第五章 流速测量

一、毕托管的工作原理
在一个流体以流速v 在一个流体以流速v均匀流动 的管道里，安置一个弯成90 90º 的管道里，安置一个弯成90º 的细管，如图5 的细管，如图5-1，仔细分析 流体在细管端头处的流动情况 可知： 可知：紧靠管端前缘的流体因 受到阻挡向各方向分散， 受到阻挡向各方向分散，以绕 过此障碍物， 过此障碍物，位于管端中心的 流体呈完全静止状态。 流体呈完全静止状态。设管端 中心压力为P Pa）， ），而与细 中心压力为P0（Pa），而与细 管同一深度处流体未受扰动的 某处压力为P Pa），流速为v ），流速为 某处压力为P（Pa），流速为v m/s），流体密度为ρ ），流体密度为 （m/s），流体密度为ρ kg/m3） 则由伯努力方程得： （kg/m3）,则由伯努力方程得：
图 常用热线探头 a) 一元热线探头 b) 热膜探头 c) 三元热线探头
第三节 热线风速仪 热线风速仪分恒流式和恒温式两种。 热线风速仪分恒流式和恒温式两种。热线 风速仪是利用被加热的金属丝的热量损失与气 风速仪是利用被加热的金属丝的热量损失与气 流速度有关来测量气体流速的， 流速度有关来测量气体流速的，流速越大散热 电流恒定， 量越多。若通过带热体的电流恒定 量越多。若通过带热体的电流恒定，则带热体 的热量一定。 的热量一定。带热体温度随其周围气流速度的 提高而降低，根据带热体的温度测量气流速度， 提高而降低，根据带热体的温度测量气流速度， 这就是目前普遍使用的恒流式热线风速仪的工 作原理。若保持带电体温度恒定 温度恒定， 作原理。若保持带电体温度恒定，通过带热体 的电流势必随其周围气流速度的增大而增大， 的电流势必随其周围气流速度的增大而增大， 根据通过带热体的电流测速度，这就是热敏电 根据通过带热体的电流测速度， 阻恒温式热线风速仪的工作原理。 阻恒温式热线风速仪的工作原理。
图5-4 笛形动压平均管
三、使用毕托管测流体速度的注意事项
P70
第二节 激光测速仪
激光测速仪的工作原理为利用多普勒效 应进行流速测量。当频率为ƒ0的激光照射随 流体一起运动的粒子时，激光被粒子散射。 散射光的频率为ƒ，入射激光与散射光的频率 差为ƒ0-ƒ是与流速成正比例的。因此只要测 出此频率差，即可求出速度值。
第五章 流速测量
流速是供热和通风空调工程中流体运动 状态的重要参数之一。流速对于供热通风空 调工程的安全生产、经济运行具有重要的意 思。目前，常用的方法有毕托管测速、热点 风速仪、激光多普勒流速仪测速等。
第一节 毕托管流速测量
毕托管是传统的测量流速的传感器，与 差压仪表配合使用，可以测量被测流体的压 力和差压，或者间接测量被测流体的流速。 用毕托管测量流体的流速分布以及流体的平 均流速是十分方便的。另外，如果被测流体 及截面是确定的，还可以利用毕托管测量流 体的体积流量Байду номын сангаас质量流量。
激光器有氦氖激光器和氩离子激光器。氩离子激 光器输出功率大，但波长短，因而多普勒频差较大， 这将使信号处理设备复杂化，且其激光频率的稳定性 较差。因而一般使用氦氖激光器，其频率较稳定、价 格较便宜。光电元件一般使用光电倍增管。 使用激光测速仪测流速时要求流体中一定有使激 光散射的粒子。一般液体或自来水，其自身已含有足 够使光散射的粒子，故无需加入粒子已可应用激光测 速。对纯净气体或含粒子不够的流体，需加入粒子后 才能进行激光测速。所加粒子应与被测流体具有相同
毕托管的形式有多种，其结构各不相同， 毕托管的形式有多种，其结构各不相同，图示为一种基本 型（L形）毕托管的结构图。标准毕托管多为此种形式。 形 毕托管的结构图。标准毕托管多为此种形式。
标准毕托管测量精度较高，使用时不需要再校正， 但由于这种结构型式的静压孔很小，在测量含尘浓度 较高的空气流速时，容易被堵塞，因此，标准毕托管 用于测量清洁空气的流速，或对其他结构型式的毕托 管及其他其他流速仪表进行标定。
的运动状态，粒子应细而呈球状，一般直径为0.3～ 10μm 掺入粒子不能改变流体性质，不妨碍光的透过 度，一般气体中可掺入苯二甲酸二辛酯的气溶胶粒子、 线香的烟、氯化铵和硅油的雾等，对水可加入牛奶或 粒度均匀的聚乙烯粒子。 激光测速仪属于非接触测量，无干扰流动的物体， 响应快，分辨率高，对气体、液体均能测量，流速测 量范围为10-6～103m/s。缺点是：光学系统调整复杂， 价格高。
S形毕托管和直形毕托管也是常见的毕托管，其结 形毕托管和直形毕托管也是常见的毕托管， 构如下图。 构如下图。
S形和直形都是有两根相同的金属管组成，S形感 测头端部作成方向相反的两个相互平行的开口。测定 时，一个开口面向气流，用来测量总压，另一开口背 向气流，测量静压。直形毕托管测端做成两个相对并 相等的开口。 S形和直形毕托管可用来测量含尘浓度高的气体流速。 对于厚壁风道的空气流速测定，使用标准毕托管不方 便，因为其有一个90º的弯角，可以用S形也可用直形 毕托管。
平均流速计算式 因为
P ρ= RT
被测气体的绝对静压力 被测气体的绝对温度 被测气体的气体常数
被测气体的密度
υ = Kp
RT (P0 − P) = Kp 2 (P0 − P) ρ P
2
管道内平均流速为各测点的平均值
υ == K p
RT 1 2 ⋅ P N
n
∑
i =1
(P0 - P) i
二、常用毕托管的结构与类型
图5-1 毕托管流速测量示意图
2 ρυ 一般称P0为总压力（全压），P为静压力， 2 为动压 力。即动压力为总压力与静压力之差。由上式可导出 流速的计算式： 2
2
P+
ρυ 2
= P0
υ=
ρ
( P0 − P )
修正计算式
υ = Kp
2
ρ
( P0 − P )
式中 Kp--毕托管速度校正系数。S形毕托管Kp=0.83～0.87， 标准毕托管Kp=0.96左右
图5-6 单光束系统光路示意图 LS—激光器 P—运动的微粒 L—透镜 S—分光镜 M─反射镜 PD—光电检测器
按下式计算流体速度
λ ( f0 − f υ = θ
2 sin 2
)
式中 v--被测流体速度 m/s λ--等于c/ƒ0，c为光速，c=3×108m/s ƒ0--入射激光频率 Hz ƒ--散射光频率 Hz θ--夹角
下图为参考光束系统
参考光束系统光路示意图（双光束系统光路示意图） 图5-5 参考光束系统光路示意图（双光束系统光路示意图） LS—激光器 S—分光镜 M─反射镜 L1、L2—透镜 P—运动的微粒 激光器 分光镜 反射镜 、 透镜 运动的微粒 N—光闸 PD—光电检测器 光闸 光电检测器
下图为单光束系统光路图
一、恒流式和恒温式热线风速仪
图5-7 热线风速仪工作原理图 a) 恒流式 b) 恒温(恒电阻)式
二、常用热线风速仪探头 P58
在恒流式和恒温式热线风速仪中，恒流式是在 变温状态下工作，测头容易老化，使性能不稳定， 并且热惯性影响测量灵敏度，产生滞后。因此，现 在的热线风速仪大多采用恒温式。 此外，工程中采用的流速仪还有叶轮式机械风 速计、螺旋桨风速计、光纤旋桨测速计等。