第七章-流速及流量测量

第七章流速及流量测量机械法转杯风速仪动压法毕托管散热率法热线风速仪，热球风速仪，可测低速节流式喷嘴激光测速、超声波卡门涡街空气流速流量测量方法第一节流速测量一．机械法测量流速二．散热率法测量流速三.动压法一．机械法测量流速1．种类：翼式、杯式杯式翼式适用范围：以前：风速范围为15—20m/s以内，只能测量流速的平均值，不能测量脉动流。通过机械仪表用指针指示。目前：测速范围为0.25—30m/s，并且可测量流速的瞬时值。可将叶轮的转速转换成电信号。2.测量原理空气通过转杯时，推动叶片转动。根据叶片的角位移推算流过的空气量一．机械法测量流速AVM-03风速计风速计檔位测量范围分辨率误差M/S0.3-45.00.1±3%or0.1位KNOTS0.6-88.00.1±3%or0.1位ft/min60-880010±3%or10位Km/hr1-140.00.1±3%or0.1位温度(AVM-03)℃0-600.1±0.8温度(AVM-03)℉32-1400.1±1.5二．散热率法测量流速原理：散热率与流体的流速成正比。1．热线风速仪测量方法：恒电流法、恒温法ITT→vI→v恒流型恒温型热线风速仪热线测速仪（HotWireAnemometer，简称HWA），发明于20世纪20年代。它是将流体速度信号转变为电信号的一种测速仪器，也可用于测量流体的温度。其基本原理是，将一根细的金属丝放在流体中，通过电流加热金属丝，使其温度高于流体的温度，因此将金属丝称为“热线”。当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的一部分热量，使金属丝温度下降。热线在气流中的散热量与流速有关，散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号。热线风速仪热线长度一般为2mm，直径5μm，最小的探头直径仅1μm，长为0.2mm。材料为铂、钨或铂铑合金等熔点高、延展性好的金属。根据不同的用途，热线探头还做成双丝、三丝、斜丝及V形、X形等。热线风速仪若以一片很薄(厚度小于0.1微米)的金属膜代替金属丝，即为热膜风速仪，功能与热丝相似，但多用于测量液体流速。热线风速仪热线测速仪的优点是：（1）体积小，对流场干扰小；（2）频率响应高，可达1MHz。（3）测量精度高，重复性好。（4）适用范围广。不仅可用于气体也可用于液体，在气体的亚声速、跨声速和超声速流动中均可使用；可以测量平均速度，也可测量脉动值和湍流量；还可以测量多个方向的速度分量。热线测速仪的缺点是：探头对流场有一定干扰，热线容易断裂。热线风速仪强迫对流传热---占主导地位。金（King,1914）公式：TTdlhQwfViwQQ0.5ueNABRuehdNkvdR强迫对流传热气体热传导惯性力粘性力热线风速仪0.52211//fuewffwf强迫对流传热公式气体热传导强迫对流传走的热电流加的热热平衡时：热线风速仪金属丝电阻随温度变化：vBARRRRIRRRTTKKKKTTTTRRf得热平衡方程：钨丝：铂丝：热线风速仪热线有两种工作模式：①恒流式。通过热线的电流保持不变，温度变化时，热线电阻改变，因而两端电压变化，由此测量流速；②恒温式。热线的温度保持不变，如保持150℃，根据所需施加的电流可度量流速。恒温式比恒流式应用更广泛。热线风速仪恒流式：ER2R1RWe1R2RwVBARIVBARRwfIw1100211热线风速仪恒温式：R2R1R3RwI1I2IBe0V,Tw,Rw,e1,e2-e1,e0,IB,eB,I1,Tw,RW0011RRRRVBAIwfwRww热线风速仪热线测速仪的主要用途是：（1）测量平均流动的速度和方向。（2）测量来流的脉动速度及其频谱。（3）测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时间相关性。（4）测量壁面切应力（通常是采用与壁面平齐放置的热膜探头来进行的，原理与热线测速相似）。（5）测量流体温度（事先测出探头电阻随流体温度的变化曲线，然后根据测得的探头电阻就可确定温度。除此以外还开发出许多专业用途。•当气流速度较小，可不考虑流体的可压缩性，并认为他的密度为常数，建立伯努利方程：三．动力测压法测量流速1．原理00221PvPj)(02jPPv结论：测出全压和静压即可测得流体流速。_________动力测压法基本公式对于可压缩性气体总压和静压之间关系式为：)1(2210vPPj422424MkM•在通风空调工程中，气体流速一般低于40m/s，空气温度为20℃，常温下音速为343m/s，12.0CVM可压缩性修正系数绝热指数马赫数所以气体的可压缩性程度对于动压的影响很小，一般情况下可忽略。（1+ε）=1.00341.测量原理国标中规定：测压管的使用上限流体马赫数M0.25，测量下限流速在全压孔的Re200。上限或下限的规定都是为了避免造成过大的测量误差。1.测量原理2．静压的测量PJ•（1）测量原理：（2）静压管：用细管弯成L形，头部为圆球形，在水平测量断的表面上均匀布置测压孔，一般至少为6个，另一端接压力表，用来测量静压。注意：①在不影响静压管强度的前提下，减少静压管直径D，从而减少对气流的影响。②测压孔开在距离管柱8—10D，距离端部3—6D。使测得静压不受管柱和端部影响。③静压管尽可能放置的与气流方向一致，偏离方向应在不灵敏度范围之内。④测压孔一般为0.5—1.0mm，太小易堵，太大则加入部分动压。2．静压的测量（3）壁面测量静压测压孔直接开在管壁上，要求测量孔附近的壁面要光滑平整，孔轴要与壁面垂直，孔径一般为0.5mm。3．总压的测量测量仪器：L形毕托管。4．毕托管将测量的全压和静压用引出管引出，与差压计相接即可测量动压。实际应用的毕托管的公式为：）jPPkpv0(2kp为速度校正系数，一般情况下毕托管在使用之前需要进行标定，以确定速度校正系数。（1）L形毕托管：标准形毕托管，（2）T形毕托管：迎着流体的开口端测量流体的总压，背着流体的开口端测量流体的静压。一般用于测量含尘浓度较高的空气流速，速度校正系数一般为0.83—0.87。例如测量烟气流速。四．激光多普勒测速技术激光多普勒测速仪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信息，静止的激光光源发射的激光照射到随流体运动的粒子上，同时粒子又将接收到的光波向外散射，当静止的光接收器接收散射光时，光接收器所收到的散射光频率fs与静止光源的光波频率f0之差与运动粒子的速度成正比。这个差值就叫多普勒频率。ssssDveceevffvecvecffff)(000000四．激光多普勒测速技术四．激光多普勒测速技术第二节流速测量仪表的标定在校正风洞中用比较法进行标定，它将被标定的仪表测得的数据与标准仪表测得的数据相比较，就可得出被标定的仪表的修正系数或特性曲线。一、热线风速仪的标定热线风速仪的标定的是热线风速仪测头的输出电压与流体速度的真实响应关系。标定的方法是在校正风洞中或其他已知流体流动速度的流场中，对应地在热线风速仪上读出电压E值，做出E-u标定曲线。热线风速仪的标定热线探头在使用前必须进行校准。静态校准是在专门的标准风洞里进行的，测量流速与输出电压之间的关系并画成标准曲线；动态校准是在已知的脉动流场中进行的，或在测速仪加热电路中加上一脉动电信号，校验热线测速仪的频率响应，若频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。热线风速仪的标定CuBuAEn2推荐使用扩展的KING公式：分段接合的KING公式：3212uDuCuBAEiiinii二、测压管的标定测压管标定的主要目的是为了确定测压管的校正系数、方向特性、速度特性等内容。二、测压管的标定1.总压管的标定总压管要标定的是总压管的校正系数以及在不同流速时，总压管对流动偏斜角的不灵敏性。000'ppK二、测压管的标定2.静压管的标定静压管要标定的是：静压管在零偏斜角时，静压管的校正系数或速度特性，以鉴定静压孔对气流静压的感受能力在不同流速时，静压管对气流方向变化的不灵敏性二、测压管的标定3.毕托管的标定毕托管要标定的是毕托管的校正系数以及在不同流速时，毕托管对流动偏斜角的不灵敏性。''00ppppKu二、测压管的标定4.测压管的标定方法测压管的标定是在校正风洞内采用比较法进行标定的。1．流量：单位时间内流过流体的量，亦称瞬时流量。2．总流量：在一段时间内流过流体量的总和，也可用在这段时间内对瞬时流量的积分。3．平均流量：总流量除以得到总流量的时间间隔称该段时间内的平均流量。第三节流量测量方法和分类定义：二．qm—质量流量kg/sqw—重量流量kgf/sqv—体积流量m3/svwmqgqq转换关系：•标准体积流量：温度为20℃，压力为一标准大气压测得的体积流量为标准体积流量。表示方法1．差压式流量计：如：毕托管、孔板、喷嘴、文丘里管、转子流量计等2．速度式流量计：流体推动叶轮旋转，叶轮转速与流速成正比。如：水表、涡轮流量计。3．容积式流量计：流量计在被测流体的推动下，将流体一份份封闭在测量腔体内，并一份份推送出去，根据单位时间内推送出去的体积数实现流速的测量。4．其他类型流量计：电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计、质量流量计等。流量计分类第四节差压式流量方法和仪表一．利用毕托管测量流量利用毕托管可以测得管道内流体的流速，但毕托管所测得的是点流速，而由于流体的粘性作用，管道内截面上各点的分布并不均匀，而要想得到管道内流体的流量需要得到管道内的平均流速，而管道内哪一点的流体流速等于平均流速呢？问题？（1）层流：21RrVVor021VVnRrVVor11021VVr0=0.7071R（2）紊流：r0=0.762R所以如果知道被测流体的状态，可根据流体的流速分布情况布置测点，先看管道流体的速度分布以等环面法为例：圆形管道1.将截面分成面积相等的数个同心圆环。一般n=5，直径小于300mm时，n=32.按中间矩形法布置测点。在每一个圆环内布置测点，测点所在圆周恰将圆环面积平分，推荐均布四个。也可按切比雪夫法布置测点。3.平均流速等于各点平均测点的选择二．利用节流装置进行流量测量组成：节流装置、导压管、显示仪表信号变换仪表组成（以孔板为例）2221'22121'1vPvP伯努利方程：22'411241vdvD流体的连续运动方程：•结论：截面2处流速最大。截面2处流体的静压最低。1.节流件的工作原理假设流经管道的流体为不可压缩的流体，对截面1、2列写：代入2式'2'14'2211PPDdv22'1vDdv由1式得：22'411241vdvD连续运动方程：（1）2221'22121'1vPvP伯努利方程：（2）2.流量基本方程式'2'14'2'42211PPDddvFqvkg/s'2'14'2'42211PPDddvFqmm3/s用实际测得的压差代替，d’用孔板的开口孔径d代替，用β表示，并且采用一流出系数C或流量系数α。上述公式为：'2'1PPDdPd若流体为可压缩性流体，则PFqm20kg/s流量系数α由实验决定，与节流件形式、取压方式、RED、m管道粗糙度有关。PFqm20kg/sPFPdPdCqv2242410224PFPdPdCqv