流體參數(shù)的測量

流體參數(shù)的測量第一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日學(xué)習(xí)導(dǎo)航14.1壓力的測量14.2流量的測量14.3流速測量系統(tǒng)14.4液位測量第二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日14.1壓力的測量

14.1.1壓力測量原理

壓力是流體介質(zhì)作用于單位面積的平均力，Pa。

1Pa=1N/m2；1atm(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)=101325Pa=1.033at(工程大氣壓)。表示壓力的術(shù)語14.1壓力的測量第三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日14.1.2壓力測量傳感器1．彈性元件壓力傳感器各種壓力計和壓力傳感器多采用彈性變形法，將壓力先轉(zhuǎn)換為位移（或應(yīng)變），利用元件的彈性變形直接推動一個機械結(jié)構(gòu)以指示讀數(shù)，或者用傳感器把機械運動轉(zhuǎn)變成電信號以供顯示或控制。14.1壓力的測量

采用波登管的霍爾式壓力傳感器第四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日（1）波登管14.1.2壓力測量傳感器14.1壓力的測量

截面為扁形，在流體壓力下鼓起，導(dǎo)致封閉的自由端位移。測量精度高，體積大，固有頻率低，滯后較大，不適宜動態(tài)壓力測量。不同形式的波登管第五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日膜片是用彈性材料制成的圓形薄片式壓力傳感器，主要有平膜片、波形膜片和懸鏈?zhǔn)侥て?。?yīng)用時，膜片的邊緣剛性固定作為腔體的密封元件，在流體壓力作用下，膜片的中心產(chǎn)生位移，可以用位移傳感器測量位移；或在膜片表面粘貼應(yīng)變片測量應(yīng)變。（2）膜片14.1.2壓力測量傳感器14.1壓力的測量

波形膜片膜盒的應(yīng)用第六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日（3）波紋管

波紋管是一種表面上有許多同心環(huán)狀波紋的薄壁圓筒。波紋管作為壓力敏感元件，使用時應(yīng)將開口端焊接于固定基座上并將被測流體通入管內(nèi)。在流體壓力的作用下，密封的自由端會產(chǎn)生一定的位移。在波紋管彈性范圍內(nèi)，自由端的位移與作用壓力呈線性關(guān)系。14.1壓力的測量

14.1.2壓力測量傳感器波紋管第七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2．應(yīng)變式壓力傳感器平膜片任意位置的應(yīng)變是壓力的函數(shù)。膜片應(yīng)變壓力傳感器14.1壓力的測量

14.1.2壓力測量傳感器第八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日3．電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換成電容的變化，經(jīng)電路變換成電量輸出單電容壓力傳感器差動電容壓力傳感器14.1壓力的測量

14.1.2壓力測量傳感器第九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日4．壓電式壓力傳感器壓力通過膜片作用于壓電晶體，動態(tài)響應(yīng)能力強。對晶體加預(yù)緊力，防止沖擊損壞。溫度補償：水冷；用線膨脹系數(shù)大的金屬片補償晶片與金屬的膨脹差。14.1壓力的測量

14.1.2壓力測量傳感器壓電式壓力傳感器第十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日14.1.3測壓傳感器的標(biāo)定1．靜態(tài)標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)定是指標(biāo)定系統(tǒng)在靜態(tài)壓力的作用下，確定壓力傳感器輸出量與輸入量之間的對應(yīng)關(guān)系，并確定反映傳感器精確度的有關(guān)指標(biāo)。為了獲得較好的標(biāo)定精度，作為標(biāo)定基準(zhǔn)儀器的精度比被標(biāo)定傳感器的精度至少要高出一個數(shù)量級。一般靜態(tài)標(biāo)定的加載方法有：砝碼、杠桿－砝碼機構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)測力環(huán)或力傳感器、標(biāo)準(zhǔn)測力機等。14.1壓力的測量

14.1.3測壓傳感器的標(biāo)定壓力表試驗器結(jié)構(gòu)示意圖第十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2．動態(tài)標(biāo)定目的是確定壓力傳感器的動態(tài)特性，從而確定傳感器的工作頻率范圍及動態(tài)誤差。正弦響應(yīng)法。利用正弦激振器輸入激振信號，獲得正弦響應(yīng)。正弦激振器有活塞缸正弦壓力發(fā)生器、凸輪-噴嘴正弦壓力發(fā)生器。瞬態(tài)響應(yīng)法。適于高幅值、寬頻帶。常用激波管裝置。由于激波管制造精度要求高，設(shè)備復(fù)雜，因此有時選用沖擊力法。沖擊力法利用機械沖擊力，簡單，方便，但是誤差較大。14.1壓力的測量

14.1.3測壓傳感器的標(biāo)定活塞缸正弦壓力發(fā)器

凸輪-噴嘴正弦壓力發(fā)生器

第十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日瞬態(tài)響應(yīng)使用于幅值較高、頻率范圍較寬的條件下，確定壓力傳感器的動態(tài)響應(yīng)。對高速響應(yīng)的壓力傳感器，可采用激波管裝置。在工程中，由于激波管制造精度要求高，設(shè)備復(fù)雜，因此有時選用沖擊力法測試傳感器的動態(tài)特性。沖擊力法是指機械裝置撞擊被標(biāo)傳感器，產(chǎn)生一個瞬時撞擊力，記錄數(shù)據(jù)，求得壓力傳感器的動態(tài)特性。沖擊力法結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，但誤差較大。14.1壓力的測量

14.1.3測壓傳感器的標(biāo)定第十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日14.2流量的測量質(zhì)量流量

14.2流量的測量體積流量

兩種流量的關(guān)系

質(zhì)量累積流量

體積累積流量平均流量

流量q與壓力差Δp有如下關(guān)系第十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日14.2.1節(jié)流變壓降式流量計

14.2.1節(jié)流變壓降式流量計

節(jié)流變壓降式流量計簡稱節(jié)流式流量計或差壓式流量計，它由節(jié)流裝置、導(dǎo)壓管路及差壓計等部分組成。1．節(jié)流變壓降式流量計的工作原理及計算公式

14.2流量的測量第十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2．標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置常用的節(jié)流裝置有標(biāo)準(zhǔn)孔板，噴嘴和文丘里管。因為摩擦阻力和在節(jié)流裝置后形成漩渦要消耗能量，所以流體通過節(jié)流裝置后造成壓力損失即凈壓力損失。14.2流量的測量14.2.1節(jié)流變壓降式流量計

第十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日14.2.2阻力式流量計

14.2.2阻力式流量計

14.2流量的測量1．轉(zhuǎn)子流量計

浮子（轉(zhuǎn)子）置于透明的錐形管中，所受浮力和流體的拖動力與重力平衡，垂直方向的位置隨流量變化。轉(zhuǎn)子在流體沖擊下旋轉(zhuǎn)，沿錐管中心線移動。

讀數(shù)容易、壓降低、流量與刻度成線性。第十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日用應(yīng)變計測量流體推力。推力主要由節(jié)流產(chǎn)生的靜壓差和流體動壓力組成，與流量有確定的關(guān)系。較小的雷諾數(shù)即可使流量系數(shù)為常數(shù)，所以適于測量黏度較大的流體。2．靶式流量計14.2流量的測量14.2.2阻力式流量計

第十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日14.2.3渦輪流量計渦輪流量計的理論基礎(chǔ)是動量矩守恒原理，通常由渦輪流量變送器和顯示儀表兩部分組成。14.2流量的測量14.2.3渦輪流量計流體推動渦輪旋轉(zhuǎn)，用磁電轉(zhuǎn)速傳感器測量渦輪轉(zhuǎn)速。體積流量：輸出脈沖頻率儀表常數(shù)渦輪流量計的工作原理渦輪流量計第十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日14.2.4容積式流量計

14.2.4容積式流量計1．橢圓齒輪流量計

通過容積的變化計量體積流量。進出口壓力差導(dǎo)致齒輪轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)流量即排量q為常數(shù)，流量正比于齒輪轉(zhuǎn)速

n：14.2流量的測量橢圓齒輪流量計流體傳送過程分解第二十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2．腰輪轉(zhuǎn)子流量計腰輪轉(zhuǎn)子流量計對流體的計量過程，同橢圓齒輪流量計相類似，是通過腰輪(轉(zhuǎn)子)與殼體之間所形成的固定計量空間來實現(xiàn)的。每當(dāng)腰輪轉(zhuǎn)過一圈，便排出四個固定計量體積的流體，只要記下腰輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)數(shù)，就可得到被測流體的體積流量。腰輪的轉(zhuǎn)動也是靠流體的入口和出口的壓差Δp=p1-p2來實現(xiàn)的。14.2流量的測量14.2.4容積式流量計第二十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日14.2.5質(zhì)量流量計

在管道中放置一熱電阻，如果管道中流體不流動，且熱電阻的加熱電流保持恒定，則熱電阻的阻值亦為恒定值。當(dāng)流體流動時，引起對流熱交換，熱電阻的溫度下降。若忽略熱電阻通過固定件的熱傳導(dǎo)損失，則熱電阻的熱平衡為

14.2流量的測量14.2.5質(zhì)量流量計熱電阻加熱電流熱電阻阻值熱電轉(zhuǎn)換系數(shù)對流熱交換系數(shù)熱電阻換熱表面積熱電阻溫度流體溫度流體密度

流體流速

當(dāng)管道截面一定時，由v就可得質(zhì)量流量。因此可以使加熱電流不變，而通過測量熱電阻的阻值來測量質(zhì)量流量或保持熱電阻的阻值不變，而通過測量加熱電流I來測量質(zhì)量流量。第二十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2．間接測量質(zhì)量流量

（1）體積流量計加密度計利用體積流量計測出體積流量，利用密度計測量流體密度，計算得質(zhì)量流量。節(jié)流式流量計壓力差和耙式流量計的受力都與qv2成正比，而質(zhì)量流量可以寫為

14.2.5質(zhì)量流量計14.2流量的測量所以用密度計測量出流體密度，即可計算出質(zhì)量流量。利用速度式流量計測出體積流量，再用密度計測量流體密度，兩個參數(shù)相乘可以計算出質(zhì)量流量。利用節(jié)流式流量計或耙式流量計測量出qv2，再用速度式流量計測量出體積流量qv，然后作除法(qv2)/qv，同樣可以得到質(zhì)量流量。第二十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日（2）體積流量加溫度壓力補償密度和溫度間的關(guān)系為

14.2流量的測量14.2.5質(zhì)量流量計質(zhì)量流量為

按理想氣體狀態(tài)方程計算

因此，質(zhì)量流量為所以，測量出氣體的壓力、溫度和體積流量即可計算出質(zhì)量流量。

第二十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日14.2.6流量計的標(biāo)定

流量計在出廠前都要逐個標(biāo)定。但在實際使用中，為了保證測試的準(zhǔn)確性，有時需再次進行標(biāo)定。流量計的標(biāo)定與計時器、計量器相關(guān)。一般情況下，計時器可選用電子秒表,計量器有基準(zhǔn)容器、基準(zhǔn)秤、基準(zhǔn)體積管和基準(zhǔn)表等。14.2流量的測量第二十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日14.3流速測量系統(tǒng)

14.3.1皮托管流速計

14.3流速測量系統(tǒng)

1、皮托管測速原理2、總壓和靜壓之差與流速的關(guān)系皮托管測速的理論公式修正后的流速公式考慮到壓縮性的影響，實際流速計算公式第二十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日14.3.2熱線和熱膜風(fēng)速計

14.3流速測量系統(tǒng)

熱線風(fēng)速計是建立在熱平衡原理基礎(chǔ)上的。由熱平衡原理可知，任何時候金屬絲中由溫度升高所保留的熱量應(yīng)該等于風(fēng)速降低所積累的熱量；反之任何時候金屬絲中由溫度降低所損失的熱量應(yīng)該等于風(fēng)速上升所耗散掉的熱量。（1）熱線敏感元件

典型的熱線敏感元件是具有0.5~10m直徑、0.1~2mm長的金屬絲。將金屬絲的兩端焊接到兩根叉桿上，叉桿的另一端接上引出線，再加上保護罩并且在保護罩和叉桿之間裝以絕緣填料，構(gòu)成了熱線探針。（2）熱膜敏感元件

第二十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日3．工作原理14.3.2熱線和熱膜風(fēng)速計根據(jù)熱平衡原理，熱線中的熱產(chǎn)生應(yīng)該等于熱耗散。在金屬絲沒有熱傳導(dǎo)的情況下，加熱電流在金屬絲中所產(chǎn)生的熱量應(yīng)該等于流體所帶走的熱量。

根據(jù)焦耳定律根據(jù)耗散理論Q1=Q2

恒流工作方式。I=常數(shù)，有恒溫工作方式。R=常數(shù)，有14.3流速測量系統(tǒng)

第二十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日14.3.3利用激光多普勒效應(yīng)的流速測量1．激光多普勒測速計的組成激光多普勒流速計通常由激光器、入射光學(xué)單元、接收光學(xué)單元、多普勒信號處理器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。14.3流速測量系統(tǒng)

第二十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2．激光多普勒測速計的工作原理激光多普勒測速計是利用激光多普勒效應(yīng)來測量流體運動速度的。14.3.3利用激光多普勒效應(yīng)的流速測量照射光的頻率為f0，粒子P的運動速度為v。根據(jù)相對論變換公式，經(jīng)多普勒效應(yīng)后粒子接收到的光波頻率為多普勒測速原理圖當(dāng)v·eo<<c時，可以簡化為14.3流速測量系統(tǒng)

第三十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)靜止的觀察者（或光檢測器）從某一方向上觀察粒子的散射光時，由于它們之間又有相對運動，接收到的散射光又會同粒子所接收到的不同，其大小為忽略高階項，可以得到經(jīng)歷兩次多普勒效應(yīng)后的頻率關(guān)系式在許多情況下，速度的方向常常是已知的(例如風(fēng)洞、管流)。入射光、散射光和粒子速度方向布置成圖，就可以得到更為簡單形式的多普勒頻移表達式14.3流速測量系統(tǒng)

14.3.3利用激光多普勒效應(yīng)的流速測量第三十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日14.4液位測量14.4.1浮力式液位測量14.4液位測量14.4.1浮力式液位測量1．浮子式液位計浮子因受浮力漂浮在液面上，當(dāng)它的浮力與本身的重量相等時，浮子平衡在某個位置，此時有吃水線移動ΔH所引起的浮力增量為ΔF，而ΔF=ρgΔV，則浮子定位力的表達式為第三十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日液位增加，浮子上移，重錘下移，即標(biāo)尺下端代表液位高，與直觀印象恰恰相反。若想使重錘指向與液位變化方向一致，則應(yīng)增加滑輪數(shù)目，但這樣會使摩擦阻力增大，進而增加測量誤差。例如，用于常壓或敞口容器的浮子重錘液位計，自由狀態(tài)下的浮子能跟隨液面升降。然而液位計里的浮子總要通過某種傳動方式把位移傳到容器外，即構(gòu)成了浮子式液位計。液面上的浮子由繩索（鋼絲繩）經(jīng)滑輪與被測液體容器外的平衡重錘和指針相連。隨著液位的上升或下降，浮子帶動指針上下移動，在標(biāo)尺上指示出液位的高度。平衡時有

G=F+W

14.4液位測量14.4.1浮力式液位測量第三十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2．浮筒式液位計浮筒式液位計原理圖

浮筒的重力等于彈簧的初始彈力G=Cx0浮力作用與彈簧的彈力和浮筒的重力平衡時G=C(x0-Δx)+ρgA(H-Δx)

被測液位H>>Δx，H≈h，則上式簡化為

當(dāng)液位發(fā)生變化，如液面升高ΔH，則浮筒所受浮力增加，彈簧被壓縮量減小Δx′，同理可得14.4液位測量14.4.1浮力式液位測量第三十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日3．杠桿浮球式液位計

適用于高溫、黏度大液體的杠桿浮球式液位計。浮球是不銹鋼的空心球，通過連桿和轉(zhuǎn)動軸連接，配合平衡重錘用來調(diào)節(jié)液位計的靈敏度，使浮球剛好一半浸沒在液體中。浮球隨液位升降而帶動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，指針就在標(biāo)尺上指示液位值。

14.4液位測量14.4.1浮力式液位測量第三十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日14.4.2差壓式液位測量

1．普通型差壓式液位計

14.4.2差壓式液位測量普通型差壓式液位計原理示意圖

14.4液位測量差壓變送器正壓室的壓力：負壓室的壓力：兩室的壓差：差壓式液位計的示值除了與液位高度有關(guān)外，還與液體密度和差壓儀表的安裝位置有關(guān)。當(dāng)這些因素影響較大時，必須進行修正。第三十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2．帶隔離罐的差壓式液位計由于內(nèi)外溫差使氣體導(dǎo)壓管中的氣體凝結(jié)成液體，為了保持低壓室的液柱高度恒定，一般在變送器的負壓室與氣體取壓口之間裝有隔離罐，并填充隔離液。這時差壓變送器正壓室的壓力未變，而負壓室的壓力為

兩室的壓差為

14.4液位測量14.4.2差壓式液位測量第三十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日3.差壓式變送器有預(yù)緊力的中心敏感膜片作為可動極板和兩邊固定的弧形電容極板形成電容C1和C2，被測壓力p+、p-分別加在膜盒兩側(cè)的隔離膜片上，通過腔內(nèi)所充硅油的傳遞，作用到中心敏感膜片的兩側(cè)。當(dāng)p+=p-時，中心敏感膜片在中心位置，此時C1=C2；當(dāng)p+p-時，存在壓差p中心膜片產(chǎn)生位移，改變了它與兩邊弧形電容極板的間距，因而C1C2。

14.4液位測量14.4.2差壓式液位測量第三十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日14.4.3電容式液位測量電容式液位測量儀表是是利用液位升降變化導(dǎo)致電容器電容值變化的原理設(shè)計而成的。1．用于導(dǎo)電介質(zhì)的電容液位計

14.4液位測量液位為H時電容的變化量：靈敏度S

電容量的變化與液位高度成正比，測出電容量的變化，便可知道液位高度。第三十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期日2．用于