第四章流速和流量的測量課件設計：洪冶§4.1流速的測量§4.1.1皮托管測速法皮托管測量原理L型皮托管課件設計：洪冶§4.1.1.1相關概念我們把沒有粘性的流體稱為理想流體．理想不可壓縮流體的伯努利方程（能量方程）

(Benoulli’sEquation)理想不可壓縮流體在重力場中作定常流動時，具有三種形式的能量：位勢能、壓力勢能和動能，在流線上任何一處三者能量之和保持恒定。課件設計：洪冶1.勢能（Potentialenergy）:mgz1,mgz2，Permass:gz1,gz22.動能（Kineticenergy）:

Permass:3.壓力能（Pressureenergy）:

Workdone＝force×distance=

Permass:

V2,p2z1z2V1,p1課件設計：洪冶§4.1.1.2皮托管的結構課件設計：洪冶皮托管測速原理圖動壓(Pv)＋靜壓(Ps)＝全壓（Pt)課件設計：洪冶

§4.1.1.3測量誤差分析總壓孔直徑：d=0.5D靜壓孔直徑：d1=0.12D靜壓孔距端部距離：3~4D靜壓孔離支桿距離：8~10D

皮托管頭部和支桿對流場的影響1、皮托管的形狀影響課件設計：洪冶修正后的流速公式：為皮托管系數，由實驗標定。一般在0.99～1.01之間。皮托管是測量流體速度的主要工具之一,廣泛用于船舶和飛行體的測速。在測量時，只要把皮托管對準流體流動的方向，使內管頂端（滯止點）能感受全壓力pt，而具有靜壓孔的外管感受靜壓力ps。課件設計：洪冶

2、皮托管偏離特性的影響結論：皮托管方向要正對流體流向。課件設計：洪冶3、流體壓縮性影響空氣高速流動時，如果不進行壓縮性影響的修正，將會產生10%左右的測量誤差。課件設計：洪冶§4.1.2

多普勒測速當光源和反射體或散射體之間存在相對運動時，接收到的聲波頻率與入射聲波頻率存在差別的現象稱為光學多普勒效應，是奧地利學者多普勒于1842年發現的。當單色光束入射到運動體上某點時，光波在該點被運動體散射，散射光頻率與入射光頻率相比，產生了正比于物體運動速度的頻率偏移，稱為多普勒頻移。課件設計：洪冶

圖4多普勒效應原理kiksP課件設計：洪冶課件設計：洪冶后向散射型多普勒測速原理從入射光束方向看，后向散射是指接收散射光束的光電檢測器位于被測物體后面，即與光源在同一側。激光器S發出光束垂直人射到運動體，并在P點散射，散射光由光電檢測器R接收。根據多普勒效應檢測多普勒頻移，如果人射光與散射光的夾角為，則多普勒頻移為：2v課件設計：洪冶多普勒效應的另一種解釋

輻射的波長因為光源和觀測者的相對運動而產生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高(藍移(blueshift))。在運動的波源后面，產生相反的效應。波長變得較長，頻率變得較低(紅移(redshift))。波源的速度越高，所產生的效應越大。根據光波紅/藍移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。所有波動現象(包括光波)都存在多普勒效應。課件設計：洪冶

多普勒測速儀的工作原理是利用相對運動的物體頻率的變化。電磁波的傳播同樣有多普勒特性。當一個發出固定頻率的波的物體，相對于觀察地點有相對運動時，在觀察地點收到的頻率隨著它們的相對速度而變化即當物體向著觀察點接近時，波長就變短，頻率就變高；而遠離觀察點時，波長就變長，頻率就變低,這樣通過頻率的變化就能計算出衛星的高度、速度和方位。若用此法連續測量，就可得到精確的衛星實際軌道數據。

2、超聲多普勒法是怎樣測量血液流動的?多普勒測速儀應用實例1、衛星跟蹤測軌系統課件設計：洪冶利用多普勒效應制成的儀器有激光多普勒測量儀、超聲多普勒測量儀等，具有精度高、非接觸、不擾亂流場、響應快、空間分辨率高、使用方便的特點，廣泛用于流速測量、工業中鋼板、鋁材測量、醫學中血液循環監測、醫學診斷等。非接觸測量可以克服由于機械磨損和打滑造成的測量誤差。課件設計：洪冶課件設計：洪冶機械方法測量流速機械方法測量流速是根據置于流體中的葉輪的旋轉角速度與流體的流速成正比的原理來進行流速測量的。機械式風速儀是利用葉輪測量流速的實例翼型和杯型課件設計：洪冶課件設計：洪冶課件設計：洪冶機械式風速儀可用來測定儀表所在位置的氣流速度，也可用于大型管道中氣流的速度場，尤其適用于相對濕度較大的氣流速度的測定。課件設計：洪冶散熱率法測量流速散熱率法測量流速的原理，是將發熱的測速傳感器置于被測流體中，利用發熱的測速傳感器的散熱率與流體流速成比例的特點，通過測定傳感器的散熱率來獲得流體的流速。卡他溫度計課件設計：洪冶熱線風速儀是利用被加熱的金屬絲的熱量損失來測量氣體流速的。課件設計：洪冶課件設計：洪冶課件設計：洪冶課件設計：洪冶課件設計：洪冶課件設計：洪冶流體速度是流過熱線的電流和熱線電阻（熱線溫度）的函數課件設計：洪冶1.恒流型熱線風速儀如果在熱線工作過程中，人為地用一恒值電流對熱線加熱，由于流體對熱線對流冷卻，且冷卻能力隨著流速的增大而加強。當流速呈穩態時，則可根據熱線電阻值的大小確定流體的速度。課件設計：洪冶電路簡單課件設計：洪冶2.恒溫型熱線風速儀如果在熱線工作過程中，始終保持熱線的溫度不變，則可通過測得流經熱線的電流值來確定流體的速度。課件設計：洪冶課件設計：洪冶在實際測量電路中，測量的不是流經電路的電流，而是惠斯頓電橋的橋頂電壓。克英公式：E2=A+Bun課件設計：洪冶課件設計：洪冶(三)熱線風速計的校準

校準的原因：1.探針的性能是隨制造工藝、探針尺寸和金屬材料的不同而異。2.探針的性能也和流體的溫度、密度等緊密相關。3.探針的性能還和污染情況、速度范圍等其它外部條件有關。4.探針在測量中是和電子儀器結合在一起使用的，因此真正的響應關系是建立在輸出電壓E和流動速度U之間的。 對于接近于大氣壓條件下的大多數實用情形，可以忽略密度變化的影響，校準表達式如下：式中E為風速計輸出電壓，A,B為以來于熱線尺寸、流體物理特性和流動條件的常數，指數n在一定的速度范圍內恒定，在大范圍內隨速度而變。課件設計：洪冶熱線探頭的實際特性曲線必須經過風洞校準試驗求得

按一個已知速度U，對應在風速計上讀出一個電壓值E來做出E-U曲線，也就是校準曲線。產生這種已知速度U的裝置稱之為校準裝置。課件設計：洪冶

當熱線軸線與氣流速度的方向垂直時，氣流對熱線的冷卻能力最大，即熱線的熱耗最大，若兩者的交角逐漸減小，則熱線的熱耗也逐漸減小。課件設計：洪冶課件設計：洪冶

在無限長線中，如果沿線方向均勻加熱，并且假定過熱比不大，那么每單位長度的熱損耗僅僅與垂直速度分量Ucos有關。其中為來流與x軸之間的夾角，于是

式中Ky偏航因子，說明傾斜熱線的熱損失確實要比正常熱線在同樣法線速度分量值情況下的熱損失大一些。在鉑絲的情形，當l/d=200時，Ky值差不多為0.2。當l/d增加時，Ky值逐漸減小，在l/d=600，Ky值幾乎為零。對于在三維空間工作的熱線，引進坡度因子Kz對于一般的有限長線，實際上存在著沿線方向的熱對流轉換，于是一般情況Kz的值大約在1到1.2之間課件設計：洪冶(四)平均流速的測量實際使用時，采用下面公式

E2=A+B+CVR式中A----A=;E0是流體速度為零時熱線電橋的橋頂電橋

B、C、n----根據實驗數據用最小二乘法確定的常數

vR----當量冷卻速度，簡稱冷速度vR意義：如果速度為v的氣流對熱線的冷卻作用與在支桿平面內且垂直于熱線的氣流速度vR的冷卻速度相同，則vR叫做v的“冷速度”。課件設計：洪冶

用熱線風速儀測量平面氣流平均流速的大小和方向，分直接測量和間接測量。直接測量平面氣流：轉動熱線探頭以改變來流對熱線的沖角，直到橋頂電壓E達到最大值。此時，來流方向與熱線垂直，速度v的大小可根據測得的橋頂電壓E和熱線探頭速度特性曲線求得。 缺點：方向誤差較大間接測量平面氣流：放入熱線探頭后可測得橋頂電壓E1,將探頭轉過一個已知角度，再得到橋頂電壓E2,查速度特性曲線可得vR1和vR2,解聯立方程

vR1=v(a+bcos) vR2=v[a+bcos(+)]從而解得v和，v為平均流速。課件設計：洪冶(五)脈動氣流的測量當氣流在平均流速上迭加一個脈動速度時，熱線風速儀的橋頂電壓E含有兩個分量：直流電壓和交流電壓e。此時橋頂電壓與流速的關系可寫為 （+e)2=A+B展開得

2+2e+e2=A+B+ B+對平均流速，有

2=A+B忽略高階無窮小量，得脈動速度

=這樣，測得e后就可方便地得到課件設計：洪冶(六)熱線風速儀的頻率特性熱線風速儀用于非穩定氣流的測量時，應考慮熱線的熱慣性。熱線是一個慣性環節，在動態測量時其傳遞函數G(j)為：

式中

---角頻率

K----熱線的靜態靈敏度

T----熱線的時間常數

由熱線的頻率特性可見，電壓e一階滯后于流速v。 在恒溫風速儀中，速度脈動引起的測量橋路不平衡誤差信號，經過放大，并按一定的相位關系反饋到橋路頂端，調整橋路供電電壓，使測量橋路自動平衡。這種負反饋作用使整個系統的時間常數比熱線的時間常數小500倍，從而大大的拓寬了測量氣流脈動的頻率范圍。

課件設計：洪冶 恒溫風速儀在使用中的關鍵問題是系統的頻率最佳化的調節問題 因為希望在一定的頻率范圍內，風速儀對速度脈動的響應是均勻的。這就需要最佳化調節，最佳化調節就是將風速儀系統調節到測量精度所允許的最寬、最適當的頻率響應范圍。

方波試驗：利用具有高次諧波的方形波這種特殊形狀的電流加在熱絲上，以代替加在熱絲上的實際風速，來調節風速儀系統的最佳頻率響應，得到風速計的截止頻率。課件設計：洪冶課件設計：洪冶（七）智能流速測量系統課件設計：洪冶課件設計：洪冶課件設計：洪冶3.系統利用了單片機控制操作處理技術，實現了多種智能化功能，提高了自動化程度。

有：

（1）冷電阻的自動測量 （2）過熱比的自動調節； （3）工作電阻的自動測量； （4）探針電流的安全加載； （5）偏置電壓的自動調節 （6）系統硬件的自動診斷；課件設計：洪冶4.系統穩定性好，頻帶很寬，一般可達700KHz以上，比傳統HWFA寬三到五倍，改善了系統的動態性能。5.系統配置了WindowsNT平臺上的多功能多用途的先進軟件包，大大地擴大了使用范圍，軟件功能有較大的發展。課件設計：洪冶（八）熱線風速儀的應用三個速度的分離和測量通常速度分量的測量是建立在熱線方向的靈敏度基礎上的，為了對脈動分量獲得最大并且相同的靈敏度，一般總是將熱線放置在與平均流速成45度角的位置上。單線探針法這種方法就是在熱線對速度和偏航角敏感關系式的基礎上，用繞探針軸旋轉以改變偏航角的辦法，建立具有u,v,w三個未知數的三個方程，然后解出u,v,w以實現三個速度分量的分離和測量。熱線的脈動電壓輸出是平均流速和流動角度的函數在小擾動情況下課件設計：洪冶從上式可得其中速度靈敏系數角度靈敏系數利用上式，用改變偏航角的辦法建立三個方程，從而解出u2,uv,v2,然后再繞探針軸旋轉90度，再變動偏航角，又建立三個方程，從而又可解出u2,uw,w2。課件設計：洪冶動力測壓法測量流速在靜止氣體中，由于不存在切向力，故這個力與所取面積的方向無關，稱為靜壓力。對于運動流體而言，靜壓可用垂直于流體運動方向單位面積上的作用力來衡量。總壓力是指流體在某點速度等熵滯止到零時所達到的壓力。課件設計：洪冶臨界點滯止壓力是指在沒有外力的作用下，流體速度絕熱地減速到零時所產生的壓力，此時，流體的全部動能全部絕熱地轉變成壓力能。總壓與靜壓之差稱為動壓課件設計：洪冶應用動力測壓法測量流速的壓力感受元件為測壓管伯努利方程式課件設計：洪冶不可壓縮流體課件設計：洪冶可壓縮氣體課件設計：洪冶測壓管的使用上限不超過相當于馬赫數為0.25時的流速測壓管的使用下限為被測量的流速在全壓孔直徑上的雷諾數需超過200課件設計：洪冶測壓差的方法（1）利用總壓管、靜壓管，分別測量流體的總壓和靜壓，以確定流體速度。（2）利用專門設計的復合測壓管，同時測量流體的總壓和靜壓（或兩者之差），以確定流體速度。由測壓管、連接管和顯示或記錄儀表三部分組成的測壓系統，就可以測量流體的流速。課件設計：洪冶1.流體總壓、靜壓的測量(1)

流體總壓測量與測壓管測量流體總壓的總壓管在使用時，其感壓孔軸線應對準來流方向。希望總壓管對流動方向越不敏感越好課件設計：洪冶L形總壓管制造容易，使用安裝方便。它對流動偏斜角的靈敏性取決于壓力孔直徑與管子外徑之比以及總壓管頭部的形狀課件設計：洪冶圓柱形總壓管可以制作得很小，慣性不大，工藝性好，制造容易，使用方便。課件設計：洪冶套管式總壓管在馬赫數變化較大范圍內，它對流動偏斜角的不靈敏度達到±(40～50)課件設計：洪冶（2）流體的靜壓測量與測壓管測量被繞流體表面上某點的壓力或流道壁面上流體的壓力這時可利用在通道壁面或繞流物體表面開靜壓孔的方法進行測量。課件設計：洪冶確定流場中某點的壓力，也就是運動流體的壓力。這時可以利用尺寸較小具有一定形狀的測壓管插入流體中，進行流體壓力測量。L形靜壓管、盤形靜壓管、套管形靜壓管需要測量平直流道內的流體靜壓時可采用在流道壁面開靜壓孔的方法來測量。課件設計：洪冶課件設計：洪冶二、測壓管的標定測壓管標定的主要目的是為了確定測壓管的校正系數、方向特性、速度特性等內容。課件設計：洪冶1.總壓管的標定總壓管要標定的是總壓管的校正系數以及在不同流速時，總壓管對流動偏斜角的不靈敏性。課件設計：洪冶2.靜壓管的標定靜壓管要標定的是：靜壓管在零偏斜角時，靜壓管的校正系數或速度特性，以鑒定靜壓孔對氣流靜壓的感受能力在不同流速時，靜壓管對氣流方向變化的不靈敏性課件設計：洪冶3.畢托管的標定畢托管要標定的是畢托管的校正系數以及在不同流速時，畢托管對流動偏斜角的不靈敏性課件設計：洪冶4.測壓管的標定方法測壓管的標定是在校正風洞內采用比較法進行標定的。課件設計：洪冶

§4.2流量測量§4.2.1概述

一、流體的流量流量的定義：流體流量是指單位時間內流過管道或明渠某一截面流體的量，也稱為瞬時流量。在某一段時間間隔內流過某一截面的流體的量稱為流過的總量，也稱作積分流量或累積流量。總量除以得到總量的時間就稱為該段時間內的平均流量。流體流量的表示：一般可分為質量流量qm和體積流量qV。兩者之間滿足以下關系：

qv=vF在國際單位制中，qm的單位為kg/s，qV的單位為m3／s。

二、流量測量方法1．容積法；2．速度法；3．質量法三、流量測量系統流量測量系統一般由傳感器、信號傳輸、信號轉換裝置和流量顯示及計算裝置四部分組成。課件設計：洪冶（1）體積流量qv單位時間內通過某截面的流體的體積,單位為m3/s。根據定義,體積流量可用下式表示:qv=（11-26）式中V為截面A中某一面積元dA上的流速。如果用流體的平均流束V表示,則體積流量可寫成qv=vA（11-27）（2）質量流量qm單位時間內通過某截面的流體的質量,單位為kg/s。根據定義,質量流量可用下式表示:qm=（11-28）若用平均流速表示,則可簡寫為（11-29）

傳感器感受流量Q的變化，Q可以是質量流量qm或體積流量qV，其輸出為與流量有關的某個物理量，如差壓、速度等。信號轉換裝置將輸出量轉變成相應的電信號，然后由顯示積算裝置直接顯示瞬時流量或對瞬時流量積分得到累積流量。

四、流量計的校驗與標定流量計的標定是一件比較困難的工作，因為流量是質量或體積對時間的導數，難以由定義直接做出流量單位的標準器。一般是在流量不變的前提下，使流體連續流入標準容器V中，精確測量流體流動的起止時間和流入容器的流體總量，用平均流量代替瞬時流量作為標準。因此，在累積時間內，必須保證流體流動高度穩定，并且計時和計量都要足夠準確。課件設計：洪冶§4.2.2渦輪流量計

一、渦輪流量計的組成及測量原理

渦輪流量計由兩部分組成：變送器和指示積算器。變送器完成將被測流量轉換成一定頻率的脈沖信號輸出，指示積算器接受變送器輸出的脈沖信號，將其轉換、放大、運算、邏輯計數，顯示瞬時流量和累積總量。

渦輪流量計實質上為一零功率輸出的渦輪機，其變送器主要由渦輪、導流器、磁電轉換器組成，結構如圖4-2所示。殼體和導流器由不導磁材料制成。導流器的作用是支承葉輪并導直流體的流動，以減少流體自旋及渦漩的干擾。

渦輪流量計結構

1—渦輪；2—支承；3—永久磁鋼；4—感應線圈；

5—殼體；6—導流器

課件設計：洪冶

（1）流量一轉速的轉換原理當渦輪處于勻速轉動的平衡狀態時，假設不計葉輪轉動的摩擦阻力、流體粘性阻力及感應線圈中感應電流所引起的電磁反作用力矩的影響。

設渦輪葉片與軸線的夾角為θ，葉輪的平均半徑為r0，流體的流通面積為A0，流體流經葉輪相應半徑r0處的軸向流速為v0切向流速為vg，故有

式中C——與葉輪參數、軸向流速分布有關的系數；

——平均流速。

課件設計：洪冶

（2）葉輪轉速的測量在渦輪流量計中，葉輪的轉速是通過磁電轉換的原理來測量的，輸出信號為代表轉速的脈沖頻率信號。磁電裝置中的永久磁鋼上繞有線圈，當葉片轉動經過永久磁鋼的頂部時，因葉片為導磁材料而改變原磁路的磁阻，從而使磁通發生變化，故在線圈上感應出電勢信號。顯然電勢信號是脈動式的，其頻率為

f=zn式中z——

渦輪上的葉片數。

式中——儀表常數。在一定時間間隔內對流量進行積分時，得累積的總流量為：式中N——在t1到t2時間間隔內流過QV流體時輸出的脈沖數。課件設計：洪冶儀表常數ζ的意義為單位體積流量輸出的脈沖數。從理論上說，在一定條件（流體性質、狀態、變送器結構、流量一定）下，ζ是一個常數。當上述條件變化時，ζ值也隨之變化。這是因為上述條件都將能影響到式中的參數C。在前述qV～n關系推導的前提條件中，流體的粘滯阻力將會影響流通截面A0上的流速分布，這種影響也表現為C的變化。從理論上研究各種因素對C的影響較為復雜，對于渦輪流量計，反映C值變化的是儀表常數ζ，它是根據實際情況標定的，而且在使用的范圍內按實際標定出的ζ值是常值。下圖是儀表常數ζ隨Re變化的特性曲線。

實際上，渦輪流量計出廠時。ζ值由廠家根據適用的流體標定給出。

課件設計：洪冶（二）磁電轉換器

磁電轉換器是把渦輪的轉速轉換成電氣頻率信號的裝置，它由磁電感應裝置和前置放

大器組成。

轉速一頻率轉換是一種磁阻式磁電感應轉換方式。感應裝置安裝在管道外部殼體上，它是由永久磁鋼和感應線圈組成，正對下部的轉動渦輪。渦輪轉動時，當葉片轉到永久磁鋼的正下方時，磁路的磁阻最小；當葉片轉過時，磁阻變大。由于磁阻的變化，所以磁路中的磁通發生變化，因此在線圈中感應出電勢。其電勢是脈動電勢，頻率f=zn。

感應出的電勢信號比較微弱，經置于轉換器之中的前置放大器放大后輸出。

二、流量指示積算器

流量指示積算器是渦輪流量計的顯示器。它完成瞬時流量的顯示和總量顯示。它的電路主要有兩部分：瞬時流量顯示電路和總量顯示電路。

課件設計：洪冶

渦輪流量計的這種顯示器，實際上是一個脈沖頻率測量和計數的儀表，它將渦輪變送器輸出的單位時間內的脈沖數和一段時間內的脈沖總數按瞬時流量和累積流量顯示出來。這類顯示儀表的類型很多，在儀表設計中可根據實際需要靈活選用。下圖是一種顯示儀表的工作原理方框圖。儀表由整形電路、頻率—電壓變換電路、儀表常數除法運算電路、電磁計數器和自動回零電路、機內振蕩器和電源等部分組成。顯示儀表工作原理方框圖課件設計：洪冶

§4.2.3轉子流量計

轉子流量計是工業生產過程中應用較為廣泛的一類流量計。它又稱浮子流量計、恒壓降變截面流量計。按錐形管材料的不同可分為玻璃管轉子流量計和金屬管轉子流量計。玻璃管轉子流量計耐壓能力低，一般為就地直讀式。金屬管轉子流量計耐壓能力高，一般有就地指示型和信號遠傳型。

轉子流量計適用于多種介質的流體（氣體、液體），在火電廠中，常用于化學水處理過程的水流量測量和鍋爐點火過程控制中的輕油油量測量。它特別適用于小管徑，低雷諾數的中小流量測量。

一、玻璃管轉子流量計

（一）結構組成

玻璃管轉子流量計主要由錐形管、轉子兩部分組成。

玻璃管轉子流量計

1—

罩殼；2—玻璃錐管；3—浮子

4—密封填料；5—連接法蘭

課件設計：洪冶（二）工作原理及流量公式浮子處于錐形管中，相當于通流面積A0可變的節流件。流體流經節流件所產生的差壓與體積流量的關系如下：式中α——與浮子形狀、尺寸等有關的流量系數。

ρ——流體密度。當浮子處于力平衡情況下，差壓對浮子產生向上的作用力加上流體對浮子的浮力，等于浮子的重力，即由此可知

式中Af——浮子的有效面積。

Vf——浮子體積。

ρf，ρ——分別為浮子材料和流體的密度；

g——當地的重力加速度。課件設計：洪冶體積流量qV與通流面積A0之間的關系：考慮到錐度很小的錐形管中通流面積A0與浮子在管中的高度H近似成正比，即

A0≈CH式中C——與圓錐管錐度有關的比例系數。因此可得體積流量與浮子高度的關系式：由上式可知，如果增大錐管長度H，增大錐度，可擴大儀表的量程，提高流量測量范圍。流量公式中的流量系數α與浮子的形狀以及流體的雷諾數等有關，對于一定的浮子形狀，當雷諾數大于某一數值時，流量系數趨于一常數。因此，對于一定材料、形狀的浮子和一定密度的流體，雷諾數在低限雷諾數以上，就能得到體積流量和浮子位置之間的線性刻度關系。如圖4-9所示三種浮子的轉子流量計流量系數α與雷諾數的關系。課件設計：洪冶

1為旋轉式浮子，它的低限雷諾數約為6000，較其它兩種下限值要高，多用于直接指示的轉子流量計；2為圓盤式浮子，它的低限雷諾數約為300，3為板式浮子，低限雷諾數約為40，它們在較低的雷諾數下，流量系數α就趨于常數，流量的測量范圍比較寬。玻璃轉子流量計的示值顯示有兩種：一種在錐管上由轉子的高度直接讀出流量值，另一種是采用百分刻度（分為等分和非等分刻度）。

二、金屬管轉子流量計金屬管轉子流量計的錐形管是用金屬材料制成的，對于流量的檢測原理與玻璃管轉子流量計是相同的。很顯然，測量時不能直接從錐形管內直接測出浮子的位置，因此都是把浮子的位移再進行傳遞變換。傳遞變換后的位移信號可以直接用于就地指示，也可以將該位移進一步進行電氣信號的轉換。金屬管轉子流量計有就地指示型和電氣信號遠傳型，由于浮子的位移必須經過傳遞機構進行轉換，所以浮子的位移與流量一般是非線性關系，這主要是位移傳遞機構所致。課件設計：洪冶§4.2.4

渦街流量計

渦街流量計，又稱旋渦流量計，是70年代發展起來的一種新型流量計。它適用于氣體流量和液體流量測量。儀表的精確度高（達±1.0％），量程比寬（B=30：1），輸出線性好。它輸出頻率信號，抗干擾性能好，便于遠距離傳輸，在火電廠可用于送風流量的測量。渦街流量計由檢測器和轉換器組成。

一、測量原理這種流量計的工作原理是利用了流體力學中的卡門渦街現象，即在流體中放置一個外形為對稱形狀的非流線型柱體，在一定的雷諾數范圍內，它的下游兩側就會交替產生兩列不對稱的的漩渦，兩側漩渦的旋轉方向相反，并輪流從柱體上分離出來，在下游側形成所謂的“渦街”，如圖所示。

“渦街”的發生情況（a）圓柱體；（b）等邊三角形柱體課件設計：洪冶實驗表明，當h／L=0.281時，產生的渦街是穩定的，這就是“卡門渦街”。且單側的漩渦脫落的頻率f與柱體附近的流體流速v成正比，與柱體的特征尺寸l成反比，即式中St——斯特羅哈爾數，無因次數；

l

—一柱體的特征尺寸。St是以柱體特征尺寸l計算流體雷諾數Rel的函數。經實驗驗證，Rel在500~150000的范圍內，St基本不變。對于圓柱體，St=0.2；對于等邊三角柱體，St=0.16。因此當柱體的形狀、尺寸決定后，就可以通過測定單側旋渦釋放頻率f來測量流速和流量。對于工業圓管，旋渦流量計一般應用在Rel=1000~100000范圍內。設管內插入柱體和未插入柱體的管道通流截面比為m，當l/D<0.3時，可以證明根據流動的連續性原理，管道的通流截面比與柱體處的流體流速v及無柱體處的管內平均流速有如下關系：

課件設計：洪冶圓管中旋渦的發生頻率f與管內平均流速的關系為:所以，體積流量與頻率f之間的關系為：

二、旋渦發生頻率f

的檢測方法只要測得旋渦的發生頻率f，就可以測得流體的體積流量。旋渦頻率信號

f的檢出方法很多，可以利用漩渦發生時發熱體散熱條件變化的熱檢出；也可以用漩渦發生體兩側產生的差壓來檢出，差壓信號可通過壓電變送或應變片變送，等等。

三、渦街流量計的特點及安裝渦街流量計具有以下的特點：（1）漩渦的頻率只與流速有關，在一定雷諾數范圍內，幾乎不受流體性質（壓力、溫度、粘度和密度等）變化的影響，故可不需單獨標定。（2）測量精度高，誤差約為1級，重復性約±0.5級，不存在零點漂移的問題。（3）壓力損式小，流量測量范圍寬。渦街流量計特別適于大口徑管道的流量測量。課件設計：洪冶四漩渦頻率的測量圖

圖為三角柱體渦街檢測器原理示意圖，在三角柱體的迎流面對稱地嵌入兩個熱敏電阻組成橋路的兩臂，以恒定電流加熱使其溫度稍高于流體，在交替產生的漩渦的作用下，兩個電阻被周期地冷卻，使其阻值改變，阻值的變化由橋路測出，即可測得漩渦產生頻率，從而測出流量。課件設計：洪冶§4.2.5電磁流量計

(1)測量原理和結構

電磁流量計是基于法拉第電磁感應原理制成的一種流量計。當被測導電流體在磁場中沿垂直磁力線方向流動而切割磁力線時，在對稱安裝在流通管道兩側的電極上將產生感應電勢，此電勢與流速成正比。

流體流量方程為：

B—為磁感應強度；D—管道內徑；u—流體平均流速；E—感應電勢。課件設計：洪冶電磁流量計原理圖MKULC2100系列電磁流量計課件設計：洪冶

測量介質：導電介質

流速范圍：0.3~10m/s

測量精度：0.5%FS

1.0%FS

顯示方式：LCD顯示瞬時流量，累積流量。

介質溫度：0~70℃；0~90℃；0~150℃（可選）

壓力：1.6Mpa；2.5Mpa；6.4Mpa；16Mpa；25Mpa； 32Mpa

輸出信號：頻率輸出0~2kHz；

電壓輸出1~5V

電流輸出4-20mA；

RS-485串行接口

斷電數據保存時間：10年

電源：220VAC±15%

24VDC±5%（可選）

平均無故障工作時間：MTBF=30000h

防護等級：IP67、IP68（只適用于分體型）

襯里材料：聚氨脂橡膠、氯丁橡膠、聚四氟乙烯、F46。

電極材料：316L，哈氏合金HB；哈氏合金HC；特殊材料

（如：鈦、鉭、鉑等稀有金屬材料）。

MKULC2100系列電磁流量計性能特點：課件設計：洪冶

電磁流量計的結構如圖所示：

課件設計：洪冶(2)

電磁流量計的特點及應用

優點：

壓力損失小，適用于含有顆粒、懸浮物等流體的流量測量；可以用來測量腐蝕性介質的流量；流量測量范圍大；流量計的管徑小到1mm，大到2m以上；測量精度為0.5-1.5級；電磁流量計的輸出與流量呈線性關系；反應迅速，可以測量脈動流量。

缺點：

被測介質必須是導電的液體，不能用于氣體、蒸汽及石油制品的流量測量；流速測量下限有一定限度；工作壓力受到限制。結構也比較復雜，成本較高。

課件設計：洪冶

§4.2.6

容積式流量計橢圓齒輪流量計橢圓齒輪流量計工作原理：課件設計：洪冶由于流體在流量計入、出口處的壓力P1P2，當A、B兩輪處于(a)所示位置時，A輪與殼體間構成容積固定的半月形測量室(圖中陰影部分)，此時進出口差壓作用于B輪上的合力矩為零，而在A輪上的合力矩不為零，產生一個旋轉力矩，使得A輪作順時針方向轉動，并帶動B輪逆時針旋轉，測量室內的流體排向出口；當兩輪旋轉處于(b)位置時，兩輪均為主動輪；當兩輪旋轉90，處于(c)位置時，轉子B與殼體之間構成測量室，此時，流體作用于A輪的合力矩為零，而作用于B輪的合力矩不為零，B輪帶動A輪轉動，將測量室內的流體排向出口。課件設計：洪冶

當兩輪旋轉至180°時，A、B兩輪重新回到位置(a)。如此周期地主從更換，兩橢圓齒輪作連續的旋轉。當橢圓齒輪每旋轉一周時，流量計將排出4個半月形(測量室)體積的流體。設測量室的容積為V，則橢圓齒輪每旋轉一周排出的流體體積為4V。只要測量橢圓齒輪的轉數N和轉速n，就可知道累積流量和單位時間內的流量，即瞬時流量：課件設計：洪冶

當兩輪旋轉至180°時，A、B兩輪重新回到位置(a)。如此周期地主從更換，兩橢圓齒輪作連續的旋轉。當橢圓齒輪每旋轉一周時，流量計將排出4個半月形(測量室)體積的流體。設測量室的容積為V，則橢圓齒輪每旋轉一周排出的流體體積為4V。只要測量橢圓齒輪的轉數N和轉速n，就可知道累積流量和單位時間內的流量，即瞬時流量：課件設計：洪冶§4.2.7超聲波流量計

超聲波測流量的作用原理有傳播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、相關法、流速—液面法等多種方法。

(1)傳播速度法測量原理

超聲測速原理課件設計：洪冶①時差法

時差法就是測量超聲波脈沖順流和逆流時傳播的時間差。流體流速

t1-按順流方向，超聲波到達接收器時間；t2-按逆流方向，超聲波到達接收器時間。課件設計：洪冶②相差法

相位差法是把上述時間差轉換為超聲波傳播的相位差來測量。超聲波換能器向流體連續發射形式為

的超聲波脈沖，式中為超聲波的角頻率。

按順流方向發射時收到的信號相位；按逆流方向發射時收到的信號相位。課件設計：洪冶③頻差法

頻差法是通過測量順流和逆流時超聲脈沖的循環頻率之差來測量流量的。

順流時脈沖循環頻率：

逆流時脈沖循環頻率：

脈沖循環頻差：

流體流速:

流體體積流量方程：

課件設計：洪冶(3)超聲波流量計的特點與應用

超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示系統組成。超聲波換能器通常由鋯鈦酸鉛陶瓷等壓電材料制成，通過電致伸縮效應和壓電效應，發射和接收超聲波。換能器在管道上的配置方式如圖所示：

超聲波換能器在管道上的配置方式課件設計：洪冶§4.3節流式流量計

§4.3.1概述節流式流量計是工業上最為廣泛使用的一類流量測量儀表。工作原理：在管道中放置一節流元件，流體流經節流元件時發生節流，在節流元件的前后兩側產生壓力差（差壓）。當流體、工況、管道、節流件、差壓取出方式一定時，管道流量與差壓有確定的關系。因此可通過測量差壓來測量流量。節流式流量計也稱為變壓降式流量計。分類：節流式流量計有標準化和非標準化兩類。無論哪一類，它們都是非通用儀表，即安裝在生產過程中使用著的節流式流量計僅適用于該地的情況和工況。因此節流式流量計是根據要求具體設計、安裝、使用的。標準節流裝置在火電生產過程中是很重要的一類流量儀表。非標準節流裝置多用于臟污介質、高粘度、低雷諾數、非圓管道截面、超大及過小管徑等流量測量。它們的測量原理與計算方法與標準節流裝置相同，所不同的是非標準節流裝置沒有統一標準化的數據、資料、沒有統一的誤差計算方法等。標準節流裝置的設計計算：要嚴格遵循標準節流裝置設計、安裝和使用的國家“標準”或國際“標準”。按“標準”進行設計、安裝、使用的標準節流裝置，其流量與差壓的關系按理論公式標定，并有統一的基本誤差、計算方法，一般不需要進行實驗標定或比對。

課件設計：洪冶

組成：節流式流量計流量的測量系統由節流裝置、差壓計或差壓變送器、二次顯示儀表（動圈表、自動電位差計）等組成。在“標準”中對標準節流裝置結構、適用的條件、安裝及檢驗方法都做了嚴格的規定。我國在1981年出版了“GB2624—81流量測量節流裝置”標準。在國際上，1991年12月由ISO（國際標準化組織）出版了“ISO5176—1用差壓裝置測量流體流量”的新國際標準。1993年2月3日我國頒布了關于節流式流量計新的國家標準，即GB／T2624—93，它的內容與國際新標準是一致的。2.標準節流裝置

一、標準節流裝置的組成與類型標準節流裝置由三部分組成：節流件、取壓裝置、測量直管段（節流件前10D，后5D），如圖4-11所示。我國GB/T2624—93標準中規定的標準節流裝置有：角接取壓標準孔板、法蘭取壓標準孔板、D和D取壓標準孔板、角接取壓標準噴嘴（ISA1932噴嘴）、長徑噴嘴（D和D取壓）、經典文丘里管（入口圓筒段上取壓和喉部取壓）、文丘里噴嘴（上游角接取壓和喉部取壓）。課件設計：洪冶

二、適用的流體條件標準節流裝置適用于測量圓形截面管道中的單相、均質流體，即是可壓縮的（氣體）或認為不可壓縮的（液體）牛頓流體。同時，要求流體充滿管道；流體流動是穩定的或隨時間緩變的；流動不可以是脈動流和旋轉流，流束與管道軸線平行；流體流經節流件前流動應達到充分紊流，在節流件前后一定距離內不發生相變或析出雜質；流速小于音速。

三、適用的管道條件（一）節流件前后應有足夠長的直管段L

標準節流裝置組成部分中的測量直管段（前10D后5D，一般由儀表廠提供）是直管段L（最小直管段）的一部分。對于測量直管段，要求其內表面必須是光滑的，L的其余部分內表面可以是粗糙的。對于管道內表面光滑的判定是應不超過表4-1、表4-2給出的相對粗糙度上限值。節流件上游阻流件的形式及上下游阻力件的位置將影響流速分布，節流孔d與管道內徑D之比β=d／D（直徑比）也將影響流速分布。因此，若要求流體流到節流件前1D達到充分紊流的狀態，則要在節流件前后有足夠的直管段，不然就保證不了測量的精確度。課件設計：洪冶表4-1標準孔扳上游管段相對粗糙度（Kc/D）上限值

表4-2ISA1932噴嘴上游管段相對粗度（Kc/D）上限值課件設計：洪冶

最小直管段L由三段長度（l0，l1，l2）組成，l1是節流件與上游第一阻流件之間的直管段最小長度，由第一阻流件形式和β值決定，按下表查算。l0是上游第一阻流件與上游第二阻流件之間的直管段，由第二阻流件的形式和β=0.7（無論產的實際值為多少）決定，按下表給出值的一半計算。l2是節流件到下游阻流件直管段的最小長度，無論上游阻流件的形式如何均決定于β的值，由下表查算。

課件設計：洪冶（二）適用于圓形截面管道測量段管道應被流體充滿。節流件及取壓裝置安裝在兩圓形直管之間。在所要求的整個直管段長度上，管道截面應該是圓形的，沒有特殊要求，只是在鄰近節流裝置附近對管道的圓度有特殊要求，這在“標準”中有詳細規定。對于管道的粗糙度、節流件上游10D、下游5D（測量直管段），要求滿足給出的相對粗糙度上限值，L的其余部分和L以遠的管道可以是粗糙的。

三、節流件的結構形式（一）標準孔板標準孔板的結構形式如圖所示。標準孔板結構簡單，加工方便，價格便宜。它的特征孔徑是節流孔前段圓筒形孔徑d。標準孔板兩側的壓力差信號可以采用角接取壓（上、下側壓力在孔板前后端面處取出）、法蘭取壓（上、下側壓力在連接法蘭上距孔板前后端面25.4mm處取出）和徑距取壓（上側壓力在測量管段上距孔板前端面1D處取出，下側壓力在測量管段上距孔板后端面D處取出）。課件設計：洪冶角接取壓標準孔板的適用范圍：d≥12.5mm，50mm≤D≤1000mm，0.2≤β≤0.75，ReD≥5×103（0.2≤β≤0.45），ReD＞104（β＞0.45）。

法蘭取壓和徑距取壓標準孔板的適用范圍：d≥12.5mm，50mm≤D≤1000mm，0.2≤β≤0.75，ReD≥1260β2D（D：mm）。

孔板的角接取壓可采用單獨鉆孔或環室取壓裝置，如圖（a）所示。法蘭取壓裝置如圖（b）所示。課件設計：洪冶（二）標準噴嘴標準噴嘴有兩種結構形式：ISA1932噴嘴、長徑噴嘴。其結構形式見圖所示。

當d＞2D／3時，還應在入口部分切除一部分圓廓形收縮段。顯然此時收縮部分的最大直徑為D，見圖（a）。若d≤2D／3，則噴嘴的總長度為0.6041d（不包括F護槽）。若d＞2D／3，由于切除了一部分入口圓廓形收縮段，則噴嘴的總長度變短，其應切去的長度為

課件設計：洪冶

ISA1932噴嘴角接取壓裝置有單獨鉆孔和環室取壓。

ISA1932噴嘴的適用范圍：50mm≤D≤500mm，0.30≤β≤0.80，7×104≤ReD≤107（0.30≤β≤0.44時），2×104≤ReD≤107（0.44≤β≤0.80時）。

五、壓力損失流體流經節流件發生節流時，由于流體微團的碰撞以及在節流件前后附近產生渦流，將產生能量損失。這種能量損失表現為不可恢復的壓力損失。壓力損失與直徑比β和流速（或流量）有關，通過實驗可得到它們之間的關系。對于角接標準孔板、法蘭標準孔板、徑距標準孔板、ISA1932噴嘴、長徑噴嘴等標準節流裝置的壓力損失可以用下式近似計算：

六、標準節流裝置的誤差按照“標準”進行節流裝置的設計、制造、安裝、使用時，其基本誤差是按照“標準”中提供的計算公式進行計算的。按“標準”計算給出的裝置測量不確定度，其置信概率為95％。當設計、制造、安裝、使用等環節中有違背“標準”要求時，則將由此產生附加誤差。附加誤差的極性與大小或修正系數是通過大量實驗確定的。只要標準節流裝置符合“標準”要求，就應該按“標準”計算得出其不確定度。

課件設計：洪冶3．流量公式流量公式就是差壓和流量之間的關系式。它是通過伯努利方程和流動連續性方程來推導。

一、不可壓縮流體的流量公式流體在管道中發生節流時，管道中各處的流速變化及壓力變化情況見圖所示。課件設計：洪冶在節流件前沒有發生節流的位置上取截面A，對于一定常的流動，在截面A和截面B處將滿足流體質量守恒和能量守恒。在充分紊流的理想情況下，流體流動連續性方程和伯努利方程為由上兩式解方程組，可得引入如下幾個參數：（收縮系數）（截面比）（取壓系數）課件設計：洪冶

可寫成：

所以，可得質量流量：

定義流量系數α和流出系數C：

于是，不可壓縮流體的流量公式為

課件設計：洪冶

二、可壓縮流體的流量公式

對于可壓縮流體，在截面A、截面B處同樣滿足質量守恒和能量守恒。由于在截面B處可壓縮流體的密度是未知的，并且由于流體的膨脹，μ值與不可壓縮流體也不相同。但考慮到可壓縮流體的節流過程仍可視為等熵過程，故在等熵過程的熱力學方程中對未知流體密度有一定的約束。

為方便起見，規定公式中的密度仍使用節流件前的流體密度ρ1，α和C值仍取相當于不可壓縮流體時的數值，而把全部的流體可壓縮性對流體系數和流出系數的影響用一個流束膨脹系數ε來考慮。當流體為不可壓縮性流體時，ε=1。所以流量公式可統一寫成：

流量公式中各量的單位為：體積流量qV—m3/s；質量流量qm——Kg/s；直徑d或D—m；密度ρ1—kg/m3；差壓Δp—Pa。

課件設計：洪冶

三、標準節流裝置的流出系數C值及其不確定度標準節流裝置的流出系數C值是通過在流量試驗臺上測定qm和與之相對應的Δp，然后用上述流量公式計算得到的。對于一定形式的標準節流裝置，其流量系數α和流出系數C僅與β和雷諾數ReD有關，圖4-16是標準孔板和ISA1932噴嘴的α、C和ReD、β之間的關系曲線。從圖中可見，當雷諾數大到一定值后，α和C就與雷諾數值無關，趨于一定值。1．標準孔板的C值及其不確定度

“標準”中取得C值的原始實驗，對于角接取壓是在相對粗糙度為Kc／D＜3.8×10-4，而對于徑距取壓則是在Kc／D＜10×10-4的管道中進行的，但只要所使用管道在節流件上游側10D長度內的粗糙度不超過前節所列的限值，C的數值仍是可用的。在規定條件下，流出系數C主要取決于ReD、β，即C=f(ReD、β)。對于角接取壓標準孔板：對于法蘭取壓標準孔板：

（D：mm，

D20≥58.6mm）課件設計：洪冶

（D：mm，D20<58.6mm）對于D和D/2取壓標準孔板：對于上述三種取壓方式，若ReD、β、D和Kc／D是已知的且無誤差．則C值的百分率不確定度δc／C（置信概率為95％）為：對于β≤0.6，δc／C＝0.6％；對于0.6＜β≤0.75，δc／C=β％。

2、標準噴嘴（ISA1932噴嘴）的C值及其不確定度求取標準噴嘴C值的原始實驗是在相對粗糙度Kc/D≤3.8×10-4的管道中進行的，但只要噴嘴上游側至少有10D的長度的管道的粗糙度在前節規定的限值之內，C值仍然可用。標準噴嘴的流出系數C由下式給出：對于角接取壓標準噴嘴：課件設計：洪冶對于長徑噴嘴：若不考慮ReD、β、D的不確定度，并假定管道的Kc／D在規定的限值之內，則C值的百分率不確定度δc／C（概率為95％）為：對于β≤0.6時，δc／C＝0.8％時；對于β>0.6，δc／C=（2β-0.4）％。

四、標準節流裝置的流束膨脹系數ε值及其不確定度

標準節流裝置的形式確定后，其流束膨脹系數ε值決定于Δp/p1、κ和β值。其中κ是被測流體的等熵指數，對于過熱蒸汽可近似取κ＝1.3，對空氣κ=1.4。

為限制流體可壓縮性對流量測量的影響，標準規定節流裝置的Δp/p1＜0.25，即p2/p1＞0.75。

上述三種取壓方式的標準孔板的ε值是由實驗確定的，可用如下的經驗公式計算：

若β、Δp/p1和κ是已知且無誤差，則標準孔板ε值的百分率不確定度（概率95％）為4%。

課件設計：洪冶標準噴嘴的流束膨脹系數ε值是根據等熵流動過程直接從理論上推導出來的。由于流動過程不可能是等熵過程，所以存在誤差，從理論上推導出計算標準噴嘴ε的公式如下：其中

標準噴嘴ε值的百分率