熱力測試技術(shù)A(流量測量六章)

第六章流量測量評價經(jīng)濟(jì)性：燃油和機(jī)油消耗量熱平衡實(shí)驗：機(jī)油、冷卻水和空氣流量換氣和混合氣形成：氣體流速和流場分布

第一節(jié)流量及其測量儀表概述一、流體與流量●流體是指具有流動性能的物質(zhì)?？烧J(rèn)為是氣體和液體的總稱?！駸崮芘c動力機(jī)械中：單相氣體、液體；氣液混合：燃油-空氣，水-蒸氣；氣固兩相混合：空氣帶動煤粉第一節(jié)流量及其測量儀表概述流量是指單位時間內(nèi)通過某有效流通截面的流體數(shù)量，稱瞬時流量?？捎觅|(zhì)量單位或體積單位表示，分別稱為質(zhì)量流量qm(kg/s)和體積流量qv(m3/s)qm=ρqvρ為流體密度工程上常用流體總量和平均流量

第一節(jié)流量及其測量儀表概述二、流量計的類型●測量流體流量的儀表稱為流量計或流量表。分下列3種類型：1.容積型流量計基本依據(jù)：單位時間內(nèi)被測流體充滿（或排出）某一定容積容器的次數(shù)。即

qv=nV第一節(jié)流量及其測量儀表概述▲容積型流量計工作原理簡單，適于測量高黏度、低雷諾數(shù)的流體?！鴥?yōu)點(diǎn)：流體運(yùn)動狀態(tài)對測量結(jié)果影響較小，精度較高。缺點(diǎn)：不宜用于高溫、高壓和脈動介質(zhì)的流量測量?！擃惲髁坑嬘校簷E圓齒輪、腰輪、刮板、轉(zhuǎn)筒流量計第一節(jié)流量及其測量儀表概述2.速度型流量計▲以流體一元流動的連續(xù)方程為依據(jù)，即當(dāng)流通截面確定時，流體的體積流量與截面上的平均流速成正比?！鴥?yōu)點(diǎn)：使用性能良好，可用于高溫、高壓流體測量，精度較高。缺點(diǎn)：測量結(jié)果受流動條件影響較大?！擃惲髁坑嬘校翰顗菏?、轉(zhuǎn)子、渦輪、電磁和超聲波流量計。第一節(jié)流量及其測量儀表概述3.質(zhì)量型流量計▲利用與質(zhì)量流量有關(guān)的原理進(jìn)行測量▲分為直接式、推導(dǎo)式和溫度壓力補(bǔ)償式3種。直接式質(zhì)量流量計常用的有：量熱式、角動量式、振動陀螺式等推導(dǎo)式質(zhì)量流量計是同時測取流體的密度和體積流量，通過運(yùn)算而推導(dǎo)出質(zhì)量流量的。有速度型流量計和密度計組成。溫度壓力補(bǔ)償式質(zhì)量流量計是利用溫度、壓力和密度的關(guān)系，將溫度、壓力的測量值轉(zhuǎn)換成密度的流量計。第一節(jié)流量及其測量儀表概述三、流量計的選用原則1.根據(jù)被測介質(zhì)的性質(zhì)選擇水蒸氣：選差壓式、金屬轉(zhuǎn)子流量計潔凈氣體和液體：選差壓式、轉(zhuǎn)子和腰輪流量計漿液：選靶式、電磁流量計粘性液體：選腰輪、旋轉(zhuǎn)活塞流量計腐蝕性介質(zhì)：選轉(zhuǎn)子流量計第一節(jié)流量及其測量儀表概述2.根據(jù)用途選擇●各種流量計的功能、測量精度和價格各不同，而不同的場合對流量計這些性能的要求也有所側(cè)重。●計算用：要求測量精度高，可選用腰輪流量計工業(yè)生產(chǎn)中：可選用差壓計、轉(zhuǎn)子流量計液體壓力損失小時可選用轉(zhuǎn)子和渦街流量計第一節(jié)流量及其測量儀表概述3.根據(jù)工況條件選擇工況條件包括流體的流量變化范圍、溫度和壓力的高低等。液體流量計的流量上限采用20℃水作為介質(zhì)來刻度的氣體流量計選用20℃和0.10133MPa的空氣作為介質(zhì)來進(jìn)行刻度的?！鴮?shí)際測量時應(yīng)把實(shí)際狀態(tài)下的流量換算為刻度狀態(tài)下流量，再選擇流量計。第二節(jié)節(jié)流式流量計的應(yīng)用一、節(jié)流式流量計的工作原理第二節(jié)節(jié)流式流量計的應(yīng)用工作原理：

流體通過測量管道中節(jié)流元件時，流線和流速發(fā)生變化，在節(jié)流元件前后產(chǎn)生壓差，該壓差與流體流速成正比，從而測得壓差，通過計算可得到流量。

第二節(jié)節(jié)流式流量計的應(yīng)用第二節(jié)節(jié)流式流量計的應(yīng)用二、節(jié)流式流量計比較標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件：標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、標(biāo)準(zhǔn)文杜里噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)文杜里管。實(shí)驗數(shù)據(jù)完整，根據(jù)公式計算即可得到所求的準(zhǔn)確結(jié)果。非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件：雙孔板節(jié)流元件、圓柱噴嘴節(jié)流元件。實(shí)驗數(shù)據(jù)不全，需要用實(shí)驗的辦法確定關(guān)系，準(zhǔn)確度不低。第二節(jié)節(jié)流式流量計的應(yīng)用●流量系數(shù)α是考慮到流體密度、黏度、流速、截面比、管道粗糙度以及節(jié)流元件關(guān)鍵部位加工誤差等因素對流量的影響而引入的修正系數(shù)?！竦诙?jié)節(jié)流式流量計的應(yīng)用●第二節(jié)節(jié)流式流量計的應(yīng)用α值保持定值的最小雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)Rek。同種型式節(jié)流元件m不同時，Rek不同。m小，Rek小。正常情況下，流量計的工作范圍由流量系數(shù)等于常數(shù)的區(qū)段決定，工作在α=常數(shù)區(qū)段的流量計稱為標(biāo)準(zhǔn)流量計。因此臨界雷諾數(shù)的大小就決定流量計測量范圍的下限。第二節(jié)節(jié)流式流量計的應(yīng)用第二節(jié)節(jié)流式流量計的應(yīng)用第三節(jié)流量測量在內(nèi)燃機(jī)測試中應(yīng)用內(nèi)燃機(jī)試驗中經(jīng)常測量：空氣流量燃油消耗量機(jī)油消耗量冷卻水流量排氣流量第三節(jié)流量測量在內(nèi)燃機(jī)測試中應(yīng)用一、燃油消耗量測量測定液體燃料消耗量的方法有：容積法、重量法、流量計法和流速計法等。容積法和重量法常用于內(nèi)燃機(jī)穩(wěn)定工況下燃料消耗量的測量。燃料消耗量的測量已實(shí)現(xiàn)自動化和數(shù)字顯示測量。第三節(jié)流量測量在內(nèi)燃機(jī)測試中應(yīng)用（一）定重量法1.原理:測定消耗一定重量燃料的時間.2.誤差天平誤差砝碼誤差油管浸入長度不同引起的浮力誤差三通閥泄露引起的誤差時間誤差第三節(jié)流量測量在內(nèi)燃機(jī)測試中應(yīng)用●第三節(jié)流量測量在內(nèi)燃機(jī)測試中應(yīng)用

(二)定容積法1.原理:測定消耗一定體積燃料所用時間.2.誤差:量杯容積誤差泄露誤差時間測量誤差燃油比重變化引起的誤差第三節(jié)流量測量在內(nèi)燃機(jī)測試中應(yīng)用●汽油機(jī)用定容積法測量;柴油機(jī)用定重量法●用光電變換原理將測量過程實(shí)現(xiàn)自動化,并數(shù)字顯示.第三節(jié)流量測量在內(nèi)燃機(jī)測試中應(yīng)用二、冷卻水與機(jī)油流量測量●流體的體積或重量的總量，也可用流量計測量?！駲C(jī)油消耗測量測量比較困難：難測出柴油機(jī)的潤滑系統(tǒng)中的機(jī)油總量；機(jī)油消耗量比較小，需測量長時間。第三節(jié)流量測量在內(nèi)燃機(jī)測試中應(yīng)用方法：參照國家標(biāo)準(zhǔn)1）運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)使水溫、機(jī)油溫度達(dá)到正常運(yùn)行時的范圍；2）停機(jī)，將機(jī)油從曲軸箱中泄放出來，時間約20~30分鐘；3）將已知重量成容積的機(jī)油加到油箱中，使液面達(dá)到正常；4）起動發(fā)動機(jī)，按預(yù)試驗程序進(jìn)行（數(shù)十小時）；5）保持冷卻水和機(jī)油溫度與實(shí)驗前相同的條件下，將機(jī)油從曲軸箱中泄放，并保持泄放時間等于實(shí)驗前泄放時間；6）測出泄放的機(jī)油重量或容積，求出前后差值。第三節(jié)流量測量在內(nèi)燃機(jī)測試中應(yīng)用三、內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣量的測量1.進(jìn)氣流動的特點(diǎn)不定常的氣體流動過程氣體波動速度與發(fā)動機(jī)缸數(shù)有關(guān)，缸數(shù)增加，波動情況好轉(zhuǎn)。測量方法：(1)．瞬時流量測量法：熱線風(fēng)速儀，激光測速儀(2)．平均流速的測定：加穩(wěn)壓筒把波動氣流變成定常氣流。穩(wěn)壓筒容積為內(nèi)燃機(jī)工作容積的50~300倍，對于單缸機(jī)取上限。第三節(jié)流量測量在內(nèi)燃機(jī)測試中應(yīng)用2.流速范圍很寬，流量范圍很大.

第三節(jié)流量測量在內(nèi)燃機(jī)測試中應(yīng)用2.進(jìn)氣量的測量(1)節(jié)流法(2)層流差壓法利用流體在層流條件下流速與壓差的線性關(guān)系以測量流量的方法，叫層流差壓法，按此法工作的流量計，叫層流流量計（或稱粘性流量計）特點(diǎn)：精度較高，無運(yùn)動件，測量范圍廣，能直接測量脈動流量而無須加裝穩(wěn)壓箱，也不要求進(jìn)氣導(dǎo)管有一定長度，整個測量裝置大為簡化，特別適于內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣流量的測量。第三節(jié)流量測量在內(nèi)燃機(jī)測試中應(yīng)用層流元件是層流流量計實(shí)現(xiàn)流量與壓差成線性關(guān)系的關(guān)鍵性部件，它一般由許多平行的細(xì)管組成，當(dāng)流徑細(xì)管的流體雷諾數(shù)低于2300（臨界雷諾數(shù)）時，便形成層流或粘性流動，此時，空氣流徑管道所造成的壓力差與容積流量成正比，其關(guān)系式為：R、l為細(xì)管的半徑及長度，細(xì)管兩端壓差，動力粘度。第三節(jié)流量測量在內(nèi)燃機(jī)測試中應(yīng)用●層流元件的結(jié)構(gòu)型式：管式、片式、帶式。●層流流量計克服了節(jié)流式流量測量裝置在大流量時，阻力大;小流量時，不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，同樣壓差下，可測范圍成平方倍數(shù)增加，流量的線性關(guān)系還簡化了計算手續(xù)，便于實(shí)現(xiàn)自動記錄或自動檢測.第三節(jié)流量測量在內(nèi)燃機(jī)測試中應(yīng)用(3)振蕩測頻法●利用流體振蕩原理,測量流體流徑管道時的旋渦頻率,以期算出流量的方法叫振蕩測頻法.●特點(diǎn):無運(yùn)動部件,使用壽命長,線性測量范圍寬,精度高,幾乎不受溫度、壓力、密度、成分、黏度變化的影響，適于氣體、液體流量測量?！駋v∝f

第三節(jié)流量測量在內(nèi)燃機(jī)測試中應(yīng)用旋渦流量計分為：流體強(qiáng)迫振蕩的旋渦進(jìn)動型和自然振蕩的卡門旋渦分離型兩種。前者用于測量較小的氣體流量；后者適于大口徑和大流量測量。a.旋渦進(jìn)動型流量計強(qiáng)迫振蕩，形成旋渦。進(jìn)動頻率與流體的容積流量成正比。精度高。流量計前要有10D的直管段，后有5D的直管長度。測進(jìn)氣流量時，安裝穩(wěn)壓箱。第三節(jié)流量測量在內(nèi)燃機(jī)測試中應(yīng)用b.卡門旋渦分離型流量計需放置渦源體產(chǎn)生卡門渦旋渦產(chǎn)生的頻率與流速成正比，與流體的物理參數(shù)無關(guān)。有圓柱行和三角柱行兩種渦源體。該種流量計壓力損失小，對氣體在Re=2000-1.2×105，水在5000-1.5×105的范圍均可測量，精度不低于1級。有直管段要求，前要15D，后要5D。不能在層流狀態(tài)使用（不產(chǎn)生旋渦）第三節(jié)流量測量在內(nèi)燃機(jī)測試中應(yīng)用(4)測速法測量管道內(nèi)的平均流速，由平均流速乘以管道面積求得流量。a.流動特性法氣體在管道內(nèi)流動時，其在某一截面上的流速分布取決于流體的流動特性。b.等面積法

第三節(jié)流量測量在內(nèi)燃機(jī)測試中應(yīng)用c.最大流速法在圓形管道內(nèi)，沿管道軸線平均流速和最大流速與雷諾數(shù)存在如下關(guān)系，測的最大流速，即可得到平均流速。d.特征點(diǎn)測定法圓形管道內(nèi)測0.762D上的氣流速度，即為平均流速。第四節(jié)氣流速度的測量常用的流速測量方法有：皮托管測速熱線風(fēng)速儀測速激光多普勒流速儀測速第四節(jié)氣流速度的測量一、皮托管測速第四節(jié)氣流速度的測量皮托管由總壓探頭和靜壓探頭組成，利用流體總壓和靜壓之差，即動壓來測量流速。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格低廉，一定的流速范圍內(nèi)精度較高?？蓧嚎s氣體等熵流動的能量方程：第四節(jié)氣流速度的測量式中：——?dú)怏w總壓P——?dú)怏w靜壓——?dú)怏w密度——?dú)怏w流速——壓縮修正系數(shù)第四節(jié)氣流速度的測量第四節(jié)氣流速度的測量測取的是流場空間某點(diǎn)的平均流速。接觸式測量。最小頭部直徑0.1-0.2毫米。前10D，后5D直管段外徑不大于1/32D。速度小于5m/s時不能用測內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣量時要加穩(wěn)壓箱。第四節(jié)氣流速度的測量二、熱線風(fēng)速儀

熱線風(fēng)速儀是一種以熱線或熱膜為探頭的流速測量儀，由于探頭的幾何尺寸和熱慣性較小，因此可用于微風(fēng)速、脈動速度及皮托管難以安裝場合的流速測量。1.基本構(gòu)造●由熱線探頭和控制系統(tǒng)組成?！裉筋^有熱線和熱膜兩種形式。第四節(jié)氣流速度的測量●常見結(jié)構(gòu)有一元、二元、三元探頭，分別測量一維、平面和空間流場流速?！駸峋€探頭中的熱線材料多為鉑絲和鎢絲，直徑為3.8-5μm，長度為1-2mm.●熱膜探頭由熔焊在楔行或圓柱行石英骨架上的鉻或鉑金屬膜構(gòu)成。第四節(jié)氣流速度的測量2.工作原理●是利用通電的探頭在氣流中的熱量散失強(qiáng)度與氣流速度之間的關(guān)系來測量流速的?！窆ぷ鲿r通過熱線的電流為I，熱線的電阻為R，相應(yīng)的熱線溫度為tw，熱線產(chǎn)生的熱量Q1=I2R，假設(shè)在流體的冷卻作用下為強(qiáng)迫對流換熱，而不考慮熱線的導(dǎo)熱和輻射損失，則熱線的散熱損失為Q2=αF（tw-tf),式中：α為熱線的對流換熱系數(shù)，F(xiàn)為熱線的換熱表面積，tf為流體溫度。第四節(jié)氣流速度的測量熱平衡時Q1=Q2

I2R=αF（tw-tf)當(dāng)熱線已經(jīng)選定時，有I2R=（a+bνn)(tw-tf)在tf一定條件下

ν=f(I,tw)或ν=f(I,R)第四節(jié)氣流速度的測量熱線風(fēng)速儀測流速時，常用以下兩種方法：恒定電流法I=常數(shù)，測R恒定電阻法R=常數(shù)，測熱線兩端電壓第四節(jié)氣流速度的測量

第四節(jié)氣流速度的測量三、激光多普勒流速儀1．工作原理：當(dāng)激光照射到跟隨被測氣體一起運(yùn)動的微粒上時，激光被運(yùn)動的粒子所散射，其散射光對入射光的頻率偏移與流體速度成正比，測定散射光的頻率偏移量，便可求得被測流體速度。第四節(jié)氣流速度的測量

第四節(jié)氣流速度的測量頻差（多頻勒頻率）

——入射光波長；——散射光與參考光之間的夾角。第四節(jié)氣流速度的測量特點(diǎn)：對流體無干擾、幾乎無慣性，測量范圍大，線性好，對方向靈敏度好，空間分辯率高等優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)：流體中要含有適量的散射粒子（TiO2,BN)管路中必須設(shè)置一段用透明材料做成的管道，或在管道上開設(shè)玻璃窗，以供光束通過。第五節(jié)其它類型流量計一、渦輪流量計是一種速度型流量計優(yōu)點(diǎn)：精度高，反應(yīng)快，耐壓好，量程較寬（10：1），可用于測量瞬時脈動流量或總量，還可測冷卻水流量。缺點(diǎn)：對被測介質(zhì)的潔凈度要求高，受黏度影響大，不宜測潤滑油流量。第五節(jié)其它類型流量計

第五節(jié)其它類型流量計結(jié)構(gòu)：導(dǎo)流器、軸承、渦輪、磁電轉(zhuǎn)換器工作原理：被測流體流經(jīng)渦輪時，推動渦輪轉(zhuǎn)動，渦輪葉片周期性地切割磁場的磁力線，使磁路的磁阻發(fā)生相應(yīng)的變化，從而在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生和流量成正比的脈沖信號qv=f/KK流量常數(shù)第五節(jié)其它類型流量計使用時應(yīng)注意:水平安裝,前又20D,后有5D的直管段,入口安裝過濾器按流體的密度、黏度等重新進(jìn)行修正。第五節(jié)其它類型流量計二、橢園齒輪式、腰輪和旋轉(zhuǎn)活塞式流量計●優(yōu)點(diǎn)：屬容積式流量計，受流體的流量和黏度大小影響較小，量程比較大（10：1），精度高（0.2%），安裝方便，對儀表前后直管段要求不高，宜測高黏度和變黏度的液體。缺點(diǎn)：不應(yīng)含有固體雜質(zhì)。第五節(jié)其它類型流量計工作原理：儀表內(nèi)部的運(yùn)動件在入口和出口的壓差作用下不斷地把充滿在運(yùn)動元件和殼體之間的流體排向出口，運(yùn)動元件與計數(shù)機(jī)構(gòu)相連，計數(shù)器上讀數(shù)與容積總量成正比。使用時應(yīng)注意：a.測量流量不宜過?。ㄐ孤洞螅膊灰诉^大（元件磨損大）。b.裝過濾器、氣體分離器第五節(jié)其它類型流量計三、轉(zhuǎn)子流量計●工業(yè)和實(shí)驗室中測小流量的流量計●優(yōu)點(diǎn):可測小流量，1L/h(液體)和10L/h(氣體),量程5:1-10:1,壓力損失小2000-3000Pa,結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,精度2級左右.第五節(jié)其它類型流量計結(jié)構(gòu):由錐管和轉(zhuǎn)子組成第五節(jié)其它類型流量計工作原理:流體由下向上流過時,由于轉(zhuǎn)子與管壁之間形成的環(huán)行縫隙的節(jié)流作用,在轉(zhuǎn)子上下端形成壓差ΔP作用于轉(zhuǎn)子,使其上升,轉(zhuǎn)子上升又導(dǎo)致環(huán)隙面積增大,壓差ΔP下降,作用在轉(zhuǎn)子的上升力減小,直到作用在轉(zhuǎn)子的上升力和轉(zhuǎn)子重量相平衡,穩(wěn)定在某一高度上.流量qv不同,高度h不同.qv∝h第五節(jié)其它類型流量計節(jié)流式和轉(zhuǎn)子流量計:相同點(diǎn):均是利用節(jié)流原理的流量測量儀表不同點(diǎn):節(jié)流式流量計:節(jié)流元件通過面積一定,壓差變化;轉(zhuǎn)子流量計:壓差一定,流通截面變化.第五節(jié)其它類型流量計使用時應(yīng)注意:必須垂直安裝,傾斜10度產(chǎn)生0.8%的附加誤差被測介質(zhì)溫度大于70℃時,應(yīng)加防護(hù)罩,以防玻璃管爆裂.介質(zhì)不清潔時,加裝過濾網(wǎng)被測介質(zhì)的種類、溫度、壓力與出廠標(biāo)定不同時，應(yīng)重新標(biāo)定。第五節(jié)其它類型流量計四、電磁流量計是根據(jù)電磁感應(yīng)原理測量導(dǎo)電流體流量的一種儀器。結(jié)構(gòu)：由勵磁線圈、電極、管道和絕緣內(nèi)襯組成。工作原理：內(nèi)表面襯掛絕緣內(nèi)襯的管道兩側(cè)安放兩個激勵線圈，線圈通電時產(chǎn)生一個橫穿管道的磁場，當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中流動時，做切割磁力線的運(yùn)動，產(chǎn)生一個與流速成正比的感應(yīng)電動勢，測出電動勢，即可算出流量。第五節(jié)其它類型流量計qv=πDE/4B(cm3/s)D-管道直徑E-感應(yīng)電動勢B-磁感應(yīng)強(qiáng)度●測導(dǎo)電率大于10-4Ω/m的液體流量.●前后有5D-10D直管段,液體充滿測量導(dǎo)管.●一對電極處于同-水平面上.第五節(jié)