压力、速度、液位测量课件.ppt

1,流体参数的测量,北京工业大学 建筑工程学院2005年,2,1压力与压差的测量2流速和流量的测量3液位的测量,主要内容,3,4.1 压力与压差的测量,一、概述 这里的压力即物理学中的压强,压力是反映物质状态的一个重要参数，是工业生产过程中重要工艺参数之一。1、压力的概念及单位 压力是垂直作用在单位面积上的力。它的大小由两个因素决定，即受力面积和垂直作用力的大小。其表达式为,(4-1),P压力（Pa）F作用力（N）S作用面积（m2）,4,国际单位制(SI)中定义1N的力垂直而均匀地作用在1m2面积上所形成的压力为一个帕斯卡，简称帕，符号为Pa。目前，工程技术界广泛使用的压力单位主要有工程大气压、标准大气压、毫米汞柱、毫米水柱等。工程大气压 即1kg力垂直而均匀地作用在1cm2面积上所产生的压力，用千克力平方厘米表示，常记作千克力平方厘米,kgfcm2,符号为 at。标准大气压 是指在纬度为45的海平面上，温度为0时的平均大气压力。1atm=101325Pa，符号为 atm。毫米汞柱 即在标准重力加速度下，温度为0时1mm高的水银柱所产生的压力，符号为mmHg mmHg。毫米水柱 即在标准重力加速度下，温度为4时1mm高的水柱所产生的压力，符号为mmH2O。,5,4.1 压力与压差的测量,常用的几种压力单位与帕之间的换算关系为：1kgfcm2=9.807104Pa1atm=1.013105Pa1mmHg=1.332102Pa1mmH2O=9.807Pa1MPa=106Pa,6,地面上的一切物体无不处在环境大气压力的作用下，只有绝对真空状态才能使F真正等于0，以绝对真空为计值零点的压力称为绝对压力。设计容器或管道的耐压强度时，主要根据内部流体压力和外界环境大气压力之差而定，一般的压力表监视生产过程，也只检测容器或设备内外压力之差，这个压力差是相对值，是以环境大气压力为计值零点所得的压力值，称为相对压力。各种普通压力表的指示值都是相对压力，所以相对压力也称为表压力，简称表压。环境大气压力完全由当时当地空气柱的重力所产生，与海拔高度和气象条件有关，可以用专门的大气压力表测得，它的数值是以绝对真空为计值零点得到的。因此，是绝对压力。如果容器或管道里的流体压力比外界环境大气压力低，表压就为负值，这种情况下的表压称为真空度，亦即接近真空的程度。,9,液柱式压力计测压原理 液柱式压力计是利用液柱所产生的压力与被测压力平衡，并根据液柱高度来确定被测压力大小的压力计。所用液体叫做封液，常用的封液有水、酒精、水银等。常用的液柱式压力计有U型管压力计、单管压力计和斜管微压计。它们的结构形式如图所示。U型管压力计两侧压力p1、p2与封液液柱高度之间h有如下关系：,液柱式压力计,10,当1=2时，上式可简化为：若1=2，且12，则有：单管压力计两侧压力p1、p2 与封液液柱高度h2之间的关系为：若F1F2，且1，则：斜管微压计两侧压力p1、p2和液柱长度L的关系可表示为,液柱式压力计,11,(a)(b)(c)液柱式压力计(a)U型管压力计；(b)单管压力计；(c)斜管微压计,液柱式压力计,12,微压差计,测量微压倾斜角度一般不小于15可以测量0.98Pa的微压，为了提高精确度，应选用密度小的酒精做为工作液体。,13,液柱式压力计的测量误差及其修正 环境温度变化的影响 当环境温度偏离规定温度时，封液密度、标尺长度都会发生变化。由于封液的体膨胀系数比标尺的线膨胀系数大12个数量级，因此对于一般的工业测量，主要考虑温度变化引起的封液密度变化对压力测量的影响，而精密测量时还需要对标尺长度变化的影响进行修正。环境温度偏离规定温度（例如20）后，封液密度改变对压力计读数影响的修正公式为：,液柱式压力计,14,毛细管现象造成的误差 毛细管现象使封液表面形成弯月面，这不仅会引起读数误差，而且会引起液柱的升高或降低。这种误差与封液的表面张力、管径、管内壁的洁净度等因素有关，一般难以精确得到。在实际应用时，常常通过加大管径来减少毛细管现象的影响。一般要求：封液为酒精时管子内径d3mm，封液为水或水银时d8mm。液柱式压力计还存在刻度、读数、安装等方面的误差。读数时，眼睛应与封液弯月面的最高点或最低点持平，并沿切线方向读数。U型管压力计和单管压力计都要求垂直安装，否则也将会带来较大误差。,液柱式压力计,15,弹簧管压力计膜片式压力计与膜盒式压力计 波纹管式压差计 弹性压力计的误差及改善途径 电接点压力表（被测压力的高低压报警或设备的启、停控制用）,弹性式压力计,16,弹簧管压力计单圈弹簧管压力计，由弹簧管、齿轮传动机构、指针、刻度盘等部分组成 弹簧管是弹簧管压力计的主要元件。弯曲的弹簧管是一根空心管，其自由端封闭，固定端与仪表的外壳固定连接，并与管接头相通。弹簧管的横截面呈椭圆形或扁圆形。当它的内腔通入被测压力后，在压力作用下发生变形，短轴方向的内表面积比长轴方向的大，因而受力也大，当管内压力比管外大时，短轴要变长些，长轴要变短些，管子截面趋于圆而产生弹性变形。由于短轴方向与弹簧管圆弧形的径向一致，变形使自由端向管子伸直的方向移动，产生管端位移量，通过拉杆带动齿轮传动机构，使指针相对于刻度盘转动。当变形引起的弹性力与被测压力产生的作用力平衡时，变形停止，指针指示出被测压力值。,17,(a)(b)(c)(d)弹簧管及其横截面(a)单圈弹簧管；(b)盘旋多圈弹簧管；(c)S形弹簧管；(d)螺旋多圈弹簧管,单圈弹簧管压力计1-弹簧管；2-固定端；3-接头；4-拉杆；5-扇形齿轮；6-中心齿轮；7-指针；8-游丝,18,单圈弹簧管自由端的位移量不能太大，一般不超过25mm。为了提高弹簧管的灵敏度，增加自由端的位移量，可采用S形弹簧管或螺旋形弹簧管。齿轮传动机构的作用是把自由端的线位移转换成指针的角位移，使指针能明显地指示出被测值。它上面还有可调螺钉，用以改变连杆和扇形齿轮的铰合点，从而改变指针的指示范围。转动轴处装着一根游丝，用来消除齿轮啮合处的间隙。传动机构的传动阻力要尽可能小，以免影响仪器的精度。单圈弹簧管压力表的精度，普通的是14级，精密的是0.10.5级。测量范围0109Pa。为了保证弹簧管压力表的正确指示和能长期使用，应使仪表工作在正常允许的压力范围内。对于波动较大的压力，仪表的示值应经常处于量程范围的1/2附近；被测压力波动小，仪表示值可在量程范围的2/3左右，但被测压力值一般不应低于量程范围的1/3。另外，还要注意仪表的防振、防爆、防腐等问题，并应定期校验。,19,膜盒式微压计 1504000Pa 精度一般为2.5级，高的可以达到1.5级。,20,三、电气式压力计,压阻式压力传感器 电容式压力传感器 霍尔压力变送器,21,压阻式压力传感器,电阻丝在外力作用下发生机械变形，它的几何尺寸和电阻率都会发生变化，从而引起电阻值变化。若电阻丝的长度为l，截面积为A，电阻率为，电阻值为R，则有：，设在外力作用下，电阻丝各参数的变化相应为dl，dA，d，dR，对上式求微分并除以R，可得电阻的相对变化：对于金属材料，电阻率的相对变化d/较小。影响电阻相对变化的主要因素是几何尺寸的相对变化dL/L和dA/A。对半导体材料，dL/L和dA/A两项的值很小，d/为主要的影响因素。,22,物质受外力作用，其电阻率发生变化的现象叫压阻效应。利用压阻效应测量压力的传感器叫压阻式压力传感器。自然界中很多物质都具有压阻效应，但以半导体晶体的压阻效应较明显，常用的压阻材料是硅和锗。一般意义上说的压阻式压力传感器可分两种类型一类是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式的应变片，作为测量中的变换元件，与弹性敏感元件一起组成粘贴型压阻式压力传感器，或叫应变式压力传感器；另一类是在单晶硅基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，此基片既是压力敏感元件，又是变换元件，这类传感器叫做扩散型压阻式压力传感器，通常也简称作压阻式压力传感器或固态压力传感器。,23,电容式压力传感器,电容器的电容量由它的两个极板的大小、形状、相对位置和电介质的介电常数决定。当一个极板固定不动，另一个极板感受压力，并随着压力的变化而改变极板间的相对位置，电容量的变化就反映了被测压力的变化。这是电容式压力传感器的工作原理。平板电容器的电容量为：若电容的动极板感受压力产生位移d，则电容量将随之改变，其变化量为:当.A确定之后,可以通过测量电容量的变化得到动极板的位移量,进而求得被测压力的变化。电容式压力传感器的工作原理正是基于上述关系。当d/d1时,电容量的变化量与位移增量成近似的线性关系:,24,电容式压力传感器,为了保证电容式压力传感器近似线性的工作特性,测量时必须限制动极板的位移量。为了提高传感器的灵敏度和改善其输出的非线性,实际应用的电容式压力传感器常采用差动的形式,即使感压动极板处于两个静极板之间,当压力改变时,一个电容的电容量增加,另一个的电容量减少,灵敏度可提高一倍,而非线性也可大为降低。电容式压力压差传感器具有结构简单、所需输入能量小、没有摩擦、灵敏度高、动态响应好、过载能力强、自热影响极小、能在恶劣环境下工作等优点，近年来受到了广泛重视。影响其测量精度的主要因素是线路寄生电容、电缆电容和温度、湿度等外界干扰。这正是过去长时间限制了它的应用的主要原因。集成电路技术的发展和新材料新工艺的进步，已使上述因素对测量精度的影响大大减少，为电容式压力传感器的应用开辟了广阔的前景。,25,霍尔压力变送器,霍尔压力变送器是利用霍尔效应，把压力作用下所产生的弹性元件的位移信号转变成电势信号，通过测量电势来得到压力。如图所示，把半导体单晶薄片置于磁场中，当在晶片的横向上通以一定大小的电流I时，在晶片的纵向的两个端面上将出现电势VH，这种现象称霍尔效应，所产生的电势称霍尔电势，这个半导体薄片称霍尔片。,26,霍尔压力变送器,霍尔效应,27,霍尔压力变送器,当霍尔片中流过电流I时，电子受磁场力的作用发生偏转，在霍尔片纵向的一个端面上造成电子积累而形成负电性，而在另一端面上因缺少电子呈正电性，于是在霍尔片纵向出现了电场，电场力阻止电子的偏转。当磁场力与电场力相平衡时，电子积累达到了动态平衡，这时就建立了稳定的霍尔电势VH。KH霍尔元件灵敏度，由霍尔片材料、结构尺寸决定的常数 霍尔电势VH与B、I成正比，改变B、I可改变VH。霍尔电势一般为几十毫伏数量级。,28,霍尔压力变送器,霍尔压力变送器1-管接头；2-基座；3-膜盒；4-推杆；5-杠杆；6-霍尔元件；7-磁铁,29,霍尔压力变送器,霍尔片直接与弹性元件的位移输出端相联系，弹性元件是一个膜盒，当被测压力发生变化时，膜盒顶端推杆将产生位移，推动带有霍尔片的杠杆，霍尔片在由四个磁极构成的线性不均匀磁场中运动，使作用在霍尔元件上的磁场变化。同时，输出的霍尔电势也随之变化。当霍尔片处于两对磁极中间对称位置时，霍尔片总的输出电势等于0。当在压力的作用下使霍尔片偏离中心平衡位置时，霍尔元件的输出电势随位移(压力)的变化呈线性变化。由图可见，被测压力等于0时，霍尔片处于中心平衡位置。当输入压力是正压时，霍尔片向上运动；当输入压力是负压时，霍尔片向下运动，此时输出的霍尔电势正负也随之发生相应变化。,30,四、压力仪表的选用与校正,压力表的选择 压力表的安装 压力表的校验,31,1、压力表的选择,选择压力表应根据被测压力的种类(压力、负压或压差)、被测介质的物理、化学性质和用途(标准、指示、记录和远传等)以及生产过程所提出的技术要求，同时应本着既满足测量准确度又经济的原则，合理地选择压力表的型号、量程和精度等级。目前我国规定的精度等级，标准仪表有0.05，0.1，0.15，0.2，0.25，0.35级；工业仪表有0.5，1.0，1.5，2.5，4.0级等。选用时应按被测参数的测量误差要求和量程范围来确定。,32,1、压力表的选择,为了保护压力表,一般在被测压力较稳定的情况下,其最高压力值不应超过仪表量程的23;为了保证实际测量的精度,被测压力最小值不应低于仪表量程的l3。对某些特殊的介质,如氧气、氨气等则有专用的压力表。在测量一般介质,压力在 4.0104Pa04.0104Pa时，宜选用膜盒式压力表；压力在40kPa以上时，宜选用弹簧管压力表或波纹管压力表；压力在-1.013105Pa02.4106Pa时，宜选用真空压力表；压力在-1.013105Pa0Pa时，选用弹簧管真空表,33,2、压力表的安装,弹性式压力计、压差计在安装时必须满足以下要求：取压管口应与工质流速方向垂直,与设备内壁平齐,不应有凸出物和毛刺。测点要选择在其前后有足够长的直管段的地方,以保证仪表所测得的是介质的静压力。防止仪表传感器与高温或有害的被测介质直接接触。测量高温蒸汽压力时，应加装冷凝盘管；测量含尘气体压力时，应装设灰尘捕集器；对于有腐蚀性的介质，应加装充有中性介质的隔离容器；测量温度高于60的介质时，一般加环形圈(又称冷凝圈)。,34,弹性式压力计、压差计安装图(a)低压测压管路布置：1-管道;2-取压管;3-三通截断阀;4-法兰接口;5-压力计(b)中压测压管路布置：1-压力计；2-管道；3-螺旋管；4-三通截断阀(c)高压测压管路布置：1-压力计；2-三通截断阀；3-螺旋管；4-截止阀,35,2、压力表的安装,取压口的位置.测量气体介质时，一般位于工艺管道上部；测量蒸汽时，则应位于工艺管道的两侧偏上的位置，这样既可以保持测量管路内有稳定的冷凝液，同时又可以防止工艺管道底部的固体介质进入测量管路和仪表；测量液体时，应位于工艺管道的下部，以使液体内析出的少量气体顺利地返回工艺管道，而不进入测量管和仪表。取压口与压力表之间应加装隔离阀,以备检修压力表用。水平敷设的压力信号导管应有3的坡度，以便排除导管内的积水(当被测介质为气体时)或积汽(当被测介质为水时)。信号导管内径一般为6mm10mm，长度则一般不超过50m，这样可以减少测量滞后的影响。,36,3、压力表的校验,常用校验压力表的标准仪器为活塞式压力计，如图所示。它的精度等级有0.02级、0.05级和0.2级，可用来校准0.25级精密压力表，亦可校准各种工业用压力表，被校压力的最高值有0.6MPa、6MPa、60MPa三种。,37,3、压力表的校验,活塞式压力计是利用静力平衡原理工作的，它由压力发生系统(压力泵)和测量活塞两部分组成。通过手摇泵10，使系统升压，从而改变工作液的压力。此压力通过油缸4内的工作液作用在活塞5上。在活塞5上面的托盘7上放有砝码6。当活塞5下端面受到压力作用所产生的向上顶的力与活塞5、托盘7及砝码6的总重力相平衡时，则活塞5被稳定在某一平衡位置上，此时力的平衡关系为：得到 当活塞5底面的有效面积A一定时，由上式可以方便而准确地由平衡时所加砝码的重量求出被测压力值P。,38,3、压力表的校验,校验步骤为在测量范围内均匀选取34个检验点，一般应选在显示仪表刻度明显的整数点上。均匀增压至刻度上限，保持上限压力3分钟，然后均匀降至零压，主要观察指示有无跳动、停止或卡塞现象。单方向增压至校验点后读数，轻敲表壳后再读数.用同样的方法增压至每一校验点进行校验。然后再单方向缓慢降压至每一校验点进行校验。计算出被校表的基本误差、变差、零位和轻敲位移等。,39,活塞式压力计1-油杯；2-针阀；3-进油阀；4-油缸；5-活塞；6-砝码；7-托盘；8-接口；9-导管；10-手摇泵；11-调平螺钉；12-架体,40,4.2 流速和流量的测量,流速和流量测量的基本概念 测量流速常用的仪表及方法 测量流量常用的仪表及方法,41,一、流速和流量测量的基本概念,1、气流速度测量气流速度是建筑环境与设备工程中流体运动状态的重要参数之一。流速对建筑环境与设备工程的安全生产、经济运行具有重要意义。随着现代科学技术的发展，各种测量气流速度的方法也越来越多，目前常用方法有毕托管测速、热电风速仪测速、激光多普勒流速仪测速等。,42,毕托管测速是利用了气流的速度和压力的关系，对上图所示的毕托管，根据不可压缩气体稳定流动的伯努利方程，流体参数在同一流线上有如下关系：可见，只要测出总压和静压，或者总压和静压的压力差，便可求出流速。考虑实际测量条件与理想状态的不同，必须根据毕托管的结构特征和几何尺寸等因素，按下式进行速度校正：实际工程中，采用上式计算流速一般可满足要求.,KP毕托管速度校正系数。对于S型毕托管，KP=0.83-0.87;对于标准毕托管KP=0.96左右。,43,2、流量测量,在工业生产过程中，流体在一定时间内通过某一定管道截面的流体数量，称作流量。有瞬时流量和累积流量之分。所谓瞬时流量，是指在单位时间内流过管道或明渠某一截面的流体的量。它的单位根据不同的流量测量原理和实际需要，有下列三种表示方法。质量流量：单位时间内通过的流体的质量，用M表示，单位为kgs。重量流量：单位时间内通过的流体的重量，用W表示，单位为Ns。体积流量：单位时间内通过的流体的体积，用Q表示，单位为m3s。,44,2、流量测量,所谓累积流量，是指在某一时间间隔内，流体通过的总量。该总量可以用该段时间间隔内的瞬时流量对时间的积分而得到，所以也叫积分流量。流量测量可以直接为生产提供所消耗的能源数量，以便于经济核算，也可以将流量信号作为控制信号，例如利用蒸汽锅炉的蒸汽信号控制锅炉给水以维持汽包水位稳定等。还可以通过测量水或蒸汽的流量作为收费依据，以完善和加强企业的管理。,45,工业上常用的流量计，按其测量原理分为以下四类:差压式流量计 主要利用管内流体通过节流装置时,其流量与节流装置前后的压差有一定的关系。如标准节流装置等。速度式流量计 主要利用管内流体的速度来推动叶轮旋转，叶轮的转速和流体的流速成正比。如叶轮式水表和涡轮流量计等。容积式流量计 主要利用流体连续通过一定容积之后进行流量累计的原理。如椭圆齿轮流量计和腰轮流量计。其它类型流量计 如基于电磁感应原理的电磁流量计、涡街流量计等,46,二、测量流速常用的仪表及方法,毕托管测量流速热线风速仪,47,1、毕托管测量流速,毕托管是传统的测量流速的传感器，与差压仪表配合使用，可以测量被测流体的压力和差压，间接测量被测流体的流速。用毕托管测量流体的流速分布以及流体的平均流速是十分方便的。另外，如果被测流体及其截面是确定的，还可以利用毕托管测量流体的体积流量或质量流量。毕托管至今仍是被广泛应用的流速测量仪表。毕托管有多种形式，其结构各不相同。,48,1、毕托管测量流速,图是一种基本型毕托管（动压测量管）的结构图。它是一个弯成90的同心管，主要由感测头、管身及总压和动压引出管组成。感测头端部呈椭圆形，总压孔位于感测头端部，与内管连通，用来测量总压。在外管表面靠近感测头端部的适当位置上有一圈小孔，称为静压孔，是用来测量静压的。标准毕托管一般为这种结构型式。标准毕托管测量精度较高，使用时不需要再校正，但是由于这种结构型式的静压孔很小，在测量含尘浓度较高的空气流速时容易被堵塞，因此，标准毕托管主要用于测量清洁空气的流速，或对其他结构型式的毕托管及其它流速仪表进行标定。,49,基本型毕托管结构图,测高含尘气流毕托管S型毕托管；(b)直型毕托管,50,1、毕托管测量流速,S型毕托管和直型毕托管也是常用的毕托管，其结构如图所示。它们分别由两根相同的金属管组成，感测头端部作成方向相反的两个开口。测定时，一个开口面向气流，用来测量总压，另一个开口背对气流，用来测量静压。S型毕托管和直型毕托管可用于测量含尘浓度较高的气体流速。由于标准毕托管有一个90的弯角，测定厚壁风道的空气流速时使用标准毕托管很不方便，因而可以使用S型毕托管或直型毕托管。,51,1、毕托管测量流速,用标准毕托管、S型毕托管、直型毕托管测风速，往往需要测出多点风速而得到平均风速，可见是很不方便的。如果使用如下图所示的动压平均管测量平均风速则十分方便。这种测量平均风速的思路是把风道截面分成若干个面积相等的部分，选取合适的测点位置，测出各个小面积的总压力值，然后取若干个小面积的总压力平均值作为整个测量截面上的平均总压力。动压平均管是在取压管中间插入一根取总压力平均值的导管，在取压管适当的位置上开若干个总压孔，总压孔朝着气流方向，取压管中测量总压力的导管取压孔开在管道轴线位置，并朝着气流方向。静压导管安装在总压取压管(笛形管)下游侧，并靠近总压取压管，静压导管取压口背向气流方向。有的静压取压孔开在笛形管上游1D(管道内径)处管壁上(图4-14)。利用动压平均管测出被测流体的总压力与静压力之差，便可得到流体的平均速度。,52,笛型动压平均管,53,1、毕托管测量流速,使用毕托管测流体速度应注意以下几点：当流速较低时，动压很小，使用二次仪表很难准确地指示此动压值，因此对使用毕托管测量流速的下限有规定：要求毕托管总压力孔直径上的流体雷诺数大于200。S型毕托管由于测端开口较大，在测量低流速时，受涡流和气流不均匀性的影响，灵敏度下降，因此一般不宜测量小于3ms的流速。在测量时，如果管道截面较小，由于相对粗糙度(KD)的增大和插入毕托管的扰动的相对增大，使测量误差增大，因此，一般规定毕托管直径与被测管道直径(内径)之比不超过 0.02。管道内壁绝对粗糙度K与管道直径(内径)D之比,即相对粗糙度KD不大于0.01。管道内径一般应大于100mm。,54,1、毕托管测量流速,S型毕托管(或其他毕托管)在使用前必须用标准毕托管进行校正，求出它的校正系数。校正方法是在风洞中以不同的速度分别用标准毕托管和被校毕托管进行对比测定，两者测得的速度值之比，称为被校毕托管的校正系数。使用时应使总压孔正对着流体的流动方向，并使其轴线与流体流速方向一致，否则会引起测量误差。,55,2、热线风速仪,热线风速仪分恒电流式和恒温度式两种。把一个通有电流的带热体置入被测气流中，其散热量与气流速度有关，流速越大，对流换热系数越大，带热体单位时间内的散热量就越多。若通过带热体的电流恒定，则带热体所带的热量一定。带热体温度随其周围气流速度的提高而降低，根据带热体的温度测量气流速度，这就是目前普遍使用的恒电流式热线风速仪的工作原理。若保持带电体温度恒定，通过带热体的电流势必随其周围气流速度的增大而增大，根据通过带热体的电流测风速，这就是恒温度式热线风速仪的工作原理。,56,热线风速仪工作原理图(a)恒流式热线风速仪分；(b)恒温式热线风速仪,57,2、热线风速仪,图(a)恒电流式热线风速仪测量电路中，当热线感受的流速为零时，测量电桥处于平衡状态，即检流计指向零点，此时，电流表的读数为I0。当热线被放置到流场中后，由于热线与流体之间的热交换，热线的温度下降，相应的阻值RW也随之减小，致使电桥失去平衡，检流计偏离零点。当检流计达到稳定状态后，调节与热线串联于同一桥臂上的可变电阻Ra，直至其增大量等于RW的减小量时，电桥重新恢复平衡，检流计回到零点，电流表也回到原来的读数I0(即电流保持不变)。这样，通过测量可变电阻Ra的改变量可以得到RW的数值，进而确定被测流速。,58,2、热线风速仪,图(b)所示的恒温度式热线风速仪测量电路中，其工作方式与前述恒流式的不同之处在于，当热线因感受流速而出现温度下降时，电阻减小，电桥失去平衡；调节可变电阻Ra，使Ra减小以增加电桥的供电电压，增大电桥的工作电流，即加大热线的加热功率，促使热线温度回升，阻值RW增大，直至电桥重新恢复平衡，从而通过热线电流的变化来确定风速。在上述两种热线风速仪中，恒电流式热线风速仪是在变温状态下工作的，测头容易老化，使性能不稳定，且热惯性影响测量灵敏度，产生相位滞后。因此，现在的热线风速仪大多采用恒温度式。,59,2、热线风速仪,工程中常采用的测速仪还有叶轮式机械风速计，螺旋桨风速计，光纤旋桨测速计及激光多普勒测速仪等。叶轮式风速计利用支持在框架上的叶轮的转速测量风速，测量时，将测量风速的叶轮旋转面与风向保持垂直位置，根据指针读得的转数和计时器测得的时间算出风速。螺旋桨风速计测量时将螺旋桨对准风向，螺旋桨与交流发电机连接，当风使螺旋桨旋转时，交流发电机将与风速成正比的螺旋桨转速转换成电信号，用以指示风速。与传统的建筑环境与设备工程领域的测速管和热线风速仪相比，激光多普勒测速仪的工作原理是利用多普勒效应进行流速测量，是一种非接触测量技术，不干扰流场，具有一切非接触测量所具有的优点。,60,三、测量流量常用的仪表及方法,差压式流量计 容积式流量计涡轮式流量计 电磁流量计 涡街流量计 转子流量计 超声波流量计 光纤流量计,61,（一）差压式流量计,1.差压式流量计工作原理 差压式流量计也叫节流式流量计，它是利用流体流经节流装置时产生压力差的原理来实现流量测量的。这种流量计是目前工业中测量气体、液体和蒸汽流量最常用的仪表。差压式流量计主要有节流装置、差压计、显示仪和信号管路四部分组成。,62,（一）差压式流量计,下图中所示为在装有标准孔板的水平管道中，当流体流经孔板时的流束及压力分布情况。当连续流动的流体遇到安插在管道内的节流装置时，由于节流件的截面积比管道的截面积小，形成流体流通面积的突然缩小，在压头作用下流体的流速增大，挤过节流孔，形成流束收缩。在挤过节流孔后,流速又由于流通面积的变大和流束的扩大而降低。与此同时,在节流装置前后的管壁处的流体静压力产生差异,形成静压力差p,p=p1-p2,此即节流现象。也就是说节流装置的作用在于造成流束的局部收缩，从而产生压差。并且流过的流量愈大，在节流装置前后所产生的压差也就越大，因此可通过测量压差来指示流体流量的大小。,63,节流装置工作原理图,64,（一）差压式流量计,管道截面、处流体的绝对压力分别为p1、p2、p3,各截面流体的平均流速分别为v1、v2、v3。图中点划线所示为管道中心处的静压力，实线为管壁处静压力。以上分析可得如下结论，节流装置造成流束的局部收缩；产生静压力差p；由于局部收缩形成涡流区引起流体能量损失，造成不可恢复的压力损失。,65,（一）差压式流量计,2、流量方程 根据节流现象及原理，流量方程式以伯努利方程式和流体流动的连续性方程为依据。为简化问题，先假定流体是理想的，求出理想流体的流量基本方程式，然后再考虑到实际流体与理想流体的差别，加以适当的修正，获得适用于实际流体的流量基本方程式。不可压缩流体的体积流量其基本方程式为：,66,（一）差压式流量计,不可压缩流体的质量流量基本方程式为：流量系数，与节流件的面积比，取压方式，流体性质有关；。A0节流件的开孔面积；流体的密度；p=p1-p2，节流件前后的压力差 可压缩流体的流量基本方程式为：,流体膨胀系数，可压缩流体1;不可压缩流体=1。,67,标准孔板的原始流量系数与雷诺数的关系,68,流量系数与节流装置的形式、取压方式、雷诺数Re、节流装置开口截面比(m=A0/A，为节流件开孔面积与管道流通截面之比）和管道内壁粗糙度等有关。当节流装置形式和取压方式决定之后，流量系数就取决于雷诺数和开孔截面比。实验表明在一定形式的节流装置和一定的截面比值条件下，当管道中的雷诺数大于某一界限雷诺数时，流量系数不再随雷诺数变化，而趋向定值。从图中可知，对m值相等的同类型节流装置，当流体沿光滑管道流动时，其流量系数只是雷诺数的函数。当Re值大于某一界限值Rek时，流量系数0趋向定值，它的数值仅随m而定。同时Rek值则随m减小而降低。,69,（一）差压式流量计,根据相似性原理，两个几何上相似的流束，如果它们的雷诺数相等，则流束在流体动力学上也是相似的，即其流量系数也相等。因此，对于同一类型的节流装置只要值相等，则流量系数只是雷诺数的函数。所以上述的实验数据根据相似原理可以应用于各种不同管径和各种不同介质的流量测量。在应用标准节流装置测量流量时，只有当 0值在所需测量的范围内都保持常数的条件下，压差和流量才有恒定的对应关系。因此，在使用差压式流量计时必须注意到这一点。,70,标准孔板在雷诺数大于界限雷诺数Rek时的流量系数随值m变化的关系,71,（一）差压式流量计,3、标准节流方式人们对节流装置作了大量的研究工作。一些节流装置已经标准化了。对于标准化的节流装置，只要按照规定进行设计、安装和使用，不必进行标定，就能得到其精确的流量系数，从而进行准确的流量测量。标准节流装置的使用条件为：被测介质应充满全部管道截面并连续地流动；管道内流束流动状态稳定；在节流装置前后要有足够长的直管段.并且要求节流装置前后长度为二倍管道直径的管道的内表面上不能有凸出物和明显的粗糙不平现象；各种标准节流装置的使用管径的最小值规定如下：孔板：0.05m0.70时，D 50mm；喷嘴：0.05m0.65时，D 50mm.,72,（一）差压式流量计,4.取压方式 目前，不同的节流装置取压的方式均不相同，即取压孔在节流装置前后的位置不同，即使在同一位置上，为了达到压力均衡，也可采用不同的方法。对标准节流装置每种节流元件的取压方式都有明确规定。孔板通常采用的取压方式有五种：角接取压法、理论取压法、径距取压法、法兰取压法和管接取压法。,73,法兰取压、角接取压结构图(a)法兰取压；(b)角接取压,74,法兰取压法，不论管道直径大小，上下游取压管中心均位于距离孔板两侧相应端面25.4mm处，如上图(a)所示。角接取压法，上、下游的取压管位于孔板前后端面处。通常用环室或夹紧环取压，环室取压是在紧贴孔板的上、下游形成两个环室，通过取压管测量两个环室的压力差。夹紧环取压是在紧靠孔板上下游两侧钻孔，直接取出管道压力进行测量。两种方法相比，环室取压均匀，测量误差小，对直管段长度要求较短，多用于管道直径小于400mm处，而夹紧环取压多用于管道直径大于200mm处，如图4-19(b)所示。,75,5.标准节流装置的安装要求 流量计安装的正确和可靠与否，对能否保证将节流装置输出的差压信号准确地传送到差压计或差压变送器上，是十分重要的。因此，流量计的安装必须符合要求。安装时，必须保证节流元件的开孔和管道同心，节流装置端面与管道的轴线垂直。在节流元件的上下游，必须配有一定长度的直管段。导压管尽量按最短距离敷设在3m50m之内。为了不致在此管路中积聚气体和水分，导压管应垂直安装。水平安装时，其倾斜率不应小于1:10，导压管为直径10mm12mm的铜、铝或钢管等。测量液体流量时，应将差压计安装在低于节流装置处。如一定要装在上方时，应在连接管路的最高点安装带阀门的集气器，在最低点安装带阀门的沉降器，以便排出导压管内的气体和沉积物。,76,测量液体时差压计安装1-节流装置；2-沉降器；3-集气器,77,测量气体流量，最好将差压计装在高于节流装置处。如一定要安装在下面，在连接导管的最低处安装沉降器，以便排除冷凝液及污物。测量粘性的、腐蚀性的或易燃的流体的流量时，应安装隔离器。隔离器的用途是保护差压计不受被测流体的腐蚀和沾污。隔离器是两个相同的金属容器。容器内部充灌化学性质稳定并与被测流量不相互作用和溶融的液体，差压计同时充灌隔离液。测量蒸汽流量时，差压计和节流装置之间的相对配置和测量液体流量相同。为保证两 导压管中的冷凝水处于同一水平面上，应在靠近节流装置处安装冷凝器。冷凝器是为了使差压计不受70以上高温流体的影响，并能使蒸汽的冷凝液处于同一水平面上，以保证测量精度的设备。,78,（二）容积式流量计,容积式流量计是一种较早使用的仪表，用来测量各种液体和气体的体积流量。由于它是使被测流量充满具有一定容积空间，然后再把这部分流体从出口排出，所以叫容积式流量计。它适宜于高粘度流体的流量测量，但要求被测流体洁净，不含有固体颗粒，否则应在流量计前加过滤器。且流体温度不能超出规定范围，温度过高，由于热膨胀效应使得间隙变小，甚至可能发生卡死现象，温度过低则间隙变大，测量误差增大。,79,1.椭圆齿轮流量计,椭圆齿轮流量计的工作原理如图所示。互相啮合的一对椭圆形齿轮在被测流体压力推动下产生旋转运动。在图(a)中，椭圆齿轮A两端分别处于被测流体人口侧和出口侧，由于流体经过流量计存在压力降，入口侧和出口侧压力不等，所以椭圆齿轮A将产生旋转，而椭圆齿轮B是从动轮，被齿轮A带着转动。当转至图(b)的位置时，齿轮A和齿轮B上都有转矩，继续按图示方向转动。当转至图c)状态时，齿轮B是主动轮，齿轮A变成从动轮。,80,1.椭圆齿轮流量计,由图可见，由于两齿轮的旋转，它们便把齿轮与壳体之间所形成的新月形空腔中的流体从入口侧推至出口侧。每个齿轮旋转1周，就有4个这样容积的流体从入口推至出口。因此，只要计量齿轮的转数即可得知有多少体积的被测流体通过仪表。椭圆齿轮流量计就是将齿轮的转动通过一套减速齿轮传动，传递给仪表指针，指示被测流体的体积流量。椭圆齿轮流量计适合于测量中小流量，其最大口径为250mm。除上述直接指示外，还有发电脉冲远传式。,81,(a)(b)(c)椭圆齿轮流量计的工作原理,82,2.腰轮流量计,其工作原理与椭圆齿轮流量计相同，只是转子形状不同。腰轮流量计的两个轮子是两个表面光滑的摆线腰轮，在两个伸出壳体的腰轮轴上装有一对渐开线齿轮，用于传递转动。腰轮流量计由于计量室流体周期性排出，且每转一周，主从动轮发生变换，都会引起噪声和振动。为了使大口径的腰轮流量计转动平稳，每一主轴上固定两个腰轮，且两个腰轮错开45角，以可降低噪声，使运转平稳。腰轮流量计可测液体或气体流量。工作压力为6.4MPa,常用流量为0.4 m3/h1000m3/h。,83,（三）涡轮式流量计,涡轮式流量计的结构如图所示。在管形壳体1的内壁上装有导流器2、3，一方面促使流体沿轴线方向平行流动，另一方面支承了涡轮的前后轴承。涡轮4上装有螺旋桨形的叶片，在流体冲击下旋转。为了测出涡轮的转速，管壁外装有线圈、永久磁铁、放大器等组成的变送器5。,84,涡轮式流量计结构1-壳体；2-入口导流器；3-出口导流器；4-涡轮；5-变送器,85,由于涡轮具有一定的铁磁性，当叶片在永久磁铁前扫过时，会引起磁通的变化，因而在线圈两端产生感应电动势，此感应交流电信号的频率与被测流体的体积流量成正比。如将该频率信号送入脉冲计数器即可得到累积总流量。通过涡轮流量计的体积流量与变送器输出信号频率的关系为 K仪表常数，由涡轮流量计结构参数决定,Q:体积流量L/sf:脉冲频率1/sK:仪表常数1/L,86,理想情况下，仪表常数K恒定不变，则qv与 f成线性关系。但实际情况是涡轮往往有轴承摩擦力矩、电磁阻力矩、流体对涡轮的粘性摩擦阻力等因素的影响，所以并不严格保持常数。特别是在流量很小的情况下，由于阻力矩的影响相对较大，更不稳定。所以最好应用在量程上限为5以上，这时有比较好的线性关系。涡轮流量计具有测量精度高（达到0.5级以上）、反应迅速、可测脉动流量、耐高压等特点，适用于清洁液体、气体的测量。,（三）涡轮式流量计,87,(四）电磁流量计（有一定导电性液体）,电磁流量计是基于电磁感应原理工作的流量测量仪表，用于测量具有一定导电性液体的体积流量。测量精度不受被测液体的粘度、密度及温度等因素变化的影响，且测量管道中没有任何阻碍液体流体的部件，所以几乎没有压力损失。适当选用测量管中绝缘内衬和测量电极的材料，就可以测量各种腐蚀性(酸、碱、盐)液体流量，尤其在测量含有固体颗粒的液体如泥浆、纸浆、矿浆等的流量时，更显示出其优越性。,88,(四）电磁流量计,下图为电磁流量计工作原理图。在磁铁NS极形成的均匀磁场中，垂直于磁场方向有一直径为D的管道。管道由不导磁材料制成，管道内表面衬挂绝缘衬里。当导电的液体在导管中流动时，导电液体切割磁力线，于是在和磁场及其流动方向垂直的方向上产生感应电动势，如安装一对电极，则电极间产生和流速成比例的感应电势E：,D管道内径（m）；B磁场磁感应强度(T)V液体在管道中的平均流速（m/s）,89,电磁流量计工作原理图,(四）电磁流量计,90,(四）电磁流量计,体积流量为：可见流体在管道中流过的体积流量和感应电势成正比。把感应电势放大接入显示仪表，便可指示相应的流量。,91,（五）涡街流量计,涡街流量计是利用卡门涡街的原理制作的一种仪表，它是把一个称做旋涡发生体的对称形状的物体(如圆柱体、三角柱体等)垂直插在管道中，流体绕过旋涡发生体时，在旋涡发生体的两侧后方会交替产生旋涡，如图所示，两侧旋涡的旋转方向相反。由于