建筑環(huán)境測試技術(shù)第八章

8.1概述流量的定義流體在單位時間內(nèi)通過管道或設(shè)備某橫截面處的數(shù)量。流量的表示方法

質(zhì)量流量、體積流量、重量流量。若以M表示流體流過一定截面的質(zhì)量，則質(zhì)量流量為kg/s若以V表示流體流過一定截面的體積，則體積流量為

若以G表示流體流過一定截面的重量，則重量流量為三者的關(guān)系為流量的測量方法可分為直接測量法和間接測量法。直接測量法：用標準容積和標準時間計量后，計算平均流量。間接測量法：通過測量與流量有關(guān)的物理量得出流量。間接測量法的常見形式流速法節(jié)流差壓法變面積式渦輪機械式旋渦式電磁式超聲波8.2流速法基本原理對于不可壓流體對于可壓流體上式表明：只要測得流體的總壓、靜壓、總溫，就可以計算出流體的流速，進而計算出流量。確定截面流速的方法由于流體的粘性作用，管道測量截面上各點的速度或壓力的分布是不均勻的，為了測出管道截面上的流體的平均速度，通常將管道橫截面劃分若干面積相等的部分，測量每一部分中某一特征點的流體速度，然后按這些特征點的流速值計算各相等部分面積上通過的流量，通過整個管道截面的流量即為這些部分面積流量之和。特征點位置的確定：中間矩形法；切比雪夫積分法；對數(shù)曲線法。層流分布紊流分布中間矩形法對于半徑為R的圓形管道，將其分成幾個面積相等的同心圓環(huán)（最中心的為圓）。圓形外圓的半徑由管道中心算起分別為r2，r4，……，r2n。再在各圓環(huán)中求得一圓。又將圓環(huán)分成兩個面積相等的圓環(huán)，此圓從管道軸心算起的半徑分別為r1，r3，……，r2n-1

，在此圓上布置測點，即為特征點的位置。以上各測點所測得的值近似代表相應(yīng)圓環(huán)其他各點的值。故管道內(nèi)的分布曲線就可以近似地階梯型的分布規(guī)律所代替。實際上一般管道內(nèi)流動不是對稱分布的，故每個測定圓周上最好應(yīng)布置四個測點。中間矩形法8.3差壓式流量計概述差壓式流量計：流體流動中，當(dāng)流道的截面積突然縮小時，其流速升高而壓力降低，通過測量收縮面前后的壓力差得到流量，此類流量計統(tǒng)稱為差壓式流量計。8.3差壓式流量計概述差壓式流量計的構(gòu)成由節(jié)流件、取壓裝置、阻流件、中間管道組成。上游第二個阻流件上游第一個阻流件節(jié)流件取壓裝置下游第一個阻流件中間管道常用節(jié)流元件取壓方式取壓方式有角接取壓、法蘭取壓、D和D/2取壓等方式角接取壓法蘭取壓流量基本方程節(jié)流原理流速收縮：沿管道軸向流動的流體，當(dāng)遇到節(jié)流裝置時，近壁處的流體由于受到節(jié)流裝置的阻擋最大，促使流體的一部分動壓頭轉(zhuǎn)換為靜壓頭，體現(xiàn)在P1的升高。ΔP的產(chǎn)生：由于節(jié)流裝置造成流束的局部收縮，同時流體又是保持連續(xù)流動，因此在截面積最小流速達到最大，而壓力最低。流量越大，流束的局部收縮和能量轉(zhuǎn)換越顯著，因此節(jié)流裝置兩端的壓差也越大。流量基本方程在管道上取兩個截面：截面1-1和2-2，并列出這兩個截面流體總流的伯努力方程：C1，C2為總流的動能的修正系數(shù)；ξ為阻力系數(shù)

流體總流的連續(xù)方程為：設(shè)節(jié)流件的開孔直徑為d，定義收縮系數(shù)為不可壓流體體積流量：質(zhì)量流量：對于可壓縮流體可壓縮流體流經(jīng)節(jié)流件時，由于壓力的變化，密度隨之而變化。把流體可壓縮性的影響用一流束膨脹修正系數(shù)ε來修正。顯然，不可壓縮流體的ε=1，可壓縮流體的ε<1。于是流量方程可寫成為：流量方程中的ε、α的特性膨脹系數(shù)ε流束的膨脹系數(shù)是一個考慮壓縮性影響的系數(shù)。它與節(jié)流件前后的壓力比p2/p1、直徑比β、等熵指數(shù)k等因素有關(guān)。使用角接取壓標準孔板的ε可按下列經(jīng)驗公式確定：條件：通常制成表格流量系數(shù)α無論對于不可壓縮流體還是可壓縮流體，理論上α的值取決于收縮系數(shù)μ、直徑比β和取壓系數(shù)Ψ

。流束收縮系數(shù)μ是考慮到流束在通過節(jié)流裝置后，流束在慣性力的影響下的附加收縮。它隨流束的收縮程度而定，也就是取決于直徑比β和慣性力與摩擦力之比(雷諾數(shù)RED)，即μ=f(β,RED)。系數(shù)Ψ是考慮到管壁取壓點的位置及其結(jié)構(gòu)等影響。對于標準節(jié)流件(用標準的取壓方式)的數(shù)值Ψ與1相差不多。如果兩個幾何相似的節(jié)流裝置，只要流束的RED相等，那么它們的流量系數(shù)α也是相等的。這種情況下，流量系數(shù)α僅隨雷諾數(shù)RED單值而變動，即因此完全有條件通過實驗來確定α值。由于雷諾數(shù)ReD取決于摩擦力與慣性力，所以與管道的內(nèi)壁粗糙度有關(guān)。對于內(nèi)壁相對粗糙度的管道，稱為光管。此時實驗方法得出的流量系數(shù)稱為光管流量系數(shù)α0。如果是粗糙管道應(yīng)對α0作修正，即粗糙管的流量系數(shù)可表示為γRe為管道粗糙度修正系數(shù)式中γ0與β、Ks/D有關(guān)，可從表中查得要求得流量系數(shù)α,需要如下步驟:查表查表計算計算標準孔板及角接取壓裝置孔板直徑d根據(jù)計算得到:d=βD，但應(yīng)滿足d>12.5mm;d的數(shù)值應(yīng)取四個不同位置測量值的算術(shù)平均值，任一實測值與平均值之差不大于0.05%;d的加工公差與β有關(guān):β<0.67時,公差為+(-)0.001d；β>0.67時，公差為+(-)0.0005d;e的尺寸孔板厚度E進口邊緣應(yīng)尖銳，嚴格直角，無劃痕，加工過程中不得使用刮刀、砂布，出口邊緣無毛刺，無劃痕?？装灏惭b必須與管道軸線垂直，其偏差不得超過+（-）1°。標準孔板及角接取壓裝置角接取壓裝置有環(huán)室取壓和單獨鉆孔取壓兩種方式。環(huán)室有均壓作用，壓差穩(wěn)定，廣泛采用；但當(dāng)管道直徑大于500mm時，環(huán)室加工困難，一般采用單獨鉆孔取壓。標準節(jié)流裝置中的管道節(jié)流件上下游側(cè)最小直管段長度與節(jié)流件上下游側(cè)阻力件的形式和節(jié)流件開孔直徑比β有關(guān).L1的長度取決于節(jié)流件上游第一個阻流件的形式和β值.L2的長度取決于節(jié)流件下游第一個阻流件的形式和β值.L0的長度按節(jié)流件上游第二個阻流件的形式和β=0.7查L1的一半.教材:P143F7-5其他差壓式流量計轉(zhuǎn)子流量計由自下而上直徑逐漸擴大的垂直錐管及管內(nèi)的轉(zhuǎn)子組成。當(dāng)流體自下而上流經(jīng)錐形管時，由于受到流體的沖擊，轉(zhuǎn)子被托起并向上運動。隨著轉(zhuǎn)子上移，轉(zhuǎn)子與錐形管之間的環(huán)形流通面積增大，此處流體流速減低，直到轉(zhuǎn)子在流體中的重量與流體作用在轉(zhuǎn)子上的力相平衡時,轉(zhuǎn)子停在某一高度，保持平衡。當(dāng)流量變化時，轉(zhuǎn)子便會移到新的平衡位置。由此可見，轉(zhuǎn)子在錐形管中的不同高度代表著不同的流量。將錐形管的高度用流量值刻度，轉(zhuǎn)子上邊緣處對應(yīng)的位置即為被測流量值。8.4渦輪流量計特點:(1)精度高：基本誤差在±0.25～±1.5%之間；(2)量程比大：一般為10：1；(3)慣性?。簳r間常數(shù)為毫秒級；(4)耐壓高：被測介質(zhì)的靜壓可高達l0MPa；(5)使用溫度范圍廣：有的型號可測-200℃的低溫介質(zhì)的流量，有的可測400℃度的介質(zhì)的流量；(6)壓力損失小：一般為0.02Mpa；(7)輸出是頻率信號：容易實現(xiàn)流量積算和定量控制；(8)流體中不能含有雜質(zhì)，否則誤差大，軸承磨損快，儀表壽命低，故儀表前最好裝過濾器；不適于測粘度大的液體。工作原理渦輪流量計是由變送器和顯示儀表組成。渦輪葉片受力而旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與流體流量（流速）成正比，其轉(zhuǎn)數(shù)又可以轉(zhuǎn)換成磁電的頻率，此頻率表現(xiàn)為電脈沖，用計數(shù)器記錄此電脈沖，就可以得到流量。變送器的形式切線式軸線式渦輪流量計的結(jié)構(gòu)流量方程βUVU：圓周速度；ω：角速度；n：轉(zhuǎn)數(shù)（轉(zhuǎn)/秒）；r：渦輪葉片的平均直徑；β：葉片對渦輪軸線的夾角f=nZf:脈沖頻率；Z：渦輪葉片數(shù)則有：令ξ：流量系數(shù)。表示單位體積流量所對應(yīng)的脈沖數(shù)。8.5渦街流量計工作原理在流動的流體中放置一根其軸與流向垂直的、有對稱形狀的非流線形狀柱體（如圓柱、三角柱等），該柱體稱漩渦發(fā)生體。當(dāng)流體繞過漩渦發(fā)生體時，出現(xiàn)了附面層分離，在漩渦發(fā)生體下游兩列不對稱、但有規(guī)律的漩渦列，這就是卡門渦街。當(dāng)兩漩渦列之間的距離h和同列的兩個漩渦之間的距離l滿足h/l=0.281時，所產(chǎn)生的渦街是穩(wěn)定的。此時漩渦的分離頻率f與漩渦發(fā)生體處流體平均流速v及柱寬d有如下關(guān)系St:斯特勞哈爾數(shù)，它與漩渦發(fā)生體的形狀和雷諾數(shù)有關(guān)。實驗證明：在雷諾數(shù)ReD為3*102—2*105范圍內(nèi)，St是個常數(shù)。對于三角柱漩渦發(fā)生體，St＝0.16；對于圓柱漩渦發(fā)生體，St＝0.20。則有：流量方程v1v2DdA1A2由連續(xù)方程，有：設(shè)m=A2/A1，當(dāng)d/D<0.3時，可以近似認為：結(jié)論：只要測得漩渦頻率，就可以得到流量。頻率的檢測方法常用的檢測方法有熱敏式、超聲式、應(yīng)力式、應(yīng)變式、電容式、光電式和電磁式等幾種。導(dǎo)壓孔熱電阻當(dāng)旋渦在圓柱體下游側(cè)產(chǎn)生時，出于升力的作用，使得圓柱體下方的壓力比上方高一些，圓柱體下方的流體在上下壓力差的作用下，從圓柱體下方導(dǎo)壓孔進入空腔，通過隔板中央部分的小孔，流過鉑電阻絲，從上方導(dǎo)壓孔流出。如果將鉑電阻絲加熱到高于流體溫度的某溫度值，則當(dāng)流體流過鉑電阻絲時，就會帶走熱量，改變其溫度，也即改變其電阻值。當(dāng)圓柱體上方產(chǎn)生一個旋渦時，則流體從上導(dǎo)壓孔進入，由下導(dǎo)壓孔流出，又一次通過鉑電阻絲，又改變一次它的電阻值。由此可知：電阻值變化與流動變化相對應(yīng)，也既與旋渦的頻率相對應(yīng)。所以，可由檢測鉑電阻絲電阻變化頻率得到渦頻率，進而得到流量值。渦街流量計在使用時，流量計上游側(cè)應(yīng)有20～40D（管道公稱直徑）的直管段；下游側(cè)需不小于5D的直管段；且流量計兩側(cè)的管路應(yīng)加減振架加以固定，以減小管路振動噪聲的影響。渦街流量計可以水平、垂直或任意角度安裝，測液體時若垂直安裝，流體應(yīng)自下而上流動。安裝漩渦發(fā)生體時，應(yīng)使其軸線與管道軸線相互垂直。渦街流量計結(jié)構(gòu)簡單，無運動部件，阻力損失小，輸出的頻率信號便于實現(xiàn)數(shù)字化測量及與微機連接，具有測量精度高、應(yīng)用范圍廣的特點，可用于氣體、液體及蒸汽的流量測量，渦街流量計電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律研制出的一種測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。由電磁流量變速器和轉(zhuǎn)換器組成。根據(jù)法拉第定律，當(dāng)導(dǎo)體在磁場中切割磁力線時，將產(chǎn)生電動勢。該電動勢的大小與磁感應(yīng)強度B，磁場中作垂直切割磁力線方向運動的導(dǎo)體長度L和導(dǎo)體在磁場中作垂直于磁力線方向運動的速度成正比。當(dāng)三者互相垂直時，感應(yīng)電動勢e的大小為第6節(jié)電磁流量計如果將切割磁力線的金屬導(dǎo)體換成具有一定導(dǎo)電率的液體流柱，將切割磁力線的長度（兩電極之間的距離）近似取為液柱的直徑D，用被測流體的平均速度近似代替導(dǎo)體的運動速度，可得當(dāng)磁感應(yīng)強度B及兩電極之間的距離D固定不變時，電極兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢只與被測流體的平均流速成正比。這樣，流過測量管截面的液體的體積流量為結(jié)論：體積流量與感應(yīng)電動勢e成線性關(guān)系，而與其他物理參數(shù)無關(guān)。即測得的體積流量不受流體的溫度、壓力、密度、粘度等參數(shù)的影響。電磁流量變送器一般由測量管、勵磁系統(tǒng)；檢測部分和外殼組成。電磁流量計的結(jié)構(gòu)測量管采用的是強度好、磁導(dǎo)率低、電阻率高的材料制造，管內(nèi)涂有耐腐蝕、耐高溫的內(nèi)襯材料。小口徑的變速器采用磁軛式集中繞組磁路結(jié)構(gòu)，以使接結(jié)構(gòu)緊湊。大口徑的變速器采用磁軛式分段繞組磁路結(jié)構(gòu)，以使結(jié)構(gòu)緊湊。轉(zhuǎn)換器的作用是將變速器送來的感應(yīng)電動勢e信號放大，轉(zhuǎn)換成與被測體積流量成正比的電流信號或頻率信號。使用電磁流量計的前提是被測流體必須是導(dǎo)電的，流體的導(dǎo)電率不能低于下限值，導(dǎo)電率低于下限值，會產(chǎn)生測量誤差甚至不能使用。根據(jù)使用經(jīng)驗，實際應(yīng)用的液體導(dǎo)電率最好要比儀表廠規(guī)定的下限值大一個數(shù)量級。選用的電磁流量計的最低流速不能低于量程的10％，最大流速不能超過10m/s。為保證變速器中沒有沉積物或氣泡積存，變速器最好垂直安裝，被測流體自下而上流動。變速器上游側(cè)應(yīng)有5～10D（變送器公稱直徑）的直管段；下游側(cè)的直管段可短一些。電磁流量計結(jié)構(gòu)簡單、無相對運動部件，阻力損失小，測量范圍寬；可任意改變量程，可測量正反方向流體的流量。適當(dāng)選用絕緣內(nèi)襯，可以測量各種腐蝕性溶液的流量，尤其是在測量含有固體顆粒的液體，更顯示其優(yōu)越性。但不能測量氣體、蒸汽及石油產(chǎn)品。電磁流量計第7節(jié)超聲波流量計假定流體靜止的聲速為c，流體速度為v，順流時傳播速度為c+v，逆流時則為c-v。在流道中設(shè)置兩個超聲波發(fā)生器T1和T2，兩個接收器R1和R2，發(fā)生器與接收器的間距為l。在不用兩個放大器的情況下，聲波從T1到R1和T2到R2的時間分別為t1和t2：則若已知l和c，只要測得Δt，便可知流速v。此種測量方法稱為時差法。由于流速帶給聲波的變化量為10-3數(shù)量級，而要得到1％的流量測量精度，對聲波的測量速度要求為10-5—10-6數(shù)量級，檢測很困難。通常采用聲循環(huán)法。聲循環(huán)法接入兩個反饋放大器，即構(gòu)成聲循環(huán)法首先從T1發(fā)射超聲波，R1接收到的信號經(jīng)放大器放大后加到T1上，再從T1發(fā)射，如此重復(fù)進行。重復(fù)周期為t1重復(fù)頻率（聲循環(huán)頻率）f1逆向從T2到R2循環(huán)的聲循環(huán)頻率f2為聲循環(huán)頻率差為結(jié)論：流速只與順逆流的頻率差有關(guān)，與聲速無關(guān)，從而消除了聲速的影響。超聲波流量計（固定式）超聲波流量計（便攜式）超聲波流量計（手持式）超聲波流量計使用方便；安裝在測量管道的外表，和被測流體不接觸，所以不干擾流場，沒有壓力損失；維修時不需要切斷流體。超聲波流量計對管道尺寸及流量測量范圍的變化有很大的適應(yīng)能力，其結(jié)構(gòu)形式與造價同被測管道的直徑關(guān)系不大，且直徑越大經(jīng)濟優(yōu)勢越顯著。超聲波流量計適用于管徑20～5000mm的各種介質(zhì)的流量測量，并具有較高的測量精度。超聲波流量計應(yīng)盡可能在遠離泵、閥等流動紊亂的地方安裝。泵應(yīng)在被測管上游側(cè)50D（管徑公稱直徑）處，流量控制閥應(yīng)遠離12D以上。一般情況下，上游側(cè)應(yīng)有12D（管徑公稱直徑）的直管段；下游側(cè)需5D的直管段。超聲波流量計特點第8節(jié)容積式流量計工作原理：在一定容積空間里充滿的液體，隨流量及內(nèi)部的運動元件的移動而被送出出口，測量這種送出流體的次數(shù)就可以求出通過流量計的流體體積。如果運動元件每循環(huán)動作一次從流量計內(nèi)送出的體積為U，流體流過時，運動元件動作次數(shù)為N。則N次動作的時間內(nèi)通過流量計的流體體積V為容積流量計種類很多，常用的有腰輪流量計、轉(zhuǎn)式氣體流量計和薄膜式氣體流量計。腰輪流量計

當(dāng)流體按箭頭方向流入時，靜壓力p1均勻地作用在腰輪轉(zhuǎn)子A的一側(cè)上，轉(zhuǎn)子A因力矩平衡而不轉(zhuǎn)動；此時，腰輪子B由于出入口的壓力差（p1-p2），而受到旋轉(zhuǎn)力矩，按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，同時帶動固定在同一軸上的驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)，通過一對驅(qū)動齒輪的嚙合關(guān)系，使轉(zhuǎn)子A按順時針方向旋轉(zhuǎn)到（b）的位置。腰輪流量計此時，（a）中陰影部分（計量腔）中的液體被送到流量計的出口端。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置的變化，轉(zhuǎn)子B上力矩逐漸減少，而轉(zhuǎn)子A上產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，并逐漸增大。當(dāng)兩個轉(zhuǎn)子都旋轉(zhuǎn)，到達（c）的位置腰輪流量計轉(zhuǎn)子A產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩到最大，而轉(zhuǎn)子B上則無轉(zhuǎn)動力矩。這時，兩個驅(qū)動齒輪相互改變主從動關(guān)系，兩轉(zhuǎn)子交替地把經(jīng)計量腔計量過的流體連續(xù)不斷地由流量計的入口端排出到出口端，從而達到計量目的。腰輪流量計腰輪流量計精度高（0.1％～0.5％），量程比為1：10，結(jié)構(gòu)簡單可靠且壽命長，對流量計前后的直管段或整流器無嚴格要求，容易做到就地指示和遠傳。適用于水、油和其他液體的測量，也可用于各中高低壓氣體的測量。轉(zhuǎn)式氣體流量計（濕式煤氣表）在流量計的內(nèi)部注入一半左右的水或低粘度油，轉(zhuǎn)筒則有一半浸在液體中。而轉(zhuǎn)筒又分為幾個空間部分，轉(zhuǎn)子繞其中心的軸旋轉(zhuǎn)。從入口進入的氣體到達前室，再通過送氣管流入轉(zhuǎn)筒內(nèi)的空間部分。首先從送氣管出來的氣體進入轉(zhuǎn)筒之外而經(jīng)出口流走，轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一周從入口進來而從出口排走的氣體量等于轉(zhuǎn)筒內(nèi)部的空間部分的體積。轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)數(shù)通過與轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)軸連動的齒輪系統(tǒng)傳送至指示部分。轉(zhuǎn)式氣體流量計轉(zhuǎn)式氣體流量計精度高（0.2％～0.5％），量程比為1：20，常用作量值傳遞用表或標準表。主要用于城市氣體和丙烷氣體的流量測量，也可用于測量常壓下的其他氣體。由于很難加快旋轉(zhuǎn)速度，故只能用于小流量的氣體測量。要注意所測氣體不能溶于流量計內(nèi)部的液體和與液體發(fā)生反應(yīng)，如果密封液體是水，則通過流量計的氣體中若含有水蒸氣，在測量時要進行修正。薄膜式氣體流量計（干式氣體流量計）在流量計內(nèi)部有浸油薄羊皮或合成樹脂薄膜制成的能夠伸縮的容積部2、3及與其容積部伸縮動作連動的閥1和2。在圖a中，從入口流入的氣體通過閥1流入容積部2，薄膜在流入氣體的壓力下伸脹，容積部2增大的同時，容積部1中的氣體通過閥1向出口排出。在該動作期間和薄膜的動作連動的閥1和閥2徐徐移動，從入口流入的氣體也進入容積部分3，與此同時，容積部分4的氣體通過閥2從出口排走。薄膜式氣體流量計（干式氣體流量計）在圖（b）中，容積部3充滿氣體，且從入口進入的氣體繼續(xù)流入。因向容積部3進入氣體時，薄膜將伸脹，與此連動的閥1和2也移動，而變成圖（c）的狀態(tài)。薄膜式氣體流量計（干式氣體流量計）在圖（c）中，從入口流入的氣體進入容積部1，在該氣體壓力下，薄膜收縮，使容積部2中氣體向出口排出。繼續(xù)動作后，將變成圖（d）的狀態(tài)，待循環(huán)一次后回到最初的圖（a）狀態(tài)，開始第二次循環(huán)動作。這樣在進入氣體的壓力下，由于薄膜的伸縮及與此連動閥的作用，連續(xù)地將氣體從入口送至出口，測得這種動作的循環(huán)次數(shù)，即可測量所通過的體積。動作的循環(huán)次數(shù)是通過與薄膜的伸縮連動的齒輪系統(tǒng)傳送指示部分。刮板流量計流體在流量計進出口壓差作用下，推動流量計的刮板和轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動。刮板在一個固定凸輪作用下，可以沿徑向而伸出和收回。當(dāng)某一刮板轉(zhuǎn)到計量空間的起始點B時，前一刮板正好轉(zhuǎn)過計量空間的終止點C，流體排出。在流量計轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周以后，有6倍計量空間的流體體