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第 8 章 流体压强、速度 和流量的测量

USTC. 第 8 章 流体压强、速度 和流量的测量. §8.1 流体压强的测量 §8.2 流体速度的测量 §8.3 流量测量. USTC. §8.2 流体速度的测量. 1 风速管和多孔探头 2 风速管标定实验 3 热线风速仪 4 激光多普勒测速仪 5 粒子成像速度计. USTC. 3 热线风速仪 Hot Wire Anemometer. 1. 热线风速仪的工作原理 2. 热线风速仪的静态特性 3. 两种运行方式 4. 热线风速仪的标定. USTC. 3 热线风速仪.

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第 8 章 流体压强、速度 和流量的测量

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  1. USTC 第8章 流体压强、速度和流量的测量 §8.1 流体压强的测量 §8.2 流体速度的测量 §8.3流量测量

  2. USTC §8.2 流体速度的测量 1 风速管和多孔探头 2 风速管标定实验 3 热线风速仪 4 激光多普勒测速仪 5 粒子成像速度计

  3. USTC 3 热线风速仪Hot Wire Anemometer 1. 热线风速仪的工作原理 2. 热线风速仪的静态特性 3. 两种运行方式 4.热线风速仪的标定

  4. USTC 3 热线风速仪 • 热线测速仪（Hot Wire Anemometer，简称HWA），发明于20世纪20年代。它是将流体速度信号转变为电信号的一种测速仪器，也可用于测量流体的温度。 • 其基本原理是，将一根细的金属丝放在流体中，通过电流加热金属丝，使其温度高于流体的温度，因此将金属丝称为“热线”。当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的一部分热量，使金属丝温度下降。热线在气流中的散热量与流速有关，散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号。

  5. USTC 3 热线风速仪 • 热线长度一般为2mm，直径5μm，最小的探头直径仅1μm，长为0.2 mm。 • 材料为铂、钨或铂铑合金等熔点高、延展性好的金属。 • 根据不同的用途，热线探头还做成双丝、三丝、斜丝及V形、X形等。

  6. USTC 3 热线风速仪 • 若以一片很薄(厚度小于0.1微米)的金属膜代替金属丝，即为热膜风速仪，功能与热丝相似，但多用于测量液体流速。

  7. USTC 3 热线风速仪 • 热线测速仪的优点是： （1）体积小，对流场干扰小； （2）频率响应高，可达1 MH z。 （3）测量精度高，重复性好。 （4）适用范围广。不仅可用于气体也可用于液体，在气体的亚声速、跨声速和超声速流动中均可使用；可以测量平均速度，也可测量脉动值和湍流量；还可以测量多个方向的速度分量。 • 热线测速仪的缺点是： 探头对流场有一定干扰，热线容易断裂。

  8. USTC Q V Q iw 3 热线风速仪 强迫对流传热---占主导地位。 金（King, 1914）公式：

  9. USTC 3 热线风速仪

  10. USTC 3 热线风速仪 金属丝电阻随温度变化：

  11. USTC 3 热线风速仪 热线有两种工作模式：    ①恒流式。通过热线的电流保持不变，温度变化时，热线电阻改变，因而两端电压变化，由此测量流速； ②恒温式。热线的温度保持不变，如保持150℃，根据所需施加的电流可度量流速。恒温式比恒流式应用更广泛。

  12. USTC R2 R1 e1 E RW 3 热线风速仪 恒流式： R2 >> Rw

  13. USTC IB R1 R2 I2 I1 e0 Rw R3 V , Tw , Rw , e1 ,e2 - e1 , e0 , IB , eB , I1 , Tw , RW 3 热线风速仪 恒温式：

  14. USTC 3 热线风速仪 • 热线测速仪的主要用途是： （1）测量平均流动的速度和方向。 （2）测量来流的脉动速度及其频谱。 （3）测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时间相关性。 （4）测量壁面切应力（通常是采用与壁面平齐放置的热膜探头来进行的，原理与热线测速相似）。 （5）测量流体温度（事先测出探头电阻随流体温度的变化曲线，然后根据测得的探头电阻就可确定温度。除此以外还开发出许多专业用途。

  15. USTC 3 热线风速仪 • 热线探头在使用前必须进行校准。静态校准是在专门的标准风洞里进行的，测量流速与输出电压之间的关系并画成标准曲线；动态校准是在已知的脉动流场中进行的，或在测速仪加热电路中加上一脉动电信号，校验热线测速仪的频率响应，若频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。

  16. USTC 4 激光多普勒测速仪(LDV)Laser Doppler Velocimeter • 激光测速的原理是：是测量通过激光束的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速度。测得了粒子的速度，也就是流动的速度。 • 激光测速的最主要的优点是对流动没有任何扰动，测量的精度高，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界上速度测量精度最高的仪器。

  17. USTC V 4 激光多普勒测速仪(LDV) • 基本光路

  18. USTC z y y x z y x f 4 激光多普勒测速仪(LDV) • 条纹模型

  19. USTC 1  d 2 V 4 激光多普勒测速仪(LDV) • 条纹模型

  20. USTC V 声光调制器电源 光电倍增管电源 放大器 激光电源 信号处理器 计算机 4 激光多普勒测速仪(LDV) • 基本布置

  21. USTC 4 激光多普勒测速仪(LDV) • 技术指标：测速范围：mm/s-1000m/s测速维数：1维，2维或3维测速精度：0.1%工作光谱：514.5，488，476.5nm 1．激光器：水冷氩离子激光器 输出功率：5W光束直径：1.5mm光束发散角：0.5mrad

  22. USTC 4 激光多普勒测速仪(LDV) 2．分光器、光纤耦合器最大输入光功率：10W分光光谱：514.5，488，476.5nm内置布拉格盒 3．处理器 最大输入多普勒频率：FSA3500 100MHz FSA4000 175MHz最低可处理信噪比：-12dB数据传输速率：400Mbps能够进行周期性流动测量具备外部模拟/数字信号输入功能

  23. USTC 4 激光多普勒测速仪(LDV) 4．数据处理、显示软件在线实时采集显示数据；支持数据回放；支持周期性流动测量；支持各种速度统计：平均速度、均方根、剪应力、湍流度；支持粒径统计：平均粒径、D32、体积通量；各统计参数关联分布；提供各参数的自相关、互相关、功率谱分析；支持数据导出 5．移动坐标架、探头安装导轨及控制器行程：600X600X600mm；含探头安装支架及控制器；电缆长度：满足工作场地要求；位置分辨率：0.01mm；承重：50公斤以上；控制方式：完全计算机控制

  24. USTC 4 相位多普勒粒子分析仪（ PDPA）Phase Doppler Particle Analyzer • 相位多普勒粒子分析仪顾名思义是利用多普勒效应来测量运动粒子的相关特性。它是由激光多普勒测速仪发展而来的，至今已有近二十年的历史。 • PDPA所依据的基本光学原理是Lorenz－Mie散射理论。如同声波的多普勒效应一样，光源与物体相对运动也具有多普勒效应。在PDPA中，依靠运动微粒的散射光与照射光之间的频差来获得速度信息，而通过分析穿越激光测量体的球形粒子反射或折射的散射光产生的相位移动来确定粒径的大小。

  25. USTC 4 相位多普勒粒子分析仪（ PDPA）Phase Doppler Particle Analyzer • 仪器包括320mw氩离子风冷激光器、激光耦合器、RSA信号处理器、数据处理系统以及激光发射和接收器等。一般情况下，它的测速范围是-90～283m/s，可测粒径范围是0.5～90µm，此范围还可通过更换发射镜头加以扩大。

  26. USTC 发射器 接受透镜 激光器 光电倍增管 处理器 4 相位多普勒粒子分析仪（ PDPA）

  27. USTC P=1 P=2 m P=0 4 相位多普勒粒子分析仪（ PDPA）

  28. USTC 5 粒子成像速度计(PIV)Particle Image Velocimeter • 什么是PIV 1. PIV是一种在流场中同时多点（如数千点）测量流体或粒子速度矢量的光学图象技术。 2. 通常在流场的“平面薄片”中进行测量。 3. 精度和空间分辨率可与LDV及HWA比较。

  29. USTC  t 后，粒子 第二个的像 粒子第一 个的像 Y X t2t1 t2t1 5 粒子成像速度计(PIV) • PIV原理

  30. USTC 电子同步器 CCD 计算机 Nd:YAG激光器 5 粒子成像速度计(PIV) • 典型系统:

  31. USTC CCD YAG激光器 双YAG激光器的光路系统示意图 5 粒子成像速度计(PIV) • 激光器

  32. USTC 第二次曝光的图象 第一次曝光的图象 双曝光的图象 5 粒子成像速度计(PIV) • 算法

  33. USTC 计算机 查询区 1X1mm CCD 流场的像 100X125mm 流场的速 度分布 5 粒子成像速度计(PIV) • 算法 自相关、互相关

  34. USTC 5 粒子成像速度计(PIV) （a）尾迹中的粒子图 （b）尾迹的速度场 PIV定量测量的活鱼尾迹流场 （来流速度88mm/s，脉冲的间隔3ms，查询区为2.74mm X 2.74mm） （c）减去来流速度后的速度场 （d）涡量分布图

  35. USTC 第8章 流体压强、速度和流量的测量 §8.1 流体压强的测量 §8.2 流体速度的测量 §8.3流量测量

  36. USTC 流量测量 流量计种类： （1）节流式流量计：孔板、文特里 （2）容积式流量计：往复活塞、旋转活塞、圆板、刮板、齿轮、薄膜 （3）面积流量计：浮子 （4）叶轮流量计：水表、涡轮 （5）电磁流量计 （6）超声流量计 （7）流体振动流量计：涡街、涡流、射流 （8）其他：热线、皮托管、堰槽、LDV、标记

  37. USTC 6 流量测量 • 涡街流量计 • 电压式涡街流量计 • 插入式涡街流量计 • 分体式涡街流量计 • 潜水型涡街流量计 • 精度：±0.1% • 适用流体：液体、蒸汽（饱和、过热）

  38. USTC 6 流量测量 容积式流量计 椭圆齿轮流量计（普通11型） LC-A型 铸铁椭圆齿轮流量计，广泛用于各种油品及对铸铁不腐蚀液体介质的计量； LC-E型 铸钢椭圆齿轮流量计，用于高压、低腐蚀性介质的计量； LC-B型 广泛用于有较强腐蚀性液体介质，如酸、碱、盐及有机化合物等的计量。 LC-11型椭圆齿轮流量计

  39. USTC 6 流量测量 • LFX分流旋翼式蒸汽流量计 精度：2%、2.5% 适用流体： 饱和蒸汽、微过热蒸汽 测量范围：18-8350lg/h

  40. USTC 6 流量测量 • 涡轮流量计 进入仪表的被测气体，首先通过一个装在流量计壳体内的整流器，它不但能调整速度分布剖面，而且还能使气体流速增大，此后气体继续沿流动通道流动并使涡轮旋转。涡轮的角速度与渡过流量计气体的平均流速成正比，通过齿轮组传动和磁性耦合联动装置驱动流量计壳体上部的计数器显示工作状况下被测气体的体积量。 LWQ系统气体涡轮流量计

  41. USTC 6 流量测量 • 涡轮流量计 适用于测量各种燃气及工业领域中的各种单相气体，如天然气、丙烷、丁烷、乙烯、空气、氮气等。 仪表精度高、重复性好、安装使用方便等特点，广泛应用于石油、化工、城市燃气、冶金、矿山等部门。 LWQ系统气体涡轮流量计

  42. USTC 6 流量测量 • 涡轮流量计 仪表前后直管段要求低（前≥3DN，≤1DN）； 采用自润滑滚珠轴承，使用维护方便； 采用机械式显示，无需电源供电，无隔爆要求； 抗干扰能力强； 使用条件:环境温度：-30~+55℃; 相对湿度：5%~95% ;大气压力：86~106kpa ;介质温度：-30~+80℃ 。 LWQ系统气体涡轮流量计

  43. USTC 6 流量测量 • LDE型电磁流量计 适用于石油、化工、冶金等领域，用于电导率大于5S/cm的液体流量测量。管内无活动及阻流部件，无压力损失，不受介质密度、粘度、温度、压力及导电率变化影响。低频矩形波激励，不受工频干扰影响。 LDE型电磁流量计

  44. USTC 6 流量测量 • LZ系列金属管浮子流量计 为变面积式流量计，即在流量计的垂直测量管中，当流体向上流经管子时，浮子向上移动，在某一位置浮子所受升力与浮子重力达到平衡，此时浮子与孔板（或锥管）间的流通环隙面积保持一定。环隙面积与浮子的上升高度成比例，即浮子的某一高度代表流量的大小。浮子上下移动时，以磁耦合的形式将位置传递到外部指示器，使指示器的指针跟随浮子移动，并借助凸轮板使指针线性地指示流量值的大小。 LZ系列金属管浮子流量计

  45. USTC 6 流量测量 • 玻璃转子流量计 是一种直读式瞬时流量仪表。它结构、安装、读数和维修都十分简单方便而得到广泛应用。目前玻璃转子流量计已广泛用于石油、化纤、医药、食品、染料、化肥、造纸等工业及科研部门测量单相，非脉动液体(气体、液体)流量。 LZB型玻璃转子流量计

  46. USTC 6 流量测量 • 管段式超声波流量计 利用低电压、多脉冲原理，采用双平衡信号差分发射、接收技术。精度可达1%，完全可与电磁流量计媲美。 分体管段式超声波流量计

  47. USTC 6 流量测量 • 堰槽明渠流量计测量明渠液体流量。这种堰槽主要有：全宽堰、矩形堰、三角堰、帕氏槽和P－B槽。该系列堰槽明渠流量计由转换器、堰槽传感器和超声液位传感器三部分组成 • 明渠流量计安装简便、易维护，可不停产安装和维修。由于不接触测量和采用耐腐蚀材料，可用于腐蚀性液体的测量，广泛用于冶金、石化、水利、环保、电力、选矿等行业。 MLF-900系列堰槽明渠流量计

  48. USTC 6 流量测量 • 弯管流量计属于差压式流量测量系统，是利用流体离心力原理测量管道内介质流量的仪表，可用于测量气体（焦炉煤气、高炉煤气等干湿气体），蒸汽，液体各种介质。 • 弯管流量计由传感器，转换器压差变送器及一些管道阀门组成，当流量测量需要温度、压力补偿时还应配备压力变送器、温度变送器。 • 弯管流量计测量范围宽，重现性精度高，无附加压力损失，现场免维护，运行费用低，可实现温压实时补偿。 MLW-2000系列弯管流量计  

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