第八章-流速和流量測量

第八章流速和流量測量本章學(xué)習(xí)要求：1、掌握流體速度大小的測量；2、熟悉熱線風(fēng)速儀的測量原理；3、熟悉激光多普勒測速儀的測量原理；4、掌握流量的基本測量原理；5、熟悉節(jié)流壓差式流量計及速度式流量計的測量原理；6、了解其它形式流量計的測量原理。第一節(jié)概述流量的概念

流體在單位時間內(nèi)流經(jīng)某一有效截面的體積或質(zhì)量，前者稱體積流量（m3/s)，后者稱質(zhì)量流量(kg/s)。如果在截面上速度分布是均勻的，則：流過管道某截面的流體的速度在截面上各處不可能是均勻的，假定在這個截面上某一微小單元面積上dAF速度是均勻的，流過該單元面積上的體積流量為整個截面上的流量qv為測量某一段時間內(nèi)流過的流體量，即瞬時流量對時間的積分，稱之流體總量。

用來測量流量的儀表統(tǒng)稱為流量計。測量總量的儀表稱為流體計量表或總量計。流體的幾個概念

（一）粘性在流體的內(nèi)部相互接觸的部分在其切線方向的速度有差別時會產(chǎn)生減小其速度差的作用。這是因為流速快的部分要加速與其相接觸的流速慢的部分，而流速慢的部分要減小與其相接觸的流速快的部分，流體的這種性質(zhì)，稱為粘性。

衡量流體粘性大小的物理量稱為粘度。設(shè)有兩塊面積很大距離很近的平板，兩平板中間是流體。令底下的平板保持不動，而以一恒定力推動上面平板，使其以速度v沿x方向活動。由于流體粘性的作用，附在上板底面的一薄層液體以速度v隨上板運動。而下板不動故附在其上的流體不動，所以兩板間的液體就分成無數(shù)薄層而運動，如圖所示。作用力F與受力面平行，稱為剪力，剪力與板的速度v、板的面積S成正比，而與兩板間的距離y成反此，即稱為粘度，或動力粘度(dynamicviscosity)，單位是：泊（P）(Pa.s)（Kinematicviscosity）（二）層流和紊流流體在細管中的流動形式可分為層流和紊流兩種。所謂層流(laminarflow)就是流體在細管中流動的流線平行于管軸時的流動。所謂紊流(turbulentflow)就是流體在細管中流動的流線相對混亂的流動。利用雷諾數(shù)可以判斷流動的形式。如果雷諾數(shù)小于某一值時，可判斷為層流，而大于此值時則判斷為紊流。由此，我們發(fā)現(xiàn)管內(nèi)流體流動時存在著兩種狀態(tài)：一為層流狀態(tài)一為紊流狀態(tài)．在不同的流動狀態(tài)下，流體有不同的流動特性。在層流流動狀態(tài)時，流量與壓力降成正比；在紊流流動狀態(tài)時，流量與壓力降的平方根成正比，而且在層流與紊流兩種不同的流動狀態(tài)時，其管內(nèi)的速度分布也大不相同。這些對于許多采用測量流速來得到流量的測量方法是很重要的。在層流流動狀態(tài)下，流速分布是以管軸為中心線的軸對稱拋物線分布。在紊流流動狀態(tài)下，管內(nèi)流速同樣是以管中心線軸對稱的分布，但是其分布呈指數(shù)曲線形式。雷諾數(shù)是表征流體流動時慣性力與粘性力之比。利用細管直徑d，可求出雷諾數(shù)Rd：為細管中的平均流速；為流體的運動粘度,d為管徑。Rd＜2320時為層流，Rd＞2320時為紊流；（三）雷諾數(shù)所謂平均流速，一般是指流過管路的體積流量除以管路截面積所得到的數(shù)值。（四）流體流動的連續(xù)性方程流體在管道內(nèi)作穩(wěn)定流動的情況：即流體在穩(wěn)定流動，且不可壓縮時，流過各截面流體的體積為常量。因此利用上式，很方便的求出流體流過管道不同截面時的流速。（五）流體伯努力方程二、流量儀表的分類（一）計量表1.容積式計量表這類儀表用儀表內(nèi)的一個固定容量的容積連續(xù)地測量被測介質(zhì)，最后根據(jù)定量容積稱量的次數(shù)來決定流過的總量。習(xí)慣上人們把計量表也稱為流量計。根據(jù)它的結(jié)構(gòu)不同，這類儀表主要有橢圓齒輪流量計、腰輪流量汁、活塞式流量計等。2.速度式計量表在儀表中裝一旋轉(zhuǎn)葉輪，流體流過時，推動葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪的轉(zhuǎn)動正比于流過介質(zhì)的總量，葉輪轉(zhuǎn)動帶動計數(shù)器的齒輪機構(gòu)，計數(shù)器即顯示讀數(shù)。這類計量表機構(gòu)簡單，但精度低。一般在2％左右，大多的水表即采用此結(jié)構(gòu)表。（二）流量計第二節(jié)總量測量儀表（一）橢圓齒輪流量計每轉(zhuǎn)一周，兩個齒輪共送出四個標準體積的流體。二、腰輪流量計（羅茨流量計）腰輪流量計除可測液體外，還可測量氣體，精度可達0.1％，并可做標準表使用；最大流量可達1000m3/h。腰輪上沒有齒，它們不是直接相互嚙合轉(zhuǎn)動，而是通過安裝在體外的傳動齒輪組進行傳動．三、容積式流量計的誤差儀表輸出由指針指示，指示值I:流量較小時，誤差為負值，在流量增大時、誤差為正值、且基本保持不變。這種現(xiàn)象主要是由于在運動件的間隙中泄漏所引起的。這個泄漏量與間隙、粘度、前后壓差有關(guān)，另外也和流過體積V所需的時間有關(guān)。上述兩種轉(zhuǎn)子型式的容積流顯計，可用于各種液體流量的測量，尤其是用于油流量的準確測量，在高壓力、大流量的氣體流量測量中，這類流量計也有應(yīng)用．由于橢圓齒輪容積流量計直接依靠測量輪嚙合，因此對介質(zhì)的清潔要求較高，不允許有固體顆粒雜質(zhì)流過流量計．當充滿圓管的流體流經(jīng)在管道內(nèi)部安裝的節(jié)流裝置時，流束將在節(jié)流件處形成局部收縮，使流速增大，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生壓力差．該壓力差通過差壓計檢出．流體的體積流量或質(zhì)量流量與差壓計所測得的差壓值有確定的數(shù)值關(guān)系。差壓式流量計（節(jié)流式流量計）選定兩個截面，I—I是節(jié)流裝置前流體開始受節(jié)流裝置影響的截面；II-II是流束經(jīng)過節(jié)流裝置后收縮最厲害的流束截面，由伯努利方程式得由于流束在節(jié)流裝置后的最小收縮面積S2，實際上很難確切地知道它的數(shù)值，因此用節(jié)流裝置開孔的截面積S0來表示,其中稱為流束的收縮系數(shù)，其大小與節(jié)流裝置的類型有關(guān)。p1’、p2’—流體在截面I—I和II—II處的靜壓力v1、v2’—流體在截面I—I和II—II處的平均流速上面得到的流速是理論值，因為理想的不可壓縮的流體是不存在的。流體有粘度，故有摩擦，因此實際的流速應(yīng)修正。其次，考慮到使用方便，實際上經(jīng)常在節(jié)流裝置前后兩個固定位置上測取壓力p1、p2，代替p1’、p2’，在計算v2的公式中亦應(yīng)修正?？紤]這兩方面的因素，在II—II截面上的流速流過截面II—II的體積流量為節(jié)流式流量計主要由兩部分組成：節(jié)流裝置和測量靜壓差的差壓計。節(jié)流裝置是安裝在流體管道中，使流體的流通截面發(fā)生變化，引起流體靜壓變化的一種裝置。常用的節(jié)流裝置有文丘利管、噴嘴和孔板，如圖所示。常用的節(jié)流裝置文丘利管孔板噴嘴標準孔板是用不銹鋼或其它金屬材料制造的薄板，它具有圓形開孔并與管道同心，其直角入口邊緣非常銳利，且相對于開孔軸線是旋轉(zhuǎn)對稱的。標準孔板的形狀如圖所示．標準噴嘴即ISAl932噴嘴．它是一個以管道喉部開孔軸線為中心線的旋轉(zhuǎn)對稱體，由兩個圓弧曲面構(gòu)成的入口收縮部分及與之相接的圓筒形喉部所組成．其結(jié)構(gòu)如圖所示標準文丘利噴嘴是標準文丘利管的一種型式，如圖所示．它由廓形修圓的收斂部分，圓筒形喉部和擴散段組成．喉部取壓平面之前上游平面A、入口圓弧B、C和喉部的圓筒E部分與標準噴嘴完全相同.1．取壓方式差壓式流量計是通過測量節(jié)流件前后壓力差p來實現(xiàn)流量測量的，而壓力差p的值與取壓孔位置和取壓方式緊密相關(guān)。節(jié)流裝置的取壓方式有以下5種，各種取壓方式及取壓孔位置如圖所示．(1)角接取壓:上下游取壓管位于孔板(或噴嘴)的前后端面處。角接取壓包括單獨鉆孔和環(huán)室取壓。如圖中l(wèi)—l位置。(2)法蘭取壓：上下游側(cè)取壓孔的軸線至孔板上、下游側(cè)端面之間的距離均為25.4±0.8mm（1inch)。取壓孔開在孔板上下游側(cè)的法蘭上．如圖中2—2位置．（3)徑距取壓：上游側(cè)取壓孔的軸線至孔板上游端面的距離為1Dm±0.1Dm，下游側(cè)取壓孔的軸線至孔極下游端面的距離為0.5Dm。如圖中的3.3位置（Dm管道直徑）。(4)理論取壓：上游側(cè)取壓孔的軸線至孔板上游端面的距離為lDm±0.1Dm，下游側(cè)取壓孔的軸線至孔板上游端面的距離因值不同而異。該距離理論上就是流束收縮到最小截面的距離。如圖中的4—4位置。(5)管接取壓：上游側(cè)取壓孔的軸線至孔板上游端面的距離為2.5Dm，下游側(cè)取壓孔的軸線至孔板下游端面的距離為8Dm．如圖中的5—5位置．該方法使用很少．標準取壓裝置是國家標形中規(guī)定的兩種取壓裝置，即角接取壓裝置和法蘭取壓裝置。其中角接取壓適用于孔板和噴嘴，而法蘭取壓僅用于孔板。(1)角接取壓裝置角接取壓裝置可以采用環(huán)室或夾緊環(huán)(單獨鉆孔)取得節(jié)流件前后的差壓。（2）法蘭取壓裝置法蘭取壓裝置由兩個帶取壓孔的取壓法蘭組成。標準取壓裝置一、浮子流量計（轉(zhuǎn)子流量計）轉(zhuǎn)子流量計又名浮子流量計或面積流量計。浮子流量計具有結(jié)構(gòu)簡單，使用維護方便，對儀表前后直管段長度要求不高，壓力損失小且恒定，測量范圍比較寬，工作可靠且線性刻度，可測氣體、蒸汽(電、氣遠傳金屬浮子流量計)和液體的流量，適用性廣等特點．第四節(jié)流體阻力式流量計浮子流量計的測量本體由一根自下向上擴大的垂直錐管和一只可以沿著錐管的軸向自由移動的浮子組成．如圖所示．當被測流體自錐管下端流入流量計時，由于流體的作用，浮子上下端面產(chǎn)生一差壓，該差壓即為浮子的上升力。當差壓值大于浸在流體中浮子的重量時，浮子開始上升。隨著浮子的上升．浮子最大外徑與錐管之間的環(huán)形面積逐漸增大，流體的流速則相應(yīng)下降，作用在浮子上的上升力逐漸減小，直至上升力等于浸在流體中的浮子的重量時，浮子便穩(wěn)定在某一高度上。這時浮子在錐管中的高度與所通過的流量有對應(yīng)的關(guān)系。作用在浮子上的力有：流體自下而上運動時，作用在浮子上的升力F;浮子本身的垂直向下的重力W；流體對浮子所產(chǎn)生的垂直向上的浮力B。當浮子處于平衡狀態(tài)時，可列出平衡方程式轉(zhuǎn)子流量計的測量原理式中，cd為浮子的升力系數(shù)；o為流體密度；v為環(huán)形流通面積的平均流速：Af為浮子的最大迎流面積。只要保持流量系數(shù)a為常數(shù)，則流量與浮子高度h之間就存在一一對應(yīng)的近似線性關(guān)系．我們可以將這種對應(yīng)關(guān)系直接刻度在流量計的錐管上．顯然，對于不同的流體，由于密度發(fā)生變化，所以qv與h之間的對應(yīng)關(guān)系也將發(fā)生變化，原來的流量刻度將不再適用．所以原則上，轉(zhuǎn)子流量計應(yīng)該用實際介質(zhì)進行標定．注意：

速度式流量計是從直接測量管道內(nèi)流體流速v作為流量測量依據(jù)的。若測得的是管道截面上的平均流速v，則流體的體積流量qv＝A*v；(A為測量管道橫截面積)。若測得的是管道橫截面上的某一點流速v，則流體的體積流量qv＝K*A*v(K為截面上的平均流速與被測點流速的比值，它與管道內(nèi)流速分布有關(guān))．第五節(jié)測速式流量計一、電磁流量計電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表?？梢詼y量各種腐蝕性介質(zhì)：酸、堿、鹽溶液以及帶有懸浮顆粒的漿液。被測介質(zhì)在測量管內(nèi)，由于沒有阻滯部件，所以沒有壓力損失。此流量計無機械慣性，反應(yīng)靈敏，可以測量脈沖流量，而且線性較好，可以直接進行等分刻度。但電磁流量計由于只能測量導(dǎo)電液體，因此對于氣體、蒸氣以及含大量氣泡的液體，或者電導(dǎo)率很低的液體不能測量。由于測量管內(nèi)襯材料一般不宜在高溫下工作，所以目前一般的電磁流量計還不能用于測量高溫介質(zhì)。如圖所示，設(shè)在均勻磁場中，垂直于磁場方向有一個直徑為D的管道。管道由不導(dǎo)磁材料制成，當導(dǎo)電的液體在導(dǎo)管中流動時，導(dǎo)電液體切割磁力線，因而在磁場及流動方向垂直的方向上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，如安裝一對電極，則電極間產(chǎn)生和流速成比例的電位差。

式中，c為感應(yīng)電動勢：B為磁感應(yīng)強度，D為管道內(nèi)徑；v為液體在管道內(nèi)平均流速。1．直流勵磁直流勵磁方式用直流電產(chǎn)生磁場或采用永久磁鐵，它能產(chǎn)生一個恒定的均勻磁場．這種直流勵磁變送器的最大優(yōu)點是受交流電磁場干擾影響很小，因而可以忽略液體中的自感現(xiàn)象的影響。但是，使用直流磁場易使通過測量管道的電解質(zhì)液體被極化，即電解質(zhì)在電場中被電解，產(chǎn)生正負離子，在電場力的作用下，負離子跑向正極，正離子跑向負極。這樣，將導(dǎo)致正負電極分別被相反極性的離子所包圍，嚴重影響儀表的正常工作．所以，直流勵磁一般只用于測量非電解質(zhì)液體，如液態(tài)金屬等．2．交流勵磁目前，工業(yè)上使用的電磁流量計，大都采用工頻(50Hz)電源交流勵磁方式，即它的磁場是由正弦交變電流產(chǎn)生的，所以產(chǎn)生的磁場也是一個交變磁場。交變磁場變送器的主要優(yōu)點是消除了電極表面的極化干擾．另外，由于磁場是交變的，所以輸出信號也是交變信號。直流勵磁方式和交流勵磁方式各有優(yōu)缺點，為了充分發(fā)揮它們的優(yōu)點，盡量避免它們的缺點，70年代以來，人們開始采用低頻方波勵磁方式．它的勵磁電流波形如圖所示，其頻率通常為工頻的1／4一l／10．從圖可見，在半個周期內(nèi)，磁場是恒穩(wěn)的直流磁場，它具有直流勵磁的特點，受電磁干擾影響很小。從整個時間過程看，方波信號又是一個交變的信號，所以它能克服直流勵磁易產(chǎn)生的極化現(xiàn)象．因此，低頻方波勵磁是一種比較好的勵磁方式，目前已在電磁流量計上廣泛的應(yīng)用．

3．低頻方波勵磁當超聲波在流體中傳播時，會載帶流體流速的信息。因此，根據(jù)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。超聲波流量測量方法有很多，本節(jié)主要介紹傳播速度差方法和多普勒方法的基本原理與流量方程．二、超聲波流量計傳播速度差法的基本原理為：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被測流體的流速。根據(jù)測量的物理量的不同，可以分為時差法(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)、相差法(測量超聲波在順、逆流中傳播的相位差)、頻差法(測量順、逆流情況下超聲脈沖的循環(huán)頻率差)。頻差法是目前常用的測量方法，它是在前兩種測量方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的．在測量管道中，裝兩個超聲波發(fā)射換能器F1和F2以及兩個接收換能器J1和J2，管徑為D，流體由左向右流動，速度為v，此時由F1到J2超聲波傳播速度為F2到J1超聲波傳播速度為：1、時差法如果超聲波發(fā)生器發(fā)射一短小脈沖，其順流傳播時間為而逆流傳播的時間為測量速度差的方法2、相差法所謂相差法，既是通過測量超聲波在順流和逆流時傳播的相位差來得到流速．3、頻差法此法是通過測量順流和逆流時超聲脈沖的重復(fù)頻率差去測量流速。在單通道法中脈沖重復(fù)頻率是在一個發(fā)射脈沖被接收器接收之后，立即發(fā)射出一個脈沖，這樣以一定頻率重復(fù)發(fā)射，對于順流和逆流重復(fù)發(fā)射頻率為2、多普勒法

多普勒法是利用聲學(xué)多普勒原理確定流體流量的．多普勒效應(yīng)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運動的目標和靜止的換能器之間的相對速度。左圖是超聲多普勒流量計示意圖。超聲換能器安裝在管外。從發(fā)射晶體T發(fā)射的超聲波束遇到流體中運動著顆?；驓馀荩俜瓷浠貋碛山邮站wR1接收。發(fā)射信號與接收信號的多普勒頻率偏移與流體流速成正比。如忽略管壁影響，并假設(shè)流體沒有速度梯度，以及粒子是均勻分布的，可得方程流體振動流量計是60年代末期發(fā)展起來的一種較新的流量測量技術(shù)。它具有如下一些特點：可得到與流量成正比的頻率輸出信號；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、壓力等因素的影響；所以，該測量方法越來越受到人們的重視，渦街流量計（Vortexflowmeter)是利用流體流過阻礙物時產(chǎn)生穩(wěn)定的漩渦，通過測量其漩渦產(chǎn)生頻率而實現(xiàn)流量計量的。渦街流量計由渦街流量傳感器和流量顯示儀表兩部分構(gòu)成，第六節(jié)振動式流量計渦街流量計實現(xiàn)流量測量的理論基礎(chǔ)是流體力學(xué)中著名的“卡門渦街”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(如三棱柱、圓柱等)，稱之為漩渦發(fā)生體，見圖。當流體沿漩渦發(fā)生體繞流時，會在漩渦發(fā)生體下游產(chǎn)生如圖所示不對稱但有規(guī)律的交替漩渦列，這就是所謂的卡門渦街。由于漩渦之間的相互影響，其形成通常是不穩(wěn)定的。馮.卡門對渦列的穩(wěn)定條件進行了研究，于1911年得到結(jié)論：只有當兩漩渦列之間的距離h和同列的兩漩渦之間的距離L之比滿足時，所產(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的圓柱體后漩渦發(fā)生的頻率為：圓柱體表面開有導(dǎo)壓孔，與圓柱體內(nèi)部空腔相通．空腔由隔板分成兩部分，在隔板的中央部分有一小孔，在小孔中裝有檢測流體流動的鉑電阻絲．當旋渦在圓柱體下游側(cè)產(chǎn)生時，由于升力的作用，使得圓柱體下方的壓力比上方高一些，圓柱體下方的流體在上下壓力差的作用下，從圓柱體下方導(dǎo)壓孔進入空腔，通過隔板中央部分的小孔，流過鉑電阻絲，從上方導(dǎo)壓孔流出。如果將鉑電阻絲加熱到高于流體溫度的某溫度值，則當流體流過鉑電阻絲時，就會帶走熱量，改變其溫度，也即改變其電阻值。當圓柱體上方產(chǎn)生一個旋渦時，則流體從上導(dǎo)壓孔進入，由下導(dǎo)壓孔流出，又一次通過鉑電阻絲，又改變一次它的電阻值。由此可知：電阻值變化與流動變化相對應(yīng)，也既與旋渦的頻率相對應(yīng)。所以，可由檢測鉑電阻絲電阻變化頻率得到渦頻率，進而得到流量值。在工業(yè)