第七章流速及流量测量

f0
u(es e0 ) 则 f D u(es e0 ) 0
（在空气中时，用光源在真空中的波长 0 代替） 2. 组成 1）光学系统 三种模式：参考光模式、单光束模式、双光束模式
反射镜 透镜 光栏
光源 分光镜
双光束-双散射模式光路系统
① IFL聚焦于测量点P ② 流经测量点的粒子接受两个方向的相同入射光照射 后，向四周发出散射光接收光栏接收透镜汇聚到 光检测器上电信号信号处理器取出速度信息 计算机分析显示
2. 微风速仪表校验——被校风速仪工作段 标准毕托管——测量段 3.高风速仪表校验——测量段进行 4. 毕托管校验 确定毕托管动压校正系数——毕托管系数 1）过程 对 标准毕托管 测量段 被校毕托管 称 从低高 测 气流动压 对调毕托管位置 从高低 重复上述过程取二者读数
I 2 RW F (TW T f )
I ——流过热丝电流 RW ——热丝的电阻 ——对流换热系数 F ——热丝表面积 TW ——热丝表面温度 Tf ——气流温度 1）热丝电阻RW ~T变化
RW R0 [1 (TW T f )]
Ｒ０——０℃时对应的电阻值 ——热丝材料的温度电阻系数 2）与v气流有关。V散热快。
2）多普信号处理：电信号计算机处理分析
3. 特点 ① 非接触测量：不扰动流场 ② 分辩率高：测速范围宽 ③ 准确确定流动方向 缺点：① 流场中加适当尺寸和浓度的粒子 ② 被测设备上设置透光窗 ③ 价格昂贵
§7-2 流速测量仪表的标定
流速测量仪在出厂前，实际使用过程中必须进行标定 目前较多的是在专门设备——校正风洞中用比较法进行 校定。 一、风洞的原理结构 风洞——具有一定形状的管道。 在管道中造成具有一定参数的气流。 结构：风机段、扩散段、测量段、细收缩段、工作段、 粗收缩、稳定段。
第七章 流速及流量测量
§7-1 §7-2 §7-3 §7-4 §7-5 §7-6 §7-7 §7-8 流速测量 流速测量仪表的标定 流量测量方法和分类 差压式流量测量 叶轮式流量计 电磁流量计 涡街流量计 容积式流量计
§7-1 流速测量
测量方法： 直接： 1. 机械式风速仪:利用流动气体的动压推动机械装置。
1）原理图
玻璃球 电热丝 热电偶 细调 粗调
两个独立电路： ① 供给带热体恒定电流回路 ② 测量带热体温度的回路---热电偶 封入很小的玻璃球内 ③ 带热体：金属线圈 测量元件——热电偶 测量风速的传感器 ④ 二次仪表：电源、放大、显示

2）工作过程 通电带热体被测气流 Q散~V V Q散，若I一定 Q热一定 V T热 测出T热~V 三、热线风速仪——使用最多的测微风速，测量气流 运动情况 1）基本原理 ① 以热丝（钨丝或铂丝）或热膜（铂或铬制成薄膜） 为探头裸露被测气流中。 ② 并将探头接接入惠斯顿电桥，为一桥臂，热膜外涂 石英膜绝缘层——与流体绝缘 ③ 当T不变时，热丝上的电功率＝热丝在气流中瞬时 耗去的热量。
热率 成 对 应关系 2. 散热率法：热电风速仪 利用流速与散 热线风速仪 间接：1. 动力测压法，毕托管 2. 激光测速法 一、机械方法测量流速 1. 原理：置于流体中的叶轮的转动角速度与流体的流 速成正比。

2. 分类： ① 翼式：叶片为几片扭成一定角度的铝薄片。 ② 杯式：叶片为铝制的半球形叶片
ri R 2i 1 2n
在以ri为半径的圆环上要选四个等分点作测点 则 N 4n （测点数） 圆形管道内流体的V平均＝各测点V测 n测量精度 b) 矩形管道截面分成数量与测点数相同的等面积矩 形测区，长:宽＝1~2 测点等面积的矩心上。 ② 流体测定断面分区数多少根据所需准确度，流速 分布的均匀性。 与管道断面尺寸无关。 准确度——与使用场合有关。 流速分布的均匀性——与被测流体断面位置有关。
20世纪60年代发展起来的一门新技术
静止的激光源（f0 ) 照射 粒子（随流体运动）粒 子接受到的光波频率（散射光频率fs） f D f s f 0 Ku f D ——多普勒频移 u ——粒子速度 C ue0 u(es e0 ) ∴ f D fs f0 f0 f0 f0 C ues C ues C——光速 es——粒子散射光相对于接收器方向的单位向量 e0——粒子散射光在光速方向的单位向量 ∵u<<c，又 C
X 10i X 2i X X i 1 1i 20 i KP n x 2i x i 1 20 i
n

K0

K0——标准毕托管系数 - KP ----被校毕托管系数 x10 i——标准毕托管第i次测量的动压值 x1i ——被校毕托管第i次测量的动压值 x 20 i——对调位置后标准第i次测量的动压值 x2i ——对调位置后被校第i次测量的动压值 n ——被测量次数
实际测量： V K 2 ( P0 P) KP ——速度校正系数（0.83~0.87 标准0.96） 可压缩流：V K P k 2 ( P0 P) K——流体等熵指数 V ( M ) M——马赫数 C 当M<0.2按不可压缩流计算 M>0.2按上式计算 一般情况下按不可压缩流体计算
3）恒流法 原理图与热球风速仪类似
电热丝 热电偶 细调 粗调
优点：电路简单 缺点：测速探头在变温度阻状态下工作，易使敏感元 件老化，稳定性差。
三、动力测压法测量流速 1. 工作原理: 2. 1)伯努力方程
P

2
V 2 P0
静压 动压 全压

V
2

( P0 P)
测 毕托管 静压，总压
D K 0.01 （相对粗糙度） D
0.02
（最大<0.04）
2.测点选择 1）测点位置已经达到典型的紊流速度分布。 公式 ① 测出管道中心流速 图表 V平均 ② 测距管道内壁处流速 (0.242 0.08) R V平均 选择方法： ① 中间距形法——应用最广 管道若干面积相等小截面，则该小截面V各小截面 的平均流速 V平均 平均 a. 圆形管道分成圆环再分2倍，测点选在面积等分 线上。
又 ∵ RW f (TW )
∴
V f ( I , RW )
上式说明：① I（或T）一定பைடு நூலகம்V与T（或I）成单值函 数关系。 热线风速仪有恒流、恒温（恒阻）两种设计电路。
2）恒温法——较为常用
① 热线感受气流速度＝0时，调节电桥G＝0 ② 进行测量时，热丝T R调节IT（恒温）电桥平衡G＝0 V f ( I ) （∵最终RW恒定） 测量IV
∴
F A B V
A、B ——与散热及热丝材料结构等有关的常数。
——气流密度 以上各式代入等式：
I 2 R0 [1 (TW T f )] ( A B V )(TW T f )
若热丝结构等参数已定则： 仅有V、TW以及I变化 则： V f ( I , TW )
2）毕托管动压校正系数
速度校正系数KP KP
n n V10i V20i KP KP 2n i 1 V1i i 1 V2 i
§7-3 流量测量方法和分类
一、流量——在单位时间内通过管道或设备某横截面 处的数量 dm 分： 质量流量 qm kg/s 体积流量
方法有： 椭圆齿轮流量计 腰轮流量计 刮板式流量计 湿式流量计 3.流体质量数测量 通过直接或间接的方法测量单位时间内流过管道截 面的流体质量数。 如：叶轮式质量流量计 温度压力自动补偿流量计
§7-4 差压式流量测量
一、利用毕托管测量流体流量 前节介绍了毕托管流速 如能测出管道截面上的流体的平均流速流量。 关键问题：测平均流速 方法：① 将管道横截面划分成若干面积相等的部分。 ② 用毕托管测量每一部分中某一特征点的流体速度。 n F 则 q u
M2 2K 4 K (1 M ) 2 4 24 1
2
）毕托管构成原理
M
N
小孔M：孔平面与来流垂直 N h 每个小孔N：与来流相切 进入小孔N的压力——静压 进入小孔M的压力——静压＋滞止后动能转变成的一 部分压力 设M点气体绕流而完全滞止测VM＝0。 则 1 2 V N2 PN 1 VM PM P0 2 2
风机段 扩散段 测量 细收缩 工作 粗收缩 稳定
风机段：轴流风机，导流器——产生一定参数的动力 稳定段：蜂窝器阻尼网，一定长度直段——气流导入 工作段：校验中速风速仪表的直管段 测量段：校验高速风速仪表的直管段 二、风速仪表的校验 原则：被校风速仪表与标准风速仪表进行对比，以标 准仪表真值。校验被校仪表。 标准风速仪：传感器——毕托管 二次仪表——补偿式微压计 ∵ V~T、H、P 故同时测出T、H、P 1. 中风速仪表校验——工作段进行
∴
1 VM 0 2 2( P0 PN ) VN

2. 毕托管的形式 三种基本型： 1）动压测压管 结构：感测头、管身、引出管 感测头：锥形、圆形、椭圆形。
总压引出管 静压引出管
0.3D
3~6D
总压测孔
8~10D
管柱
0.1D
D
R
感测头
外管 静压孔
内管
图7-9 毕托管
总压测量：总压孔——感测头端部与内管连通 静压测量：静压孔——外管表面靠近感测头端部适当 位置有一圈小孔。 标准毕托管：上述结构。 特点：测量精度高，无需再校正， 含尘浓度易堵塞 用途：① 测清洁空气的流速 ② 对其它仪表进行校定
3.平均流速的计算 1 P ∵ PV RT V RT
∴
V KP
2

( P0 P) K P
2RT P0 P P
V KP
2 1 n P0 P N i 1
N——测点数
四、激光多普勒测速技术