第十一章流速与流量测量_机械工程测试技术
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机械工程测试技术_课后习题及答案
机械工程测试技术课后习题及答案第一章传感器及检测系统的基本概念1、检测系统由哪几部分组成？说明各部分的作用2、怎样选择仪表的量程大小？3、测量误差可以分为哪几类？引起各类误差的原因是什么？4、传感器按照被测物理量来分，可以分为哪几种？5、某电路中的电流为10A，用甲乙两块电流表同时测量，甲表读数为10.8A，乙表读数为9.5A，请计算两次测量的绝对误差和相对误差。
6、用1.0级量限100V的电压表甲，0.5级量限250V的电压表乙分别测量某电压，读数皆为80V，试比较两次测量结果的准确度。
7、有三台测温仪表，量程均为0～800℃，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500℃的温度，要求相对误差不超过2.5%，选哪台仪表合理？解答：1、一个完整的工程检测系统包括：传感器、信号调理电路、信号处理电路和显示记录部分。
各部分作用：传感器——感受被测量，并将其转换为电信号；信号调理电路——将传感器输出信号进行放大和转换；信号处理电路——对电信号进行计算和分析；显示记录部分——显示记录测试结果。
2、应根据被测量的大小，兼顾仪表的准确度等级和量程，使其工作在不小于满度值2/3以上的区域。
3、测量误差可以分为：系统误差、随机误差和疏失误差三类。
引起的原因如下:系统误差——仪器误差、零位误差、理论误差、环境误差和观察者误差等随机误差——温度、磁场，零件摩擦、间隙，气压和湿度的变化，测量人员分辨本领的限制等疏失误差——操作、读数、记录和计算等方面的人为误差等4、传感器按被测物理量可以分为：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、温度传感器、压力传感器等。
5、绝对误差：△I= I﹣I=10.8-10=+0.8A；△I= I﹣I=9.5-10=﹣0.5A相对误差：γ甲=△I甲/ I0=+0.8/10=8%；γ乙=△I乙/ I0=﹣0.5/10=﹣5%6、最大绝对误差：△V m甲=±K%·V m甲=±1.0%×100=±1.0V；△V m乙=±K%·V m乙=±0.5%×250=±1.25V最大相对误差：γm甲=△V m甲/ V=±1.0/80=±1.25%；γm乙=△V m乙/ V=±1.25/80=±1.56%故：甲表测量结果的准确度高于乙表。
17 流量测定
(3) 流量计的校正
1) 刻度标准(厂家)： 液体 20℃、 水； 气体 20℃、101325 Pa的空气。
2) 条件变化时，校正方法： * 测不同种类流体时 a）校正密度 (同一刻度下)
即：qVB qVA
A( f B ) B( f A)
b）实验，重新标定刻度-流量曲线(常用方法） * 量程不符时
§1.7 流速和流量测定
激光测速仪
1 ．体积小 2．抓拍快
1000米以内就可侦察到超速车辆，在距离超速车辆 100~200m之间就可自动完成捕捉目标、拍摄、存储、打印工 作，全过程只需要0．5秒！ 3．安全可靠
目前所有的反测速探测器都探测不到。另外，系统内置防 篡改功能，如超速被拍，超速资料无法取消。
0.96
1'' 1''
4’’×2’’
22
0.92
0.88
0.84
103 2
5 104 2 5 105 2 5 106 2
文丘里流量计流量系数
0.80 5 107
Re 105时，CV 恒定，约为0.97 ~ 0.99
问题：不知流速，如何求Cv ? 试差法
设Re2足够大，查CV 流速u计
Re（2 假设）
u02 u12 C
2gR(i )
u02 u12 C
2gR(i )
又 A1u1
A0u0
u1
A0 A1
u0
u02
A0 A1
2 u02
C
2gR(i )
C
u0
1
A0 A1
2
2gRi
u0 令
C
1
A0 A1
2
2gRi
流速与流量测量PPT课件
3
第一节 流速测量
一．机械法测量流速 二．散热率法测量流速 三. 动压法
4
一．机械法测量流速
1．种类：翼式、杯式
翼式
适用范围杯：式 以前：风速范围为15—20m/s以内，只能测量流速的 平均值，不能测量脉动流。通过机械仪表用指针指示。 目前：测速范围为0.25—30m/s，并且可测量流速的 瞬时值。可将叶轮的转速转换成电信号。
P 0Pj 1 2v2(1) 可压缩性修正系数
M2 2kM4绝热 指 数
4 24 马赫数
•在通风空调工程中，气体流速一般低于40m/s， 空气温度为20℃，常温下音速为343m/s，
M V 0.12 （1+ε）=1.0034
C
所以气体的可压缩性程度对于动压的影响很小，
一般情况下可忽略。
14
• 国标中规定：测压管的使用上限流体马 赫数M<0.25，测量下限流速在全压孔的 Re>200。上限或下限的规定都是为了避 免造成过大的测量误差。
21
继续看吧
（2）T形毕托管：迎 着流体的开口端测 量流体的总压，背 着流体的开口端测 量流体的静压。一 般用于测量含尘浓 度较高的空气流速， 速度校正系数一般 为 0.83—0.87 。 例 如测量烟气流速。
22
四．激光多普勒测速技术
激光多普勒测速仪是利用随流体运动的 微粒散射光的多普勒效应来获得速度信 息，静止的激光光源发射的激光照射到 随流体运动的粒子上，同时粒子又将接 收到的光波向外散射，当静止的光接收 器接收散射光时，光接收器所收到的散 射光频率fs与静止光源的光波频率f0之 差与运动粒子的速度成正比。这个差值 就叫多普勒频率。
表二达．方式
qm—质量流量 qw—重量流量 qv—体积流量
第一节 流速测量
一．机械法测量流速 二．散热率法测量流速 三. 动压法
4
一．机械法测量流速
1．种类：翼式、杯式
翼式
适用范围杯：式 以前：风速范围为15—20m/s以内，只能测量流速的 平均值，不能测量脉动流。通过机械仪表用指针指示。 目前：测速范围为0.25—30m/s，并且可测量流速的 瞬时值。可将叶轮的转速转换成电信号。
P 0Pj 1 2v2(1) 可压缩性修正系数
M2 2kM4绝热 指 数
4 24 马赫数
•在通风空调工程中，气体流速一般低于40m/s， 空气温度为20℃，常温下音速为343m/s，
M V 0.12 （1+ε）=1.0034
C
所以气体的可压缩性程度对于动压的影响很小，
一般情况下可忽略。
14
• 国标中规定：测压管的使用上限流体马 赫数M<0.25，测量下限流速在全压孔的 Re>200。上限或下限的规定都是为了避 免造成过大的测量误差。
21
继续看吧
（2）T形毕托管：迎 着流体的开口端测 量流体的总压，背 着流体的开口端测 量流体的静压。一 般用于测量含尘浓 度较高的空气流速， 速度校正系数一般 为 0.83—0.87 。 例 如测量烟气流速。
22
四．激光多普勒测速技术
激光多普勒测速仪是利用随流体运动的 微粒散射光的多普勒效应来获得速度信 息，静止的激光光源发射的激光照射到 随流体运动的粒子上，同时粒子又将接 收到的光波向外散射，当静止的光接收 器接收散射光时，光接收器所收到的散 射光频率fs与静止光源的光波频率f0之 差与运动粒子的速度成正比。这个差值 就叫多普勒频率。
表二达．方式
qm—质量流量 qw—重量流量 qv—体积流量
1.7 流速及流量测量
1.5 1 0.5 - 1 0.5 1.5m
2 2 uc2 pB u B uA zc zB 2g g 2 g 2g
1.5 - 1 0.5 - 0.5 0.5 0.75m
3. 两管路并联，若d1=d2, L1=2L2，则两管路的阻力损
失hf1和hf2的关系如何？若上述管路流体的流动为 层流，两管路的流量qv1和qv2的关系如何？若流动
【例1-16】
某液体转子流量计，转子为硬铅，
其密度为11000kg· -3。现将转子改为形状、大小 m
相同，而密度为1150kg· -3 的胶质转子，用于测 m
量空气（50℃、120kPa）的流量。试问在同一刻
度下，空气流量为水流量的多少倍？（设流量系
数CR为常数）
qv1 qv 2
CR A0 CR A0
流体的浮力
动能差
Vf ( f ) g Af
2
2 2 ( u0 u1 )
由连续性方程
u0 1 1 A0 A1
A0 u1 u0 A1
2
2Vf ( f ) g 2Vf ( f ) g CR Af Af
CR—流量系数 （Re数与转子形状有关）
ZA＝ZB，uA=uB
流体流经AB段的压强差 pA pB = ρ∑hf =
870×110.7 = 96309Pa
(2) 泵的有效功率为 Ne=800×0.62=496W AB段所消耗的功率 Nf=qm∑hf=1.52×110.7=168.3W
AB管段所消耗的功率为泵的有效功率的百分率为
Nf/Ne=168.3/496=0.34=34%
1 ( f 2 ) 2 ( f 1 )
机械工程测试技术基础
类： 包括性能测试、 可靠性测试、安
全性测试等。
测试技术的应用： 广泛应用于汽车、 航空、航天、机 械制造等领域。
古代：手工测量经验判断 近代：仪器测量数据记录 现代：计算机辅助测试自动化测试 未来：智能化测试远程测试大数据分析
传感器：用于采集 被测对象的物理量
数据采集系统：用 于将传感器采集到 的信号转换为数字 信号
温度传感器：通过热敏电阻或热电 偶等元件测量温度变化广泛应用于 工业、医疗等领域。
流量传感器：通过电磁感应或超声 波等原理测量流体流量广泛应用于 供水、供气等领域。
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压力传感器：通过压敏电阻或压电 晶体等元件测量压力变化广泛应用 于液压、气动等领域。
加速度传感器：通过压电晶体或电容 式等元件测量加速度变化广泛应用于 汽车安全、航空航天等领域。
数据处理系统：用 于对采集到的数据 进行处理和分析
显示系统：用于显 示测试结果和图表
信号及其描述
信号的定义：信号是信息的载体是物理量随时 间变化的过程
信号的分类：根据信号的性质和特点可以分为 连续信号和离散信号
连续信号：信号的取值是连续的如正弦波、三 角波等
离散信号：信号的取值是离散的如数字信号、 脉冲信号等
实时化：测试技 术将更加实时化 能够实时监测和 预警设备状态
绿色化：测试技 术将更加绿色化 减少对环境的影 响提高能源利用 效率
智能化：测试技术将更加智能化能够自动识别和诊断机械故障 集成化：测试技术与其他技术如物联网、大数据等更加紧密地集成提高测试效率和准确性 实时化：测试技术将更加实时化能够实时监测和预警机械设备的运行状态 绿色化：测试技术将更加注重环保和节能降低机械设备的能耗和污染排放
全性测试等。
测试技术的应用： 广泛应用于汽车、 航空、航天、机 械制造等领域。
古代：手工测量经验判断 近代：仪器测量数据记录 现代：计算机辅助测试自动化测试 未来：智能化测试远程测试大数据分析
传感器：用于采集 被测对象的物理量
数据采集系统：用 于将传感器采集到 的信号转换为数字 信号
温度传感器：通过热敏电阻或热电 偶等元件测量温度变化广泛应用于 工业、医疗等领域。
流量传感器：通过电磁感应或超声 波等原理测量流体流量广泛应用于 供水、供气等领域。
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压力传感器：通过压敏电阻或压电 晶体等元件测量压力变化广泛应用 于液压、气动等领域。
加速度传感器：通过压电晶体或电容 式等元件测量加速度变化广泛应用于 汽车安全、航空航天等领域。
数据处理系统：用 于对采集到的数据 进行处理和分析
显示系统：用于显 示测试结果和图表
信号及其描述
信号的定义：信号是信息的载体是物理量随时 间变化的过程
信号的分类：根据信号的性质和特点可以分为 连续信号和离散信号
连续信号：信号的取值是连续的如正弦波、三 角波等
离散信号：信号的取值是离散的如数字信号、 脉冲信号等
实时化：测试技 术将更加实时化 能够实时监测和 预警设备状态
绿色化：测试技 术将更加绿色化 减少对环境的影 响提高能源利用 效率
智能化：测试技术将更加智能化能够自动识别和诊断机械故障 集成化：测试技术与其他技术如物联网、大数据等更加紧密地集成提高测试效率和准确性 实时化：测试技术将更加实时化能够实时监测和预警机械设备的运行状态 绿色化：测试技术将更加注重环保和节能降低机械设备的能耗和污染排放
化工原理流速与流量的测量讲义
外管B处
pB p
外管测得的是 流体的静压能。
返回
3
p
pA
pB
(
p
1
.
u2
)
p
1
.
u2
2
2
点速度：
.
u
2p
即
.
u
2Rg(0 )
讨论：
（1）皮托管测量流体的点速度，可测速度分布 曲线；
返回
（24）流量的求取：
由速度分布曲线积分 VS udA
测管中心最大流速，由 u umax ~ Re max 求平 均流速，再计算流量。
返回
1.167.4 转子流量计 一、结构与原理
从转子的悬浮高度 直接读取流量数值。
返回
二18、流量方程
设Vf为转子的体积，Af为转子最大部
分截面积，ρf为转子的密度，ρ为被测
液体的密度。当转子处于平衡时，
0
0′
转子承受的压力差 = 转子的重
力— 流体对转子的浮力
1
1′
( p1 p2 ) Af V f f g V f g
二、8 流量方程 在1-1′截面和2-2′截面间列柏努利方程，暂不计
能量损失
p1
1 2
u12
p2
1 2
u
2 2
变形得
u
2 2
u12
p1 p2
2
u
2 2
u12
2p
问题：（1）实际有能量损失；
（2）缩脉处A2未知。
返回
解决9 方法：用孔口速度u0替代缩脉处速度u2，引入
校正系数 C
由连续性方程
u
2 0
u12
C
流速和流量测量
dv dy
F Sv / y F y
S v v Biblioteka y称为粘度，或动力粘度(dynamic viscosity)，单位是： 泊（P）(Pa.s)
, 称为运动粘度，单位是：m2 / s
（Kinematic viscosity）
（二）层 流 和 紊 流
流体在细管中的流动形式可分为层流和紊 流两种。
方向的速度有差别时会产生减小其速度差的 作用。这是因为流速快的部分要加速与其相 接触的流速慢的部分，而流速慢的部分要减 小与其相接触的流速快的部分，流体的这种 性质，称为粘性。 衡量流体粘性大小的物理量称为粘度。
设有两块面积很大距离很近的平板，两平板中间是流体。令底 下的平板保持不动，而以一恒定力推动上面平板，使其以速度v 沿x方向活动。由于流体粘性的作用，附在上板底面的一薄层液 体以速度v随上板运动。而下板不动故附在其上的流体不动，所 以两板间的液体就分成无数薄层而运动，如图所示。 作用力F 与受力面平行，称为剪力，剪力与板的速度v、板的面积S成正 比，而与两板间的距离y成反此，即
容积式计量表
椭圆齿轮 流量计
腰轮流量 计
活塞式 流量计
括板式流 量计
2.速度式计量表
在仪表中装一旋转叶轮，流体流过 时，推动叶轮旋转，叶轮的转动正比于 流过介质的总量，叶轮转动带动计数器 的齿轮机构，计数器即显示读数。这类 计量表机构简单，但精度低。一般在2％ 左右，大多的水表即采用此结构表。
（二）流量计
所谓层流(laminar flow)就是流体在细管中 流动的流线平行于管轴时的流动。
所谓紊流(turbulent flow)就是流体在细管中 流动的流线相对混乱的流动。
利用雷诺数可以判断流动的形式。如果雷 诺数小于某一值时，可判断为层流，而大于此 值时则判断为紊流。
F Sv / y F y
S v v Biblioteka y称为粘度，或动力粘度(dynamic viscosity)，单位是： 泊（P）(Pa.s)
, 称为运动粘度，单位是：m2 / s
（Kinematic viscosity）
（二）层 流 和 紊 流
流体在细管中的流动形式可分为层流和紊 流两种。
方向的速度有差别时会产生减小其速度差的 作用。这是因为流速快的部分要加速与其相 接触的流速慢的部分，而流速慢的部分要减 小与其相接触的流速快的部分，流体的这种 性质，称为粘性。 衡量流体粘性大小的物理量称为粘度。
设有两块面积很大距离很近的平板，两平板中间是流体。令底 下的平板保持不动，而以一恒定力推动上面平板，使其以速度v 沿x方向活动。由于流体粘性的作用，附在上板底面的一薄层液 体以速度v随上板运动。而下板不动故附在其上的流体不动，所 以两板间的液体就分成无数薄层而运动，如图所示。 作用力F 与受力面平行，称为剪力，剪力与板的速度v、板的面积S成正 比，而与两板间的距离y成反此，即
容积式计量表
椭圆齿轮 流量计
腰轮流量 计
活塞式 流量计
括板式流 量计
2.速度式计量表
在仪表中装一旋转叶轮，流体流过 时，推动叶轮旋转，叶轮的转动正比于 流过介质的总量，叶轮转动带动计数器 的齿轮机构，计数器即显示读数。这类 计量表机构简单，但精度低。一般在2％ 左右，大多的水表即采用此结构表。
（二）流量计
所谓层流(laminar flow)就是流体在细管中 流动的流线平行于管轴时的流动。
所谓紊流(turbulent flow)就是流体在细管中 流动的流线相对混乱的流动。
利用雷诺数可以判断流动的形式。如果雷 诺数小于某一值时，可判断为层流，而大于此 值时则判断为紊流。
机械工程测试技术.
流量系数与节流装置开孔截面比、流体流动的雷诺数Re值、取压 点位置、管壁粗糙度等有关，对于不同形式的节流装置，由于其 压力和流速分布不同，流量系数也不同。
实验表明，对于一定形式的节流装置，当雷诺数值Re大于某一 界限值ReK时，流量系数趋于某一定值。因此，当Re>ReK时， 只要测量压力差便可确定流量的大小。
则通过管道流体的流量为
qV A0 v A0
2F KA
2 (D d 2 ) 4
；
式中：A0——靶和管壁间的环形间隙面积，m2 ，A0
D ——管道内径，m；
d ——圆板靶外径，m。 则有
1 D2 d 2 qV K d
1 K
F 1 F 1.25K D( ) 2
速度式流量计 (9/10)
根据电磁感应原理可知，在液体圆盘内将产生感应电动势，其大小 为 E BvD 式中：E—感应电动势； B—磁感应密度； v—平均流速； D—管道内径。 流经圆形导管的体积流量为被测介质的平均流速与导管流通截面积 的乘积，即
2 DE qV D v 4 4B
速度式流量计 (5/10)
通过测量顺流和逆流时超声脉冲的重复 频率差来测量流速。在上、下游等距离 处收到超声波的频率差为
f
c v c v 2v L L L
频率差测流速与超声波传播速度 c无关。
速度式流量计 (8/10) 11.4.3 电磁流量计 (electromagnetic flowmeter)
压差式流量计 (4/4) 11.2.2 节流装置 (throttle device)
常用的节流装置有标准孔板，喷嘴和文杜里管等。
流体通过节流装置时，由于克服摩擦阻力和在节流装置后形成漩 涡均要消耗一定的能量，所以通过节流装置后有一部分静压力不 能恢复，从而造成净压力损失p。孔板的p 最大，文杜里管由于 内表面呈流线型与流束趋向一致，p最小，而喷嘴的值则介于两 者之间。
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•
• •
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
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
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 a)-25-b
0.5 1
2、流量测量
• 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）
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
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
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
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）
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
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
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
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
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
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：
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
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
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
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
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
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
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
• •
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
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
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 a)-25-b
0.5 1
2、流量测量
• 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）
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
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
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
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）
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
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
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
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
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
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：
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
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
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
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
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
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
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