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1、第五章 工艺参数流量检测本讲稿第一页，共三十一页背景介绍背景介绍：在工农业生产和科学研究试验中，流量都是一在工农业生产和科学研究试验中，流量都是一个很重要的参数。对物料总量的计量还是能源管理和经济个很重要的参数。对物料总量的计量还是能源管理和经济核算的重要依据。流量检测仪表是发展生产、节约能源、核算的重要依据。流量检测仪表是发展生产、节约能源、提高经济效益和管理水平的重要工具。提高经济效益和管理水平的重要工具。本章内容本章内容：介绍流量测量基本知识和常用检测仪表。介绍流量测量基本知识和常用检测仪表。本讲稿第二页，共三十一页4.1 4.1 流量测量的基础知识流量测量的基础知识4.1.14.1.1
2、流量和流量计流量和流量计4.1.2 4.1.2 流体的物理性质与管流基础知识流体的物理性质与管流基础知识4.1.3 4.1.3 流量测量方法与流量仪表的分类流量测量方法与流量仪表的分类本讲稿第三页，共三十一页 4.1.14.1.1流量和流量计流量和流量计流量定义流量定义：指单位时间内流体流指单位时间内流体流 经管道或设备某处横截面的经管道或设备某处横截面的数量，又称瞬时流量。数量，又称瞬时流量。体积流量体积流量：质量流量质量流量：V V-体积；体积；MM-质量；质量；t t-时间；时间；A A-截面面积；截面面积；-流体的密度流体的密度本讲稿第四页，共三十一页累积流量累积流量：平均流速平均流速
3、 ：流体在流过截面上各点的流速。流体在流过截面上各点的流速。体积流量和质量流量关系：体积流量和质量流量关系：本讲稿第五页，共三十一页计量单位计量单位：体积流量的计量单位为米体积流量的计量单位为米3秒秒(m3s)，质量流量的计量单位为千克秒质量流量的计量单位为千克秒(kgs)；累积体积流量的计量单位为米累积体积流量的计量单位为米3(m3)；累积质量流量的计量单位为千克累积质量流量的计量单位为千克(kg)。工程上还使用的流量计量单位有：工程上还使用的流量计量单位有：米米3时时 (m3h)；升分；升分(Lmin)；吨小时吨小时(t/h)；升；升(L)；吨；吨(t)等等 本讲稿第六页，共三十一页 4.
4、1.2 流体的物理性质与管流基础知识流体的物理性质与管流基础知识 1.流体的密度流体的密度 单位体积的流体所具有的质量称为流体密度，用数学单位体积的流体所具有的质量称为流体密度，用数学表达式表示为：表达式表示为：M 流体质量；流体质量；流体的密度；流体的密度；V 流体体积。流体体积。流体密度是温度和压力的函数，单位是流体密度是温度和压力的函数，单位是(kg/m3)。本讲稿第七页，共三十一页 2.流体粘度流体粘度 流体运动过程中阻滞剪切变形的粘滞力与流体流体运动过程中阻滞剪切变形的粘滞力与流体的速度梯度和接触面积成正比，并与流体粘性有关，的速度梯度和接触面积成正比，并与流体粘性有关，其数学表达式
5、为：其数学表达式为：上式称为牛顿粘性定律。上式称为牛顿粘性定律。F 粘滞力；粘滞力；A 接触面积；接触面积；流体垂直于速度方向的速度梯度；流体垂直于速度方向的速度梯度；表征流体粘性的比例系数。表征流体粘性的比例系数。本讲稿第八页，共三十一页 流体的动力粘度与流体密度的比值称为运动粘流体的动力粘度与流体密度的比值称为运动粘度，即度，即 动力粘度的单位为牛顿动力粘度的单位为牛顿秒秒/米米2（NS/m2），即），即帕斯卡秒（帕斯卡秒（PaS）；运动粘度的单位为（）；运动粘度的单位为（m2/S）。）。3.流体的压缩系数和膨胀系数流体的压缩系数和膨胀系数 在一定的温度下，流体体积随压力增大而缩小在一定的
6、温度下，流体体积随压力增大而缩小的特性，称为流体的压缩性；在一定压力下，流体的特性，称为流体的压缩性；在一定压力下，流体的体积随温度升高而增大的特性，称为流体的膨胀的体积随温度升高而增大的特性，称为流体的膨胀性。性。本讲稿第九页，共三十一页压缩系数：压缩系数：当流体温度不变而所受压力变化时，其体积的当流体温度不变而所受压力变化时，其体积的相对变化率：相对变化率：流体的体积压缩系数，（流体的体积压缩系数，（1 1PaPa）；）；流体的原体积，流体的原体积，(m3)(m3)；流体压力增量，流体压力增量，(Pa)(Pa)；流体体积变化量，流体体积变化量，(m3)(m3)；本讲稿第十页，共三十一页流体
7、的体积膨胀系数流体的体积膨胀系数(1(1)；流体的原体积，流体的原体积，(m3)(m3)；流体体积变化量，流体体积变化量，(m3)(m3)；流体温度变化量流体温度变化量()()。膨胀系数膨胀系数：在一定的压力下，流体温度变化时其体积的相对在一定的压力下，流体温度变化时其体积的相对变化率，即变化率，即 ：本讲稿第十一页，共三十一页4.4.雷诺数雷诺数雷诺数是流体流动的惯性力与粘滞力之比，表示为：雷诺数是流体流动的惯性力与粘滞力之比，表示为：雷诺数（无量纲数）；雷诺数（无量纲数）；流动横截面的平均流速，（流动横截面的平均流速，（m/sm/s）；）；动力粘度，（动力粘度，（N NS/m2 2）；）；
8、运动粘度，（m2 2/S）。流体的密度，流体的密度，(kg/m(kg/m3 3)；特征长度，（特征长度，（m m）；）；本讲稿第十二页，共三十一页5.5.管流类型管流类型(1)(1)单相流和多相流单相流和多相流 管道中只有一种均匀状态的流体流动称为单相流；两管道中只有一种均匀状态的流体流动称为单相流；两种以上不同相流体同时在管道中流动称为多相流。种以上不同相流体同时在管道中流动称为多相流。(2)(2)可压缩和不可压缩流体的流动可压缩和不可压缩流体的流动 流体可分为可压缩流体和不可压缩流体，流体可分为可压缩流体和不可压缩流体，所以流所以流体的流动也可分为可压缩流体流动和不可压缩流体流动体的流动也
9、可分为可压缩流体流动和不可压缩流体流动两种。两种。本讲稿第十三页，共三十一页(3)(3)稳定流和不稳定流稳定流和不稳定流 当流体流动时，若其各处的速度和压力仅和流体当流体流动时，若其各处的速度和压力仅和流体质点所处的位置有关，而与时间无关，则称为稳定流；质点所处的位置有关，而与时间无关，则称为稳定流；若其各处的速度和压力不仅和流体质点所处的位置有若其各处的速度和压力不仅和流体质点所处的位置有关，而且与时间出有关，则称为不稳定流。关，而且与时间出有关，则称为不稳定流。(4)(4)层流与紊流层流与紊流 管内流体有两种流动状态：层流和紊流。层流管内流体有两种流动状态：层流和紊流。层流中流体沿轴向作分
10、层平行流动，互不混杂，有规则中流体沿轴向作分层平行流动，互不混杂，有规则的流线。紊流状态管内流体不仅有轴向运动，而且的流线。紊流状态管内流体不仅有轴向运动，而且还有剧烈的无规则的横向运动还有剧烈的无规则的横向运动 。本讲稿第十四页，共三十一页6.6.流速分布与平均流速流速分布与平均流速 流体有粘性，当它在管内流动时，越接近管壁，由流体有粘性，当它在管内流动时，越接近管壁，由于管壁与流体的粘滞作用，流速越低；管中心部分的流于管壁与流体的粘滞作用，流速越低；管中心部分的流速最快。流体流动状态不同将呈现不同的流速分布。速最快。流体流动状态不同将呈现不同的流速分布。研究具有圆形截面的管内流动情况，当管
11、内流体研究具有圆形截面的管内流动情况，当管内流体为层流状态时，沿半径方向上的流速分布可用下式表为层流状态时，沿半径方向上的流速分布可用下式表示示：本讲稿第十五页，共三十一页 当管内流体为紊流状态时，沿半径方向上的流速分布当管内流体为紊流状态时，沿半径方向上的流速分布为为：n随流体雷随流体雷诺诺数不同而数不同而变变化的系数化的系数 本讲稿第十六页，共三十一页圆管内的流速分布 通过测流速求流量的流量计一般是检测出平均流通过测流速求流量的流量计一般是检测出平均流速然后求得流量。对于层流，平均流速是管中心最大速然后求得流量。对于层流，平均流速是管中心最大流速的流速的0.5倍倍()；紊流时的平均流速与值
12、有关：；紊流时的平均流速与值有关：本讲稿第十七页，共三十一页7.流体流动的连续性方程和伯努利方程(1)连续性方程 任取一管段，设截面任取一管段，设截面、截面、截面处的面积、流体密度处的面积、流体密度和截面上流体的平均流速分别为和截面上流体的平均流速分别为A1A1、和和A2A2、。=连续性方程示意图连续性方程示意图本讲稿第十八页，共三十一页(2)(2)伯努利方程伯努利方程 当理想流体在重力作用下在管内定常流动时，对于管当理想流体在重力作用下在管内定常流动时，对于管道中任意两个截面道中任意两个截面和和有如下关系式（伯努利方程）：有如下关系式（伯努利方程）：伯努利方程示意图伯努利方程示意图 :重力加
13、速度；:截面和相对基准线的高度；：:截面和上流体的静压力；:截面和上流体的平均流速。本讲稿第十九页，共三十一页 实际流体具有粘性，这将使流体的一部分机械能转化为热实际流体具有粘性，这将使流体的一部分机械能转化为热能而耗散。因此，实际流体的伯努利方程可写为：能而耗散。因此，实际流体的伯努利方程可写为：截面截面和和之之间单间单位位质质量量实际实际流体流流体流动动 产产生的能量生的能量损损失。失。本讲稿第二十页，共三十一页4.2 4.2 流量测量仪表流量测量仪表4.2.1 4.2.1 差压式流量计差压式流量计4.2.2 4.2.2 容积式流量计容积式流量计4.2.4 4.2.4 质量流量计质量流量计
14、4.2.3 4.2.3 速度式流量计速度式流量计本讲稿第二十一页，共三十一页 4.2.1 4.2.1 差压式流量计差压式流量计 差压式流量计基于流体在通过设置于流通管道上的流动阻差压式流量计基于流体在通过设置于流通管道上的流动阻力件时产生的压力差与流体流量之间的确定关系，通过测量力件时产生的压力差与流体流量之间的确定关系，通过测量差压值求得流体流量。差压值求得流体流量。1.1.节流式流量计节流式流量计1-1-节流元件节流元件 2-2-引压管路引压管路3-3-三阀组三阀组 4-4-差压计差压计 节流式流量计组成与实物图节流式流量计组成与实物图 本讲稿第二十二页，共三十一页流体流经节流件时压力流体
15、流经节流件时压力和流速变化情况和流速变化情况=(1)(1)测量原理及流量方程测量原理及流量方程本讲稿第二十三页，共三十一页 截面截面1 1和和2 2上流体的静上流体的静压压力；力；截面截面1 1和和2 2上流束直径；上流束直径；截面截面1 1和和2 2上流体的平均流速；上流体的平均流速；、截面截面1 1和和2 2上流体的密度上流体的密度 、体体积积流量流量：质质量流量量流量：本讲稿第二十四页，共三十一页以以实际实际采用的某种取采用的某种取压压方式所得到的方式所得到的压压差差来代替来代替的的值值；同；同时时引入流出系数引入流出系数C C对上式进行修正：对上式进行修正：本讲稿第二十五页，共三十一页
16、 对对于可于可压缩压缩流体，考流体，考虑虑到到节节流流过过程中流体密度的程中流体密度的变变化化而引入流束膨而引入流束膨胀胀系数系数 进行修正采用节流件前的流体进行修正采用节流件前的流体密度密度 ，由此流量公式可更一般的表示为：由此流量公式可更一般的表示为：本讲稿第二十六页，共三十一页a.a.流体必须是牛顿流体，在物理学和热力学上是均匀流体必须是牛顿流体，在物理学和热力学上是均匀的、单相的，或者可认为是单相的流体的、单相的，或者可认为是单相的流体 。b.b.流体必须充满管道和节流装置且连续流动，流经节流流体必须充满管道和节流装置且连续流动，流经节流件前流动应达到充分紊流，流束平行于管道轴线且无旋
17、件前流动应达到充分紊流，流束平行于管道轴线且无旋转，流经节流件时不发生相变。转，流经节流件时不发生相变。c.c.流动是稳定的或随时间缓变的流动是稳定的或随时间缓变的 。（2 2）节流装置）节流装置 标准节流装置的适用条件标准节流装置的适用条件本讲稿第二十七页，共三十一页标准节流元件的结构形式标准节流元件的结构形式a.a.标准孔板标准孔板 标准孔板是一块具有与管道同心圆形开标准孔板是一块具有与管道同心圆形开孔的圆板，迎流一侧是有锐利直角入口边孔的圆板，迎流一侧是有锐利直角入口边缘的圆筒形孔，顺流的出口呈扩散的锥形。缘的圆筒形孔，顺流的出口呈扩散的锥形。结构简单，加工方便，价格便宜，结构简单，加工方便，价格便宜，压力损失较大，测量精度较低，只适压力损失较大，测量精度较低，只适用于洁净流体介质，测量大管径高温用于洁净流体介质，测量大管径高温高压介质时，孔板易变形。高压介质时，孔板易变形。标准孔板标准孔板 本讲稿第二十八页，共三十一页弯管流量计弯管流量计 涡街流量计涡街流量计本讲稿第二十九页，共三十一页MKULC2100MKULC2100系列电磁流量计系列电磁流量计 UFTUFT型便携式型便携式超声波流量计超声波流量计本讲稿第三十页，共三十一页热式质量流量计示意图热式质量流量计示意图 本讲稿第三十一页，共三十一页