大连大学建筑环境测试技术13

1、大连大学建筑工程学院 2021-7-251 建筑环境测试技术建筑环境测试技术 2 第第7 7章章 流速及流量测量流速及流量测量 7.1 7.1 流速测量流速测量 常用流速的测量方法有四种：常用流速的测量方法有四种： 1.1.机械法机械法: : 叶轮的叶轮的旋转角速度旋转角速度与流体的与流体的流速成正比流速成正比; 2.2.散热率法散热率法: : 发热测速传感器的发热测速传感器的散热率散热率与与流体流速流体流速成比例成比例; (恒流型恒流型和和恒温型恒温型) 3.3.动力测压法动力测压法: : 依据依据伯努利伯努利方程式方程式 原理！ PPPu 2 )( 2 0 3 光学多普勒效应光学多普勒效应

2、 多普勒频移多普勒频移。 示踪粒子示踪粒子的多普勒信号的多普勒信号 16.8W/套 4.4.激光测速法激光测速法非接触测量技术非接触测量技术 4 1842年奥地利一位名叫多 普勒的数学家、物理学家。 一天，他正路过铁路交叉 处，恰逢一列火车从他身 旁驰过，他发现火车从远 而近时汽笛声变响，音调 变尖，而火车从近而远时 汽笛声变弱，音调变低。 有人请一队小号手在平板 车上演奏，再请训练有素 的音乐家用耳朵来辨别音 调的变化，以验证该效应。 彩色多普勒超声彩色多普勒超声 光学多普勒效应光学多普勒效应 5 7.3 7.3 流量测量方法和分类流量测量方法和分类 u常用流量表示方法：常用流量表示方法：

3、l体积流量体积流量; l质量流量。质量流量。 l瞬时流量瞬时流量; l累积流量。累积流量。 u常用流量测量方法：常用流量测量方法： l速度式（测流速）速度式（测流速）; l容积式容积式; l质量流量法。质量流量法。 vm qq 6 u工业上常用流量计，按其工业上常用流量计，按其测量原理测量原理分为分为四四类类 （P160）： 1. 1.速度式流量计速度式流量计： ! !差压式差压式流量计流量计 ! !其它类型流量计其它类型流量计 2.2.容积式流量计容积式流量计 i v uFq 7.4.2、差压式流量计！、差压式流量计！ 7.4 7.4 差压式流量测量方法及测量仪表差压式流量测量方法及测量仪表

4、 P161P161 u差压式流量计是由将被测流体的差压式流量计是由将被测流体的流量流量转换成压差信号的转换成压差信号的 节流装置、节流装置、压力信号压力信号传输管道传输管道和用来测量差压的和用来测量差压的差压变差压变 送器送器组成。组成。 u节流装置：节流装置：标准孔板、喷嘴、文丘利管标准孔板、喷嘴、文丘利管等。等。 7 1. 差压式流量计差压式流量计 理论基础理论基础：流体：流体连续性方程连续性方程（质量守恒定律）和（质量守恒定律）和伯努利方伯努利方 程程（能量守恒定律）。（能量守恒定律）。 （7.4.8） Pdqm 1 2 2 4 请大家熟知公式中请大家熟知公式中 每一个量值的意义每一个量

5、值的意义 :流量系数流量系数 与节流元件的形式、取压方式、孔径比、流体的流动状与节流元件的形式、取压方式、孔径比、流体的流动状 态（雷诺数）等因素有关。态（雷诺数）等因素有关。 8 流量流量与与压力差压力差的的平方根平方根成正比成正比! 恒截面、变压差式流量计恒截面、变压差式流量计 节流装置不能节流装置不能反向反向安装安装！ 9 配配U U型管液柱式差压计型管液柱式差压计 注意注意U U型管液柱和流量的变化！型管液柱和流量的变化！ 10 本次课开始新内容（13） 11 转子流量计主要由转子流量计主要由转子（浮子）、转子（浮子）、 带刻度线的带刻度线的锥形管锥形管及支撑连接部分及支撑连接部分 组

6、成。组成。 从转子的从转子的悬浮高度悬浮高度直接读取流直接读取流 量数值。量数值。 2. 2. 转子流量计转子流量计 12 13 应用改变流通面积的方法检测流量应用改变流通面积的方法检测流量 变面积式测量方法示意图变面积式测量方法示意图 检测原理检测原理 锥形管锥形管-由下往上逐渐扩大管由下往上逐渐扩大管 转子转子-阻力件阻力件 当流体自下而上流经当流体自下而上流经 锥形管与转子之间的锥形管与转子之间的环形环形 流通面积流通面积时，由于受到流时，由于受到流 体的冲击，转子便要向上体的冲击，转子便要向上 运动。运动。 14 分析可知，转子与玻璃管环隙的流通面积为分析可知，转子与玻璃管环隙的流通面

7、积为 ： )44( 4 22 00 hnnhdF （7.4.12） 式中式中 n n锥形管的锥度，一般较小；锥形管的锥度，一般较小； d d0 0转子直径。转子直径。 htg D d h h o 0 F 15 式中式中 F F0 0转子与玻璃管环隙的面积，转子与玻璃管环隙的面积，m m2 2 q qV V流体的体积流量，流体的体积流量，m m3 3/s/s PFqv 2 0 根据伯努利方程导出流量公式为：根据伯努利方程导出流量公式为： （7.4.11） nhdhnnhdF 0 22 00 )( 由于由于n n很小，故有：很小，故有： )()44( 4 22 0 22 00 hnnhdhnnhd

8、F 16 gVpF fff )( （7.4.13） f ff F gV p )( 即：即： 当转子的上升力等于转子的净重力时，转子在流体中当转子的上升力等于转子的净重力时，转子在流体中 处于平衡状态。处于平衡状态。 gV ff 转子的重力转子的重力 gV f 流体的浮力流体的浮力 17 PFqv 2 0 f ff F gV p )( 将将 代入代入 f ff v F gV Fq )(2 0 得：得： nhdF 00 由于：由于： 代入上式得：代入上式得： f ff v F gV nhdq )(2 0 （7.4.14） 可见：可见：hq v 18 转子流量计：转子流量计：(考点！考点！） A:A

9、:恒压差、变截面式流量计恒压差、变截面式流量计 B:B:仪表出厂前标定仪表出厂前标定 u条件：条件：温度温度20 20 ，压力，压力0.10133MPa0.10133MPa； 液体：液体：水水（ 1000kg/m1000kg/m3 3 ），）， 气体：气体：空气空气（ 1.2kg/m1.2kg/m3 3） C:C:垂直安装垂直安装 19 3. 3. 动压平均管动压平均管-笛形管笛形管 图图7.4.13 7.4.13 动压平均管动压平均管 基于毕托管 D PFuFqv 2 20 7.5 7.5 叶轮式流量计叶轮式流量计 7.5.1 水表水表 21 7.5.2、涡轮流量计、涡轮流量计 流量流量涡轮

10、转速涡轮转速磁电转换器计数脉冲个数磁电转换器计数脉冲个数 转换显示出流量转换显示出流量 图图7.5.37.5.3 主要应用，广泛 22 r tgvz znzf 22 0 磁电转换器检测线圈感应出的脉冲信号频率为：磁电转换器检测线圈感应出的脉冲信号频率为： 式中式中 n n涡轮转速；涡轮转速； z z涡轮叶片数。涡轮叶片数。 0 vFq v 流通截面积为流通截面积为F的管道内流体的的管道内流体的体积流量体积流量为：为： v q rF ztg f 2 23 涡轮流量计涡轮流量计 24 涡轮流量计变送器必须涡轮流量计变送器必须水平安装；水平安装； P174 25 7.6 7.6 电磁流量计电磁流量计

11、 电磁流量计是根据电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律研制出的研制出的 一种测量一种测量导电液体、体积流量导电液体、体积流量的仪表。的仪表。 P175 26 v LvBe （7.6.1） 检测原理检测原理 磁感应强度磁感应强度B，导体长度，导体长度L和运动速度和运动速度v三者互相垂三者互相垂 直时，感生电动势直时，感生电动势e的大小为：的大小为： 图图7.6.1 7.6.1 电磁流量计原理电磁流量计原理 B V 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 27 D 由图可知，将切割磁力线导体长度近似取为液柱由图可知，将切割磁力线导体长度近似取为液柱 直径直径D，液体平均流速近似作为导

12、体运动的速度液体平均流速近似作为导体运动的速度v， 可得：可得： VBDe （7.6.2） 则导电液体体积流量为：则导电液体体积流量为： e B D VAq v 4 V 28 特点：特点：使用电磁流量计的前提是：使用电磁流量计的前提是： 被测流体必须是被测流体必须是导电导电的。的。 29 7.7 7.7 超声波流量计超声波流量计 利用利用超声波超声波在流体中的在流体中的传播速度传播速度会随被测流体会随被测流体流速流速而而 变化变化的特点而发展起来的新型流量测量仪表。的特点而发展起来的新型流量测量仪表。 速度法（速度法（时差法时差法、相差法相差法、频差法频差法） P176 速度法的速度法的基本原

13、理基本原理为：为：测量超声波脉冲在顺流和测量超声波脉冲在顺流和 逆流传播过程中的速度之差来得到到被测流体的逆流传播过程中的速度之差来得到到被测流体的 流速。流速。 30 在测量管道中，装两个超声波发射换能器在测量管道中，装两个超声波发射换能器T T1 1和和T T2 2及两个及两个 接收换能器接收换能器R R1 1和和R R2 2，流体由左向右流动，发生器与接收器，流体由左向右流动，发生器与接收器 的间距为的间距为l。 1.1.时差法时差法 顺流 逆流 超声波传播的时间分别为：超声波传播的时间分别为： 式中式中 -声速，声速， V-V-流体运动速度。流体运动速度。 vc l t 1 vc l

14、t 2 （7.7.1） 图图7.7.1超声波流量计原理示意图超声波流量计原理示意图 31 tK l tcD vAq v 24 22 则管道内体积流量为：则管道内体积流量为： 一般情况下，有一般情况下，有c v，即即c2 v2， ，则推得 则推得 2 12 2 c lv ttt （7.7.2） 此法为此法为- 时差法时差法。 32 * *在顺流和逆流方向发射时收到信号的相位差为：在顺流和逆流方向发射时收到信号的相位差为： tKq v 由由 可得到流量与相位差的关系。可得到流量与相位差的关系。 Kq v tf t 2 （7.7.3） t f -超声波的频率。超声波的频率。 2.2.相差法相差法 所

15、谓相差法，既是通过测量所谓相差法，既是通过测量超声波在顺流和逆流时传超声波在顺流和逆流时传 播的播的相位差相位差来得到流速。来得到流速。 33 3.3.频差法频差法 此法是通过测量顺流和逆流时超声脉冲的重复频率差此法是通过测量顺流和逆流时超声脉冲的重复频率差 去测量流速。去测量流速。 频差法频差法 t f 1 由超声脉冲频率与时间的关系由超声脉冲频率与时间的关系 可得出：可得出： vc l t 1 vc l t 2 l v fff 2 12 （7.7.4） 34 便携式超声波流量计 35 涡街流量计（涡街流量计（Vortex flow meter) Vortex flow meter) 是是利

16、用流体流过利用流体流过 阻碍物时产生稳定的漩涡，通过测量其漩涡产生频率而阻碍物时产生稳定的漩涡，通过测量其漩涡产生频率而 实现流量计量的。实现流量计量的。 7.8 7.8 涡街流量计涡街流量计 理论基础是流体力学中著名的理论基础是流体力学中著名的“卡门涡街卡门涡街”原理原理: : 冯卡门(18811963)是美藉匈 牙利力学家，近代力学的奠基 人之一。 伟人的话也不一定都对 36 圆柱体后漩涡发生的频率为：圆柱体后漩涡发生的频率为： d v Sf r 1 （7-68） S Sr r-与雷诺数有关的无量纲数，称为斯特罗哈尔数；与雷诺数有关的无量纲数，称为斯特罗哈尔数； -漩涡发生体处流体平均流速

17、；漩涡发生体处流体平均流速； d d柱宽。柱宽。 1 v 根据流体连续性方程：根据流体连续性方程： 11F vFv （7-69） 1 FF、-分别是管道截面积、旋涡发生体处管道截面积（两个分别是管道截面积、旋涡发生体处管道截面积（两个 弓形面积之和）。弓形面积之和）。 最后推导出圆管中体积流量与旋涡发生频率最后推导出圆管中体积流量与旋涡发生频率f f的关系的关系 为：为： f s d D dD vFq r v )25.11( 4 2 （7-72） 37 38 7.9 7.9 容积流量计容积流量计 工作原理：在工作原理：在一定容积一定容积的空间里充满的液体，随流的空间里充满的液体，随流 量计内部

18、的运动元件的移动而被送出出口，测量这种量计内部的运动元件的移动而被送出出口，测量这种 送出流体的送出流体的次数次数就可以求出通过流量计的流体体积。就可以求出通过流量计的流体体积。 单位时间内所排出固定容积的数目作为测量依据单位时间内所排出固定容积的数目作为测量依据 0 nVV 设：设：V V0 0计量室的容积计量室的容积 nn转子的旋转次数转子的旋转次数 则 排出的流体总量排出的流体总量 P180 39 测量原理测量原理 腰轮每转动腰轮每转动一周一周，将转子与壳体之间构成的具有一定容积，将转子与壳体之间构成的具有一定容积 的计量室流体的四倍体积，从流入口送到流出口。的计量室流体的四倍体积，从流入口送到流出口。 04nVqv 计量室体积计量室体积 腰轮转速腰轮转速 体积流量体积流量 0V 40 腰轮流量计腰轮流量计 41 7.37.9小结：小结： 熟练掌握常用毕托管、熟练掌握常用毕托管、节流式节流式（孔板为主）差压计（孔板为主）差压计 测量流量的工作原理、应用条件。测量流量的工作原理、应用条件。 熟悉理解转子流量计、涡轮流量压计、电磁流量计、熟悉理解转子流量计、涡轮流量压计、电磁流量计、 超声波