化工基础液体流量测定与流量计校验

实验五液体流量测定与流量计校验
一．实验目的
流量的测定和其他基本物理量，如温度、压力等的测定一样，在科学研究、工业生产，甚至在日常生活中，都是十分重要的。

流体流量的测定：包括不可压缩流体和可压缩流体两类流体流量的测定。

在测量方法和仪表方面，两者有不同，但也有通用的仪器，如常用的孔板流量计和转子流量计，既可用于测量不可压缩流体，也可用于可压缩流体。

这些测量仪表又大都安装在流体输送管道上。

工厂使用的流量计大都是按照标准规范制造的，不需校验，照其规定就可使用。

在实验室里，情况则不然，通常测量的都是小流量，并且被测流体的种类和性质也常随工作对象的变化而变更，所以使用标准规范的流量计很困难。

这就往往需要根据实际情况（主要是流量大小、流体性质、使用条件等）自己制作一些非标准化的流量计，然后用实验方法进行校验标定，以求得具体的计算式子或标绘出流量曲线。

本实验采用自制的孔板流量计和文丘里流量计测定流体流量，用直接容量法进行标定；同时测定孔流系数与雷诺数之间的关系，并比较两种流量计的阻力损失。

通过实验，不仅可学习到液体流量的测定方法，流量计的使用和校验方法，也必将有助于巩固所学的理论知识。

更重要的还在于对学习者今后要去从事的科学研究或其他实验工作来说，更有实际意义。

二．实验原理
1、孔板流量计：孔板流量计的构造原理如下图示，在管路中装有一孔板，孔板两侧接出测压管，分别与U形压差计相连接。

图1 实验装置图
孔板流量计是利用流体通过锐孔的节流作用，使流速增大，压强减小，造成孔板前后压强差，作为测量的依据。

若管道的直径为d ，孔板锐孔直径为1d ，流体流经孔板后形成缩脉的直径为
2d ，流体密度为ρ。

在截面积Ⅰ、Ⅱ处，即孔板前导管处和缩脉处的速度和压强分别为1u ，2u 与
21,p p ，根据柏努利方程式可得：
H p u u p ∆==--ρ
2
121222 （1） 或
H u u ∆=-22122 （2）
由于缩脉位置因流速而变，截面积2A 又难予知道，而孔板孔径的面积0A 是已知的，测压器的位置在设备一旦制成后，也是不变的。

因此，用孔板孔径处流速0u 来代替（2）式中的2u ，又考虑到实际流体同局部阻力所造成的能量损失，故需用系数C 加以校正，式（2）可改写为： H C u u ∆=-2212
（3）
对于不可压缩流体，根据连续性方程式，又可得：
1
1A A u u = （4） 将式（4）代入（3），整理后可得：
2
1
00)(
12A A H C u -∆=
（5）
令2
1
00)(
1/A A C C -=则式（5）可简化为： H C u ∆=200 （6） 根据00A u 和，即可算出流体的体积流量：
H A C A u v s ∆==20000 （m/s ） （7）
3
或 ρ
ρρ)
(20
0-=A s gR A C v （m/s ） （8）
式中：R ——u 形压差计算数（液体高差度） ， m ； A ρ——压差计中指示液的密度 ， 3/m kg 。

0C 称为孔板流量系数，它由孔板流孔的形状，测压口位置、孔径与管径比1
0/d d 和雷诺准数Re 所决定，具体数值由实验测定。

当孔板的10/d d 一定后，Re 数超过某一定值后，0C 就接近于定值。

一般工业上定形的流量计，就是规定在0C 为定值的流动条件下使用。

2、文丘里流量计：
孔板流量计装置简单，但其主要缺点就是阻力损失大。

文丘里流量计针对孔板流量计的问题，使流量计的管径逐渐缩小，然后逐渐扩大以减少涡流损失。

其构造如下图所示。

图2 实验结构图
扩大管与收缩管接近处，即管截面积为最小处，称为文氏管喉。

管喉处流速应为：
H C u v ∆=20 （9） 或 ρ
ρρ)
(20-=A v
gR C u （10）
根据v u 和管喉截面积v A ，可得流体的体积流量： ρ
ρρ)
(2-=A v
v s gR A C V （11）
式中v C 称为文丘里流量计的流量系数，其数值随雷诺准数而改变。

流量系数的
具体数值亦由实验测定。

在湍流情况下，当喉径与管径比2
1
~4110=d d 时，v C 约为0.98。

3、流量计的局部阻力：
流体流过流量计时，因局部阻力所造成的能量损失，其较为简单的计算方法为阻力系数法。

也就是说，流体克服局部阻力所消耗的能量（损失压头）可表示为动能（动压头）的倍数，即：
2
20
u h f ζ= （J/kg ） （12）
式中：
f h ——流量计因局部阻力所消耗的压头损失， J/k
g ；
0u ——流量计锐孔喉管处的流速， m/s ；
ζ——流量计的局部阻力系数。

若在流量计两端连接导管上，列出实际流体的机械能蘅算式，可得：
f H g
u g p Z g u g p Z +++=++222
2
222211ρρ （13）
式中下标1，2分别表示流量计上游和下游导管中的数值。

若在这种情况：
流量计水平装置，即21Z Z =；
流量计两侧连接导管的管径相同，则21u u =。

则上式即可简化为：
ρ
2
1P P h f -=
（J/kg ） （14） 由此可见，只要在流量计两侧水平管上测得压力差，即可得到流量计因局部阻力所消耗的压头损失。

同时，可按式（12）计算出流量计的局部阻力系数值。

三．实验装置
本装置的装配见下图。

图3 实验装置图
孔径（5.1mm）相同的文丘里流量计和孔板流量计被串联在同一管路中，它们的最大截面积与管路导管的截面积相等（直径=17mm）。

两流量的取压口，直接与侧压U形管相接，中间的双U型管是用来测定阻力损失的，它在三个取压点所测得的降压，其中直管阻力部分，对两个流量计来说是相等的，所以双U 型管的压差实际上是反映了位于两个流量计时所受到的阻力。

孔板流量计后面有一个旋塞阀，旋塞孔径的大小和管道内径相等。

改变旋塞的开度可以调节管路中水的流量。

管路的末端装有一段可以转动的ㄣ型的双弯管，把它向左扳动时，水就流入测量容器中，向右扳动时，则回流早贮水槽循环。

水是由装在水槽上的水泵输送的。

为了保证测量时稳定而又准确，流量计两侧要有足够长度的直管。

因为管件所引起的流动骚扰，会对孔流系数的测量产生影响。

一般流量计上游，直管上为10—50D，下游为5—10D。

流量计标定，一般采用称量法和容量法。

或用标准流量计进行比较标定。

本实验采用量筒和秒表计量，较为方便。

并根据测得压降和容量法实测的水的流量，
C。

计算流量计的孔流系数
v
5
主要设备规格
（1）孔板流量计 0d =5、1mm ， 1d =17mm 1个 （2）文丘里流量计 0d =5、1mm ， 1d =17mm 1个 （3）U 型压差计 320mm 4支 （4）水泵 型号 DB —25A ， 流量25升/分 ， 扬程4米
转速2750转/分 ， 功率120瓦 ， 电压380V （三相） 1台 （5）贮水槽 400×300×200（mm ） 1台 （6）量筒 1000ml 或2000ml 1个 （7）烧杯 2000ml 或3000ml 1只 （8）秒表 1块 （9）温度计 0—50℃ 1支
四．实验方法
1、关闭水泵的出口阀门（1）；
2、按动电源开关（13），启动水泵（12）；
3、打开旋塞（7）至全开状，把ㄣ型管（8）扳向回水方向（向右）打开；
4、渐渐开启泵的出口阀门（1）直至全部打开（注意：不能一下子全开，以免U 型管中水银冲出），排除管路中的空气泡；
5、调节旋塞阀的开度，控制管路中水的流量，当两流量计的压差稳定后，记下压差值，并将转位管（8）扳向测量容器（烧杯），收集水同时记时，用量筒测量所收集的水的体积，记下所用去的时间；
6、改变旋塞的开度，重复操作5，在允许流量最大范围内测取7—8组数据；
7、实验结束，先关旋塞，再关闭泵出口阀，最后切断电源。

五．实验结果整理
1、记录被检流量计的型号和基本参数 孔板流量计：
NO__________
锐孔孔径 0d =5.1mm 管道内径 1d =17mm 压差计指示液密度A ρ=13.6×103kg/3
m 文丘里流量计：
NO____________
吼管孔径 v d =5.1mm 管道内径 1d =17mm 收缩管中心角： α=___________ β=_____________
压差计指示液密度 A ρ=13.6×103kg/3
m
2、将实验测得的流量、各压差计示数等，参考下列表格，按被检流量计的型号、编号。

分别进行记录：水温20℃
7
相关公式：
3、根据实验测定时的水温，从手册中查出下列各项物理常数：
水的密度： ρ=0.×103kg/3m 粘度 ： μ=1.0087×10-3kg/m·s
4、根据所测的流量，应用式（8）和式（11）分别求取v C C 和0值。

5、根据已知参数（管内径）查出相应的雷诺数。

6、据设备基本参数、物性数据和实验测得值，参考下列表格进行数据处理：
相关公式：
7、根据实验结果，用坐标纸绘制体积流量和质量流量检定曲线。

用坐标纸绘制流量系数Co（Cv）与雷诺准数（或logRe）的关系曲线。

图1-1 流量系数Co（Cv）与雷诺准数的关系曲线
图1-2 流量系数Co（Cv）与logRe的关系曲线
9
六．实验注意事项
1.启动水泵前一定要把流量计前后阀门关闭。

在开关阀门时，动作一定要缓慢，以防压差计中的水银被冲走。

2.管道和压差计连接管内，决不能存在气泡。

否则影响测量准确度。

一旦有气泡产生，一定要设法排除后，才能进行测量。

3.标定流量计时，最好由小流量到大流量，再由大流量到小流量，重复两次，取其平均值。

七、实验结果讨论
1、从实验绘制的Re~Co（或logRe~Co）关系曲线，或Re~Cv（或logRe~Cv）关系曲线中可以得到什么讨论？
2、试分析讨论孔板流量计和文丘里流量计的优缺点和使用范围。