第十一章流速及流量測量-機械工程測試技術(shù)

機械工程測試技術(shù)——

流速與流量測量（2）第十一章內(nèi)容1、流速測量方法2、流量測量方法3、測量裝置的標定重點：掌握各種流速與流量測量方法的原理、特點及應(yīng)用場合

流速：流體在管道流動的速度V單位：m/s、mm/s基本方法測壓管測速熱線風(fēng)速儀激光測速儀（下章介紹）1、流速測量測壓管測速

不可壓縮性流體（密度ρ是常數(shù)）流體速度v與流體總壓p0以及靜壓ps關(guān)系為：可壓縮性流體（密度ρ隨速度變化）流體速度v與流體總壓p0以及靜壓ps關(guān)系為：可壓縮性修正系數(shù)ε根據(jù)馬赫數(shù)M大?。ê土魉儆嘘P(guān)）取值利用總壓、靜壓或兩者之差可以求出流體流速1、流速測量測壓管測速總壓測量

流體繞流時，物體上有些點上流體完全滯止（速度為零），這些點上的壓力被稱為滯止壓力，也叫做流體總壓，在該點引出的壓力就是總壓1、流速測量總壓靜壓各種取壓的測量元件測壓管測速靜壓測量流體繞流時，流體的壓力等于未擾動流體的壓力，這些點的壓力被稱為流體靜壓，在該點引出的壓力就是靜壓

靜壓測量有兩種方法:與流速方向垂直取壓利用在通道壁面或繞流物體表面開靜壓孔利用尺寸較小具有一定形狀的測壓管插入流體中測量1、流速測量總壓靜壓測壓管測速一般測壓管的設(shè)計制造要求：在慣性不大的情況下，測壓管感受部分的尺寸盡量小對流動偏斜角不靈敏在M變化較大的范圍內(nèi)，測壓管的校正系數(shù)要穩(wěn)定1、流速測量畢托管

將測壓裝置總壓管和靜壓管組合在一起，同時測量總壓與靜壓之差的復(fù)合測壓管

Ku為校正系數(shù)（一般小于1）特點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，制造容易，價格便宜，堅固可靠流體v總壓測孔p0靜壓測孔ps側(cè)面分布的小孔或縫隙1、流速測量流體管道畢托管

L形畢托管

靜壓孔可以是沿側(cè)面分布（等距）的小孔或狹縫；測量值對流動方向很敏感T形畢托管

為兩根針管彎成L形，焊在一起。

迎氣流壓力孔測總壓，另一壓力孔測靜壓，這種測壓管對流動方向變化敏感1、流速測量氣流圓柱形復(fù)合測壓管——流向原理

在一個圓柱形的支桿上，離開端部一定距離（一般大于2d）并垂直于桿子軸線的平面上有三個孔，中間一個孔用來測量流體總壓，兩側(cè)孔與中間孔對稱，并相隔一定的角度，用來測量流動方向

需要三個壓力計：兩個側(cè)孔——壓力計——調(diào)整測流方向中孔＋側(cè)孔（1個）——壓力計——壓差中孔——壓力計——中孔與大氣的壓差實際使用：對向測量法、不對向測量法對向測量法就是方向管繞其本身的軸轉(zhuǎn)動，直到由兩側(cè)孔所指示的壓力相等。這時兩側(cè)孔的對稱中心就與流動方向一致，就可以決定流動方向角不對向測量法是將方向管軸固定在某個參考方向，測量兩側(cè)孔的壓力差，根據(jù)校正曲線（側(cè)孔壓力與流動方向的關(guān)系）決定流動方向的參數(shù)1、流速測量熱線風(fēng)速儀

——測量流體的平均速度、脈動速度等流體參數(shù)原理

將一根通電加熱的細金屬絲（稱熱線）置于氣流中，熱線在氣流中的散熱量與流速有關(guān)，而散失熱量導(dǎo)致熱線溫度變化而引起電阻變化，流速信號即轉(zhuǎn)變成電信號。

工作模式：①恒流式。通過熱線的電流保持不變，溫度變化時，熱線電阻改變，因而兩端電壓變化，由此測量流速②恒溫式。熱線的溫度保持不變，如保持150℃，根據(jù)所需施加的電流可度量流速

恒溫式比恒流式應(yīng)用更廣泛1、流速測量風(fēng)速儀探頭

熱線探頭長度0.5～2毫米，直徑1～10微米，材料為鉑、鎢或鉑銠合金優(yōu)點：熱慣性小，頻率響應(yīng)范圍寬；工作溫度高，最高可達800℃

缺點：強度低、承受電流小、不適應(yīng)在液體或帶顆粒氣流中工作熱膜探頭很薄(厚度小于0.1微米)金屬膜代替金屬絲，但多測量液體流速

優(yōu)點：強度高，可在惡劣流場中工作，熱傳導(dǎo)損失小，信噪比高

缺點：頻響窄，工作溫度低，測量精度不高，損壞不易修復(fù)組合式:用以測量各個方向的速度分量1、流速測量風(fēng)速儀探頭

測量電路熱線風(fēng)速儀的傳遞函數(shù)是一個一階慣性系統(tǒng)，該系統(tǒng)的帶寬在0~10kHz之間，很容易適用于多數(shù)紊流檢測，以及滿足檢測渦旋要求測量流體脈動流速時，必須考慮熱線的熱慣性（時間常數(shù)）采用細和短的熱線在電子線路上采取補償方法——恒溫型1、流速測量保持溫度不變風(fēng)速儀探頭

KA31熱線式風(fēng)速儀

1、流速測量定義瞬時流量：單位時間流過某截面的流體的量——q累計流量：瞬時流量的積分——Q平均流量：累計流量除以相應(yīng)的時間表示法質(zhì)量流量重量流量體積流量累計流量測量方法——容積式、速度式、質(zhì)量式、節(jié)流式應(yīng)用：水、氣、油等流體的流量2、流量測量gρ容積式：分割——計量利用機械測量元件，把流體連續(xù)不斷地分割成單個已知的體積V部分根據(jù)計量室逐次、重復(fù)地充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)n，來測量流量體積總量種類橢圓齒輪流量計腰輪流量計刮板流量計濕式氣體流量計測量：轉(zhuǎn)軸計數(shù)2、流量測量橢圓齒輪流量計

腰輪流量計

刮板式流量計濕式氣體流量計

容積式測量誤差

測量累計流量準確度很高；測量瞬時流量，誤差較大

考慮因素（1）滑漏量:齒輪等運動部件與殼體間存在間隙引起；（2）流量：流量不能太大，否則壓差引起誤差增大；（3）粘度：粘度較高時滑漏量小，誤差小；（4）提高儀表準確度方法：采用伺服容積流量計。使用要點入口加慮網(wǎng)：防止雜物進入，卡死運動部件儀表側(cè)留有旁路，便于經(jīng)常清洗不能超過儀表的規(guī)定范圍2、流量測量容積式2、流量測量LC-13型橢圓齒輪流量變送器

采用新型磁敏集成傳感器，可輸出脈沖信號和模擬信號，配套測量儀表，實現(xiàn)自動控制允許基本誤差（％）：±0.2、±5被測液體粘度（MPa.s）：0.6-200被測液體溫度（℃）：-10℃～+50℃發(fā)送裝置：GF/QF脈沖型、MF-1模擬量型速度式——渦輪流量計當流體通過流量計時，推動渦輪，使其以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，此轉(zhuǎn)速是流體流量的函數(shù)非接觸式磁電式傳感器輸出信號的頻率與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比2、流量測量支撐導(dǎo)流器磁電式傳感器渦輪軸承殼體支撐轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電脈沖方法：磁阻方法（導(dǎo)磁不銹鋼作葉片——切割磁力線）：適用于清潔、有潤滑性的液體和氣體、不含固體顆粒（防磨損）流體感應(yīng)方法（葉片不導(dǎo)磁，磁鋼埋在渦輪內(nèi)腔——檢測線圈）：可用于非潤滑性氣體，含微小顆粒和腐蝕性流體，以及液態(tài)氣體速度式——渦輪流量計安裝使用保證流量計流速分布均勻儀表前加濾網(wǎng)，防止雜質(zhì)進入注意不能超過規(guī)定最高溫度、壓力和轉(zhuǎn)速儀表應(yīng)加逆止閥，防止渦輪倒轉(zhuǎn)水平安裝，流體流動方向和儀表殼體所標箭頭一致，儀表軸線和管道軸線一致渦流流量計的特點測量精度高，重復(fù)性好，基本誤差在±0.25％～1.5％之間測量范圍較寬，可測的小流量為40kg/h，最大流量可達16×106kg/h慣性小，可用于瞬時流量的測量2、流量測量速度式渦輪流量計2、流量測量產(chǎn)品型號公稱通徑（mm）流量范圍（m3/h）最大工作壓力（mpa）安裝形式精確度前置放大器電源（v）lwgy(a)-4

lwgy(a)-4-b40.01～0.256.3螺紋0.5

1+12lwgy(a)-6

lwgy(a)-6-b60.1～0.66.3螺紋0.5

1+12lwgy(a)-10

lwgy(a)-10-b100.2～1.26.3螺紋0.5

1+12lwgy(a)-15

lwgy(a)-15-b150.6～66.3螺紋0.5

1+12lwgy(a)-25

lwgy(a)-25-b251～106.3螺紋0.5

1+12工作電壓：＋24VDC（兩線制）輸出信號：4－20mA或1－5V（對應(yīng)流量零點和滿度）信號傳輸距離：小于250米速度式——渦街流量傳感器原理在流體中放置一個對稱形狀的非流線型柱體時，在它的下游兩側(cè)就會交替出現(xiàn)有規(guī)則的旋渦，兩側(cè)漩渦旋轉(zhuǎn)方向相反，并輪流地從主體上分離出來，在下游側(cè)形成“渦街”——卡門渦街現(xiàn)象

漩渦形成的振動波頻率f與柱體附近的流體流速v成正比，與柱體特征尺寸d成反比：2、流量測量速度式——渦街流量傳感器頻率檢測方法：隨漩渦變化的交變壓力①、流體振動頻率的檢測

——電熱絲（自熱式鉑電阻絲或熱敏電阻）對于圓柱形漩渦發(fā)生體，發(fā)生漩渦之側(cè)面壓力較大，交變壓力隨漩渦的發(fā)生而發(fā)生，使流體在孔中往復(fù)流動，小孔中電加熱鉑電阻絲的電阻阻值隨之而改變，與漩渦頻率相對應(yīng)靈敏度高，但機械強度低②、流體作用力頻率的檢測

——漩渦發(fā)生體內(nèi)安裝膜片采用應(yīng)變計、壓電式力傳感器或電容式位移傳感器等方法可測出該交變力。該方法具有壽命長，不受污染，且結(jié)構(gòu)牢靠2、流量測量導(dǎo)壓孔空腔隔墻電熱絲流體速度式——渦街流量傳感器特點精度高，誤差約為1％輸出是頻率信號，抗干擾能力強漩渦流量計的安裝避免管道振動不宜測量腐蝕性較強、含有懸浮物或纖維的流體口徑選擇根據(jù)量程選擇應(yīng)保證在漩渦發(fā)生體處不產(chǎn)生空穴現(xiàn)象2、流量測量速度式——渦街流量傳感器2、流量測量LUGB－21/ZX渦街流量傳感器感應(yīng)元件不直接與被測介質(zhì)接觸，故性能穩(wěn)定，可靠性高，傳感器內(nèi)無可動部件因而壓損小，維護量小，使用壽命長測量介質(zhì)：液體、氣體、過熱/飽和蒸汽工作壓力：0—2.5MPA精度等級：液體±1%；氣體±1%；蒸汽±1.5%輸出信號：三線制電壓脈沖（占空比為50%）；二線制電流信號4—20MA供電：24VDC節(jié)流式

節(jié)流式流量計是工業(yè)上使用最多的流量計，在石油、化工、發(fā)電廠等工業(yè)領(lǐng)域使用的流量測量儀表中，它所占的比例大約在70％左右工作原理——節(jié)流效應(yīng)在管道內(nèi)裝入節(jié)流件，流體流經(jīng)節(jié)流件時流束收縮，節(jié)流件前后產(chǎn)生壓差，而壓差和流量有一定關(guān)系，通過檢測壓差可以間接地得到流量。在節(jié)流裝置前后端面處取靜壓力p1和p2，則流體體積流量為：節(jié)流式流量計：節(jié)流裝置、壓力傳送管、差壓儀表節(jié)流件標準節(jié)流裝置、非標準節(jié)流裝置目前常用的標準節(jié)流裝置：標準孔板、標準噴嘴2、流量測量節(jié)流式標準孔板——同心薄壁銳緣孔板

加工安裝都有相應(yīng)要求（國標GB/T2624-1993）取壓方式：角接取壓：兩側(cè)壓力由孔板與管道形成角頂處取出法蘭取壓：在特定法蘭上單獨鉆孔取壓2、流量測量法蘭取壓角接取壓環(huán)式取壓鉆孔取壓單獨鉆孔節(jié)流式

標準噴嘴

由具有兩個圓弧曲面入口收縮部分和圓筒形組成，采取角接取壓標準孔板和標準噴嘴的比較孔板較噴嘴壓損大，適合清潔流體噴嘴比孔板流量系數(shù)穩(wěn)定性好噴嘴比孔板誤差小，精度高，適用于污垢流體孔板比噴嘴加工制造簡單，價格便宜2、流量測量測壓管標定標定目的

不同結(jié)構(gòu)形式的測壓管，有不同的特性和適用范圍。對于精確測量，則必須進行標定，以確定其校正系數(shù)、方向特性、速度特性標定方法標定測壓管的關(guān)鍵是要有一個已知流體真實總壓、靜壓和速度的均勻流場目前較多的方法是在專門的設(shè)備——校正風(fēng)洞中用比較法標定3、測量裝置標定測壓管標定校正風(fēng)洞在校正風(fēng)洞試驗段可以得到均勻的平行氣流，氣流的真實總壓、靜壓可以準確地測量出來被標定測壓管放在校正風(fēng)洞的試驗段，把被標定測壓管測得的壓力和氣流的真實壓力相比較，可以得到測壓管的校正系數(shù)和特性曲線3、測量裝置標定風(fēng)源待測管收縮段穩(wěn)定段整流柵進口過渡段射流式校正風(fēng)洞試驗段熱線風(fēng)速儀標定對每個熱線探頭隨配套儀器作具體標定，以獲取輸出電壓和流速之間的真實相應(yīng)關(guān)系標定表達式：流速v與輸出電壓E關(guān)系

A、B是與熱線的幾何尺寸、流體物性和流動條件有關(guān)的常數(shù)，由標定實驗確定，指數(shù)n在一定的速度范圍內(nèi)恒定標定方法已知流速的均勻流場v，讀出風(fēng)速儀上相應(yīng)的一個電壓值E，作出E～v曲線3、測量裝置標定流量計標定標定目的流量計在出廠前需