第十一章流速与流量测量_机械工程测试技术

湿式气体流量计
2、流量测量

容积式
• 测量误差
测量累计流量准确度很高；测量瞬时流量，误差较大
考虑因素
（1）滑漏量:齿轮等运动部件与壳体间存在间隙引起； （2）流量：流量不能太大，否则压差引起误差增大； （3）粘度：粘度较高时滑漏量小，误差小； （4）提高仪表准确度方法：采用伺服容积流量计。
• 使用要点
1、流速测量

风速仪探头
• 热线探头 长度0.5～2毫米，直径1～10微米，材料为铂、钨或铂铑合金
优点：热惯性小，频率响应范围宽；工作温度高，最高可达800℃ 缺点：强度低、承受电流小、不适应在液体或带颗粒气流中工作
• 热膜探头 很薄(厚度小于0.1微米)金属膜代替金属丝，但多测量液体流速
优点：强度高，可在恶劣流场中工作，热传导损失小，信噪比高 缺点：频响窄，工作温度低，测量精度不高，损坏不易修复
1、流速测量


实际使用：对向测量法、不对向测量法 对向测量法就是方向管绕其本身的轴 转动，直到由两侧孔所指示的压力相 等。这时两侧孔的对称中心就与流动 方向一致，就可以决定流动方向角

圆柱形复合测压管——流向
原理
不对向测量法是将方向管轴固定在某 个参考方向，测量两侧孔的压力差， 根据校正曲线（侧孔压力与流动方向 的关系）决定流动方向的参数
1、流速测量

热线风速仪
——测量流体的平均速度、脉动速度等流体参数

原理
将一根通电加热的细金属丝（称热线）置于气流中，热线在气流 中的散热量与流速有关，而散失热量导致热线温度变化而引起电阻 变化，流速信号即转变成电信号。
工作模式： ①恒流式。通过热线的电流保持不变，温度变化时，热线电阻改 变，因而两端电压变化，由此测量流速 ②恒温式。热线的温度保持不变，如保持150℃，根据所需施加的 电流可度量流速 恒温式比恒流式应用更广泛
环式取压
单独钻孔
角接取压
钻孔取压
法兰取压
2、流量测量

节流式
• 标准喷嘴
由具有两个圆弧曲面入口收缩部分和圆 筒形组成，采取角接取压
• 标准孔板和标准喷嘴的比较
Δ Δ Δ
Δ
孔板较喷嘴压损大，适合清洁流体 喷嘴比孔板流量系数稳定性好 喷嘴比孔板误差小，精度高，适用于 污垢流体 孔板比喷嘴加工制造简单，价格便宜
1、流速测量

测压管测速
不可压缩性流体（密度ρ是常数） 流体速度v与流体总压p0以及静压ps关系为：

v
2

( p0 ps )
可压缩性流体（密度ρ随速度变化） 流体速度v与流体总压p0以及静压ps关系为：

v
2 ( p0 p s ) s 1
可压缩性修正系数ε根据马赫数M大小（和流速有关）取值
•
支撑 导流器 磁电式传感器 壳体 支撑
涡轮
轴承
2、流量测量

速度式——涡轮流量计
• 安装使用
∆ ∆ ∆ ∆ ∆
保证流量计流速分布均匀 仪表前加滤网，防止杂质进入 注意不能超过规定最高温度、压力和转速 仪表应加逆止阀，防止涡轮倒转 水平安装，流体流动方向和仪表壳体所标箭头一致，仪表轴线和管 道轴线一致 测量精度高，重复性好，基本误差在±0.25％～1.5％之间 测量范围较宽，可测的小流量为40kg/h，最大流量可达16×106kg/h 惯性小，可用于瞬时流量的测量
• 组合式:用以测量各个方向的速度分量
1、流速测量

风速仪探头
• 测量电路 热线风速仪的传递函数是一个一阶惯性系统，该系统的带宽在 0~10kHz之间，很容易适用于多数紊流检测，以及满足检测涡旋 要求
保持温 度不变
1 2 2 tg 1
A
1
测量流体脉动流速时，必须考虑热线的热惯性（时间常数）
导压孔 空腔
2、流量测量

流体
隔墙 电热丝
速度式——涡街流量传感器
• 频率检测方法：随漩涡变化的交变压力
①、流体振动频率的检测 ——电热丝（自热式鉑电阻丝或热敏电阻）


对于圆柱形漩涡发生体，发生漩涡之侧面压力较大，交变压 力随漩涡的发生而发生，使流体在孔中往复流动，小孔中电 加热鉑电阻丝的电阻阻值随之而改变，与漩涡频率相对应 灵敏度高，但机械强度低
qm qw qv
dm dt dw dt dv dt
t2
kg / h, N / h, m 3 / h,
kg / s N /s m3 / s
g
ρ
Q
t1
dq
kg , N , m 3
测量方法——容积式、速度式、质量式、节流式 应用：水、气、油等流体的流量
2、流量测量

容积式：分割——计量
总压测孔p0
Ku为校正系数（一般小于1）
特点：结构简单，使用方便，制 造容易，价格便宜，坚固 可靠
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流体v 流体管道 静压测孔ps
侧面分布的小孔或缝隙
气流
1、流速测量


毕托管
L形毕托管
静压孔可以是沿侧面分布（等距） 的小孔或狭缝；测量值对流动方 向很敏感

T形毕托管
为两根针管弯成L形，焊在一起。 迎气流压力孔测总压，另一压力 孔测静压，这种测压管对流动方 向变化敏感
qv . A. 2

( p1 p2 )
• •
Δ Δ
节流式流量计：节流装置、压力传送管、差压仪表 节流件
标准节流装置、非标准节流装置 目前常用的标准节流装置：标准孔板、标准喷嘴
2、流量测量

节流式
• 标准孔板——同心薄壁锐缘孔板
加工安装都有相应要求（国标GB/T2624-1993） 取压方式： Δ 角接取压：两侧压力由孔板与管道形成角顶处取出 Δ 法兰取压：在特定法兰上单独钻孔取压
1、流速测量

测压管测速
一般测压管的设计制造要求：
• • •
在惯性不大的情况下，测压管感受部分的尺寸尽量小 对流动偏斜角不灵敏 在M变化较大的范围内，测压管的校正系数要稳定
1、流速测量

毕托管
将测压装置总压管和静压管组合在一起，同时测量总压与静压 之差的复合测压管
v
2

( p0 p s )k u
第十一章
机械工程测试技术—— 流速与流量测量（2）
内容
1、流速测量方法 2、流量测量方法 3、测量装置的标定
重点：掌握各种流速与流量测量方法的原理、
特点及应用场合
1、流速测量
流速：流体在管道流动的速度V

单位：m/s、 mm/s
基本方法 测压管测速 热线风速仪 激光测速仪（下章介绍）

速度式——涡街流量传感器
• 原理
在流体中放置一个对称形状的非流线型柱体时，在它的下游两侧就 会交替出现有规则的旋涡，两侧漩涡旋转方向相反，并轮流地从主体 上分离出来，在下游侧形成“涡街” ——卡门涡街现象 漩涡形成的振动波频率f与柱体附近的流体流速v成正比，与柱体特 征尺寸d成反比：
v f st K .v d
Δ
Δ
采用细和短的热线 在电子线路上采取补偿方法——恒温型
1、流速测量

风速仪探头
KA31 热线式风速仪
KA31 热线式风速仪：常温常压下的空气流 参数 风 速 温度 压力 温度补偿 VL VH 量程 0～4.99m/s 5～50m/s 0～99.9℃ ±5kPa 5～80℃ ±1℃ 读数的±3% ±5% 精度 ±2f.s 分辨率 0.01m/s 0.1m/s 0.1℃ 0.01kPa
•
• •
入口加虑网：防止杂物进入，卡死运动部件 仪表侧留有旁路，便于经常清洗 不能超过仪表的规定范围
2、流量测量

容积式
LC-13型椭圆齿轮流量变送器
•
• • • •
采用新型磁敏集成传感器，可输出脉冲 信号和模拟信号，配套测量仪表，实现 自动控制 允许基本误差（％）：±0.2、±5 被测液体粘度（MPa.s）：0.6-200 被测液体温度（℃）：-10℃～+50℃ 发送装置：GF/QF脉冲型、MF-1模拟量型
显示功能 风速/温度/压力切换显示，数据保持，FAST/SLOW，电池电量 探头及连接电缆（4 米） ，延长棒（伸缩式最长 937mm)
2、流量测量
定义
瞬时流量：单位时间流过某截面的流体的量——q 累计流量：瞬时流量的积分——Q 平均流量：累计流量除以相应的时间
表示法
质量流量 重量流量 体积流量 累计流量
2、流量测量

节流式
节流式流量计是工业上使用最多的流量计，在石油、化工、发电厂 等工业领域使用的流量测量仪表中，它所占的比例大约在70％左右
• 工作原理——节流效应
在管道内装入节流件，流体流经节流件时流束收缩，节流件前后产生压 差，而压差和流量有一定关系，通过检测压差可以间接地得到流量。 在节流装置前后端面处取静压力p1和p2，则流体体积流量为：
在一个圆柱形的支杆上，离开端部一定距离 （一般大于2d）并垂直于杆子轴线的平面上有 三个孔，中间一个孔用来测量流体总压，两侧 孔与中间孔对称，并相隔一定的角度，用来测 量流动方向 需要三个压力计： • 两个侧孔——压力计——调整测流方向 • 中孔＋侧孔（1个）——压力计——压差 • 中孔——压力计——中孔与大气的压差
2、流量测量

速度式——涡轮流量计
• 当流体通过流量计时，推动涡轮，使其以一定的转速旋转， 此转速是流体流量的函数 • 非接触式磁电式传感器输出信号的频率与涡轮的转速成正比
转速转换成电脉冲方法：
磁阻方法（导磁不锈钢作叶片—— 切割磁力线）：适用于清洁、有润 滑性的液体和气体、不含固体颗粒 （防磨损）流体 • 感应方法（叶片不导磁，磁钢埋在 涡轮内腔——检测线圈）：可用于 非润滑性气体，含微小颗粒和腐蚀 性流体，以及液态气体
②、流体作用力频率的检测 ——漩涡发生体内安装膜片 采用应变计、压电式力传感器或电容式位移传感器等方法 可测出该交变力。该方法具有寿命长，不受污染，且结构 牢靠
2、流量测量

速度式——涡街流量传感器
• 特点
Δ Δ
精度高，误差约为1％ 输出是频率信号，抗干扰能力强
• 漩涡流量计的安装
Δ Δ Δ Δ
避免管道振动 不宜测量腐蚀性较强、含有悬浮物或纤维的流体 口径选择根据量程选择 应保证在漩涡发生体处不产生空穴现象
• 涡流流量计的特点
∆ ∆ ∆
2、流量测量

速度式
• 工作电压：＋24VDC（两线制） • 输出信号：4－20mA 或 1－5V （对应流量零点和满度） • 信号传输距离：小于250米
• 涡轮流量计
产品型号 lwgy(a)-4 lwgy(a)-4-b 公称通径 （mm） 4 6 10 15 25 流量范围（m3/h） 最大工作 压力 （mpa） 6.3 6.3 6.3 6.3 6.3 安装 形式 螺纹 螺纹 螺纹 螺纹 螺纹 精确 前置放大 度 器电源（v） 0.5 1 +12 +12 +12 +12 +12
利用总压、静压或两者之差可以求出流体流速
1、流速测量


测压管测速
总压测量
流体绕流时，物体上有些点上流体完全滞止（速度为零）， 这些点上的压力被称为滞止压力，也叫做流体总压，在该点 引出的压力就是总压
静压 总压
各种取压的测量元件
1、流速测量
总压


静压
测压管测速
静压测量
流体绕流时，流体的压力等于未扰动流体的压力，这些点的压力 被称为流体静压，在该点引出的压力就是静压 静压测量有两种方法:与流速方向垂直取压 • 利用在通道壁面或绕流物体表面开静压孔 • 利用尺寸较小具有一定形状的测压管插入流体中测量
2、流量测量

速度式——涡街流量传感器
LUGB－21/ZX涡街流量传感器 • 感应元件不直接与被测介质接触，故性能稳定，可靠 性高，传感器内无可动部件因而压损小，维护量小， 使用寿命长 • 测量介质：液体、气体、过热/饱和蒸汽 • 工作压力：0—2.5MPA • 精度等级：液体±1%； 气体±1%； 蒸汽±1.5% • 输出信号：三线制电压脉冲（占空比为50%）；二线制 电流信号4—20MA • 供 电：24VDC
0.01～0.25 0.1～0.6 0.2～1.2 0.6～6 1～10
lwgy(a)-6 lwgy(a)-6-b
lwgy(a)-10 lwgy(a)-10-b lwgy(a)-15 lwgy(a)-15-b
0.5 1
0.5 1 0.5 1
lwgy(a)-25 lwgy(a)-25-b
0.5 1
2、流量测量
3、测量装置标定

测压管标定

标定目的
• 利用机械测量元件，把流 体连续不断地分割成单个 已知的体积V部分 • 根据计量室逐次、重复地 充满和排放该体积部分流 体的次数n，来测量流量体 积总量 qV nV • 种类 Δ 椭圆齿轮流量计 Δ 腰轮流量计 Δ 刮板流量计 Δ 湿式气体流量计 测量：转轴计数
椭圆齿轮流量计 腰轮流量计
刮板式流量计