大连大学建筑环境测试技术12

1、2022-4-131建筑环境测试技术建筑环境测试技术2第第6 6章章 物位测量物位测量 P134P1342.2.浮力式物位检测浮力式物位检测; ;1.1.静压式物位检测静压式物位检测; ;3.3.电气式物位检测电气式物位检测; ;4.4.声学式（超声波）物位检测声学式（超声波）物位检测; ;5.5.射线式物位检测。射线式物位检测。原理！3差压变送差压变送器器差压变送器作差压变送器作用：将压差信用：将压差信号变成号变成标准电标准电流信号流信号输出。输出。6.26.2静压式物位检测静压式物位检测; ;46.3 6.3 浮力式物位检测浮力式物位检测 P140一、恒浮力式物位检测一、恒浮力式物位检测5

2、二、变浮力式物位检测二、变浮力式物位检测xgACH 1. 1. 电容式液位计电容式液位计 电容式液位计利用电容式液位计利用液位高低液位高低变化变化影响影响电容器电容量大小电容器电容量大小的原理进行测量。的原理进行测量。HrRCln)(212 6.4 6.4 电气式物位检测电气式物位检测 P1417用于连续测量的电阻式液位计用于连续测量的电阻式液位计原理图原理图1-电阻棒；2-绝缘套；3-测量电桥电阻式液位计的原理是电阻式液位计的原理是基于液位变化引起电极基于液位变化引起电极间电阻变化间电阻变化，由电阻变，由电阻变化反映液位情况化反映液位情况 2. 2. 电阻式液位计电阻式液位计83.3.电感式

3、液位计电感式液位计 电感式液位电感式液位计利用电磁感应计利用电磁感应现象，现象，液位变化液位变化引起线圈电感变引起线圈电感变化化，感应电流也，感应电流也发生变化。发生变化。1、3-上下限线圈； 2-浮子96.5 6.5 声学式物位检测声学式物位检测 根据根据超声波从发射到接收反射回波的时间间隔大小与超声波从发射到接收反射回波的时间间隔大小与被测介质高度成比例关系被测介质高度成比例关系的原理，实现液位测量。的原理，实现液位测量。vtH21（6.5.1）10超声波液位计超声波液位计116.6 6.6 射线式物位检测射线式物位检测HeII0IIHlnln10 测液位测液位可通过测量射线在可通过测量射

4、线在穿过液体时强度穿过液体时强度的的变化量变化量来来实现。实现。 式中式中 吸收系数，条件固定时为常数。变形为：吸收系数，条件固定时为常数。变形为：(6.6.1)1213第第6 6章章 物位测量物位测量6.1 6.1 物位检测的主要方法和分类物位检测的主要方法和分类6.2 6.2 静压式物位检测静压式物位检测6.3 6.3 浮力式物位检测浮力式物位检测6.5 6.5 声学式物位检测声学式物位检测6.6 6.6 射线式物位检测射线式物位检测6.4 6.4 电气式物位检测电气式物位检测u 熟悉理解静压式、电容式、超声波式物位检测熟悉理解静压式、电容式、超声波式物位检测的检测原理。的检测原理。u 熟

5、练掌握静压式物位检测的计算方法及量程迁熟练掌握静压式物位检测的计算方法及量程迁移的方式、迁移量的计算。移的方式、迁移量的计算。14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（原理常用流速的测量方法（原理:简答题简答题） 机械方法机械方法 散热率法散热率法 动力测压法动力测压法 激光测速法激光测速法7.1.1、机械方法测量流速、机械方法测量流速 根据置于流体中的叶轮的根据置于流体中的叶轮的旋转角速度旋转角速度与流体的与流体的流流速成正比速成正比的原理来进行流速测量的。的原理来进行流速测量的。原理！15机械式风速仪是利用叶轮测量流速的实例：机械式

6、风速仪是利用叶轮测量流速的实例： 翼型和杯型翼型和杯型图图7.7.116177.1.2、散热率法测量流速、散热率法测量流速 散热率法测量流速的原理，是将发热的测速传感器置于散热率法测量流速的原理，是将发热的测速传感器置于被测流体中，利用发热的测速传感器的被测流体中，利用发热的测速传感器的散热率散热率与与流体流流体流速速成比例的特点，通过测定传感器的散热率来获得流体成比例的特点，通过测定传感器的散热率来获得流体的流速。的流速。 热线风速仪热线风速仪利用被加热的金属丝的热量损失来测量利用被加热的金属丝的热量损失来测量气体流速的。气体流速的。181920n工作原理：当热线探头置于流场中时，流体对热线

7、有冷工作原理：当热线探头置于流场中时，流体对热线有冷却作用。当热线向流体却作用。当热线向流体散热达到平衡散热达到平衡时，单位时间热线时，单位时间热线的发热量的发热量Q QR R与热线对流体的放热量与热线对流体的放热量Q Q平衡平衡，即即RQQ fT-热线对流换热系数；热线对流换热系数；wIwRwT F-流过热线的电流；流过热线的电流；-热线的电阻；热线的电阻；-热线换热面积；热线换热面积；-分别为热线和分别为热线和流体的温度流体的温度。)(fwTTFQ （7.1.2）（7.1.1）wwRRIQ2 （7.1.3）21)(2fwnfwwRRubaRRI 式中式中a a、b b皆为常数。皆为常数。

8、由传热学和流体力学知识推导得出热线基本方程：由传热学和流体力学知识推导得出热线基本方程： 只要固定只要固定电流或热线电阻电流或热线电阻两个参数中的任何一个，两个参数中的任何一个，就可以获得流体速度与另一个参数的单值函数关系。按就可以获得流体速度与另一个参数的单值函数关系。按照上式所示的热线工作方式可以有两种型式的热线风速照上式所示的热线工作方式可以有两种型式的热线风速仪，即仪，即恒流型恒流型和和恒温型恒温型两种。两种。-热线在温度为热线在温度为T Tf f时的电阻值。时的电阻值。fR流体速度是流过热线的流体速度是流过热线的电流和热线电阻（热线电流和热线电阻（热线温度）的函数温度）的函数（7.1

9、.6）22 如果在热线工作过程中，人为地用一如果在热线工作过程中，人为地用一恒值恒值电流对热线加热电流对热线加热，由于流体对热线对流冷却，由于流体对热线对流冷却，且且冷却能力随着流速的增大而加强冷却能力随着流速的增大而加强。当流速呈。当流速呈稳态时，则可根据热线电阻值的大小确定流体稳态时，则可根据热线电阻值的大小确定流体的速度。的速度。1. 恒流型热线风速仪恒流型热线风速仪 热线电阻随温度变化。热线电阻随温度变化。（7.1.7）fwnnfwRIubaubaRR2)()( 23电路简单电路简单wI电流一定，风速越大，温度越低。电流一定，风速越大，温度越低。 风场fwnnfwRIubaubaRR2

10、)()( 变温变阻状态变温变阻状态下工作，敏感下工作，敏感原件易老化，原件易老化，稳定性差。稳定性差。242. 恒温型热线风速仪恒温型热线风速仪 如果在热线工作过程中，始终如果在热线工作过程中，始终保持热线的温度不保持热线的温度不变变，则可通过，则可通过测得流经热线的电流值来确定流体的测得流经热线的电流值来确定流体的速度速度。 恒温风速计的基本原理就是利用反馈电路使热线温恒温风速计的基本原理就是利用反馈电路使热线温度和电阻保持恒定。度和电阻保持恒定。 当风速增加当风速增加热线变冷热线变冷（探头温度降低）（探头温度降低） 热敏热敏电阻电阻R R增大增大电流降低电流降低 提高桥路电压提高桥路电压电

11、流电流增大增大 热敏热敏电阻电阻R R降低降低温度基本恒定温度基本恒定测量出测量出电压电压的变化即可反映风速的变化。的变化即可反映风速的变化。252() () nwwfwfwfwfIab uRRaaR RRRbbR R（7.1.8）（7.1.9）nBuAE 2图7.1.3在实际测量电路中，测量的不是流经电路的电流，而是惠斯在实际测量电路中，测量的不是流经电路的电流，而是惠斯顿电桥的桥顶电压。根据桥路电压即可测出相应风速。顿电桥的桥顶电压。根据桥路电压即可测出相应风速。267.1.3、动力测压法测量流速、动力测压法测量流速 在静止气体中，由于不存在切向力，故这个力与所在静止气体中，由于不存在切向

12、力，故这个力与所取面积的方向无关，称为取面积的方向无关，称为静压力静压力。 对于运动流体而言，静压可用对于运动流体而言，静压可用垂直垂直于于流体运动方向流体运动方向单位面积上的作用力来衡量。单位面积上的作用力来衡量。 总压力是指流体在总压力是指流体在某点速度等熵滞止到零某点速度等熵滞止到零时所达到时所达到的压力。的压力。 总压与静压之差称为总压与静压之差称为动压动压。u几个概念几个概念27 临界点临界点(滞止压力点滞止压力点) 滞止压力是指在没有外力的作用下，流体速度绝热地减速滞止压力是指在没有外力的作用下，流体速度绝热地减速到零时所产生的压力，此时，流体的全部动能全部绝热地到零时所产生的压力

13、，此时，流体的全部动能全部绝热地转变成压力能。转变成压力能。 应用动力测压法应用动力测压法测量流速的压力测量流速的压力感受元件为感受元件为测压测压管。管。28 测压管的基本测量原理是依据测压管的基本测量原理是依据伯努利伯努利方程式方程式。 测压管的测压管的使用上限使用上限不超过相当于马赫数为不超过相当于马赫数为0.25时的时的流速。流速。 测压管的测压管的使用下限使用下限为被测量的流速在全压孔直径上为被测量的流速在全压孔直径上的雷诺数需超过的雷诺数需超过200。0 dpudu 根据一元稳定流动的微分方程式，可得：根据一元稳定流动的微分方程式，可得：（7.1.10）Pu -流体的总压和静压；流体

14、的总压和静压；- - 流体速度；流体速度；- - 流体密度。流体密度。292211222002222()upupCuppCuppPP 、0u -流体的总压和静压；流体的总压和静压；- - 流体速度；流体速度；- - 流体密度。流体密度。只要测得流体的总压和静只要测得流体的总压和静压之差及流体密度，就可压之差及流体密度，就可得出流体流动速度得出流体流动速度（7.1.11）（7.1.12）当气流速度较小时，考虑为不可压缩流体，将上式积分当气流速度较小时，考虑为不可压缩流体，将上式积分可得，即：可得，即：压力与流速压力与流速30202401(1)2242421ppuMkMppu对于可压缩气体有：对于

15、可压缩气体有：（7.1.137.1.13） Mk-气体压缩性修正系数；气体压缩性修正系数；- - 马赫数；马赫数；-气体的绝热指数气体的绝热指数。31测压差的方法测压差的方法（1）利用）利用总压管总压管、静压管静压管，分别测量流体的分别测量流体的总压和静压总压和静压，以确定以确定流体速度流体速度。（2）利用专门设计的）利用专门设计的复合测复合测压管压管，同时测量流体的，同时测量流体的总压总压和静压和静压（或两者之差），以（或两者之差），以确定流体速度。确定流体速度。由由测压管、连接管和显示或测压管、连接管和显示或记录仪表记录仪表三部分组成的测压三部分组成的测压系统，就可以测量流体的流系统，就可

16、以测量流体的流速。速。321. 流体总压、静压的测量流体总压、静压的测量(1) 流体总压测量与测压管流体总压测量与测压管测量流体总压的总压管在使用时，其感压孔轴线测量流体总压的总压管在使用时，其感压孔轴线应对准来流方向。应对准来流方向。希望总压管对流动方向越不敏感越好。希望总压管对流动方向越不敏感越好。33L形总压管形总压管 制造容易，使制造容易，使用安装方便。用安装方便。 它对流动偏斜它对流动偏斜角的灵敏性取角的灵敏性取决于压力孔直决于压力孔直径与管子外径径与管子外径之比以及总压之比以及总压管头部的形状。管头部的形状。图图7.1.434圆柱形总压管圆柱形总压管 可以制作得很小，惯可以制作得很

17、小，惯性不大，工艺性好，性不大，工艺性好，制造容易，使用方便。制造容易，使用方便。图图7.1.5 圆柱形总压管圆柱形总压管35套管式总压管套管式总压管 在马赫数变化较大范在马赫数变化较大范围内，它对流动偏斜围内，它对流动偏斜角的不灵敏度达到角的不灵敏度达到(4050)套管式总压管套管式总压管36（2）流体的静压测量与测压管）流体的静压测量与测压管u测量被绕流体表面上某点的压力或流道壁面上流体测量被绕流体表面上某点的压力或流道壁面上流体的压力。的压力。这时可利用在通道壁面或绕流物体表面开这时可利用在通道壁面或绕流物体表面开静压孔静压孔的的方法进行测量。方法进行测量。u确定流场中某点的压力，也就是

18、确定流场中某点的压力，也就是运动流体的压力运动流体的压力。这时可以利用尺寸较小具有一定形状的测压管插入流体这时可以利用尺寸较小具有一定形状的测压管插入流体中，进行流体压力测量。中，进行流体压力测量。L L形静压管、盘形静压管、套管形静压管形静压管、盘形静压管、套管形静压管需要测量平直流道内的需要测量平直流道内的流体静压流体静压时可采用在流道壁面开时可采用在流道壁面开静压孔的方法来测量。静压孔的方法来测量。37图图7.1.6 壁面静压测量壁面静压测量382. 毕托管毕托管分别分别采用总压管和静压管测得流体的总压和静压，然后采用总压管和静压管测得流体的总压和静压，然后利用公式计算得到流体速度利用公

19、式计算得到流体速度。缺点：不能同时测得某一点的流体的总压和静压。缺点：不能同时测得某一点的流体的总压和静压。可同时测得流体总压和静压之差的复合测压管称为可同时测得流体总压和静压之差的复合测压管称为毕托毕托管管（动压管、速度探针）。（动压管、速度探针）。l特点：结构简单，使用、制造方便，价格便宜，坚固特点：结构简单，使用、制造方便，价格便宜，坚固可靠，精度高。可靠，精度高。l毕托管测量的是空间某点处的平均速度，它的头部尺毕托管测量的是空间某点处的平均速度，它的头部尺寸决定了它的空间分辨率寸决定了它的空间分辨率l根据所测量的流体性质，将毕托管设计成不同的形状，根据所测量的流体性质，将毕托管设计成不

20、同的形状，常用的有常用的有L形和形和T形。形。39（1）L形毕托管形毕托管)(20PPu 流体速度流体速度u - - 流体速度；流体速度；- - 流体密度。流体密度。式中式中0P， -流体的总压和静压；流体的总压和静压；P图图7.1.740（2）T形毕托管形毕托管)(20PPu 总压静压来流方向敏感壁面、含尘、粘度大41测量流体测量流体总压总压测量流动测量流动方向方向 能同时测出流体的总压及流速的大小和方向的测压管称为复合测能同时测出流体的总压及流速的大小和方向的测压管称为复合测压管。压管。 在平面流场的测量中，常用二元复合测压管测量流体的总压、静在平面流场的测量中，常用二元复合测压管测量流体

21、的总压、静压及流速的大小和方向。压及流速的大小和方向。 圆柱形、管束形和楔形。圆柱形、管束形和楔形。3. 流动方向的测量与复合测压管流动方向的测量与复合测压管图图7.1.9 圆柱形复合测压管圆柱形复合测压管42 当光源和反射体或散射体之间存在相对当光源和反射体或散射体之间存在相对运动时，接收到的声波频率与入射声波运动时，接收到的声波频率与入射声波频率存在差别的现象称频率存在差别的现象称光学多普勒效应光学多普勒效应，是奥地利学者多普勒于是奥地利学者多普勒于18421842年发现。年发现。 当单色光束入射到当单色光束入射到运动体运动体上某点时，光上某点时，光波在该点被运动体散射，散射光频率与波在该

22、点被运动体散射，散射光频率与入射光频率相比，产生了正比于物体运入射光频率相比，产生了正比于物体运动速度的频率偏移，称动速度的频率偏移，称多普勒频移多普勒频移。 激光测速的激光测速的原理原理：是测量通过激光束的：是测量通过激光束的示踪粒子示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速度。测得多普勒频率的关系得到粒子速度。测得了粒子的速度，也就是流体流动的速度。了粒子的速度，也就是流体流动的速度。7.1.47.1.4、激光多普勒测速技术、激光多普勒测速技术非接触测量技术非接触测量技术 P155P15516.8W/套43(7.1.15)(7.1.15) 激光多

23、普勒测速光学布置有参考光模式、单光束模式和激光多普勒测速光学布置有参考光模式、单光束模式和双光束模式三种双光束模式三种。)(200eeufsDDf0ese0 -粒子散射光在光速方向的向量；-多普勒频移；-粒子散射光相对于接收器方向的向量；-光源在真空中的波长。 测速原理是利用随流体运动的微粒散射光的多普勒效应测速原理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的信息。分析可知多普勒频移关系式为：来获得速度的信息。分析可知多普勒频移关系式为： 粒子在空气中运动时，当光源、运动粒子和光接收器三粒子在空气中运动时，当光源、运动粒子和光接收器三者之间的相对位置固定时，就可以从检测到的频移确定粒子

24、者之间的相对位置固定时，就可以从检测到的频移确定粒子的速度，也就是流体流动的速度。的速度，也就是流体流动的速度。44VPII光源光源;S;S光接收器光接收器;M;M反射镜反射镜;F;F分光镜分光镜;L;L透镜透镜;N;N光栏光栏图7.1.12 双光束双散射模式光路系统I IS SM MF FL LN N 来自光源来自光源I I的一束激光被分光镜的一束激光被分光镜F F和反射镜和反射镜M M分为两束相同分为两束相同的光束，经透镜的光束，经透镜L L聚焦于测量点聚焦于测量点P P。流经测量点的粒子接受两。流经测量点的粒子接受两个方向的相同的入射光照射后，向四周发出散射光。散射光个方向的相同的入射光

25、照射后，向四周发出散射光。散射光经接收光栏经接收光栏N N及接收透镜后，汇聚到光检测器上，光检测器及接收透镜后，汇聚到光检测器上，光检测器将接收到的光信号（将接收到的光信号（多普勒频移多普勒频移）转换成电信号传输给信号）转换成电信号传输给信号处理系统。处理系统。（P156）45221光源光接收器透镜接收透镜平面镜分光镜 激光器激光器1 1发射出来的单色平行光经发射出来的单色平行光经聚焦透镜聚焦透镜2 2聚焦到聚焦到被测流被测流体区域内体区域内，运动粒子运动粒子使一部分激光散射，散射光与未散光之使一部分激光散射，散射光与未散光之间发生间发生频移频移。散射光与未散射光分别由两个。散射光与未散射光分

26、别由两个接收透镜接收透镜3 3和和4 4接接收，再经收，再经平面镜平面镜5 5和分光镜和分光镜6 6重合后，在重合后，在光电倍增管光电倍增管7 7中叠加中叠加产生频差，光电倍增管将输出一个与频差产生频差，光电倍增管将输出一个与频差f f 相关的交流相关的交流信号；对这个频差信信号；对这个频差信号进行处理，即可获号进行处理，即可获得运动粒子的流速得运动粒子的流速u u。即流体的流速。即流体的流速。 46处理器处理器激光器激光器发射器发射器接受透镜接受透镜光电倍增管光电倍增管 测量系统包括激光器、激光耦合器、信号处理器、数据处测量系统包括激光器、激光耦合器、信号处理器、数据处理系统以及激光发射和接

27、收器等。一般情况下，它的测速理系统以及激光发射和接收器等。一般情况下，它的测速范围是范围是-90-90283m/s283m/s，可测粒径范围是，可测粒径范围是0.50.59090m m，此范围，此范围还可通过更换发射镜头加以扩大。还可通过更换发射镜头加以扩大。 利用多普勒效应制成的仪器有激光多普勒测量仪、超声多利用多普勒效应制成的仪器有激光多普勒测量仪、超声多普勒测量仪等，具普勒测量仪等，具有精度高、非接触、有精度高、非接触、不扰乱流场、响应不扰乱流场、响应快、空间分辨率高、使用方便的特点，广泛用于流速测量、快、空间分辨率高、使用方便的特点，广泛用于流速测量、工业中钢板、铝材测量、医学中血液循

28、环监测、医学诊断工业中钢板、铝材测量、医学中血液循环监测、医学诊断等。等。47 多普勒声纳一般安装在船体底部，由一个发射器和一个接收器组多普勒声纳一般安装在船体底部，由一个发射器和一个接收器组成，发射器沿着固定的倾角成，发射器沿着固定的倾角斜向海底发射一束超声波。该束超声波斜向海底发射一束超声波。该束超声波在海底漫反射，其中必有一定强度的波沿在海底漫反射，其中必有一定强度的波沿POPO方向反射回接收器。由于方向反射回接收器。由于超声波在水中的传播速度（约超声波在水中的传播速度（约1500m1500ms-1s-1）大大超过船舶前进的速度，）大大超过船舶前进的速度，所以在超声波沿所以在超声波沿OP

29、OP方向来回传播期间船舶前进的距离是很小的，利用方向来回传播期间船舶前进的距离是很小的，利用多普勒频移原理可测出船舶前进的速度。多普勒频移原理可测出船舶前进的速度。487.2 7.2 流速测量仪表的校准流速测量仪表的校准 P156P156风洞实验室。风洞实验室。小结：熟练掌握常用机械法、散热率法、动力测小结：熟练掌握常用机械法、散热率法、动力测压法测量流速的测量方法和工作原理。压法测量流速的测量方法和工作原理。L形毕托管：形毕托管：)(20PPu 497.3 7.3 流量测量方法和分类流量测量方法和分类u流量流量流体在单位时间内通过管道或设备某横流体在单位时间内通过管道或设备某横 截面处的数量

30、。截面处的数量。l体积流量体积流量q qv v 用流体的体积来表示，单位为用流体的体积来表示，单位为m m3 3/h/h。l质量流量质量流量q qm m 用流量的质量来表示，单位为用流量的质量来表示，单位为kg/hkg/h。u常用流量表示方法：常用流量表示方法：50u瞬时流量和累积流量瞬时流量和累积流量瞬时流量瞬时流量在单位时间内流过管道或明渠某一截在单位时间内流过管道或明渠某一截 面的流体的量。面的流体的量。累积流量累积流量在某一时间间隔内流体通过的总量。在某一时间间隔内流体通过的总量。 该总量可以用在该段时间间隔内的瞬该总量可以用在该段时间间隔内的瞬 时流量对时间的积分而得到，所以也时流量

31、对时间的积分而得到，所以也 叫积分流量。叫积分流量。u累积流量除以流体流过的时间间隔，为累积流量除以流体流过的时间间隔，为平均流量。平均流量。 质量流量和体积流量关系：质量流量和体积流量关系：vmqq 51（1 1）速度法速度法测出管道内的测出管道内的平均流速平均流速，再乘以管道，再乘以管道截面积截面积求得流求得流体的体的体积流量体积流量。 较宽的使用条件，可用于各种工况下流体的流量检测。利用平均较宽的使用条件，可用于各种工况下流体的流量检测。利用平均流速计算流量，管路条件影响大，流动产生涡流以及截面上流速分布流速计算流量，管路条件影响大，流动产生涡流以及截面上流速分布不对称等都会带来测量误差

32、。不对称等都会带来测量误差。 （2 2）容积法容积法单位时间单位时间内以内以标准固定体积标准固定体积对流动介质对流动介质连续连续不断地不断地进行度量，以排出进行度量，以排出流体固定容积数流体固定容积数来计算流量。来计算流量。 受流体的流动状态影响小，适用于测量高粘度、低雷诺数的流体。受流体的流动状态影响小，适用于测量高粘度、低雷诺数的流体。（3 3）通过直接或间接的方法测量单位时间内流过管道截面的流体质）通过直接或间接的方法测量单位时间内流过管道截面的流体质量数。量数。 u流量测量方法流量测量方法通常有三种：通常有三种：527.4 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

33、表 P161 P161 u差压式流量测量方法，根据差压式流量测量方法，根据伯努利方程伯努利方程提供的基本原理，提供的基本原理，通过测量通过测量流体差压信号流体差压信号来来反映流体流量反映流体流量的测量方法。的测量方法。7.4.1、利用毕托管测量流量、利用毕托管测量流量inivuNFq 1流体的体积流量为：流体的体积流量为：(7.4.1)流体的质量流量为：流体的质量流量为： vmqq毕托管测量的是管道内毕托管测量的是管道内 的流速。的流速。某一点某一点管道截面积管道截面积管道截面等分数管道截面等分数平均流速平均流速53获得管道内的获得管道内的平均流速平均流速的方法的方法P162。图图7.4.17

34、.4.1图图7.4.27.4.2管道内速度分布管道内速度分布547.4.2、差压式流量计！、差压式流量计！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转换成压差压差信号的信号的节流装置节流装置、压力信号传输管道、压力信号传输管道和用来测量差压的和用来测量差压的差压计差压计组成。组成。u常用节流装置常用节流装置: l 标准标准孔板孔板(双重孔板、圆缺孔板、双斜孔板双重孔板、圆缺孔板、双斜孔板);l 喷嘴喷嘴;l 文丘利喷嘴文丘利喷嘴;l 文丘利管文丘利管。55图图7.4.37.4.3前后产生压力差！前后产生压力差！检测原理检测原理：当充满圆管的流体流经在管道内部安装的

35、节流：当充满圆管的流体流经在管道内部安装的节流装置时，流束将在节流件处形成装置时，流束将在节流件处形成局部收缩，使流速增大，局部收缩，使流速增大，静压力静压力降低降低，于是在，于是在节流件前后产生压力差节流件前后产生压力差。流体流量愈。流体流量愈大，产生压差愈大，这样可依据差压计检出的压差来衡量大，产生压差愈大，这样可依据差压计检出的压差来衡量流量的大小。流量的大小。56P压力损失压力损失孔板前后静孔板前后静压力压力流速流速图图7.4.47.4.457 推导过程见（推导过程见（7.4.4）（7.4.7）式，则有）式，则有：式中式中 -节流元件的流量系数节流元件的流量系数; ; - -流束膨胀系

36、数流束膨胀系数; ; d- d-节流装置的开孔直径节流装置的开孔直径; ; 1 1-节流元件上游处流体密度节流元件上游处流体密度; ; - -节流装置前后实际测得的压力差节流装置前后实际测得的压力差. .1. 差压式流量计差压式流量计工作原理工作原理及流量基本公式及流量基本公式理论基础理论基础：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 1224 58Pdqv 1224 流体的体积流量为：流体的体积流量为：适用于可压缩流体及不可压缩流体。适用于可压缩流体及不可压缩流体。Pdqm 1224 流量

37、系数与节流元件的形式、取压方式、孔径比、流量系数与节流元件的形式、取压方式、孔径比、流体的流动状态（雷诺数）等因素有关。流体的流动状态（雷诺数）等因素有关。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59 取压方式 环室取压环室取压 单独钻孔取压单独钻孔取压 法兰取压法兰取压 标准喷嘴取压方式标准喷嘴取压方式 标准孔板的几种取压方式标准孔板的几种取压方式 标准孔板可采用角接取压、法兰取压标准孔板可采用角接取压、法兰取压 标准喷嘴采用角接取压标准喷嘴采用角接取压2.标准节流装置的取压标准节流装置的取压(P)方式：方式：60l 仪表性能方面仪

38、表性能方面(1) (1) 精确度、重复性、线性度、流量范围；精确度、重复性、线性度、流量范围； 压力损失。压力损失。l 流体特性方面流体特性方面 流体物性参数的确定流体物性参数的确定流体条件流体条件 标准节流装置只适用于测量标准节流装置只适用于测量圆形截面管道圆形截面管道中的中的单相单相、均质流体均质流体的流量，流体应充满管道并作连续、稳定流动，的流量，流体应充满管道并作连续、稳定流动，流速小于音速。流速小于音速。 流体在流过节流元件前应是充分发展的流体在流过节流元件前应是充分发展的紊流紊流。 (2)(2)流体的腐蚀、磨蚀、结垢、脏污等。流体的腐蚀、磨蚀、结垢、脏污等。3.选用标准节流装置考虑

39、要点选用标准节流装置考虑要点 P166P16661l 安装条件方面安装条件方面管道条件管道条件 流件前后有必要直管段长度流件前后有必要直管段长度 。l 环境条件方面环境条件方面 引压管线、环境温度等。引压管线、环境温度等。 节流装置不能反向安装！节流装置不能反向安装！62 双波纹管差压计；双波纹管差压计； 膜盒式差压计等。膜盒式差压计等。 差压式流量测量系统组成差压式流量测量系统组成节流装置节流装置：安装于管道中产生差压，节流件前后差压与流量成开方：安装于管道中产生差压，节流件前后差压与流量成开方关系。关系。引压导管引压导管：取节流装置前后产生的差压，传送给差压变送器。：取节流装置前后产生的差

40、压，传送给差压变送器。差压变送器差压变送器：产生的差压转换为标准电信号（：产生的差压转换为标准电信号（4-20mA4-20mA）。）。4. 4. 标准节流装置的配套仪表标准节流装置的配套仪表63 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！64配差压式流量测量系统配差压式流量测量系统 节流装置节流装置引压管引压管差压变差压变送器送器节流装置节流装置1P2P1P2P图图7.4.77.4.765孔板流量计能量损耗较大，文丘里流量计如图所示。孔板流量计能量损耗较大，文丘里流量计如图所示。7.4.3、其他差压式流量计、其他差压式流量计66转子流

41、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及支撑连接部分分组成。组成。从转子的悬浮高度直接读取流从转子的悬浮高度直接读取流量数值。量数值。1. 1. 转子流量计转子流量计67 转子采用转子采用不锈钢、铜及塑料不锈钢、铜及塑料等各种抗腐蚀材料制成，适用等各种抗腐蚀材料制成，适用于中小流量的测定，耐压在于中小流量的测定，耐压在 300400 kPa范围。范围。 68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

42、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。 69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积为 ：)44(42200hnnhdF （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。htgDdhho 202020202020)2(4)2(4)(4dhnddhtgddDF 0F70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

43、 m2 2 q qV V流体的体积流量，流体的体积流量，m m3 3/s/sPFqv 20根据柏努利方程导出流量公式为：根据柏努利方程导出流量公式为：（7.4.11）nhdhnnhdF02200)( 由于由于n n很小，故有：很小，故有：)()44(42202200hnnhdhnnhdF 71 作用在转子上的压差力（向上冲力）等于转子本身垂作用在转子上的压差力（向上冲力）等于转子本身垂直向下的重力和流体对转子所产生的垂直向上的浮力之和。直向下的重力和流体对转子所产生的垂直向上的浮力之和。 gVpFfff)( （7.4.13）fffFgVp)( 即：即： 当转子的上升力等于转子的净重力时，转子在

44、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。gVff 转子的重力转子的重力 gVf 流体的浮力流体的浮力 72PFqv 20fffFgVp)( 将将代入代入fffvFgVFq )(20 得：得：nhdF00 由于：由于：代入上式得：代入上式得：fffvFgVnhdq )(20 （7.4.14）可见：可见：hqv 73转子流量计特点：转子流量计特点：恒压差、变截面式流量计。恒压差、变截面式流量计。刻度换算刻度换算u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：水（液体：水（ 1000

45、kg/m1000kg/m3 3 ），）， 气体：空气（气体：空气（ 1.2kg/m1.2kg/m3 3） 垂直安装；垂直安装；74 转子流量计指示值修正转子流量计指示值修正液体流量的修正液体流量的修正kqqffvv )()(气体流量的修正气体流量的修正 01010101QTPTPQ 修改量程修改量程 fffvvFgVkhkqq )(2 vvqq 、-分别为修正前和修正后的流量；分别为修正前和修正后的流量；f -分别为标定流体和实际流体密度；分别为标定流体和实际流体密度； 、-转子材料密度；转子材料密度；75几种流量计特点流量计流量计测速管测速管 孔板流量计孔板流量计文丘里文丘里流量计流量计转子

46、流量计转子流量计目的量目的量点速度点速度平均速度平均速度平均速度平均速度平均速度平均速度特征特征_变压差变压差变压差变压差变流通截面变流通截面基本公基本公式式系数系数C0.9810.60.70.9810.98 PPCu 02762. 2. 动压平均管动压平均管-笛形管笛形管图图7.4.137.4.13基于毕托管DPFuFqv2777.5 7.5 叶轮式流量计叶轮式流量计7.5.1、水表、水表 切线流叶轮式、竖式叶轮式、轴流式叶轮式；切线流叶轮式、竖式叶轮式、轴流式叶轮式； 湿式水表、干式水表。湿式水表、干式水表。图图7.5.17.5.1787.5.2、涡轮流量计、涡轮流量计流量流量涡轮转速涡轮

47、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79rtgvzznzf 220 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。0vFqv 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：vqrFztgf 2 8081 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； P174827.6 7.6 电磁流量计电磁流量计 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

48、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。 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律说明，当导体在磁场中切割说明，当导体在磁场中切割磁力线时，将产生电动势。该电动势的大小与磁感应磁力线时，将产生电动势。该电动势的大小与磁感应强度强度B，磁场中做垂直切割磁力线方向运动的导体长，磁场中做垂直切割磁力线方向运动的导体长度度L和导体在磁场中做垂直切割磁力线方向运动的速和导体在磁场中做垂直切割磁力线方向运动的速度度v成正比。成正比。 P17583vLvBe （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

49、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7.6.17.6.1图图7.6.27.6.2BV84D 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：eBDVAqv4 V85特点：特点：使用电磁流量计的前提是，被测流体必须是导电的。使用电磁流量计的前提是，被测流体必须是导电的。86 当超声波在流体中传播时，会载带流体流速的信息。当超声波在流体中传播时，会载带流体流速的信息。因

50、此，根据对接收到的超声波信号进行分析计算，可因此，根据对接收到的超声波信号进行分析计算，可以检测到流体的流速，进而可以得到流量值。以检测到流体的流速，进而可以得到流量值。7.7 7.7 超声波流量计超声波流量计 利用利用超声波在流体中的传播速度会随被测流体流速而超声波在流体中的传播速度会随被测流体流速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。 超声波流量测量方法有很多，根据测量的物理量超声波流量测量方法有很多，根据测量的物理量的不同，分的不同，分时差法时差法、相差法相差法、频差法频差法和和多普勒多普勒方法等。方法等。超声波流量计超声波流量计 P17687

51、时差法时差法-测量顺、逆流传播时由于超声波传播速度不同测量顺、逆流传播时由于超声波传播速度不同而引起的时间差；而引起的时间差；相差法相差法-测量超声波在顺、逆流中传播的相位差；测量超声波在顺、逆流中传播的相位差；频差法频差法-测量顺、逆流情况下超声脉冲的循环频率差测量顺、逆流情况下超声脉冲的循环频率差) )。 传播速度差法的传播速度差法的基本原理基本原理为：为：测量超声波脉冲在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顺流和逆流传播过程中的速度之差来得到到被测流体的流速。的流速。 频差法频差法是目前常用的测量方法，它是在前两种测是目前常用的测量方法，它是在前两种测量方法的基

52、础上发展起来的。量方法的基础上发展起来的。88 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F F1 1和和F F2 2及两及两个接收换能器个接收换能器J J1 1和和J J2 2，F F1 1J J1 1和和F F2 2J J2 2与管道轴线夹角为与管道轴线夹角为a a，管，管径为径为D D，流体由左向右流动，速度为，流体由左向右流动，速度为v v，此时由，此时由F F1 1到到J J1 1超声超声波传播速度为波传播速度为F F2 2到到J J2 2超声波传播速度为：超声波传播速度为：1.1.时差法时差法顺流逆流89 如果超声波发生器发射一短小脉冲，其顺流传播时如

53、果超声波发生器发射一短小脉冲，其顺流传播时间为间为而逆流传播的时间为而逆流传播的时间为2/sincosDtcv一般情况下，有一般情况下，有c v，即，即c2 v2，则则 cos22212vcDvctgttt 2122cDvctgttt 90 Dctgtcv22 tKDctgtcDvAqv24222.2.相差法相差法 所谓相差法，既是通过测量超声波在顺流和逆流时所谓相差法，既是通过测量超声波在顺流和逆流时传播的传播的相位差相位差来得到流速。来得到流速。91 上述两种方法必须已知声速上述两种方法必须已知声速c c，而声速要随温度而变化，而声速要随温度而变化，故只有进行声速修正，才能提高测量精度。故

54、只有进行声速修正，才能提高测量精度。或：或：tft 2（7.7.3）tf-超声波的频率。超声波的频率。tKqv 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。 Kqv923.3.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。lvfff212 （7.7.4） 可见流速只与频率差有关，而与声速无关，消除了声可见流速只与频率差有关，而与声速无关，消除了声速的影响。速的影响。频差法频差法93 多普勒法是利用声学多普勒原理确定流体流量的。多普勒法是利用声学多普勒原理确定流体流量的。多普勒效应是当声源和目标之间有

55、相对运动，会引起多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动，会引起声波在频率上的变化，这种频率变化正比于声波在频率上的变化，这种频率变化正比于运动的目运动的目标和静止的换能器之间标和静止的换能器之间的相对速度。的相对速度。2.2.多普勒法多普勒法 94 超声换能器安装在管外。从发射晶体超声换能器安装在管外。从发射晶体T T发射的超声发射的超声波束遇到流体中运动着颗粒或气泡，再反射回来由接波束遇到流体中运动着颗粒或气泡，再反射回来由接收晶体收晶体R1R1接收。发射信号与接收信号的多普勒频率偏接收。发射信号与接收信号的多普勒频率偏移与流体流速成正比。移与流体流速成正比。95 涡街流量计（涡街流量计（V

56、ortex flow meter) Vortex flow meter) 是是利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。涡街流量计由涡街流量传感器和流量涡街流量计由涡街流量传感器和流量显示仪表两部分构成，显示仪表两部分构成，7.8 7.8 涡街流量计涡街流量计 流体振动流量计是流体振动流量计是6060年代末期发展起来的一种较新年代末期发展起来的一种较新的流量测量技术。它具有如下一些特点：的流量测量技术。它具有如下一些特点：可得到与流量可得到与流量成正比的频率输出信号成正比的频率输出信号

57、；被测流体本身就是振动体，无；被测流体本身就是振动体，无机械可动部件，几乎不受流体组成、密度、粘度、压力机械可动部件，几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响；所以，该测量方法越来越受到人们的重等因素的影响；所以，该测量方法越来越受到人们的重视，视，96 涡街流量计实现流量测量的理论基础是流体力学中著涡街流量计实现流量测量的理论基础是流体力学中著名的名的“卡门涡街卡门涡街”原理。在流动的流体中放置一根其轴线原理。在流动的流体中放置一根其轴线与流向垂直的非流线性柱形体与流向垂直的非流线性柱形体( (加三角柱、圆柱等加三角柱、圆柱等) )，称之，称之为漩涡发生体。当流体沿漩涡发生体绕流时，会

58、在漩涡发为漩涡发生体。当流体沿漩涡发生体绕流时，会在漩涡发生体下游产生如图所示生体下游产生如图所示不对称但有规律的交替漩涡列不对称但有规律的交替漩涡列，这，这就是所谓的卡门涡街。就是所谓的卡门涡街。9798 由于漩涡之间的相互影响，其形成通常是不稳定由于漩涡之间的相互影响，其形成通常是不稳定的。冯的。冯. .卡门对涡列的稳定条件进行了研究，于卡门对涡列的稳定条件进行了研究，于19111911年得到结论：只有当两漩涡列之间的距离年得到结论：只有当两漩涡列之间的距离h h和同列的和同列的两漩涡之间的距离两漩涡之间的距离L L之比满足之比满足: :此时，所产生的涡街才是稳定的。此时，所产生的涡街才是

59、稳定的。99圆柱体后漩涡发生的频率为：圆柱体后漩涡发生的频率为：dvSfr1 dvdvSfr1121.0 （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；漩涡发生体处流体平均流速；d d柱宽。柱宽。1v25Re310 210范围内范围内s sr r是个常数。是个常数。100 可推导出圆管中旋涡发生频率可推导出圆管中旋涡发生频率f f与管内平均流速与管内平均流速v v的关的关系为（系为（7-717-71）式。）式。 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：根据流体连续性方程：根据流体连续性方程：11FvFv（7-69）1FF、-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）。fsdDdDvFqrv)25.11(42 （7-72）101 检测原理检测原理102 圆柱体表面开有导压