1、11.1 11.1 压压强的强的测测量量11.2 11.2 流速的流速的测测量量11.3 11.3 流量的流量的测测量量工程工程实实例例第第1111章章 流体的流体的测测量量第第11章章 流体的测量流体的测量教学提示教学提示：本章讨论流体及流动参数的测量原理、方法和常用仪器。同时本章也可作为流体静力学基本方程和能量方程的实际应用。教学要求教学要求：掌握流速、流量、压强的测量原理和常用仪器。11.1压强的测量压强的测量在进行流体力学研究和涉及流体力学的工程实际应用中，压强的测量技术是流体要素测量的基础，用皮托管测速和用某些阻尼器测量流量参数，通常都通过压强测量的转换来实现。压强通常不能直接显示，
2、必须将它变换为位移、角位移、力或各种电量参数进行测量。压强的测量装置由压强感受、传输和指示三部分组成。在常规测量中，压强感受常用测压孔和各种形状的压强探针，感受到的压强大小通过各种液体测压管或金属压力表来指示。在测量动态压强时常采用压力传感器压力传感器(Pressure transducer)，将所感受到的动态压强转换为电信号输入相应的仪表指示或输入计算机实时打印输出。显然，测量的精度主要取决于压强感受和压强指示两个环节的误差大小。11.1.1静压的测量静压的测量无论流体处于静止状态，或对于流动的流体，当用固定壁面开孔感受压强或用对流场干扰很小的探针通过周壁小孔感受到的流体压强都可称为流场中某
3、点的静压静压。通常认为，只要壁面上开设的静压孔足够小，孔的轴线垂直壁面，孔的边缘没有毛刺或凹凸不平，静压孔中感受到的就是测点上流体压强的真实值。而当孔的边缘处有毛刺或凹凸不平时，将会产生局部旋涡，使测量值不准确。静压孔内外流体的相互影响引起了测量结果产生误差。壁面没有开设测压孔，近壁处是很薄的边界层，壁面处流速为零。这时沿壁面法线方向上没有压强梯度，各点的压强等于边界层外边界上的压强，这时，因为流体的粘性，在法线方向上存在速度梯度而使流体对壁面作用有切应力，壁面处流速为零。当壁面开设静压孔后，在粘性切应力作用下，静压孔内流体产生流动，近孔处的流线向孔内稍许弯曲，影响到边界层内法线方向的静压不再
4、保持不变，并导致静压孔内感受出的压强偏离流体中静压的真实值。其偏差的程度主要决定于静压孔的几何参数和加工情况。图11-1给出了孔径和流速对静压测量的影响。静压孔的几何形状和孔轴方向所能引起的静压测量误差如图11-2所示。虽然垂直壁面的静压孔存在一定误差，但因对于小于1mm的小孔，误差很小，且与壁面垂直时容易加工，所以静压孔常加工成与壁面垂直。11.1.2压强测量仪表压强测量仪表测量压强的方法很多，通常根据被测压强的大小和测量精度要求选用不同的压强测量仪表。1液体测压计液体测压计液体测压计是根据流体静力学原理设计利用液柱高来测量压强的仪表。在静力学中曾学过，对于静止且连通的均质液体，在重力场中等
5、压面是水平面。因此连通的均质静止流体中，任意两点的压强差只与两点间的垂直高度有关，而与容器的形状无关，这样，若在被测液体的容器壁上所要测量压强处开孔并接透明(如玻璃)管子，即可测出液体中的压强。(1) 单管测压计这是一种最简单的测压计(见图11-3)：将一根玻璃管与液体中所要测量压强处容器壁上的压力感受孔相连接，管子的另一端开口与大气相通，利用测量被测液体在管中上升的液柱高度来测定容器中液体的压强。为减小因毛细现象所带来的测量误差，管子内径不能小于 ，通常取 。在容器内压强的作用下，液体在测压管中上升高度为 ，若液体的密度为 ，则由流体静压强基本公式得出容器液体中 点的计示压强为(2) U形管
6、测压计图11-4所示为U形管测压计，它一端与大气相通另一端连接到所要测量压强的 点处。根据U形管内量得的液柱高度差计算出 点的压强。通常根据被测点的压强大小和被测流体的性质，选用U形管中的工作介质。当被测压强较大时，可以采用密度较大的水银等作为工作介质；当测量气体压强且被测点压强不大时，可以采用酒精、水、四氯化碳等液体做工作介质。在容器中被测液体静止不动时，读数误差在 左右，若被测液体处于流动状态时，因U形测压管内工作介质液面波动将使读数误差增大至 。2金属弹簧压力表金属弹簧压力表当测量较高的压强，或对于各种流体系统检测压强时，常采用金属弹簧管式压力表 图11-7是金属弹簧管式压力表的基本结构
7、示意图。当有压强的被测流体通入时，具有扁椭圆形截面的金属弹簧管l（图中 段），在内外压差的作用下产生弹性变形,由管末端处的拉杆2拉动扇形齿轮3使与其啮合的齿轮4转动，带动指针5指示压强值。游丝7用以消除齿轮间的间隙，提高测量精度。调节螺钉9的位置可以改变传动放大系数，调节压力表量程。6为表盘，8为连接螺柱。弹簧管的变形随压强上升而增大，通常根据不同的压强测量范围和测量精度要求选用合适量程和精度的金属压力表。使用一定时间的金属压力表，应该用压力表校正装置进行校正，以保证其测量精度。11.1.3动态压强的测量动态压强的测量对流动过程的实验研究和对工业生产中的流体系统进行动态监测，以及对流体机械的流
8、动特性进行数据采集时，经常会遇到动态压强(Dynamic Pressure)的测量和压强的远距离传送、显示、记录以及控制等问题。为了实现压强信号的远传显示，通常将压强用波纹管、膜片等弹性敏感元件转变为位移、力和其它应变信号，然后通过电阻式、电感式或电容式等电动变换器转换为电信号，放大后远传至显示或记录仪表。这种压强变送器因动态响应较慢，主要适用于测量静态压强或变化缓慢的压强。目前广泛应用于动态压强测量的传感器主要有电阻式、应变式、电容式、电感式、压电式、压阻式等压强传感器。电阻式压强传感器由于非线性误差大，频率响应低而主要在测量精度和动态响应要求不高的场合使用。应变式压强传感器由压强敏感元件和
9、贴在它上面的电阻应变片组成，前者将被测压强转换为应变量，然后由电阻应变片将应变量变换为电阻的变化量，并通过电桥将变化的电阻量以电压输出；压强敏感元件有膜片式、应变筒式、应变梁式等多种，而电阻应变片则有箔式、丝式和半导体应变片三类。应变式压力传感器测量范围可达 ，动态频响达到 ，测量误差为 。由于其结构简单、体积小、测量精度高、价格适中而得到广泛应用。图11-8是这种传感器的原理框图。图11-10是量测系统原理框图。由桥路测得的微弱电阻变化经前置放大器放大输出模拟电压信号，输人信号调理端子经滤波后送人A/D转换板，经转换后得到电平数字量信号，输入计算机分析处理形成实时图形数据文件，最后由打印机打
10、印输出数据、曲线和图形，从而使我们能实时了解实验或工业生产的进程，并进而控制参数输入和整个过程。11.2 流速的测量流速的测量通常在流体工程的研究过程中，以及飞行器在飞行中，经常要进行流速的测量，使用最多的是皮托管(又称探针)和总压管。11.2.1 总压管总压管如图11-1l所示是一种用于测速的总压探孔，它是一种两端开孔成L形的管子。若要测量流体中 点的流速，可以将总压管置于 点对准流动方向， 点处形成流速为零的滞止点滞止点(Stagnation point)，11.2.2皮托管很多情况下，例如在管路中，流动流体中某点的压强并不知道，只用总压管无法测得流体中的流速，这时常用总压管与静压管组合在
11、一起的探针测速，称为测速管或皮托管(Pitot Tube)。图11-12为具有半球形头部的皮托管结构示意图。11.2.3 三孔圆柱形探针三孔圆柱形探针11.2.4 热线（膜）风速仪热线（膜）风速仪利用探针测量流动速度，是基于测量流场的压强来间接测定流动速度，但当流动的速度和方向脉动时，即使脉动频率只有几赫兹，由于响应速度较慢，也难以得到满意的结果。在流体力学动态测试中，流速的脉动频率从几赫兹到上万赫兹，一般的测速探针已无法测得流动速度的瞬时值和脉动频率。热线风速仪(Hot-wire Anemometer)和热膜流速仪(Hot-film Anemometer)是为测量流体脉动速度而发展起来的流速
12、量测仪器。将装有金属丝的金属热敏探头置于欲测流速的流场中。将金属丝加热，流体与金属丝发生热交换带走部分热量。流动速度的变化将改受金属丝冷却的速率，利用在不同流速下散热率不同的原理，通过量测热敏探头的散热率来确定流场的流速。热线(膜)探头的结构见图11-14。 图11-14b是热膜探针。为提高探针金属丝的强度和量测的稳定性，利用在石英或玻璃杆上沉积一层很薄的铂金属膜做成热膜探针。一般热膜探针的直径约为 。热膜探针在工作温度 下具有较高的灵敏度，故可用于液体和气体流场的测速。若将两个热线(膜)元件做成X或V形探针。可以测量二维、三维流场的流速。图11-15是热线(膜)流速仪的电桥电路原理图。将热敏
13、元件的两端接在电桥的一个臂上，当流速为零时，电桥处于平衡状态。这是采用一个反馈回路的等温补偿电路，量测时保持热敏元件的温度不变。当流过热敏探针的流速增加时，热交换使热线(膜)降温，电阻减小 端的电位降低，使输入放大器的电压增加，因而反馈电流和通过热线(膜)电阻的电流增加，使热敏元件保持原来的温度。 11.2.5激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪当激光的光线照射到跟随流体运动的固体微粒上时，固定的光接收器接受到运动微粒的散射光的频率是变化的，当散射光与光接收器的相对运动使两者距离减小时，频率增高。距离增大时，频率减小，频率的变化量与相对运动速度的大小和方向有关，也与激光的波长有关。接收器接收运动物
14、体散射光的这种现象称为激光多普勒效应，又称为多普勒频移。即当固定接收器接收运动微粒散射光的频率时。由于运功微粒与接收器间有相对运动，接收到的频率已不是运动物体散射光的频率，两者间产生了频移。激光多普勒测速仪(Laser Doppler Anemometer)就是利用激光多普勒效应做成的，应用电测测定频移大小，并由此确定流场中某点上的流体运动速度。图11-16是激光测速仪的光路和处理系统框图。11.3流量的测量流量的测量最常见的流量计有文丘里管、孔板流量计、喷嘴流量计、堰板流量计等，它们都是压差式流量计，即在流道上安装一个节流元件，利用流体流过节流元件时产生压强差来测定流量，其基本原理都是利用了
15、总流机械能守恒方程（伯努利方程）。在实验室中还常用体积（或质量)流量计。在工业上应用最多的是转子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、超声波流量计、旋涡流量计和多种容积式流量计。11.3.1体积（质量）流量计体积（质量）流量计利用经过标定的容器测定某一时间段内流出某一过流断面的流体体积或质量，这种流量测定设备称为体积(质量)流量计。这是一种十分简易的方法，但测量的结果具有很高的精度，因此它常被用作节流式流量计和容积式流量计的率定装置。11.3.2文丘里流量计文丘里流量计典型的文丘里流量计(Venturi Meter )如图11-17所示，它由收缩段、喉管和扩散段三部分构成。它常用于测量有压管道中的流
16、量。收缩段前的进口断面l-1和喉管断面2-2为缓变断面，在该处开设测压孔，并与测压管连接。由于收缩段处的喉管直径较小，流体流经该处时将一部分压强能转化为动能，通过测量两个断面间的测压管水头差，就可以汁算流经管道的流量。11.3.3喷嘴流量计和孔板流量计图11-18是喷嘴流量计(Flow Nozzle)，图11-19所示为孔板流量计(Orifice Meter)，它们与文丘里流量计一起又称为节流式流量计。喷嘴出口处流动平行于轴线，为缓变流，故可以在喷嘴进口前断面1-1和出口断面2-2处开设测压管孔。对于孔板流量计，流体流经孔口时将发生收缩流动，收缩的最小断面处液流为平行流动。故可以在最小断面2-
17、2和孔板前1-1断面处设立测压管孔。对1-1和2-2断面列伯努利方程，且 仍采用1-1和2-2断面间的测压管高差，则与文丘里流量计类同可以得到11.3.4涡轮式流量计涡轮式流量计图11-20是涡轮式流量计的示意图，测量时涡轮流量计沿水流方向放置。当涡轮流量计置于一定直径的管道中时，涡轮的旋转速度与流速亦即与流量成正比，通常可以通过某些标准流量计（如体积流量计）来率定涡轮流量计。建立流量与涡轮转速（或频率）的关系。流量计的壳体6为不导磁的不锈钢，在其上装有非接触式磁电转速传感器2，涡轮则由导磁的不锈钢做成。一定流速的流体带动涡轮1转动，涡轮转动时叶片切割传感器2的磁力线产生脉冲信号，其频率与转速
18、成正比，即通过测定频率，就可以得到对应的流量。为提高测试精度，在流体进口处设有带导叶4的导流器3，5为密封，涡轮流量计的测量误差一般小于1%。流体粘度的变化将对测量精度有较大影响，因此，对于温度的变化应有相应的校正补偿。11.3.5电磁式流量计电磁式流量计11.3.6容积式流量计容积式流量计容积式流量计利用通过容积式马达的流量与转速成正比的原理做成，按其结构形式有椭圆齿轮流量计、齿轮马达流量计、柱塞式马达流量计等多种。容积式流量计通常直接安装在被测流量的管道中。图11-22是椭圆齿轮流量计的工作原理图，在壳体内有一对互相啮合的椭圆齿轮。流体如图示方向流动，通过流量计时存在压力损失，所以 。在图
19、11-22a位置时， 和 作用在4齿轮上的合力矩使齿轮4逆时针向转动，将壳体和轮4间月牙形空腔中流体排入出口(图11-22b)，同时带动齿轮6作顺时针向转动。图(11-22c)所示位置时， 和 作用在6轮上的合力矩使其顺时针向转动，将齿轮B与壳体间月牙形腔体内的流体排入出口，同时带动4轮逆时针向转动，如此循环，将入口处流体不断排入出口。因为在转动 周下，排出一个月牙形中流体，齿轮每转一周，所排出的容积为月牙空腔容积的4倍，因此，只要测量椭圆齿轮的转速，就可以得到通过流量计的流量。椭圆齿轮流量计既可由机械式计数器的表针显示，也可以用光电传感器转换成脉冲信号的频率显示。柱塞式流量计实际上就是制造精度高的斜盘式柱塞液压马达，其工作原理与柱塞式液压马达相同。在液压力作用下，柱塞在斜盘上作旋转运动，同时在柱塞腔中作往复运动，流体进人逐渐增大的柱塞腔，然后又从容积逐渐缩小的柱塞腔中排出。显然，通过的流量与容积式流量计的转速成正比，由于柱塞与柱塞腔间可以作成很小的间隙，且进出口的比差很小，工作中只有很小的内外泄漏量，因此某些柱塞式流量计具有很高的精度，习题习题111.用静压孔测静压强时应注意哪些问题？产生这些问题的原因是什么？如何用流体力学的知识加以解释？2.测量开口容器与密封管路中流动流体的流速时，它们的静压有何不同？皮托管的测量原理是什么？3.文丘里流量计的工作原理是什么？简述其优缺点。
