1、1.7 流速和流量的测定流速和流量的测定1.7.1 毕托管毕托管1.7.2 孔板流量计孔板流量计1.7.3 文丘里流量计文丘里流量计1.7.4 转子流量计转子流量计流速和流量的测定流速和流量的测定 化工中流量测定的方法很多，原理各不相同。常见的流化工中流量测定的方法很多，原理各不相同。常见的流量计有量计有涡轮流量计涡轮流量计、毕托管毕托管、孔板流量计孔板流量计，文丘里流量文丘里流量计计和和转子流量计转子流量计。本节以流体运动的守恒原理为基础的三种测定装置的工本节以流体运动的守恒原理为基础的三种测定装置的工作原理。作原理。毕托管的测速原理毕托管的测速原理 毕托管又称毕托管又称测速管测速管，如图所
2、示。，如图所示。考察从图中考察从图中A点到点到B点的流线，由于点的流线，由于B点的速度为零，点的速度为零，B点的总势能等于点的总势能等于A点的势能与动能之和。点的势能与动能之和。B点称为点称为驻驻点点，利用驻点，利用驻点B与与A点的势能差可以点的势能差可以测得管中的流速。在测得管中的流速。在A、B两点间列两点间列机械能衡算式机械能衡算式BAAApgzupgz221.7.1 毕托管毕托管毕托管的测速原理毕托管的测速原理-能量衡算能量衡算 测速管安装在管路中，测速管安装在管路中，A、B两点在同一水平内，于是两点在同一水平内，于是gRppuiABA221.7.1 毕托管毕托管测速管测量的是测速管测量
3、的是点速点速度度，可以测出截面的，可以测出截面的速度分布，进行积分，速度分布，进行积分，计算平均速度计算平均速度。应用时测出管内应用时测出管内最大最大流速流速，查图，求出管，查图，求出管内的平均流速。内的平均流速。毕托管的安装毕托管的安装 实际毕托管为右图的形式。安实际毕托管为右图的形式。安装有以于要求。装有以于要求。（1）保证测量点位于均匀流段。）保证测量点位于均匀流段。测量点的上、下游有测量点的上、下游有50d以上的以上的直管长度，至少有（直管长度，至少有（810）d。（2）保证毕托管口截面严格垂）保证毕托管口截面严格垂直于流动方向，任何偏离降低直于流动方向，任何偏离降低实际流速。实际流速
4、。（3）毕托管直径）毕托管直径d0小于管径小于管径d的的1/50。1.7.1 毕托管毕托管 解解：50空气的密度为空气的密度为=1.14 kg/m3smgRui/1.1614.1)14.11000(015.081.92)(2max空气流经直径为空气流经直径为300 mm的管道，管中心放置毕的管道，管中心放置毕托管测量其流量。已知压差计读数托管测量其流量。已知压差计读数R为为15 mm（指示液为水），测得点表压为（指示液为水），测得点表压为4 kPa，试计算，试计算管道中空气的质量流量。管道中空气的质量流量。例例1 11 Remax=dumax/=0.31.011.14/1.9610-3=2.8
5、105 查得查得 u/umax为为0.82 则则 u=0.8216.1=13.2m/s 质量流量为质量流量为 qm=d2u/4 =0.7850.3213.21.14 =1.06kg/s1、孔板流量计结构、孔板流量计结构1.7.2 孔板流量计孔板流量计2、测量原理、测量原理 原理原理：流体通过孔口时，由于流道截面积突然缩小，流速：流体通过孔口时，由于流道截面积突然缩小，流速增大，使流体动能增加，静压能减小。在孔板前后产生压增大，使流体动能增加，静压能减小。在孔板前后产生压强差，根据强差，根据U形压强计测出压差，求出管道中流体的流量。形压强计测出压差，求出管道中流体的流量。缩脉：缩脉：由于流体流动
6、的惯性，流动截面的收缩影响会波及由于流体流动的惯性，流动截面的收缩影响会波及到孔板上、下游地区，流体流过孔板以后还会继续收缩，到孔板上、下游地区，流体流过孔板以后还会继续收缩，直到孔板下游某处，这里流道截面最小，称为直到孔板下游某处，这里流道截面最小，称为缩脉缩脉。缩脉缩脉离孔口的距离与流体的流动的离孔口的距离与流体的流动的Re有关，还和孔与管道有关，还和孔与管道截面积的比值有关。截面积的比值有关。1.7.2 孔板流量计孔板流量计3、孔板流量计流量的计算式推导、孔板流量计流量的计算式推导 工作原理可用能量衡算方程推导。取上游流体截面尚工作原理可用能量衡算方程推导。取上游流体截面尚未收缩处为未收
7、缩处为1-1，缩脉处为，缩脉处为2-2 截面，在两截面间列柏截面，在两截面间列柏努利方程，不考虑能量损失，则有：努利方程，不考虑能量损失，则有：2221212121pupu1.7.2 孔板流量计孔板流量计（水平管道）（水平管道）)(2212122ppuu可得可得 根据流体连续性方程：根据流体连续性方程：u1A1=u2A2，代入式得：代入式得：)(2)(212122222ppAAuu)(2)(11212122ppAAu1.7.2 孔板流量计孔板流量计)(2)(10121010ppAACu 考虑流体通过孔板时的能量损失，缩脉处考虑流体通过孔板时的能量损失，缩脉处A2和和u2难以确难以确定，孔口的截
8、面积定，孔口的截面积A0已知，以已知，以A0代替代替A2，以孔口处的，以孔口处的压强压强p0和流速和流速u0代替代替p2和和u2，则上式为：，则上式为：C1-校正系数校正系数 实际连接实际连接U形管压强计两测压孔不在形管压强计两测压孔不在1-1截面和孔口处，截面和孔口处，而是紧靠而是紧靠孔板前后的位置孔板前后的位置上。上。U形管压强计测出的压形管压强计测出的压强差不是强差不是(p1-p0)，而是紧靠孔板前后的压强差，以，而是紧靠孔板前后的压强差，以(pa-pb)表示。这样引入一校正系数表示。这样引入一校正系数C2，上式即为：，上式即为：1.7.2 孔板流量计孔板流量计)(2)(2)(10210
9、210babappCppAACCu212210)(1AACCCA0、A1、C1、C2是常数是常数 根据根据u0即可计算流体的流量：即可计算流体的流量：C0称为称为流量系数流量系数。C0与面积比、阻力损失、孔口形态、与面积比、阻力损失、孔口形态、测压方式、加工光洁度、孔板厚度、管壁粗糙度和雷测压方式、加工光洁度、孔板厚度、管壁粗糙度和雷诺准数诺准数Re有关。有关。只有在只有在C0确定的情况下，才能计算出实际的流量。确定的情况下，才能计算出实际的流量。)(200000iVVRgACAuqq 若用若用U形压强计测定孔板前后的压差，压强计的读数形压强计测定孔板前后的压差，压强计的读数为为R，则，则，p
10、a-pb=gR(i-)，代入得，代入得)(200iRgCu1.7.2 孔板流量计孔板流量计4、流量系数、流量系数C0 C0的数值通过实验测得。对于的数值通过实验测得。对于测压方式、加工状况、结构尺测压方式、加工状况、结构尺寸等已定的标准孔板，寸等已定的标准孔板，C0是雷是雷诺数诺数Re与面积比与面积比m的函数。的函数。实验测得的实验测得的C0见图。当见图。当Re增大增大到一定值后，到一定值后，C0不再随不再随Re而变而变化。实际测量流量时，化。实际测量流量时，Re就应就应在这一范围。在这一范围。流量系数流量系数C0的范围一般在的范围一般在0.60.7之间。之间。1.7.2 孔板流量计孔板流量计
11、5、孔板流量计的特点、孔板流量计的特点 结构简单结构简单，制造容易，安装方便，得到广泛的使用。，制造容易，安装方便，得到广泛的使用。不足之处不足之处在于局部阻力较大，孔口边缘容易被流体腐蚀在于局部阻力较大，孔口边缘容易被流体腐蚀或磨损，因此要定期进行校正，同时流量较小时难以测或磨损，因此要定期进行校正，同时流量较小时难以测定。定。为为恒截面变压差恒截面变压差流量计。流量计。1.7.2 孔板流量计孔板流量计6、孔板流量计的安装和阻力损失、孔板流量计的安装和阻力损失 孔板流量计安装时，在上游和下游必须分别有孔板流量计安装时，在上游和下游必须分别有(1540)d和和(510)d的直管距离。的直管距离
12、。孔板流量计的孔板流量计的缺点缺点是阻力损失比较大、不能测量小流量是阻力损失比较大、不能测量小流量的流体。孔板流量计的阻力损失可以通过下式来计算。的流体。孔板流量计的阻力损失可以通过下式来计算。ifRgCuh202021.7.2 孔板流量计孔板流量计值一般在值一般在0.8左右左右1.7.3 文丘里流量计文丘里流量计 孔板流量计孔板流量计能耗过多是不合理的。只要改变流道的突然能耗过多是不合理的。只要改变流道的突然扩大和突然缩小，就可以降低阻力损失。文丘里流量计扩大和突然缩小，就可以降低阻力损失。文丘里流量计就是根据这一原理设计。就是根据这一原理设计。为了避免流量计长度过长，通常采用收缩角大于扩张
13、角。为了避免流量计长度过长，通常采用收缩角大于扩张角。收缩角一般为收缩角一般为1525，扩张角一般为，扩张角一般为57。文丘里管。文丘里管的流量系数的流量系数CV约为约为0.980.99。文丘里流量计文丘里流量计 阻力损失为阻力损失为 文丘里流量计流量与测压计读数间的关系为：文丘里流量计流量与测压计读数间的关系为：)(2Cu0V0Rg)(2A C q00VVRg201.0 uhf1.7.3 文丘里流量计文丘里流量计CV流量系数流量系数例例1-12 孔板流量计的设计计算孔板流量计的设计计算 用用15945 mm的钢管输送的钢管输送20 的水，已知流量范围为的水，已知流量范围为50200 m3/h
14、。指示液为水银，读数误差为。指示液为水银，读数误差为1 mm。试设。试设计一流量计，要求读数误差小于计一流量计，要求读数误差小于5%，阻力损失尽可能小。，阻力损失尽可能小。解：解：已知已知 d=0.15 m，=0.001 Pas，=1000 kg/m3，i=13600 kg/m3 qVmin=50/3600=0.014 m3/s qVmax=200/3600=0.056 m3/s umin=qVmin/A=0.0144/0.152 =0.793 Remin=dumin/=0.1510000.793/0.001=11800 设设m=0.3，查得，查得C0=0.632 d0=0.31/20.15=
15、0.082m 最大流量时的读数为最大流量时的读数为 将各数据代入求出将各数据代入求出Rmax为为1m)(200maxiVRgACq 由于求出的读数太大，即由于求出的读数太大，即m值大小，再值大小，再m为为0.5，采用上，采用上述相同的方法分别求出各值为述相同的方法分别求出各值为 m=0.5，查图，查图1-48得得C0=0.695，d0=0.51/20.15=0.106 m A0=0.00883 m2 Rmax=0.021 m 计算结果是合适的。计算结果是合适的。1.7.4 转子流量计转子流量计-转子流量计结构转子流量计结构 转子流量计应用很广，结构如图。转子流量计应用很广，结构如图。结构主体是
16、一微带锥形的玻璃管，结构主体是一微带锥形的玻璃管，锥角约为锥角约为4左右。左右。管内有一直径略小于玻璃管的管内有一直径略小于玻璃管的转子转子，形成一个截面积较少的环隙。形成一个截面积较少的环隙。转子由不同材料制成各种形状，转转子由不同材料制成各种形状，转子的密度必须大于流体的密度。子的密度必须大于流体的密度。转子流量计.swf工作原理工作原理 玻璃管内无流体通过时，转子将沉在玻璃管内无流体通过时，转子将沉在管底部管底部；流体以一定；流体以一定流量通过流量计时，转子浮起，流体在环隙中流过，转子流量通过流量计时，转子浮起，流体在环隙中流过，转子上下端形成一个压力差。转子浮到一定高度，转子上下端上下
17、端形成一个压力差。转子浮到一定高度，转子上下端形成一个压力恰好等于转子的重量，转子不再上升，悬浮形成一个压力恰好等于转子的重量，转子不再上升，悬浮在该高度，不再变化。在该高度，不再变化。无论流量增加或减少，转子上下端的压力差发生变化，原无论流量增加或减少，转子上下端的压力差发生变化，原来的受力平衡打破，转子将上升或下降至新的高度，达到来的受力平衡打破，转子将上升或下降至新的高度，达到新的平衡。新的平衡。1.7.4 转子流量计转子流量计转子流量计流量计算公式的推导转子流量计流量计算公式的推导 同时在截面同时在截面1和截面和截面2之间列机械能衡之间列机械能衡算式（阻力损失先不考虑）：算式（阻力损失
18、先不考虑）：2220222111upgzupgz1.7.4 转子流量计转子流量计)(2)(21201221uuzzgppgVgVAppffff)(21当转子处于平衡位置，流体作用于转子的力等于转子的当转子处于平衡位置，流体作用于转子的力等于转子的重力，即重力，即即即转子流量计流量计算公式的推导转子流量计流量计算公式的推导 位能相差很小，可忽略。位能相差很小，可忽略。u0和和u1用连续性方程进行转化用连续性方程进行转化 u1u0A0/A1fffAgVAAu)(2/112100)(2)()(21201221uuAAzzgAppfff1.7.4 转子流量计转子流量计fffRAgVCu)(20gVgV
19、Appffff)(21上式各项乘以转子截面积上式各项乘以转子截面积Af2120210uAAAgVgVffff即即转化为转化为转子流量计流量计算公式的推导转子流量计流量计算公式的推导 用校正系数用校正系数CR考虑转子的形状和阻力损失等因素。考虑转子的形状和阻力损失等因素。CR与与Re有关。实际使用时，保证在较小的有关。实际使用时，保证在较小的Re数时出现数时出现高度湍流，使高度湍流，使CR为常数。为常数。fffRVAgVCAq)(201.7.4 转子流量计转子流量计转子流量计的体积流量为转子流量计的体积流量为转子流量计的特点转子流量计的特点恒流速、恒压差、变截面恒流速、恒压差、变截面 转子流量计
20、转子流量计结构结构与与流体流体已确定，已确定，Vf、Af、f、为常数，为常数，当当Re较大时，较大时，CR为常数。即为常数。即不管流量大小不管流量大小，环隙速度环隙速度u0为一常数。为一常数。转子流量计上下端的转子流量计上下端的压差恒定压差恒定，阻力损失不随流量变化。，阻力损失不随流量变化。特点特点：测量范围广，压力高、：测量范围广，压力高、流量大流量大不能测量。不能测量。永久压降的计算式为永久压降的计算式为2/20uhf1.7.4 转子流量计转子流量计转子流量计的刻度转子流量计的刻度 转子流量计的流量与环隙面积有关，与其它无关，流量转子流量计的流量与环隙面积有关，与其它无关，流量的大小只与玻
21、璃管的形状有关。的大小只与玻璃管的形状有关。玻璃管是一个锥体，玻璃管是一个锥体，环隙面积环隙面积与与锥体的高度锥体的高度成正比，即成正比，即转子流量计的流量与玻璃管的高度成正比，同时转子流转子流量计的流量与玻璃管的高度成正比，同时转子流量计的刻度是均匀的。量计的刻度是均匀的。转子流量计在出厂前都是用转子流量计在出厂前都是用20 的水或的水或20、101.3 kPa的空气进行标定，将流量的值刻在玻璃管上。的空气进行标定，将流量的值刻在玻璃管上。1.7.4 转子流量计转子流量计转子流量计的换算转子流量计的换算 当被测条件与标定条件不相同，在同一刻度的值也将发当被测条件与标定条件不相同，在同一刻度的
22、值也将发生变化，刻度必须换算。生变化，刻度必须换算。)()(,AfBBfAAVBVqq)()(,AfABfBAmBmqq1.7.4 转子流量计转子流量计A为水或空气的标准体积流量、质量流量和密度为水或空气的标准体积流量、质量流量和密度B为被测液体或气体的体积流量、质量流量和密度为被测液体或气体的体积流量、质量流量和密度例例1-13 转子流量计刻度换算转子流量计刻度换算 某转子流量计的转子为不锈钢某转子流量计的转子为不锈钢（钢钢=7920 kg/m3），水的流量刻度范围为），水的流量刻度范围为 2502500 L/h，将转子改为硬铅，将转子改为硬铅（铅铅=10670 kg/m3），转子形状大小不变，），转子形状大小不变，用来测量密度为用来测量密度为800 kg/m3的流体。问转子流的流体。问转子流量计实际的最大流量为多少。量计实际的最大流量为多少。水钢液液铅水水液VVqq34.110007920800800106701000解解：则可测液体的最大流量为则可测液体的最大流量为 qV液液=1.342500=3360L/h
