試論流速與流量的測定

1、1.7 流速和流量的測定流速和流量的測定1.7.1 畢托管畢托管1.7.2 孔板流量計(jì)孔板流量計(jì)1.7.3 文丘里流量計(jì)文丘里流量計(jì)1.7.4 轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)流速和流量的測定流速和流量的測定 化工中流量測定的方法很多，原理各不相同。常見的流化工中流量測定的方法很多，原理各不相同。常見的流量計(jì)有量計(jì)有渦輪流量計(jì)渦輪流量計(jì)、畢托管畢托管、孔板流量計(jì)孔板流量計(jì)，文丘里流量文丘里流量計(jì)計(jì)和和轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)。 本節(jié)以流體運(yùn)動(dòng)的守恒原理為基礎(chǔ)的三種測定裝置的工本節(jié)以流體運(yùn)動(dòng)的守恒原理為基礎(chǔ)的三種測定裝置的工作原理。作原理。畢托管的測速原理畢托管的測速原理 畢托管又稱畢托管又稱測速管測速管，如圖

2、所示。，如圖所示。 考察從圖中考察從圖中A點(diǎn)到點(diǎn)到B點(diǎn)的流線，由于點(diǎn)的流線，由于B點(diǎn)的速度為零，點(diǎn)的速度為零，B點(diǎn)的總勢能等于點(diǎn)的總勢能等于A點(diǎn)的勢能與動(dòng)能之和。點(diǎn)的勢能與動(dòng)能之和。B點(diǎn)稱為點(diǎn)稱為駐駐點(diǎn)點(diǎn)，利用駐點(diǎn)，利用駐點(diǎn)B與與A點(diǎn)的勢能差可以點(diǎn)的勢能差可以測得管中的流速。在測得管中的流速。在A、B兩點(diǎn)間列兩點(diǎn)間列機(jī)械能衡算式機(jī)械能衡算式BAAApgzupgz221.7.1 畢托管畢托管畢托管的測速原理畢托管的測速原理-能量衡算能量衡算 測速管安裝在管路中，測速管安裝在管路中，A、B兩點(diǎn)在同一水平內(nèi)，于是兩點(diǎn)在同一水平內(nèi)，于是gRppuiABA221.7.1 畢托管畢托管測速管測量的是測速管

3、測量的是點(diǎn)速點(diǎn)速度度，可以測出截面的，可以測出截面的速度分布，進(jìn)行積分，速度分布，進(jìn)行積分，計(jì)算平均速度計(jì)算平均速度。應(yīng)用時(shí)測出管內(nèi)應(yīng)用時(shí)測出管內(nèi)最大最大流速流速，查圖，求出管，查圖，求出管內(nèi)的平均流速。內(nèi)的平均流速。畢托管的安裝畢托管的安裝 實(shí)際畢托管為右圖的形式。安實(shí)際畢托管為右圖的形式。安裝有以于要求。裝有以于要求。 （1）保證測量點(diǎn)位于均勻流段。）保證測量點(diǎn)位于均勻流段。測量點(diǎn)的上、下游有測量點(diǎn)的上、下游有50d以上的以上的直管長度，至少有（直管長度，至少有（810）d。 （2）保證畢托管口截面嚴(yán)格垂）保證畢托管口截面嚴(yán)格垂直于流動(dòng)方向，任何偏離降低直于流動(dòng)方向，任何偏離降低實(shí)際流速。

4、實(shí)際流速。 （3）畢托管直徑）畢托管直徑d0小于管徑小于管徑d的的1/50。1.7.1 畢托管畢托管 解解： 50空氣的密度為空氣的密度為=1.14 kg/m3smgRui/1 .1614. 1)14. 11000(015. 081. 92)(2max空氣流經(jīng)直徑為空氣流經(jīng)直徑為300 mm的管道，管中心放置畢的管道，管中心放置畢托管測量其流量。已知壓差計(jì)讀數(shù)托管測量其流量。已知壓差計(jì)讀數(shù)R為為15 mm（指示液為水），測得點(diǎn)表壓為（指示液為水），測得點(diǎn)表壓為4 kPa，試計(jì)算，試計(jì)算管道中空氣的質(zhì)量流量。管道中空氣的質(zhì)量流量。例例1 11 Remax = dumax/ = 0.31.011.

5、14/1.9610-3 = 2.8105 查得查得 u/umax為為0.82 則則 u = 0.8216.1=13.2m/s 質(zhì)量流量為質(zhì)量流量為 qm =d2u/4 =0.7850.3213.21.14 =1.06kg/s1、孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)、孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)1.7.2 孔板流量計(jì)孔板流量計(jì)2、測量原理、測量原理 原理原理：流體通過孔口時(shí)，由于流道截面積突然縮小，流速：流體通過孔口時(shí)，由于流道截面積突然縮小，流速增大，使流體動(dòng)能增加，靜壓能減小。在孔板前后產(chǎn)生壓增大，使流體動(dòng)能增加，靜壓能減小。在孔板前后產(chǎn)生壓強(qiáng)差，根據(jù)強(qiáng)差，根據(jù)U形壓強(qiáng)計(jì)測出壓差，求出管道中流體的流量。形壓強(qiáng)計(jì)測出壓差，求出管

6、道中流體的流量。 縮脈：縮脈：由于流體流動(dòng)的慣性，流動(dòng)截面的收縮影響會(huì)波及由于流體流動(dòng)的慣性，流動(dòng)截面的收縮影響會(huì)波及到孔板上、下游地區(qū)，流體流過孔板以后還會(huì)繼續(xù)收縮，到孔板上、下游地區(qū)，流體流過孔板以后還會(huì)繼續(xù)收縮，直到孔板下游某處，這里流道截面最小，稱為直到孔板下游某處，這里流道截面最小，稱為縮脈縮脈。 縮脈縮脈離孔口的距離與流體的流動(dòng)的離孔口的距離與流體的流動(dòng)的Re有關(guān)，還和孔與管道有關(guān)，還和孔與管道截面積的比值有關(guān)。截面積的比值有關(guān)。1.7.2 孔板流量計(jì)孔板流量計(jì)3、孔板流量計(jì)流量的計(jì)算式推導(dǎo)、孔板流量計(jì)流量的計(jì)算式推導(dǎo) 工作原理可用能量衡算方程推導(dǎo)。取上游流體截面尚工作原理可用能量

7、衡算方程推導(dǎo)。取上游流體截面尚未收縮處為未收縮處為1-1，縮脈處為，縮脈處為2-2截面，在兩截面間列柏截面，在兩截面間列柏努利方程，不考慮能量損失，則有：努利方程，不考慮能量損失，則有： 2221212121pupu1.7.2 孔板流量計(jì)孔板流量計(jì)（水平管道）（水平管道）)(2212122ppuu可得可得 根據(jù)流體連續(xù)性方程：根據(jù)流體連續(xù)性方程： u1A1 = u2A2 ，代入式得：代入式得：)(2)(212122222ppAAuu)(2)(11212122ppAAu1.7.2 孔板流量計(jì)孔板流量計(jì))(2)(10121010ppAACu 考慮流體通過孔板時(shí)的能量損失，縮脈處考慮流體通過孔板時(shí)的

8、能量損失，縮脈處A2和和u2難以確難以確定，孔口的截面積定，孔口的截面積A0已知，以已知，以A0代替代替A2，以孔口處的，以孔口處的壓強(qiáng)壓強(qiáng)p0和流速和流速u0代替代替p2和和u2，則上式為：，則上式為：C1-校正系數(shù)校正系數(shù) 實(shí)際連接實(shí)際連接U形管壓強(qiáng)計(jì)兩測壓孔不在形管壓強(qiáng)計(jì)兩測壓孔不在1-1截面和孔口處，截面和孔口處，而是緊靠而是緊靠孔板前后的位置孔板前后的位置上。上。U形管壓強(qiáng)計(jì)測出的壓形管壓強(qiáng)計(jì)測出的壓強(qiáng)差不是強(qiáng)差不是(p1-p0)，而是緊靠孔板前后的壓強(qiáng)差，以，而是緊靠孔板前后的壓強(qiáng)差，以(pa-pb)表示。這樣引入一校正系數(shù)表示。這樣引入一校正系數(shù)C2，上式即為：，上式即為：1.7

9、.2 孔板流量計(jì)孔板流量計(jì))(2)(2)(10210210babappCppAACCu212210)(1AACCCA0、A1、C1、C2是常數(shù)是常數(shù) 根據(jù)根據(jù)u0即可計(jì)算流體的流量：即可計(jì)算流體的流量： C0稱為稱為流量系數(shù)流量系數(shù)。C0與面積比、阻力損失、孔口形態(tài)、與面積比、阻力損失、孔口形態(tài)、測壓方式、加工光潔度、孔板厚度、管壁粗糙度和雷測壓方式、加工光潔度、孔板厚度、管壁粗糙度和雷諾準(zhǔn)數(shù)諾準(zhǔn)數(shù)Re有關(guān)。有關(guān)。 只有在只有在C0確定的情況下，才能計(jì)算出實(shí)際的流量。確定的情況下，才能計(jì)算出實(shí)際的流量。)(200000iVVRgACAuqq 若用若用U形壓強(qiáng)計(jì)測定孔板前后的壓差，壓強(qiáng)計(jì)的讀數(shù)形

10、壓強(qiáng)計(jì)測定孔板前后的壓差，壓強(qiáng)計(jì)的讀數(shù)為為R，則，則，pa-pb=gR(i-)，代入得，代入得)(200iRgCu1.7.2 孔板流量計(jì)孔板流量計(jì)4、流量系數(shù)、流量系數(shù)C0 C0的數(shù)值通過實(shí)驗(yàn)測得。對(duì)于的數(shù)值通過實(shí)驗(yàn)測得。對(duì)于測壓方式、加工狀況、結(jié)構(gòu)尺測壓方式、加工狀況、結(jié)構(gòu)尺寸等已定的標(biāo)準(zhǔn)孔板，寸等已定的標(biāo)準(zhǔn)孔板，C0是雷是雷諾數(shù)諾數(shù)Re與面積比與面積比m的函數(shù)。的函數(shù)。 實(shí)驗(yàn)測得的實(shí)驗(yàn)測得的C0見圖。當(dāng)見圖。當(dāng)Re增大增大到一定值后，到一定值后，C0不再隨不再隨Re而變而變化。實(shí)際測量流量時(shí)，化。實(shí)際測量流量時(shí)，Re就應(yīng)就應(yīng)在這一范圍。在這一范圍。 流量系數(shù)流量系數(shù)C0的范圍一般在的范圍一

11、般在0.60.7之間。之間。1.7.2 孔板流量計(jì)孔板流量計(jì)5、孔板流量計(jì)的特點(diǎn)、孔板流量計(jì)的特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，安裝方便，得到廣泛的使用。，制造容易，安裝方便，得到廣泛的使用。 不足之處不足之處在于局部阻力較大，孔口邊緣容易被流體腐蝕在于局部阻力較大，孔口邊緣容易被流體腐蝕或磨損，因此要定期進(jìn)行校正，同時(shí)流量較小時(shí)難以測或磨損，因此要定期進(jìn)行校正，同時(shí)流量較小時(shí)難以測定。定。 為為恒截面變壓差恒截面變壓差流量計(jì)。流量計(jì)。1.7.2 孔板流量計(jì)孔板流量計(jì)6、孔板流量計(jì)的安裝和阻力損失、孔板流量計(jì)的安裝和阻力損失 孔板流量計(jì)安裝時(shí)，在上游和下游必須分別有孔板流量計(jì)安裝時(shí)，在上游和下

12、游必須分別有(1540)d和和(510)d的直管距離。的直管距離。 孔板流量計(jì)的孔板流量計(jì)的缺點(diǎn)缺點(diǎn)是阻力損失比較大、不能測量小流量是阻力損失比較大、不能測量小流量的流體。孔板流量計(jì)的阻力損失可以通過下式來計(jì)算。的流體?？装辶髁坑?jì)的阻力損失可以通過下式來計(jì)算。ifRgCuh202021.7.2 孔板流量計(jì)孔板流量計(jì)值一般在值一般在0.8左右左右1.7.3 文丘里流量計(jì)文丘里流量計(jì) 孔板流量計(jì)孔板流量計(jì)能耗過多是不合理的。只要改變流道的突然能耗過多是不合理的。只要改變流道的突然擴(kuò)大和突然縮小，就可以降低阻力損失。文丘里流量計(jì)擴(kuò)大和突然縮小，就可以降低阻力損失。文丘里流量計(jì)就是根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)。就

13、是根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)。 為了避免流量計(jì)長度過長，通常采用收縮角大于擴(kuò)張角。為了避免流量計(jì)長度過長，通常采用收縮角大于擴(kuò)張角。收縮角一般為收縮角一般為1525，擴(kuò)張角一般為，擴(kuò)張角一般為57。文丘里管。文丘里管的流量系數(shù)的流量系數(shù)CV約為約為0.980.99。文丘里流量計(jì)文丘里流量計(jì) 阻力損失為阻力損失為 文丘里流量計(jì)流量與測壓計(jì)讀數(shù)間的關(guān)系為：文丘里流量計(jì)流量與測壓計(jì)讀數(shù)間的關(guān)系為：)(2Cu0V0Rg)(2A C q00VVRg201 . 0 uhf1.7.3 文丘里流量計(jì)文丘里流量計(jì)CV流量系數(shù)流量系數(shù)例例1-12 孔板流量計(jì)的設(shè)計(jì)計(jì)算孔板流量計(jì)的設(shè)計(jì)計(jì)算 用用15945 mm的鋼管輸送的鋼

14、管輸送20 的水，已知流量范圍為的水，已知流量范圍為50200 m3/h。指示液為水銀，讀數(shù)誤差為。指示液為水銀，讀數(shù)誤差為1 mm。試設(shè)。試設(shè)計(jì)一流量計(jì)，要求讀數(shù)誤差小于計(jì)一流量計(jì)，要求讀數(shù)誤差小于5 %，阻力損失盡可能小。，阻力損失盡可能小。 解：解：已知已知 d=0.15 m，=0.001 Pas，=1000 kg/m3，i=13600 kg/m3 qVmin = 50/3600 = 0.014 m3/s qVmax = 200/3600 = 0.056 m3/s umin = qVmin / A=0.0144/0.152 =0.793 Remin = dumin / = 0.15100

15、00.793/0.001=11800 設(shè)設(shè)m=0.3，查得，查得C0=0.632 d0=0.31/20.15=0.082m 最大流量時(shí)的讀數(shù)為最大流量時(shí)的讀數(shù)為 將各數(shù)據(jù)代入求出將各數(shù)據(jù)代入求出Rmax為為1m)(200maxiVRgACq 由于求出的讀數(shù)太大，即由于求出的讀數(shù)太大，即m值大小，再值大小，再m為為0.5，采用上，采用上述相同的方法分別求出各值為述相同的方法分別求出各值為 m = 0.5，查圖，查圖1-48得得C0=0.695， d0=0.51/20.15=0.106 m A0=0.00883 m2 Rmax=0.021 m 計(jì)算結(jié)果是合適的。計(jì)算結(jié)果是合適的。1.7.4 轉(zhuǎn)子流

16、量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)-轉(zhuǎn)子流量計(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子流量計(jì)結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)子流量計(jì)應(yīng)用很廣，結(jié)構(gòu)如圖。轉(zhuǎn)子流量計(jì)應(yīng)用很廣，結(jié)構(gòu)如圖。 結(jié)構(gòu)主體是一微帶錐形的玻璃管，結(jié)構(gòu)主體是一微帶錐形的玻璃管，錐角約為錐角約為4左右。左右。 管內(nèi)有一直徑略小于玻璃管的管內(nèi)有一直徑略小于玻璃管的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子，形成一個(gè)截面積較少的環(huán)隙。形成一個(gè)截面積較少的環(huán)隙。 轉(zhuǎn)子由不同材料制成各種形狀，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子由不同材料制成各種形狀，轉(zhuǎn)子的密度必須大于流體的密度。子的密度必須大于流體的密度。轉(zhuǎn)子流量計(jì) .swf工作原理工作原理 玻璃管內(nèi)無流體通過時(shí)，轉(zhuǎn)子將沉在玻璃管內(nèi)無流體通過時(shí)，轉(zhuǎn)子將沉在管底部管底部；流體以一定；流體以一定流量通過流量計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)子浮起，流

17、體在環(huán)隙中流過，轉(zhuǎn)子流量通過流量計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)子浮起，流體在環(huán)隙中流過，轉(zhuǎn)子上下端形成一個(gè)壓力差。轉(zhuǎn)子浮到一定高度，轉(zhuǎn)子上下端上下端形成一個(gè)壓力差。轉(zhuǎn)子浮到一定高度，轉(zhuǎn)子上下端形成一個(gè)壓力恰好等于轉(zhuǎn)子的重量，轉(zhuǎn)子不再上升，懸浮形成一個(gè)壓力恰好等于轉(zhuǎn)子的重量，轉(zhuǎn)子不再上升，懸浮在該高度，不再變化。在該高度，不再變化。 無論流量增加或減少，轉(zhuǎn)子上下端的壓力差發(fā)生變化，原無論流量增加或減少，轉(zhuǎn)子上下端的壓力差發(fā)生變化，原來的受力平衡打破，轉(zhuǎn)子將上升或下降至新的高度，達(dá)到來的受力平衡打破，轉(zhuǎn)子將上升或下降至新的高度，達(dá)到新的平衡。新的平衡。1.7.4 轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)流量計(jì)算公式的推導(dǎo)轉(zhuǎn)子流量

18、計(jì)流量計(jì)算公式的推導(dǎo) 同時(shí)在截面同時(shí)在截面1和截面和截面2之間列機(jī)械能衡之間列機(jī)械能衡算式（阻力損失先不考慮）：算式（阻力損失先不考慮）：2220222111upgzupgz1.7.4 轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì))(2)(21201221uuzzgppgVgVAppffff)(21當(dāng)轉(zhuǎn)子處于平衡位置，流體作用于轉(zhuǎn)子的力等于轉(zhuǎn)子的當(dāng)轉(zhuǎn)子處于平衡位置，流體作用于轉(zhuǎn)子的力等于轉(zhuǎn)子的重力，即重力，即即即轉(zhuǎn)子流量計(jì)流量計(jì)算公式的推導(dǎo)轉(zhuǎn)子流量計(jì)流量計(jì)算公式的推導(dǎo) 位能相差很小，可忽略。位能相差很小，可忽略。u0和和u1用連續(xù)性方程進(jìn)行轉(zhuǎn)化用連續(xù)性方程進(jìn)行轉(zhuǎn)化 u1u0A0/A1fffAgVAAu)(2/1121

19、00)(2)()(21201221uuAAzzgAppfff1.7.4 轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)fffRAgVCu)(20gVgVAppffff)(21上式各項(xiàng)乘以轉(zhuǎn)子截面積上式各項(xiàng)乘以轉(zhuǎn)子截面積Af2120210uAAAgVgVffff即即轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子流量計(jì)流量計(jì)算公式的推導(dǎo)轉(zhuǎn)子流量計(jì)流量計(jì)算公式的推導(dǎo) 用校正系數(shù)用校正系數(shù)CR考慮轉(zhuǎn)子的形狀和阻力損失等因素?？紤]轉(zhuǎn)子的形狀和阻力損失等因素。 CR與與Re有關(guān)。實(shí)際使用時(shí)，保證在較小的有關(guān)。實(shí)際使用時(shí)，保證在較小的Re數(shù)時(shí)出現(xiàn)數(shù)時(shí)出現(xiàn)高度湍流，使高度湍流，使CR為常數(shù)。為常數(shù)。fffRVAgVCAq)(201.7.4 轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子

20、流量計(jì)的體積流量為轉(zhuǎn)子流量計(jì)的體積流量為轉(zhuǎn)子流量計(jì)的特點(diǎn)轉(zhuǎn)子流量計(jì)的特點(diǎn)恒流速、恒壓差、變截面恒流速、恒壓差、變截面 轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與與流體流體已確定，已確定，Vf、Af、f、為常數(shù)，為常數(shù)，當(dāng)當(dāng)Re較大時(shí)，較大時(shí)，CR為常數(shù)。即為常數(shù)。即不管流量大小不管流量大小，環(huán)隙速度環(huán)隙速度u0為一常數(shù)。為一常數(shù)。 轉(zhuǎn)子流量計(jì)上下端的轉(zhuǎn)子流量計(jì)上下端的壓差恒定壓差恒定，阻力損失不隨流量變化。，阻力損失不隨流量變化。 特點(diǎn)特點(diǎn)：測量范圍廣，壓力高、：測量范圍廣，壓力高、流量大流量大不能測量。不能測量。 永久壓降的計(jì)算式為永久壓降的計(jì)算式為2/20uhf1.7.4 轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)的刻度轉(zhuǎn)子流量計(jì)的刻度 轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量與環(huán)隙面積有關(guān)，與其它無關(guān)，流量轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量與環(huán)隙面積有關(guān)，與其它無關(guān)，流量的大小只與玻璃管的形狀有關(guān)。的大小只與玻璃管的形狀有關(guān)。 玻璃管是一個(gè)錐體，玻璃管是一個(gè)錐體，環(huán)隙面積環(huán)隙面積與與錐體的高度錐體的高度成正比，即成正比，即轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量與玻璃管的高度成正比