流速面积法

14.3常用流量计简介4.3.1基于速度—面积法的流量测量Avqv体积流量平均流速流通面积21）平均流速问题办法：找一点，该点的流速正好是平均流速；在截面上找一系列的点，然后求出流速平均值。层流：对于在足够长的等直径直管段中充分发展的层流，流速分布曲线是一定的。管道中心的流速等于2倍平均流速；距离管壁r=0.293R处的流速为平均流速。用一点流速代替平均流速4.3.1基于速度—面积法的流量测量3eDR紊流：流速分布曲线随流速（）变化,中心流速与平均流速的比值也是变化的：充分发展的紊流r=（0.238~0.246）R处流速为对于未充分发展的紊流的位置不确定。vv选点测速法求平均流速实际上，足够长的直管段不易得到保证，因此，管流往往达不到充分发展，这时用测量多点的平均法可以求出平均流速。选点方法对数——切比雪夫法；对数——线性法；三次方切比雪夫积分法等。4.3.1基于速度—面积法的流量测量4整流器在较小的直管段上使流动状态满足规定要求，可以加装整流器。整流器的形式有：管式、筛孔式、组合式等。4.3.1基于速度—面积法的流量测量52）点流速的测量动压测量原理应用条件：沿同一流线，定常流动，无粘性，不可压缩，只有重力作用下的流体。由流体力学中的伯努力方程：2gvgpz2gvgpz22222111三者之和称为总水头，具有长度量纲。21压力水头流速水头位置水头4.3.1基于速度—面积法的流量测量6pvpp2vpzz02011200102B点流速为零，称之为驻点总压＝动压+静压)p-2(pv010结论：若能测出流体中某一点的总压和静压，按照伯努力方程就可以求出该点的流速。4.3.1基于速度—面积法的流量测量7在图中，A端是测量总压的管口，形成驻点，vA为流速，pZ为流体的滞止压力，则有：)p-2(pvp2vpAzAz2AA因为实际上，pz和pA无法同时测出，如果在管道截面上静压力可以被认为是相等的，用pJ代替pA则有：)p-2(pvJzA4.3.1基于速度—面积法的流量测量83）实用的动压测量管)p-2(pvJzA特点：静压和总压测量管组成一体。基本型动压测量管（皮托管）皮托管结构简单，使用方便，用途很广。如飞机头部或机翼前缘常装设皮托管，测量相对空气的飞行速度，又称空速管。其中：动压测量管的校准系数，基本型=1流体可压缩性修正系数，液体=14.3.1基于速度—面积法的流量测量94.3.1基于速度—面积法的流量测量10动压平均管（阿纽巴管、笛形管）用一根圆管（总压平均管）沿被测管道直径插入管道，在总压平均管上按照要求开几个孔（取压口），总压在管中平均后由细管引出，静压从背后引出：)p-2(pvJz其中，由试验确定，由于只能单方向平均，故只适用于圆形管道。4.3.1基于速度—面积法的流量测量114.3.1基于速度—面积法的流量测量124.3.1基于速度—面积法的流量测量13翼形动压管目的：提高△P的值，（常用于矩形管道）。结构：截面为机翼形的测量管特点：流量系数稳定，输出差压信号较大，可测矩形管道。4.3.1基于速度—面积法的流量测量144.3.1基于速度—面积法的流量测量15动压文丘里管目的：提高△P，增加灵敏度，降低压力损失。是流量测量中一种重要的传感器，多用于大截面管道。4.3.1基于速度—面积法的流量测量16为进一步提高△P，还可以采用双级动压文丘里管：4.3.1基于速度—面积法的流量测量17双级动压文丘里管动压文丘里管4.3.1基于速度—面积法的流量测量184.3.2电磁流量计——非接触、导电液体194.3.2电磁流量计——非接触导电液体1）概述依据：据法拉第电磁感应定律，测量管道内的流动的导电液体（等效于许多连续的导电薄圆盘）做垂直于磁场的运动，产生感应电动势，电势大小与流量相关。磁场：恒定磁场：适于测量时不易产生极化现象的非电解液；交变磁场：工业用的大部分形式（可减小极化现象）。优点：压损极小；可测流量范围大；适用管径范围宽（最大可达3m）；测量精度高，线性度好。不足：只能测量导电液体（电导率），不能测气体、蒸汽及纯净水。s/cm1202）测量模型感应电势的方向由右手定则确定，大小由下式决定：4.3.2电磁流量计——非接触导电液体214.3.2电磁流量计——非接触导电液体22vBDEx体积流量：x2vEBD4vD4q若采用交变磁场：xmvmEtSin4BDqtSinBB磁感应强度管道直径液体的平均流速感应电势4.3.2电磁流量计——非接触导电液体233）特殊问题讨论感应电势测量要求：利用转换器将微弱的感应电势放大、转换成统一的标准信号并抑制主要干扰。正交干扰及其抑制正交干扰：指由于交变磁场作用，相位与感应电势相差90的感应信号。产生原因：电磁流量计工作时，管道中充满导电液体，从而使被测液体、电极、电极引线和转换器的输入阻抗构成闭合回路，当闭合回路中有交变磁场时就产生了电势，此电势与被测电势频率相同相位相差90，故称为正交电势。4.3.2电磁流量计——非接触导电液体24自动对消法：如图，从一个电极上引出两根导线，分别绕过磁极形成两个闭合回路，当磁力线穿过这两个回路时，分别产生两个方向相反的干扰电流，在Ry上相互抵消。电路抑制法：在后续的转换电路中采取抑制措施。消除方法：自动对消法+电路抑制法4.3.2电磁流量计——非接触导电液体25选用及安装要求被测流体必须是导电液体。不能测气体、蒸汽、石油制品、甘油、酒精及纯净水等；量程的选择：常用流量最好超过满量程的50％。常用流速为2～4m/s最合适；压力的选择：使用压力必须低于电磁流量计额定工作压力，一般不超过16105Pa；温度的选择。被测介质温度不能超过村里材料的容许使用温度，一般200C。4.3.2电磁流量计——非接触导电液体26•推荐垂直安装，且被测流体是自下而上流动。也可水平安装，但要使两电极在同一水平面上，要保证测量导管都充满液体。•流量计的外壳、屏蔽线、测量导管都要接地。要求单独设置接地点，不要连接在电机或上、下管道上。（因信号较弱，满量程时只有几毫伏，且流量很小时，只有几微伏，外界稍有干扰就会影响测量精度。）•安装地点要远离一切磁源。（如大功率电机、变压器等）•流量计前必须有10D左右的直管段，以消除各种局部阻力对流线分布对称性的影响。安装注意事项：4.3.2电磁流量计——非接触导电液体274.3.3涡街流量计28基本原理：流体流经阻挡体或者是特制的元件时，产生了流动振荡，通过测定其振荡频率来反映通过的流量。特点：优点：无可动部件，寿命长；准确度高，线性范围宽；量程范围宽（100：1）；压力损失小；不受P、t、η、ρ等流体参数变化的影响；气、液均可以使用，可用于大口径管道的气液测量。缺点：干扰引起的流量振荡时影响较大。4.3.3涡街流量计1）基本原理及特点涡街流量计外形图29•涡街产生原理：当流体流动受到一个垂直于流动方向的非流线形柱体的阻碍时，柱体的下游两侧会发生明显的旋涡，成为卡门涡列，涡列的形成与流体雷诺数有关。附面层流动稳定附面层外流体流动压力增大，速度下降。从流速分布线上可以看出，越接近柱面，速度越低。产生倒流现象4.3.3涡街流量计柱面v=030流体流经柱体时，速度上升，压力下降（节流），在圆柱体后速度下降，压力上升。当ReD60时，附面层分离，产生旋向相反，且交替出现的旋涡。且当涡街宽度h/相邻旋涡间距l=0.2806时，涡街达到稳定。4.3.3涡街流量计31•数量关系：当ReD=200~50000时：dvSft涡列频率斯特罗哈数涡列发生体两侧流体的平均流速涡列发生体迎流面的最大宽度tvSdfAvAq涡列发生体两侧的流通截面积体积流量斯特罗哈数St主要与漩涡发生体的形状和雷诺数有关，形状确定后，在一定雷诺数范围内St为常数。4.3.3涡街流量计322）频率检测方法主要方法：压力脉动测量法、流速脉动测量法、频率直接检测法；•热电阻法（P脉动）：把圆柱做成空心，中间放入一个加热的电阻丝，在隔板层开几个导压孔，当一侧产生涡列时，P变化（脉动），另一侧未变，所以流体经过导压孔突然流过电阻丝，使之冷却，温度降低，电阻减小，另一侧再产生涡列时，流体反而再次冷却，电阻减小，测出电阻下降的次数就可以推出f。4.3.3涡街流量计33•热敏电阻法（灵敏度高）：在三角柱体的迎流面上对称的嵌入两个热敏电阻，热敏电阻中通入恒定的电流，使之温度在流体静止的情况下比流体高出10℃左右。未起漩时，流体的温度相同，交替旋转时，发生漩涡的一侧，能量损失，因此流速降低，此侧对电阻的冷却作用下降，可以产生一个脉冲。4.3.3涡街流量计34•电磁检测法：旋涡发生体后设置一个信号电极，并使电极处于一个磁感应强度为B的永久磁场中，流体旋涡的振动使电极同频率振动，切割磁力线产生感应电动势。特点：不怕管道振动，刚刚兴起的涡街频率检测方法。4.3.3涡街流量计354.3.4质量流量计——热式质量流量计（测气体）36直接式质量流量计振动加速度法（科里奥利）热学法差压法动量法推导式质量流量计双通道检测法（测两个与流量有关的信号，处理后得到质量流量）组合法（差压+体积流量；体积流量+密度计；差压+密度计…）补偿法（体积流量+温度+压力）4.3.4质量流量计热式质量流量计（测气体）374.3.4质量流量计热式质量流量计（测气体）热式流量仪表用得最多有两类：•利用流动流体传递热量改变测量管壁温度分布的热分布式流量计（thenmaIprohIefIowmeter）曾称量热式TMF;•利用热消散（冷却）效应的金氏定律（KingsIaw）TMF。由于结构上检测元件伸入测量管内，也称浸入型（immersiontype）或侵入型（intrusiontype）。有些在使用时从管外插入工艺管内的仪表称作插入式（insertiontype）。38•热分布式TMF薄壁测量管3外壁绕着两组兼作加热器和检测元件的绕组2，组成惠斯登电桥，由恒流电源5供给恒定热量。在流量为零时，测量管上的温度分布如图虚线所示，上下游是对称的，电桥处于平衡状态；当流体流动时，流体将上游的部分热量带给下游，导致温度分布变化如实线所示，由电桥测出两组线圈电阻值的变化，求得两组线圈平均温度差ΔT。便可导出质量流量qm4.3.4质量流量计热式质量流量计（测气体）39热式气体质量流量计•基于金氏定律的浸入型TMF两温度传感器（热电阻）分别置于气流中两金属细管内，一热电阻测得气流温度T；另一细管经功率恒定的电热加热，其温度Tv高于气流温度，气体静止时Tv最高，随着流速增加，气流带走更多热量，温度下降，测得温度差ΔT=Tv-T.这种方法称作“温度差测量法”或“温度测量法”。4.3.4质量流量计热式质量流量计（测气体）40•特点•热分布式可测量低流速（气体0.02~2m/s）微小流量；浸入式可测量低~中偏高流速(气体2~60m/s)，插入式更适合于大管径；•无活动部件，无分流管的热分布式仪表无阻流件，压力损失很小；带分流管的热分布式仪表和浸入性仪表，虽置有阻流件，但压损不大；•使用性能相对可靠，组成简单，故障概率小；•响应慢，对小流量而言仪表会给被测气体带来热量；•被测气体若在管壁沉积垢层影响测量值，须定期清洗；•对脉动流在使用上将受到限制；•液体用TMF对于粘性液体在使用上亦受到限制。4.3.4质量流量计热式质量流量计（测气体）414.3.5涡轮流量计42•原理：涡轮机原理。（流体冲过涡轮叶片时发生动量变化，给叶片一个沿圆周的切向推力，从而形成了叶轮的转动力距，使得叶轮转动）由涡论的叫速度可以推出流量。•特点：准确度高；动态性能好（时间常数为ms级）；频率输出，线性好；对流速分布和粘度变化敏感，不易测量高粘以及脏污流体；有可动部件，有磨损问题，寿命不长。4.3.5涡轮流量计434.3.5涡轮流量计444.3.6转子流量计45•结构：属于恒压降变截面积流量计4.3.6转子流量计46•原理