第1章 流體測(cè)量技術(shù)

第一章流體測(cè)量技術(shù)目錄第一節(jié)流體壓強(qiáng)的測(cè)量第二節(jié)流體在管道中的流動(dòng)狀態(tài)第四節(jié)簡(jiǎn)單管路計(jì)算全國(guó)高等學(xué)校高職高專藥品類專業(yè)衛(wèi)生部“十一五”規(guī)劃教材《生物制藥設(shè)備》第三節(jié)流量測(cè)量?jī)x表學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)1.掌握流體靜壓強(qiáng)、密度、流量、流速、黏度、層流、湍流、層流底層等基本概念；2.熟悉流體靜力學(xué)基本方程式、流量方程式；3.了解柏努利方程式、范寧公式的意義。能力目標(biāo)1.學(xué)會(huì)流體靜力學(xué)基本方程式、流量方程式簡(jiǎn)單計(jì)算；2.掌握U形管壓差計(jì)、孔板流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)的使用方法。第一節(jié)流體壓強(qiáng)的測(cè)量

一、表壓強(qiáng)和真空度的測(cè)量

（一）流體的密度1、流體的密度定義：物性參數(shù)：結(jié)構(gòu)，溫度，壓強(qiáng)液體：不可壓縮流體，氣體：可壓縮流體（1）氣體的密度為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的壓力、溫度和密度；

為特定條件下氣體的壓力、溫度和密度

為氣體總摩爾數(shù)

混合氣體各組分的摩爾分?jǐn)?shù)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量混合氣體的平均密度（2）混合氣體的平均密度為氣相中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.相對(duì)密度（3）混合液體的平均密度物質(zhì)的密度和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的密度之比稱為相對(duì)密度，符號(hào)為，無(wú)量綱量。以4℃的水為比較標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，有（二）流體的靜壓強(qiáng)1.壓強(qiáng)定義流體的靜壓強(qiáng)，其單位為流體受力面積，其單位為作用在面積A上的壓力，其單位為牛頓2.標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的概念在溫度是0℃緯度是45度的海平面上，單位面積所承受的大氣壓力稱為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，表示為3.壓強(qiáng)單位之間的換算4.絕對(duì)壓強(qiáng)、表壓強(qiáng)和真空度(1)絕對(duì)壓強(qiáng)密閉容器內(nèi)壓強(qiáng)的真實(shí)值稱為絕對(duì)壓強(qiáng)（2）真空度抽氣密閉容器內(nèi)絕對(duì)壓強(qiáng)小于大氣壓強(qiáng)，其差值叫真空度。（3）表壓強(qiáng)用壓力計(jì)測(cè)出的容器內(nèi)壓強(qiáng)值?？鄢舜髿獗尘爸等哧P(guān)系表壓強(qiáng)=絕對(duì)壓強(qiáng)-大氣壓強(qiáng)真空度=大氣壓強(qiáng)-絕對(duì)壓強(qiáng)二、流體壓強(qiáng)差和液位測(cè)量?jī)x表（一）流體靜力學(xué)基本方程式如液柱上方只有大氣，則討論

1.在靜止的、連續(xù)的、同一種液體內(nèi)部，等壓面為水平面。

2.靜止液體液面上的壓強(qiáng)能以同樣大小傳遞到液體內(nèi)部。

3.壓強(qiáng)是深度的函數(shù)。

4.壓強(qiáng)差的大小可以用一定高度的液柱表示，但要注明是何種液體。

5.單位：能量，稱為靜壓能，位能。靜止流體內(nèi)部的能量守恒與轉(zhuǎn)化。（二）流體壓強(qiáng)差和液位測(cè)量?jī)x表1.U形管壓差計(jì)液體氣體指示液密度待測(cè)液密度2.液位計(jì)3.計(jì)算液封高度第二節(jié)流體在管道中的流動(dòng)狀態(tài)一、管道和管件（一）制藥用管道的材質(zhì)1.金屬材料美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)UNS編碼3040Cr18Ni9S30400304L00Cr19Ni10S304033160Cr17Ni12Mo2S31600316L00Cr17Ni14Mo2S316030Cr18Ni12Mo2Ti不銹鋼牌號(hào)對(duì)照表合金冶煉時(shí)加入適量鉻、鉬、鈦、銅、鈷、鎳、鈮、錳等元素，可得不銹鋼。2.非金屬材料

用于制造制藥設(shè)備的非金屬材料可分為有機(jī)合成高分子材料和陶瓷材料塑料陶瓷玻璃植物纖維（二）管道和管件1.常用管道表示鋼管外徑是壁厚是內(nèi)徑是316L或316Ti不銹鋼管2.管件

大小頭、三通、彎頭、法蘭、閥門、卡箍等，其中閥門有蝶閥、球閥、止回閥、隔膜閥、換向閥、取樣閥、呼吸式調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)隔膜閥用途較廣，可防止藥液被微生物污染。

彈性膜，當(dāng)將汽缸中氣體放出時(shí)，隔膜向回收縮，工作室空間增大，液體經(jīng)進(jìn)口活門向出口活門流出，當(dāng)向汽缸中充氣時(shí)，氣室內(nèi)壓力增大，隔膜向工作室凸出，工作室空間減小直至全封閉，流體被截止。二、流量和流速1.流量對(duì)于管道任意截面，單位時(shí)間內(nèi)流過的流體的數(shù)量稱為流量。（1）體積流量（2）質(zhì)量流量（3）統(tǒng)計(jì)流量與質(zhì)量流量的關(guān)系2.流速單位時(shí)間內(nèi)流體在流動(dòng)方向上流過的距離稱為流速，用表示。單位流速與流量的關(guān)系管道橫截面積，如果管道是圓管，可導(dǎo)出流量方程式上式常用于管道選型計(jì)算。橫截面積平均流速例題1：

某藥廠需要架設(shè)一條輸送自來(lái)水的管道，輸水量為，試計(jì)算所需管道的直徑。解：根據(jù)流量公式計(jì)得：水的密度體積流量自來(lái)水的流速

計(jì)算所得直徑查手冊(cè)得管子型號(hào)規(guī)格反算流速結(jié)論流速小于標(biāo)準(zhǔn)，不能用，需要另外選擇。選擇的管子，反算流速：符合要求。三、定態(tài)流動(dòng)和黏度（一）定態(tài)流動(dòng)和非定態(tài)流動(dòng)定態(tài)流動(dòng)流體在管路系統(tǒng)中流動(dòng)時(shí)，如果管路系統(tǒng)中任何空間位置處流體的流速、流量、壓強(qiáng)等參數(shù)都不隨時(shí)間改變而變化如果各空間位置處流體流動(dòng)的參數(shù)隨時(shí)間改變而改變，則稱之為非定態(tài)流動(dòng)。非定態(tài)流動(dòng)2.定態(tài)流動(dòng)的連續(xù)性方程式（二）流體的黏度1.流體的內(nèi)摩擦力

流體在管中流動(dòng)時(shí)，是被分割成無(wú)數(shù)極薄的一層套著一層的“流筒”，各層以不同的速度向前流動(dòng)。

由于分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，高速分子穿入低速流筒，其結(jié)果是速度快的流筒對(duì)慢的流筒起帶動(dòng)作用；低速分子躍遷到高速流筒，其結(jié)果是速度慢的流筒對(duì)速度快的流筒起拖拽的作用，于是流筒之間產(chǎn)生了相互作用并形成了流動(dòng)阻力，這種作用力稱為流體的內(nèi)摩擦力。又稱為流體的粘滯力。

2.流體的黏度促使流體流動(dòng)產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力稱為黏度。

表示符號(hào)定義公式單位又稱為換算關(guān)系泊厘泊

凡是服從牛頓粘性定律的的流體稱為牛頓型流體

水針注射劑、葡萄糖輸液凡是不服從牛頓粘性定律的流體稱為非牛頓型流體

發(fā)酵液、細(xì)胞培養(yǎng)液

四、流體的流動(dòng)類型1.雷諾實(shí)驗(yàn)管內(nèi)流速（1）層流（2）湍流2.雷諾準(zhǔn)數(shù)及流型判斷（1）雷諾準(zhǔn)數(shù)（2）流型判斷層流過渡流湍流例題

密度為，黏度為的液體，以流量通過內(nèi)徑為的圓管。試判斷管中流體的流動(dòng)類型。解：已知

故該流體為湍流。第三節(jié)流量測(cè)量?jī)x表一、轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)由錐形玻璃管和轉(zhuǎn)子組成。錐形玻璃管是一根上大下小帶有刻度的玻璃管道，轉(zhuǎn)子是由金屬材料加工成類似于駝螺的錐體或圓球形，它可以沿錐形管中心線上下自由移動(dòng)。

被測(cè)流體從錐形管下端流入流經(jīng)轉(zhuǎn)子與錐形管壁間的環(huán)形斷面，從上端流出。被測(cè)流體的流動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了向上的推動(dòng)力，推動(dòng)力將轉(zhuǎn)子托起并使之升高，推動(dòng)力的大小隨流量變化而變化。當(dāng)推動(dòng)力正好等于轉(zhuǎn)子在流體中的顯示重量時(shí)，轉(zhuǎn)子受力處于平衡狀態(tài)而停留在錐形管的某一高度。

轉(zhuǎn)子流量計(jì)工作原理

轉(zhuǎn)子在錐形管中的位置高度，與所通過的流量有函數(shù)關(guān)系。讀取轉(zhuǎn)子位置高度，可求得相應(yīng)的流量值。優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、直觀、壓力損失小、維修方便、測(cè)量精度高等特點(diǎn)。轉(zhuǎn)子流量計(jì)適用于測(cè)量小流量，也可以用于測(cè)量腐蝕性流體介質(zhì)的流量。

二、孔板流量計(jì)在金屬板上鉆一圓孔，將U型壓差計(jì)的兩支管分別固定在金屬板的兩個(gè)面上即構(gòu)成一支孔板流量計(jì)。使用時(shí)將孔板流量計(jì)垂直插入管道中，U形管上的指示液即發(fā)生移動(dòng)形成液柱差，差值讀數(shù)R，將讀數(shù)代入有關(guān)公式即可計(jì)算出流體的流速和流量。孔板流量計(jì)的讀數(shù)及流量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系體積流量質(zhì)量流量金屬板上圓孔截面積，總校正系數(shù)，又稱流量系數(shù)或孔流系數(shù)，無(wú)因次。

第四節(jié)簡(jiǎn)單管路計(jì)算一、柏努利方程式（一）流體具有的能量形式

1.內(nèi)能內(nèi)能是儲(chǔ)存于流體內(nèi)部的能量，它是由原子和分子的運(yùn)動(dòng)以及彼此相互作用而產(chǎn)生的能量總和。它與流體的溫度有關(guān)，用U表示，單位是

2.位能流體因受重力的作用，在離地心不同高度的位置上所具有的能量稱為位能，用表示，單位是。其計(jì)算式為：

3.動(dòng)能流體因流動(dòng)所具有的能量，用表示，單位是。根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律得：

4.靜壓能流體因具有靜壓強(qiáng)而產(chǎn)生的能量，稱為靜壓能，用表示。單位是。其計(jì)算式為：

5.系統(tǒng)與外界交換的能量在管路系統(tǒng)中，一般都安裝了流體輸送機(jī)械，有些管路還安裝了有加熱器或者冷卻器，他們給系統(tǒng)提供能量或者移走能量。

（二）流體流動(dòng)能量守恒流體在流動(dòng)過程中，各種形式的機(jī)械能在互相轉(zhuǎn)變，且遵守能量守恒定律。當(dāng)流體從第一位置沿管道流動(dòng)到第二位置后，根據(jù)能量守恒定律，可建立下面方程式：上式為理想流體柏努利方程式。在實(shí)際過程中，有管路阻力和流體輸送機(jī)械提供的動(dòng)力，實(shí)際流體的柏努利方程式為柏努利方程式在進(jìn)行管道布置設(shè)計(jì)中有著非常重要的作用。二、管路中的直管阻力流體在直管中流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力稱為直管阻力。其方向與流動(dòng)方向相反，其大小用范寧公式計(jì)算：

為流體的摩擦系數(shù)，是無(wú)因次系數(shù)?？梢酝ㄟ^現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式和圖解法求得。三、管路中的局部阻力管路系統(tǒng)中的管件對(duì)流體流動(dòng)產(chǎn)生的阻力稱為局部阻力。

局部阻力的計(jì)算方法有兩種，即當(dāng)量長(zhǎng)度法和阻力系數(shù)法。1.當(dāng)量長(zhǎng)度法把管件折算成與之相當(dāng)?shù)闹惫荛L(zhǎng)度來(lái)計(jì)算阻力的方法。

2.阻力系數(shù)法

在管道直徑、流體密度、黏度、流動(dòng)速度不變的情況下，局部阻力與動(dòng)能成正比例關(guān)系。

稱為阻力系數(shù)，通常規(guī)定，進(jìn)口為0.5，出口為1.0，其余的可查閱相關(guān)的手冊(cè)和資料。四、管路總阻力的計(jì)算

流體流動(dòng)總阻力包括直管阻力和管件局部阻力。假設(shè)系統(tǒng)中管道直徑不變，則總阻力的計(jì)算公式是

系統(tǒng)中所有直管的長(zhǎng)度之和，系統(tǒng)中所有管件、閥門的當(dāng)量長(zhǎng)度之和，

系統(tǒng)中所有的局部阻力系數(shù)之和。

孔