热工测试技术第4章-流速和流量的测量

1第4章流速和流量的测量第4章流速和流量的测量掌握稳态流体速度的测量原理及方法；掌握几种速度探针的原理及结构；掌握热线风速仪及多普勒测速仪的原理及测量电路；掌握速度方向的测量原理和几种方向探针的结构及使用方法；掌握流量测量原理和几种流量计的工作原理及结构。23第1节流体速度大小的测量测量原理：跟据不可压缩流体中柏努利方程：因此只要测出流体的总压，静压以及流体的密度就可用上式求出流体的速度。02()sppV1、速度探针4（a）带半球形头部的标准皮托管（b）带锥形头部的皮托管L形皮托管第1节流体速度大小的测量5第1节流体速度大小的测量2021VcppV202cpV国际标准中称皮托管标定系数英国标准中称c0皮托管标定系数我国两种标准都用。6第1节流体速度大小的测量笛形皮托管7（a）吸气式（b）遮板式（c）靠背式•吸气式皮托管主要用于高含尘量的负压管道气流压力的测量；•遮板式是依靠遮板来阻止灰尘直接进入测量管；•靠背式是因为测压管孔径较大而不易堵塞。测量高含尘量气流的皮托管8第1节流体速度大小的测量例：如图所示，在皮托管上连接酒精比压计，测定风管中的某点风速，已知微压计斜管的倾角为30度，l=50mm，酒精密度为800kg/m3，空气密度为1.255kg/m3，标定系数为1.0，试求管内该点的风速。9第1节流体速度大小的测量2、可压缩性对气流速度测量的影响在高速气流中必须考虑影响气体密度的压力绝对值，因为气流速度的变化会引起压力变化。可压缩气流的速度V不是由压差确定而是由压力比决定，因此在测量气流速度时，要分别测出气流的总压及静压。式中，k是气体的等熵指数，对于空气，k=1.4。最后得到考虑可压缩性时，气流速度的公式为021ssppV式中，ε是对可压缩性的修正系数，它与马赫数Ma有关10第1节流体速度大小的测量242,1%42,0.2%424MakMaMa0,1%ε与Ma第一种情况，Ma0.2,第二种情况，0.2Ma=0.8,第三种情况，0.8Ma=1,11第2节二维流场中流动方向的测量1p2p1、测量原理：基于流体对物体绕流时，物体表面的压力分布与流动方向有确定关系12第2节二维流场中流动方向的测量（1）方向孔最佳位置的确定：必须满足该点的压力对于气流方向角的变化率为最大，即imummaxdPd（2）方向探针的灵敏度dcP2dn221PPP13第2节二维流场中流动方向的测量2、测量方法方向测量通常有两种方法：对向测量和不对向测量。（1）对向测量——使探针绕其本身的轴转动，当两测孔所指示的压力相等时，两孔的对称中心就与流动方向一致。这时相对于一定的参考方向(初始位置)就可以决定流动方向角。（2）不对向测量——将两孔的对称轴固定在某一参考方向，测量两孔的压力差，根据校正曲线(两孔压差与流动方向的关系)确定流体方向。14第2节二维流场中流动方向的测量L型及U型探针cutincutout1211NN7.0dd,mm0.1d,60~45,9~3dl15第2节二维流场中流动方向的测量2.5mmd2d,l,45圆柱三孔式探针测量流体总压测量流动方向16第2节二维流场中流动方向的测量2202sppKc2112sppKc221012ppKKc21012ppcKK17（a）球形（b）尖劈形（c）普通圆柱形（d）发散圆柱形（e）聚合圆柱形第2节二维流场中流动方向的测量18球形三孔测速管构造1-赤道面；2-子午面；3-三孔感压球形探头；4-接管；5-干管；6-传压管；7-分度盘；8-指针；9-锁紧螺钉；10-键槽；11-接嘴第2节二维流场中流动方向的测量19第3节三维流场中流动方向的测量1、四孔圆柱探针2,3,4——方向孔1——总压孔20第3节三维流场中流动方向的测量2、五孔球形探针21第3节三维流场中流动方向的测量3sin2iicc2291sin24ispippKc22第3节三维流场中流动方向的测量222111122sscccpppKc222222122sscccpppKc222333122sscccpppKc222444122sscccpppKc23231312cppKK231312cppKK3124ppKpp第3节三维流场中流动方向的测量2431310sppKKpp24240sppKKpp220ssppKpp第3节三维流场中流动方向的测量25其他流速测量方法一．机械法测量流速1．种类：翼式、杯式杯式翼式适用范围：以前：风速范围为15—20m/s以内，只能测量流速的平均值，不能测量脉动流。通过机械仪表用指针指示。目前：测速范围为0.25—30m/s，并且可测量流速的瞬时值。可将叶轮的转速转换成电信号。262.测量原理空气通过转杯时，推动叶片转动。根据叶片的角位移推算流过的空气量2728AVM-03风速计风速计檔位测量范围分辨率误差M/S0.3-45.00.1±3%or0.1位KNOTS0.6-88.00.1±3%or0.1位ft/min60-880010±3%or10位Km/hr1-140.00.1±3%or0.1位温度(AVM-03)℃0-600.1±0.8温度(AVM-03)℉32-1400.1±1.529第4节热线风速仪工作原理：用恒定电流对热丝加热时，由于流体对热线有冷却作用，而流体冷却能力随流速的增大而加强，因此，可根据热线温度的高低(即热丝电阻值的大小)来测量流体的速度，这便是等电流法测量流体流速的原理。如果保持热线的温度一定(即电阻一定)，则可建立热线电流和流体速度的关系，这也就是等温法的原理。302()ReRwfRwwnQQQFTTQIRNudNuab第4节热线风速仪31第4节热线风速仪21('')()''n32第4节热线风速仪002001[1()]('')()[1]''wwnwfwwnnRRTTabuTTIRttaFadbFdbv33第4节热线风速仪12,00,1()nwwfwfIRTTaTTubTT12,00,1()nwffwfwfIRTTTTaTTubTT34第4节热线风速仪,wufIT测量方法：恒电流法、恒温法ITT→vI→v恒流型恒温型都需要对流体温度值进行修正35第4节热线风速仪3637第4节热线风速仪38二．散热率法测量流速394041第4节热线风速仪1－支架2－电机3－风机4－闸板阀5－皮托管6－管线7－旋风分离器8－热线探头9－热线风速仪10－计算机系统42第4节热线风速仪-0.10.00.10.20.30.40.50.60.70.80.936.038.040.042.044.046.048.0U/(m/s)t/s-0.10.00.10.20.30.40.50.60.70.80.93045607590U/(m/s)t/s43热线风速仪的进一步细节可参考：1盛森芝、沈熊、舒玮：《流速测量技术》2盛森芝、徐月亭、袁辉清：《热线热膜流速计》2戴昌晖：《流体流动测量》3Goldstein,R.J.，《流体力学测量》441、流量是三大工业过程控制量（压力、温度、流量）之一；2、石油、天然气、化工原料等流体的计量直接关系到国家利益；3、自来水、灌溉、污水处理等关系到国计民生。第5节流量测量45大型化工企业中，流量是控制工艺过程和保证产品质量的关键因素。46第5节流量测量1．流量：单位时间内流过流体的量，亦称瞬时流量。2．总流量：在一段时间内流过流体量的总和，也可用在这段时间内对瞬时流量的积分。3．平均流量：总流量除以得到总流量的时间间隔称该段时间内的平均流量。47表达方式qm—质量流量kg/sqw—重量流量kgf/sqv—体积流量m3/svwmqgqq转换关系：•标准体积流量：温度为20℃，压力为一标准大气压测得的体积流量为标准体积流量。48第5节流量测量基本流体方程连续性方程伯努利方程49截面积：A1A2流速：密度：ρ1ρ2111222vAvA为某截面积上的平均速度1v2v不可压缩的流体在稳定流动时，流过各截面流体的体积为常量。const1122vAvA12第5节流量测量连续性方程50第5节流量测量伯努利方程动能压力能势能+流体能221122121222vpvpghgh51容积式总量流量计瞬时流量计速度式压差式流体阻力式测速式流体振动式体积流量计质量流量计流量计分类5253541．差压式流量计：如：毕托管、孔板、喷嘴、文丘里管、转子流量计等2．速度式流量计：流体推动叶轮旋转，叶轮转速与流速成正比。如：水表、涡轮流量计。3．容积式流量计：流量计在被测流体的推动下，将流体一份份封闭在测量腔体内，并一份份推送出去，根据单位时间内推送出去的体积数实现流速的测量。4．其他类型流量计：电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计、质量流量计等。流量计分类55第6节节流压差式流量计1-节流元件2-引压管路3-三阀组4-差压计节流式流量计组成与实物图56第6节节流压差式流量计常用的节流装置文丘利管压力损失最小，而孔板压力损失最大。文丘利管孔板喷嘴57581、测量原理及流量方程节流元件附近流速和压力分布情况选定两个截面，I—I是节流装置前流体开始受节流装置影响的截面；II-II是流束经过节流装置后收缩最厉害的流束截面，由伯努利方程式得2''2'1122'112222vpvpggSvSv由连续性方程：20SS称为流束的收缩系数，其大小与节流装置的类型有关591、测量原理及流量方程01221'SvvmvS2122212'('')1gvppm考虑到使用方便，实际上经常在节流装置前后两个固定位置上测取压力p1、p2，代替p1’、p2’，在计算v2的公式中亦应修正'2212222()1gvvppm601、测量原理及流量方程0222012220122()12()vSgQvSvSppmgSppm称为流量系数，和节流装置的面积比、流体的粘度、密度、取压方式有关，是用实验方法确定的系数。0222012220122()12()vSgQvSvSppmgSpp61a.流体必须是牛顿流体，在物理学和热力学上是均匀的、单相的，或者可认为是单相的流体。b.流体必须充满管道和节流装置且连续流动，流经节流件前流动应达到充分紊流，流束平行于管道轴线且无旋转，流经节流件时不发生相变。c.流动是稳定的或随时间缓变的。2、节流装置标准节流装置的适用条件62标准节流元件的结构形式a.标准孔板标准孔板是一块具有与管道同心圆形开孔的圆板，迎流一侧是有锐利直角入口边缘的圆筒形孔，顺流的出口呈扩散的锥形。结构简单，加工方便，价格便宜压力损失较大，测量精度较低，只适用于洁净流体介质，测量大管径高温高压介质时，孔板易变形。标准孔板63b.标准喷嘴64c.文丘里管文丘里管有两种标准型式：经典文丘里管与文丘里喷嘴。文丘里管压力损失最低，有较高的测量精度，对流体中的悬浮物不敏感，可用于污脏流体介质的流量测量，在大管径流量测量方面应用的较多。但尺寸大、笨重，加工困难，成本高，一般用在有特殊要求的场合。6566文丘利管流量计实物图67d、非标准节流装置a.1/4圆喷嘴b.锥形入口孔板c.圆缺孔板683、标准节流装置取压方式根据节流装置取压口位置可将取压方式分为理论取压、角接取