工程测试技术及应用第7章
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压力能 Pressure energy mgh1
mgh2
1/2mv12 mp1/ρ
1/2mv22 mp2/ρ
1
2
v12 p1 v2 2 p2 能量守恒：gh1 gh2 2 1 2 2
15
五.流量计分类
总量 流量计 瞬时 流量计 容积 流量计 质量 流量计 容积式 速度式
椭圆齿轮 流量计
腰轮流量 计
活塞式 流量计
括板式流 量计
19
1） 椭圆齿轮流量计
每转一周，四个相同月牙形腔（测量室）被形成、被封闭、 被传送、被卸出。两个齿轮共送出4个标准容积的流体。
粘度愈大的介质， 从齿轮和计量空 间隙中泄漏出去 的泄漏量愈小， 因此被测介质的 粘度愈大，对测 量愈有利。
20
2） 腰轮流量计（罗茨流量计）
36
二.超声波流量计
超声波流量计的原理：
流速不同会使超声波在流体中传播的速度发生 变化，通过分析计算改变的超声波信号，可以 检测到流体的流速，进而可以得到流量值。
主要介绍传播速度差法和多普勒法。
37
1.传播速度差法
通过测量超声波脉冲在顺流和逆流传播过程中 的速度之差来得到到被测流体的流速。
F1到J2超声波传播速度为：
• • 结论：流动状态由流体比重、管道直径、 流速、流体粘度决定。
11
四.基本流体方程
连续性方程 伯努利方程
12
1 连续性方程
(Equation of Continuity)
流体在管道内作稳定流动的情况（流场中任意点的流速 不随时间变化的流动 ）：
1 2
1v1 A1 2 v2 A2
v 为某截面积上的平均速度
5
大型化工企业中，流量是 控制工艺过程和保证产品 质量的关键因素。
6
三.所用的一些技术术语
Some technical terms
1、粘度 2、压缩性 3、层流、紊流 4、雷诺数
7
1 粘度
粘度表征流体的流动阻力，如左下图。
y
v
x
流体层间剪切应力为：
dv dy
动力粘度
运动粘度 kinematic viscosity(m2/s) 8
44
多普勒法原理
从发射晶体T1发射的 超声波束遇到流体中运动 着颗粒或气泡，再反射回 来由接收晶体R1接收。 发射信号与接收信号 的多普勒频率偏移与流体 流速成正比。
（忽略管壁影响，并假设流体没 有速度梯度，以及粒子是均匀分 布的。）
45
超声波流量计的特点
优点： 流体中不插入任何元件，对流速无影响，也没有压力损失； 能用于任何液体，也能测量气体的流量； 非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径 流量 ； 量程比较宽，可达5：1； 输出与流量之间呈线性等优点。 缺点： 只能用于测量200℃以下的流体； 结构复杂，成本较高。
c t 2 qv Av Dc tgt 4 2D c tg 8
2 2
40
D
2）相差法
测量顺、逆流传播时超声波信号的相位差。
F1和F2发射角频率为w的连续超声波，则J1和 J2到的信号相位差为：
流量正比于相位差：
41
3）频差法 测量顺、逆流传播时超声脉冲的重复频率差。 脉冲重复频率的定义:
截面积：A1 流 速： v 1 密 度 ： ρ1
A2
ρ2
v2
不可压缩的流体在稳定流动时，流 过各截面流体的体积为常量。
const
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ13
2 伯努利方程
(Bernoulli’s Equation)
势能 动能 压力能
14
+
流体能
3 伯努利方程的构成
v2
p2
h2
v1 p1
h1
势能 Potential energy 动能 Kinetic energy
该环形流通面积为A0， 则体积流量为：
27
则体积流量：
f f g 0 0 g
28
R
r
h
2
qv与h近似成线性关系。
29
流体流量的修正： 标定流体的密度为ρ0，实测流体的密度为ρ，则在同 一个A0处有：
qv0 A0 v A0
2 gV f ( f 0 ) A f 0
46
7.5 压力的测试
1、压力的定义 流体或固体垂直作用在单位面积（S）上的力 （F）称为压力（p），也称压强。
p F/S
工程中常采用的压力有绝对压力（pa）、表压 力（pg）、真空（pv）和差压等几种。
47
pa、pg、pv与p0之间的关系
48
2、压力的计量单位
压力的单位是力和面积的导出单位，而各种单位制中力和面 积的单位不同，则压力的单位也有多种。 1)在SI中，压力的单位是牛顿/米2（N/m2），为帕斯卡或简称帕 （Pa），1Pa≈0.1mmH2O（毫米水柱）； 2)在CGS制中，压力的单位是达因/厘米2（ dyn/cm2）简称为巴 （bar），1bar=0.1Mpa。 3)在新标准中，压力的其他单位，如标准大气压（ atm）、千克力/ 米2（kgf/m2）、托（Torr）、工程大气压（at）等。
工作原理与椭圆流量计相同，只是转子不是椭圆 齿轮，而是一对由圆弧和摆线围成的中间凹进的腰形 光轮，形成菱角形测量室。
V NV0
可用于液体、气 体流量测量。
21
1.容积式计量表
特点：
计量精度高，基本误差一般为±0.5％，特殊的可达±0.2％或更高。通常 在昂贵介质或需要精确计量的场合使用。 没有前臵直管段要求。这一点在现场使用中有重要的意义。 可用于高粘度流体的测量。范围度宽，一般为10：1到5：1，特殊的可达 30：1或更大。 直读式仪表，无需外部能源，可直接获得累计总量，清晰明了，操作简便。
在单通道中一个发射脉冲被接收器接收之后， 立即发射出另一个脉冲，这样以一定频率重复 发射,这个频率称为脉冲重复频率。
频差法是目前常用的测量方法，它是在前两种测量 方法的基础上发展起来的．
42
3）频差法
顺流和逆流重复发射频率分别为:
频率差为： 流量正比于频率差：
43
2.多普勒法
利用声学多普勒原理确定流体流量。 多普勒效应是当声源和目标之间有相对运 动，会引起反射声波与声源在频率上的变化， 这种频率变化正比于运动目标和静止的换能器 之间的相对速度。
第7章
流 量 测 试
Flow Measurement
1
7.1
基本概念
2
一.流量的概念
流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量，前 者称体积流量qv（m3/s)，后者称质量流量qm(kg/s)。
如果在截面上速度分布是均匀的，则：
3
流体总量：某一段时间内流过的流体量，即瞬时 流量对时间的积分。
56
测压系统的动态标定
c1 c v cos
F2到J1超声波传播速度为：
c2 c v cos
得到：
c1 c2 v 2 cos
38
测量速差的方法有：时差法、相差法和频差法。
1）时差法
测量顺、逆流传播时由于超声波传播速度 不同而引起的时间差。
顺流传播时间为：
D / sin t1 c v cos
V qv dt
t
M qm dt
t
流量计：用来测量流量的仪表的统称。 测量总量的仪表称为流体计量表或总量计。
4
二.流量测量的重要性
Importance of fluid flow measurement
1、流量是三大工业过程控制量 (压力、温度、流量)之一； 2、石油、天然气、化工原料等流 体的计量直接关系到国家利益； 3、自来水、灌溉、污水处理等关 系到国计民生。
49
3 . 压力的分类 压力：静态压力和动态压力 静态压力：不随时间变化 或变化非常缓慢的压力。 动态压力：随时间变化的压力。
压力测量方法
静态压力测量：一般采用压力表、压力变送器进行 测量。
50
▲应变式压力测量系统组成
被测压力
应变式压力传感器 动态电阻应变仪 测量记录仪器
静态压力标定机 ▲使用注意事项 1)在测量前应对系统进行标定，以获取测量系统的灵敏度及相关 静态特性指标。 2)使用时要注意电桥调平衡。 3)系统抗干扰及绝缘措施。
压差式 流体阻力式 测速式
流体振动式
16
7.2 总量流量计
gross flow meter
17
总量流量计大致有两大类：
1 容积式
2 速度式
18
1.容积式计量表
用仪表内一个固定容量的容积连续地测量被测介质， 最后根据定量容积称量的次数来决定流过的总量。根据结构 不同，这类仪表主要有：
容积式计量表
35
涡轮流量计的特点
1） 高精确度，基本误差可达±0.25％－±1.5％，在所 有流量计中，它属于最精确的。 2） 重复性好，短期重复性可达0.05％-0.2％； 3） 输出脉冲频率信号，无零点漂移，抗干扰能力强。 4） 测量范围度宽，中大口径可达40：1-10：1。 5） 结构紧凑轻巧，安装维护方便。 6） 适用高压测量，仪表表体上不必开孔，易制成高压 型仪表。 7） 难以长期保持校准特性，需要定期校验。
22
7.3 流体阻力式流量计
Fluid resistance flow meter
23
一.工作原理
管道内置入一阻力体。
阻力体 运 动位臵变 化 根据阻力体不同，这类流量计有： 流量 大小 阻力体 受力变化
转子(浮子)流量计
靶式流量计
24
1.转子(浮子)流量计
结构：锥形管＋浮子
B F W 浮子受力： B: 流体内浮子的浮力 F: 流体作用于浮子的力 W: 浮子的重力
2 压缩性
不可压缩性 液体，其密度随温度而变化。 可压缩性 气体，其密度随温度和压力而变 化。
9
3 层流和紊流
流体在细管中的两种流动形式。
层流 流体沿直线顺着与管道平行的 流线规律运动。
紊流
流体质点的运动是紊乱的。
10
4 雷诺数(Reynolds number)
利用雷诺数可以判断流动的形式。
Re<2000 层流 Re>2000 紊流
51
膜电式压电传感器
用金属膜片代替活塞， 膜片起着传递压力、实 现预压和密封三个作用
52
压电式压力测量系统组成
被测压力
压电式压力传感器
电荷放大器
测量记录仪器
静态压力标定机
53
使用注意事项
◆注意传感器及连接电缆线 的输出阻抗、防潮防湿； ◆传感器灵敏度的归一化处 理；
◆注意电荷放大器的上、下限频率 选择； ◆电荷放大器的 “工作”及“复位” 开关的位臵； ◆要注意全系统的共地。
54
动态压力测量的管道效应
将选择好的传感器安装在需要进行压力测量的 部位，其间有腔室和管道的情况是很多的，甚至是无法避 免的，这会显著地影响传感器的频响特性。管道效应会使 压力测量系统的动态响应变坏，甚至会造成动态压力测量 曲线的严重失真，在进行动态压力测量时必须予以考虑。 一般应尽量减小不必要的腔室容积和管道长度。
55
被标定的压力传感器或压力仪表安装在压力计的接头 上。当转动手轮时，加压油缸的活塞往前移动使油缸增压，并把压 力传至各部分。当压力达到一定值时，将精密活塞连同上面所加的 标准砝码顶起，轻轻转动砝码盘，使精密活塞与砝码旋转，以减小 活塞与缸体之间的磨擦力。此时油压与砝码（连同活塞）的重力相 平衡。
25
环隙 浮子 锥体
转子(浮子)流量计原理图
转子(浮子)流量计的测量原理
力平衡条件：
重力＝浮力＋阻力
f -浮子比重
V f -浮子体积 0 -流体比重 0 -流体密度 Cd -浮子阻力系数 v-环形流通面积内的 平均流速 Af -浮子最大迎流面积
26
W BF
W fVf B 0V f 1 2 F 0 v Cd A f 2
2 gV f ( f ) Af
30
qv qv0
( f ) 0
f 0 )
C g qv0
qv A0v A0
从仪表刻度上读出的流量值乘上修正系数Cg，为 实测值。
转子(浮子)流量计的特点
◇结构简单； ◇使用维护方便； ◇测量范围宽； ◇工作可靠且线性刻度； ◇适用性广。
31
7.4 测速式流量计
Velocity-infered flow meter
32
测速式流量计的分类
1.涡轮流量计
2.超声波流量计
33
一.涡轮流量计
以动量矩守恒原理为基础，涡轮的旋转速度 随流量的变化而变化，从涡轮的转速可求出流量 值；
34
qv=f/K
f－流量计输出信号的 频率； K－流量计的仪表系数；
D / sin v c t2 c v cos 2 Dv c tg 2 Dv 时间差为： t | t2 t1 | 2 2 2 c tg c v cos c
逆流传播时间为：
39
1）时差法
因此可得出流速：
c t v 2D c tg
2
流量正比于时间差：
mgh2
1/2mv12 mp1/ρ
1/2mv22 mp2/ρ
1
2
v12 p1 v2 2 p2 能量守恒：gh1 gh2 2 1 2 2
15
五.流量计分类
总量 流量计 瞬时 流量计 容积 流量计 质量 流量计 容积式 速度式
椭圆齿轮 流量计
腰轮流量 计
活塞式 流量计
括板式流 量计
19
1） 椭圆齿轮流量计
每转一周，四个相同月牙形腔（测量室）被形成、被封闭、 被传送、被卸出。两个齿轮共送出4个标准容积的流体。
粘度愈大的介质， 从齿轮和计量空 间隙中泄漏出去 的泄漏量愈小， 因此被测介质的 粘度愈大，对测 量愈有利。
20
2） 腰轮流量计（罗茨流量计）
36
二.超声波流量计
超声波流量计的原理：
流速不同会使超声波在流体中传播的速度发生 变化，通过分析计算改变的超声波信号，可以 检测到流体的流速，进而可以得到流量值。
主要介绍传播速度差法和多普勒法。
37
1.传播速度差法
通过测量超声波脉冲在顺流和逆流传播过程中 的速度之差来得到到被测流体的流速。
F1到J2超声波传播速度为：
• • 结论：流动状态由流体比重、管道直径、 流速、流体粘度决定。
11
四.基本流体方程
连续性方程 伯努利方程
12
1 连续性方程
(Equation of Continuity)
流体在管道内作稳定流动的情况（流场中任意点的流速 不随时间变化的流动 ）：
1 2
1v1 A1 2 v2 A2
v 为某截面积上的平均速度
5
大型化工企业中，流量是 控制工艺过程和保证产品 质量的关键因素。
6
三.所用的一些技术术语
Some technical terms
1、粘度 2、压缩性 3、层流、紊流 4、雷诺数
7
1 粘度
粘度表征流体的流动阻力，如左下图。
y
v
x
流体层间剪切应力为：
dv dy
动力粘度
运动粘度 kinematic viscosity(m2/s) 8
44
多普勒法原理
从发射晶体T1发射的 超声波束遇到流体中运动 着颗粒或气泡，再反射回 来由接收晶体R1接收。 发射信号与接收信号 的多普勒频率偏移与流体 流速成正比。
（忽略管壁影响，并假设流体没 有速度梯度，以及粒子是均匀分 布的。）
45
超声波流量计的特点
优点： 流体中不插入任何元件，对流速无影响，也没有压力损失； 能用于任何液体，也能测量气体的流量； 非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径 流量 ； 量程比较宽，可达5：1； 输出与流量之间呈线性等优点。 缺点： 只能用于测量200℃以下的流体； 结构复杂，成本较高。
c t 2 qv Av Dc tgt 4 2D c tg 8
2 2
40
D
2）相差法
测量顺、逆流传播时超声波信号的相位差。
F1和F2发射角频率为w的连续超声波，则J1和 J2到的信号相位差为：
流量正比于相位差：
41
3）频差法 测量顺、逆流传播时超声脉冲的重复频率差。 脉冲重复频率的定义:
截面积：A1 流 速： v 1 密 度 ： ρ1
A2
ρ2
v2
不可压缩的流体在稳定流动时，流 过各截面流体的体积为常量。
const
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ13
2 伯努利方程
(Bernoulli’s Equation)
势能 动能 压力能
14
+
流体能
3 伯努利方程的构成
v2
p2
h2
v1 p1
h1
势能 Potential energy 动能 Kinetic energy
该环形流通面积为A0， 则体积流量为：
27
则体积流量：
f f g 0 0 g
28
R
r
h
2
qv与h近似成线性关系。
29
流体流量的修正： 标定流体的密度为ρ0，实测流体的密度为ρ，则在同 一个A0处有：
qv0 A0 v A0
2 gV f ( f 0 ) A f 0
46
7.5 压力的测试
1、压力的定义 流体或固体垂直作用在单位面积（S）上的力 （F）称为压力（p），也称压强。
p F/S
工程中常采用的压力有绝对压力（pa）、表压 力（pg）、真空（pv）和差压等几种。
47
pa、pg、pv与p0之间的关系
48
2、压力的计量单位
压力的单位是力和面积的导出单位，而各种单位制中力和面 积的单位不同，则压力的单位也有多种。 1)在SI中，压力的单位是牛顿/米2（N/m2），为帕斯卡或简称帕 （Pa），1Pa≈0.1mmH2O（毫米水柱）； 2)在CGS制中，压力的单位是达因/厘米2（ dyn/cm2）简称为巴 （bar），1bar=0.1Mpa。 3)在新标准中，压力的其他单位，如标准大气压（ atm）、千克力/ 米2（kgf/m2）、托（Torr）、工程大气压（at）等。
工作原理与椭圆流量计相同，只是转子不是椭圆 齿轮，而是一对由圆弧和摆线围成的中间凹进的腰形 光轮，形成菱角形测量室。
V NV0
可用于液体、气 体流量测量。
21
1.容积式计量表
特点：
计量精度高，基本误差一般为±0.5％，特殊的可达±0.2％或更高。通常 在昂贵介质或需要精确计量的场合使用。 没有前臵直管段要求。这一点在现场使用中有重要的意义。 可用于高粘度流体的测量。范围度宽，一般为10：1到5：1，特殊的可达 30：1或更大。 直读式仪表，无需外部能源，可直接获得累计总量，清晰明了，操作简便。
在单通道中一个发射脉冲被接收器接收之后， 立即发射出另一个脉冲，这样以一定频率重复 发射,这个频率称为脉冲重复频率。
频差法是目前常用的测量方法，它是在前两种测量 方法的基础上发展起来的．
42
3）频差法
顺流和逆流重复发射频率分别为:
频率差为： 流量正比于频率差：
43
2.多普勒法
利用声学多普勒原理确定流体流量。 多普勒效应是当声源和目标之间有相对运 动，会引起反射声波与声源在频率上的变化， 这种频率变化正比于运动目标和静止的换能器 之间的相对速度。
第7章
流 量 测 试
Flow Measurement
1
7.1
基本概念
2
一.流量的概念
流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量，前 者称体积流量qv（m3/s)，后者称质量流量qm(kg/s)。
如果在截面上速度分布是均匀的，则：
3
流体总量：某一段时间内流过的流体量，即瞬时 流量对时间的积分。
56
测压系统的动态标定
c1 c v cos
F2到J1超声波传播速度为：
c2 c v cos
得到：
c1 c2 v 2 cos
38
测量速差的方法有：时差法、相差法和频差法。
1）时差法
测量顺、逆流传播时由于超声波传播速度 不同而引起的时间差。
顺流传播时间为：
D / sin t1 c v cos
V qv dt
t
M qm dt
t
流量计：用来测量流量的仪表的统称。 测量总量的仪表称为流体计量表或总量计。
4
二.流量测量的重要性
Importance of fluid flow measurement
1、流量是三大工业过程控制量 (压力、温度、流量)之一； 2、石油、天然气、化工原料等流 体的计量直接关系到国家利益； 3、自来水、灌溉、污水处理等关 系到国计民生。
49
3 . 压力的分类 压力：静态压力和动态压力 静态压力：不随时间变化 或变化非常缓慢的压力。 动态压力：随时间变化的压力。
压力测量方法
静态压力测量：一般采用压力表、压力变送器进行 测量。
50
▲应变式压力测量系统组成
被测压力
应变式压力传感器 动态电阻应变仪 测量记录仪器
静态压力标定机 ▲使用注意事项 1)在测量前应对系统进行标定，以获取测量系统的灵敏度及相关 静态特性指标。 2)使用时要注意电桥调平衡。 3)系统抗干扰及绝缘措施。
压差式 流体阻力式 测速式
流体振动式
16
7.2 总量流量计
gross flow meter
17
总量流量计大致有两大类：
1 容积式
2 速度式
18
1.容积式计量表
用仪表内一个固定容量的容积连续地测量被测介质， 最后根据定量容积称量的次数来决定流过的总量。根据结构 不同，这类仪表主要有：
容积式计量表
35
涡轮流量计的特点
1） 高精确度，基本误差可达±0.25％－±1.5％，在所 有流量计中，它属于最精确的。 2） 重复性好，短期重复性可达0.05％-0.2％； 3） 输出脉冲频率信号，无零点漂移，抗干扰能力强。 4） 测量范围度宽，中大口径可达40：1-10：1。 5） 结构紧凑轻巧，安装维护方便。 6） 适用高压测量，仪表表体上不必开孔，易制成高压 型仪表。 7） 难以长期保持校准特性，需要定期校验。
22
7.3 流体阻力式流量计
Fluid resistance flow meter
23
一.工作原理
管道内置入一阻力体。
阻力体 运 动位臵变 化 根据阻力体不同，这类流量计有： 流量 大小 阻力体 受力变化
转子(浮子)流量计
靶式流量计
24
1.转子(浮子)流量计
结构：锥形管＋浮子
B F W 浮子受力： B: 流体内浮子的浮力 F: 流体作用于浮子的力 W: 浮子的重力
2 压缩性
不可压缩性 液体，其密度随温度而变化。 可压缩性 气体，其密度随温度和压力而变 化。
9
3 层流和紊流
流体在细管中的两种流动形式。
层流 流体沿直线顺着与管道平行的 流线规律运动。
紊流
流体质点的运动是紊乱的。
10
4 雷诺数(Reynolds number)
利用雷诺数可以判断流动的形式。
Re<2000 层流 Re>2000 紊流
51
膜电式压电传感器
用金属膜片代替活塞， 膜片起着传递压力、实 现预压和密封三个作用
52
压电式压力测量系统组成
被测压力
压电式压力传感器
电荷放大器
测量记录仪器
静态压力标定机
53
使用注意事项
◆注意传感器及连接电缆线 的输出阻抗、防潮防湿； ◆传感器灵敏度的归一化处 理；
◆注意电荷放大器的上、下限频率 选择； ◆电荷放大器的 “工作”及“复位” 开关的位臵； ◆要注意全系统的共地。
54
动态压力测量的管道效应
将选择好的传感器安装在需要进行压力测量的 部位，其间有腔室和管道的情况是很多的，甚至是无法避 免的，这会显著地影响传感器的频响特性。管道效应会使 压力测量系统的动态响应变坏，甚至会造成动态压力测量 曲线的严重失真，在进行动态压力测量时必须予以考虑。 一般应尽量减小不必要的腔室容积和管道长度。
55
被标定的压力传感器或压力仪表安装在压力计的接头 上。当转动手轮时，加压油缸的活塞往前移动使油缸增压，并把压 力传至各部分。当压力达到一定值时，将精密活塞连同上面所加的 标准砝码顶起，轻轻转动砝码盘，使精密活塞与砝码旋转，以减小 活塞与缸体之间的磨擦力。此时油压与砝码（连同活塞）的重力相 平衡。
25
环隙 浮子 锥体
转子(浮子)流量计原理图
转子(浮子)流量计的测量原理
力平衡条件：
重力＝浮力＋阻力
f -浮子比重
V f -浮子体积 0 -流体比重 0 -流体密度 Cd -浮子阻力系数 v-环形流通面积内的 平均流速 Af -浮子最大迎流面积
26
W BF
W fVf B 0V f 1 2 F 0 v Cd A f 2
2 gV f ( f ) Af
30
qv qv0
( f ) 0
f 0 )
C g qv0
qv A0v A0
从仪表刻度上读出的流量值乘上修正系数Cg，为 实测值。
转子(浮子)流量计的特点
◇结构简单； ◇使用维护方便； ◇测量范围宽； ◇工作可靠且线性刻度； ◇适用性广。
31
7.4 测速式流量计
Velocity-infered flow meter
32
测速式流量计的分类
1.涡轮流量计
2.超声波流量计
33
一.涡轮流量计
以动量矩守恒原理为基础，涡轮的旋转速度 随流量的变化而变化，从涡轮的转速可求出流量 值；
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qv=f/K
f－流量计输出信号的 频率； K－流量计的仪表系数；
D / sin v c t2 c v cos 2 Dv c tg 2 Dv 时间差为： t | t2 t1 | 2 2 2 c tg c v cos c
逆流传播时间为：
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1）时差法
因此可得出流速：
c t v 2D c tg
2
流量正比于时间差：