列非對稱有規律的旋渦列列 卡門渦街卡門渦街實驗證明：實驗證明：h h、l l滿足一定條件滿足一定條件旋渦列穩定旋渦列穩定圓柱體滿足：圓柱體滿足：h hl l0.2812）旋渦頻率：與物體形狀、）旋渦頻率：與物體形狀、V有關有關 圓柱體圓柱體:St 斯特羅哈爾系數斯特羅哈爾系數 圓柱體圓柱體 fV. d(特征長度特征長度)3）體積流量）體積流量插入旋渦發生體時，旋渦發生體處流通截面積插入旋渦發生體時，旋渦發生體處流通截面積 若，若， 則則 dVSftconst(Re)fSt2 . 0tSDdDdDdDA1221sin14143 . 0/Dd)273. 01 (421DdDA在一定在一定Re內為內為St常數常數Q1與與f成線性關系。成線性關系。 若若f已知已知Q2. 流量信號的檢測流量信號的檢測1）原理：）原理：旋渦發生在圓柱體右下側時，圓柱體周圍形成一個環流旋渦發生在圓柱體右下側時，圓柱體周圍形成一個環流環流與圓柱體下側流體流動方向相反環流與圓柱體下側流體流動方向相反V ，上側流動上側流動方向相同方向相同VP （由下向上的升力作用在圓柱體（由下向