第四章 流量测量

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1、交通科学与工程学院交通科学与工程学院第四章 流量测量 n41 概 述 n411 流量基本概念与流量测量的物理基础 n所谓流体流量即单位时间内流过的流体的量，亦称为瞬时流量。流量一般又被分为两种：质量流量与体积流量。n质量流量：n体积流量：(4-1)(4-2)显然（4-3）交通科学与工程学院交通科学与工程学院n因此在给出体积流量的同时，还必须指出此时被测流体的压力和温度。在测量气体流量时，为了便于比较，常将测得的体积流量（亦即容积流量）换算成标准状态下的体积流量值，称为标准流量值。（所谓标准状态即温度为20C，压力为760mmHg的状态。气体在标准状态下的密度为定值。）n在某一段时间间隔内流过的

2、流体的流量，称为流体的流量总量或累积流量。用Qm与Qv分别表示质量流量与体积流量的总量，则 n（4-4）（4-5）第四章 流量测量 41 概 述 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n显然对式（44）和式（45）的两边除以时间间隔t2一t1，即为所谓的在该段时间内的平均流量（4-6）（4-7）由于流体性质及其流动状态的复杂性，使得根据当前的技术很难按基本定义式（46）或式（47）来作出流量单位的基准器，从而也造成单位量值的传递、仪器检定及其工程检测上的困难。具体地说：第四章 流量测量 41 概 述 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n1流体性质具有多样性n流体粘度各异；单相流与多相流有别；压

3、力和温度参数不同时，密度与粘度也有所不同；流体又分可压缩与不可压缩两类；根据流体中任一点的切应力与该点速度梯度的关系又可分为牛顿流体和非牛顿流体。这些都造成了流体性质的多样性。（牛顿流体：一种简单的粘性流体，其中任一点的切应力正比于该点切应变随时间的变化率，即切应力与速度梯度成正比，比例因子即为粘性系数。切应力与切应变速率不成比例的流体称为非牛顿流体。牛顿流体、非牛顿流体的切应力与切应变速率的关系 第四章 流量测量 41 概 述 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n2管路系统的多样性n 管道截面可以是圆的，也可以是方的，或其他形状；管道内壁的光滑程度也各有不同；直管道与弯曲管道又有着明显的区

4、别，等等。n 3流体流动状态的多样性n 层流与紊流，明渠流与管流，管道充满流与不充满流，旋转流与脉动流等等，均有着不同的区别。n n 从以上可看出，有种种复杂的因素会影响到流量测量的准确度，只有针对特定的流体及其流动状态与管路特征，采用相应的方法和技术才能使流量测量达到应有的准确度。第四章 流量测量 41 概 述 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n412 流量测量方法分类n 目前直接测量流量所依据的原理是利用流体流动中的参数（如流速、动量等）所造成的相应的物理效应。根据上述流量的定义，可以原则地将常用的流量测量方法归纳为容积法、速度法与质量法三种。n 一、容积法n使流体以固定的、已知体积大

5、小逐次地从流量计中排放流出，通过计量其排放次数，即可求得通过流量仪表的流体总量；测量其排放的频率，即可显示其容积流量。这就是容积法测量流量的基本原理。n标准体积管、椭圆齿轮流量计与刮板式流量计等均是这类方法的实例。第四章 流量测量 41 概 述 交通科学与工程学院交通科学与工程学院1一刮板，2一凸轮，3一转子图42 几种容积法流量计实例(a)椭圆齿轮流量计(b)湿式气体流量计(c)刮板式流量计 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n这类仪表的特点是：n流体流动状态和雷诺数对测量的影响较小，易准确计数，因此测量总量的准确度较高。n若测量频率（如转速）的误差较大，则测流量的误差也较大，但比起流速法

6、其准确度还是较高。n容积法流量计一般来说，不宜用于高温高压和脏污介质的流体的流量测量。n当流量过大时，由于仪表进出口压差增大，误差也会增大，并且过大的流量会造成仪表转动部件的迅速磨损、甚至损坏。n容积法流量计的主要误差来源是进出口间的漏流，而漏流量与流体的粘度有关，粘度较高的流体漏流量较小，误差也较小。n 第四章 流量测量 41 概 述 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n二、流速法n 当通流截面恒定时，根据流体流动的连续性方程，截面上的平均流速与体积流量成正比。这就是速度法流量计的基本原理。由此出发凡是与流速有关的物理量均可作为建立流量计的物理基础。n例如：当流体具有导电性能，且管道中流体

7、的流动又是在磁场中进行，则其感应的电势大小与流体流动的平均流速成正比。这也就是电磁流量计的原理基础。n利用超声波在管流中的传播速度取决于声速与流速的矢量和（即以被流速调制的声速作为输出信号）的物理效应，即可作成超声波流量计。此外，如节流式流量计、动压测量管、旋涡流量计、涡轮流量计、转子流量计与靶式流量计等均属于此类。n总之，它们最终都是以输出一与体积流量成比例的信号。倘若需要显示质量流量测应同时测量流体的密度，再按一定的函数关系予以运算，最后求出质量流量值。第四章 流量测量 41 概 述 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n 必须指出，流速法利用了平均流速的概念，若要使输出信号能代表相应的平

8、均流速，就必须保证测量时的流速分布符合分度时的流速分布，这是保证测量准确度的必要条件。n然而这在实际测量中却难以做到，因为实际中管壁的粗糙程度，测量点上下游管段的弯曲情况，所装管件的类型、位置，流体的参数与种类等等均不会与仪表分度时的条件完全一样，这就给输出带来误差，甚至是不易估计的误差。仪表的分度一般是按充分发展的流速分布来设计与分度的。n三、质量法n 所谓质量法即给出代表质量流量的输出信号的方法。质量法测量流量又分直接式、间接式与温度压力补偿式三种。n1直接式质量流量计的基本原理是：在惯性系统中，按牛顿第二定律测量力和加速度的方法来反映质量。n从理论上可知流体的质量流量为 (4-8)第四章

9、 流量测量 41 概 述 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n 当通流截面A为常数时，只要、已知或已知 的值，则qm就是可求的。实际上，的值即代表了单位容积的流体所具有的动量。n因此根据这一基本概念即可去设计制造出一种直接测量流体动量的方法来求知流体质量流量。这也就是直接式质量流量计的基本物理基础。图中所示的双涡轮式流量计即这类流量计的典型的一种。双涡轮式流量计的原理结构l一时基脉冲发生器，2一门电路，3一计数器，4一前涡轮，5一后涡轮，6一弹簧 第四章 流量测量 41 概 述 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n2推导式质量流量计的原理是：n分别检测流体的容积流量和密度，再通过乘法器的运

10、算得到反映质量流量的信号。根据传感器的不同，这类推导式质量流量计各环节的组合结构有各种不同的形式。下图即为一种速度式流量计与密度计组合的质量流量计。速度式流量计与密度计组合的质量流量计 第四章 流量测量 41 概 述 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n3温度、压力补偿式质量流量计的原理是：测量流体的容积流量、温度与压力值，根据已知的被测流体密度与温度、压力之间的关系，通过运算将测得的容积流量的数值转换成标准状态下的容积流量值。由于被测流体在标准状态下的密度是定值，所以标准状态下的容积流量即代表了流体的质量流量。n因为连续测量温度、压力要比连续测量密度来的容易，所以目前在工业生产中多用这类补

11、偿式的质量流量计。第四章 流量测量 41 概 述 交通科学与工程学院交通科学与工程学院第四章 流量测量42 空气流量测量 n测量内燃机空气流量的装置常用的有标准孔板流量计和双纽线流量计等。n2.1 标准孔板流量计n标准孔板流量计是国家标准规定的标准节流装置之一。是由标准孔板、取压装置、测量管等部件所组成。n211 测量原理n标准孔板的中心为圆孔，安装于被测流体的管道中，应使标准孔板圆孔的中心线与管道中心线完全重合。由于圆孔的直径d小于管道直径D，因此当被测流体的流束流经标准孔板圆孔时，将造成流通截面积的收缩，因而使被测流体的流速（动能）增加，而静压力（位能）减少，于是在孔板的前后便会形成压差p

12、，压差的大小取决于管内被测流体的流束。交通科学与工程学院交通科学与工程学院 标准孔板流量计 标准孔板流量计压力分布 第四章 流量测量42 空气流量测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n实际上流束收缩在孔板前便已开始，直到孔板后某一距离处达到最小截面，此后流束才逐渐扩大到整个管道截面。图中实线表示流束沿管壁处压力分布，而虚线表示沿管道中心线流束压力分布。孔板前后压差，该压差的大小是利用与取压装置相连接的U型管压差计测量的。n根据一元流动能量方程和流束的连续方程可推导出流量基本公式为：n体积流量 质量流量（4-9）（4-10）第四章 流量测量42 空气流量测量 交通科学与工程学院交通科学与工

13、程学院n二者的关系为：（5-11）式中A0标准孔板开口截面积；Q标准孔板前空气密度；标准孔板前空气重度；流量系数；膨胀系数。式（49）计算体积流量后，须换算成“标准体积流量”，即在温度为20C（或0C），压力为 101325Pa状态下的标准体积数值。在流量测量中应用最广的是质量流量的实用形式：（4-12）第四章 流量测量42 空气流量测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n式中d标准孔板孔径（mm）；nA一常数 n(1)流量系数流量系数 根据标准孔板流量计大量实验数据得出，流量系数的数值与与流体的性质、取压方式、直径比、流速分布、入口流速、管道粗糙度等因素流体的性质、取压方式、直径比、流速

14、分布、入口流速、管道粗糙度等因素有关有关。国家标准给出角接取压标准孔板的光管流量系数0f（、ReD、02）的函数表。其中d/D称直径比，ReD为被测流体的雷诺数。根据已知的值和ReD值从表中可查得光管流量系数0，通过对管道粗糙度进行修正，便可求得实际测量管道的流量系数值。n （2）膨胀系数）膨胀系数 膨胀系数是考虑到对于可压缩流体流经标准孔板后，由于体积的突然膨胀将造成密度减少，因此须引入修正系数。n对于角接取压标准孔板流量计的膨胀系数可由下列经验公式求得：第四章 流量测量42 空气流量测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n式中k气体绝热指数 n（3）压力损失）压力损失p 由于流束在孔板

15、前收缩时，要改变原来流动方向，将会损失部分能量；而在孔板后，由于流通截面突然扩大，产生旋涡，也将损失部分能量，统称为压力损失。标准孔板的压力损失可按下列经验公式计算：n国际标准ISO5167中给出的流量基本方程的实用形式为：（4-13）（4-14）（4-15）第四章 流量测量42 空气流量测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n式中C流出系数；E渐近速度系数。n是经过大量实验发现了流量系数随直径比的变化规律为：n定义n由于引入了流出系数C的概念，使流量方程向完全解析式更靠近了一步。角接取压标准孔板其流出系数按下式计算：（4-16）（4-17）（4-18）（4-19）第四章 流量测量42 空

16、气流量测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n由于流出系数C和渐近速度系数E的引入，简化了标准节流装置的设计计算，利用流出系数分析各种因素影响更方便了。n212 标准孔板的结构nISO/R781作为节流装置的国家标准于1968年正式公布于世。我国标准孔板国家 标 准 主 要 是 依 据 1 9 6 7 年 出 版 的ISO/R541作为依据。国家标准给出标准孔板的轮廓尺寸如图所示。n1）上游端A 要求端面平整、表面上任何两点间的连线对垂直于中心线的平面的斜率应小于%。在板同心的15d范围内，应保持峰谷高度差小于00003d。当管道内径在50mmD500mm范围时，其表面粗糙度应为16。标准

17、孔板 第四章 流量测量42 空气流量测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n（2）下游端面B 端面B应平行于端面A，表面光洁度可比端面A低一级。n（3）厚度E和e 锐孔e应在0005D和002D之间，在锐孔上任何点测得的e值的差值都应不大于0001D。n孔板的厚度E应在e和005D之间。当满足50mmD100mm条件时，允许取E=3mm。n（4）斜面角 F 如果孔板厚度 Ee时，孔的下游端应加工为表面光滑的倾斜面，F角应取3045（通常取45），表面粗糙度应为16m。n（5）边缘G、H、I 上游边缘G和下游边缘H、I应既无划痕也无毛刺。对于入口边缘G加工要求较高涸为它对流量系数a的影响很大

18、。边缘G应保持尖锐，当肉眼观察时应无反射光。由于加工或磨损等原因使边缘G产生圆弧的半径r00004d时，须对流量系数加以修正。n（6）孔径d 孔板开孔为圆形，其轴心应垂直于上游端面A，孔径测量时，应至少取均匀分布的四个直径的平均值，任一次测量值与平均值之差不应大于005中的加工公差应满足：第四章 流量测量42 空气流量测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n5mmd6mm时，为0008mm；n6mmd10mm时，为00l0mm；n10mmd25mm时，为0013mm。n当 d25mm时,d每增加 25mm允许公差增加 0013mm，其表面粗糙度应为 08m。n213 角接取压装置n标准孔板

19、流量计的取压装置按国家标准规定可采用角接取压和法兰取压两种方法，多用角接取压。角接取压分为环室和夹紧环两种形式，其结构如图所示。n（1）取压环室 取压环室由前环室和后环室构成，前环室厚度为S02D，取正压；后环室厚度为 S05D，取负压。环室开孔直径D=D（管道直径），制造时允许DD102D，环缝宽度的尺寸应按下列原则确定：n 0.65时 0005D003Dn 065时 0.01D 002D 第四章 流量测量42 空气流量测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院 角接取压装置(a)取压环室；(b)夹紧环。对于任何的值，环缝宽度的实际尺寸应满足：lmm10mm；环缝厚度f2。环腔的截面积至少应

20、为50mm2。第四章 流量测量42 空气流量测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n2）夹紧环 当管道直径D 200mm时，可采用夹紧环的形式实现单独钻孔取压。取压孔在夹紧环内壁的开孔必须与内表面平齐，取压孔的直径的大小（）等于环室取压时的缝，其轴线与标准孔板上、下游端面的夹角不大于3 ，夹紧环的厚度要求与环室相同。前后夹紧环的内径应等于管道的内径。允许DDfl.02D。n214 测量管n国家标准规定测量管在标准孔板上游侧长10D，下游侧长5D，内径等于被测管道直径D。测量管内壁应光滑，其绝对平均粗糙度应符合规定。n215 标准孔板流量计的适用范围n国家标准规定标准节流装置的流量比（即最小

21、流量比最大流量）应等于1：3，在个别情况下可取1：4。若再减少流量比时，小流量下测量误差将增大。n对于不同的值，推荐最小的雷诺数。第四章 流量测量42 空气流量测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n22 双纽线节流器n国家标准规定的标准节流装置中，目前尚未包括双纽线节流器。但是由于双纽线节流器具有流场均匀、流量系数大、压力损失小、结构简单和制造容易等优点，获得了广泛的应用。特别是当测量增压柴油机的空气流量时，由于标准孔板流量计的压力损失较大，会影响增压器的正常工作，因此多采用双纽线节流器。n221 测量原理n双纽线节流器也属于节流式流量装置。其进口部分轮廓线的形状为双纽线，出口部分为圆柱

22、形直管，如图所示。双纽线节流器 第四章 流量测量42 空气流量测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n双纽线节流器直接从周围大气吸取空气，假定周围大气压力为P0、距进口处相当距离时空气流速为零。当进入双纽线节流器时，由于产生流束的收缩，使流速增加、压力降低，根据一元流动的能量方程和连续方程可推导出流量基本方程，其形式与式（5-12）完全相同：n式中qm 质量流量；n A0圆柱形直管部分的截面；n p圆柱形直管部分压力与大气压力的压差；n Q周围环境大气密度；n 流量系数；n 膨胀系数。（4-20）第四章 流量测量42 空气流量测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n（1）流量系数 由于

23、流体的粘性，在双纽线节流器近壁处产生附面层将使流速降低，流量减小，因此引入流量系数进行流量修正。值取决于附面层的厚度。由于空气的粘度低、附面层厚度小，因此流量系数通常在099左右。n（2）膨胀系数 由于流体是从无穷大空间（周围环境大气）收缩到有限的双纽线节流器截面，压力降低、密度便减小，因此须进行流量修正，引入膨胀系数。当周围是大气，压差p=103104Pa（相当于1001000mm水柱）时，=09990949范围。n222 双纽线节流器结构参数n 双纽线节流器进口段双曲线方程为 n并满足：=（0608）d；045；max=45。n （4-21）第四章 流量测量42 空气流量测量 交通科学与工

24、程学院交通科学与工程学院n为加工方便，进口部分在绘成双纽线之后，可采用数段圆弧代替，但应使线型误差小于 0lmm。圆柱形部分直径 d的加工误差不应大于 00001d。内表面加工粗糙度应达 。边缘应光滑无毛刺。取压孔位置应如图所示，数目取46个，均匀分布在整个圆周上。钻孔直径 d1033d，还应满足：n 2mm d1 12mmn材料可选用铸铝或青铜。n双纽线节流器在制成之后必须进行校准，绘制出流量曲线。n 第四章 流量测量42 空气流量测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n23 内燃机空气流量测量系统n节流装置的流量基本方程是在假定流动为定常流动的前提下，利用一元流动的能量方程和连续方程推

25、导出来的。但是内燃机的进气并非是定常流动。恰恰相反，由于内燃机是以一个工作循环为周期的间隙进气，因此其进气过程的空气流动是脉动的。为消除柴油机进气脉动对空气流量测量的影响，内燃机所采用的空气流量测量系统如图所示。稳压箱安装于节流装置和内燃机进气管之间。稳压箱的容积通常取被测内燃机单缸容积的 200倍，对于低速柴油机可取 300倍。在稳压箱的一端装上橡皮膜，以便进一步的抑制气流的脉动。n24 测量误差第四章 流量测量42 空气流量测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院内燃机空气流量测量系统 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n241 节流装置产生的误差n采用节流装置测量流量是以流量基本方程

26、为理论依据，在给出流量系数、膨胀系数、孔径d、管径D、直径比、节流元件前的空气密度 之后，再利用压差计测定出节流元件前后压差p，然后利用基本流量方程式（514），方可求得质量流量M。因此流量为间接测量量。根据误差传递理论可给出其函流量为间接测量量。根据误差传递理论可给出其函数误差数误差。n242 内燃机进气脉动产生的误差n节流装置流量基本方程是在假定流动为定常流动的前提下得出的。尽管内燃机空气测量系统中设立了容积足够大的稳压箱，仍然无法完全消除内燃机进气脉动对节流装置测量的影响。由于脉动无法完全消除，脉动无法完全消除，将会使得节流元件前后压差的平均值与平均流量随脉动振幅大小而变化。使按基本流量

27、方程求得的流量值偏大流量值偏大，当脉动振幅越大时，这一误差也就越大。通常为抑制气流脉动，在稳压箱一端安装橡皮膜。n243 空气测量系统的漏泄误差n内燃机空气测量系统各处接头或焊缝均不应有漏泄。因此须进行漏泄实验，测定出实际漏泄量。测定空气测量系统漏泄量时，应保持内燃机进气支管与机体结合部以及气阀导管等部位的密封良好。第四章 流量测量42 空气流量测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院第四章 流量测量43 气体流速测量 n为研究内燃机的气道及混合气形成，须测定气道或燃烧室中气体的流速。由于气体流速为一矢量，因此测量时，须同时测量流速的大小与方向。目前常用的方法有：动压管、热线风速仪、多普勒激

28、光测速仪等。n5 31 热线风速仪n热线风速仪与探头配套使用可用来测定气体的平均流速、脉动热线风速仪与探头配套使用可用来测定气体的平均流速、脉动速度和气流方向速度和气流方向。由于探头几何尺寸较小、对气流流场干扰小，因此可适用于不便于安置测压管的场合。由于探头的热线的热惯性小，可用于测量燃烧室内紊流强度或测量增压器旋转失速等气流的脉动参数。而且可实现与微处理机联机进行数据处理。交通科学与工程学院交通科学与工程学院n将热线风速仪的热线探头作为测量电桥的一臂，由电源向热线供电，并把热线加热到给定的过热度（应高于被测气体温度100200C），由伺服控制系统始终将过热度保持为给定的恒定值。当气流处于稳态

29、下时，应使热线保持恒温，此时由电源供给热线的电功率应与热线向周围介质（气体）的放热的热耗相平衡。但热耗是取决于被测气体的物性和气体参数（温度、压力、流速）以及热线材料的物性、几何尺寸以及热线相对于气流方向的夹角等。当只有气体的流速为唯一变化的因素时（其它诸因素均保持恒定），流经探头的电流值便仅仅是被测气体流速的单一函数流经探头的电流值便仅仅是被测气体流速的单一函数。n1）探头n探头可分为热线探头和热膜探头两种类型，制成一元、二元、三元热线探头等结构。探头的结构示意图如图所示。n热线是直径很细的金属丝，最细的直径可达3rn，焊接在两根支杆上，通过绝缘座引出接线。制作热线的金属丝多选用钨丝和铂丝。

30、热线的细长比约为300。热线的两端涂覆约12m厚的铜金合金使敏感部分只剩下中间一段，将敏感部分远离支杆，以避免气流绕支杆流动产生的干扰传给热线。第四章 流量测量43 气体流速测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院探头（a）一元热线探头；（b）热膜探头；（c）三元热线探头。热膜是由铂和铬制成的金属薄膜，用焊接的方法将其固定在连接支杆两端的石英楔形骨架的前缘。它可以承受较大的电流，机械强度比热线高。因此可以应用于不宜使用热线探头的带有颗粒的气流中，但必须指出，长期在含有微粒的气流中工作时，应该经常注意热膜的表面状态。因为表面上的任何损坏都会造成其电阻值的变化，使原校准曲线无效。第四章 流量测量

31、43 气体流速测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n热线探头还可以根据测量要求制成一元探头、二元探头和三元探头等形式，以分别适应测定一元流动、二元（平面）流动和三元（空间）流动的需要。n2）工作原理概述n测量时，将所选定的热线探头安放在被测气流的测量点上。电源以恒值电流对热线加热，使热线的过热度比周围被测气流温度约高100200C，因此热线将向测量点周围的被测气流散热，其散热量的大小，当其它条件保持固定不变时，仅为气体流速的单值函数。n由于供给热线加热的电流为恒定值，因此热线的温度必将随其向测量点周围气流散热量的大小而变化，也就是说热线的温度为气体流速的单值函数热线的温度为气体流速的单值

32、函数。当将热线作为测量电桥的一臂时，通过测量电桥测量热线的电阻值，便可知热线的温度，从而获得相应的气体流速。由于测量时始终保持以恒值电流向热线供电，因此称为“恒值电流法”。第四章 流量测量43 气体流速测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n另外一种常用的方法是“恒温法”所谓恒温法即是在测量过程中，通过伺服机构使热线的温度始终保持在比测量点周围气流温度高某一恒定值，随着被测气流流速的变化、热线向气流的散热量也必然发生相应的改变，为使热线的温度始终保持为给定的恒定值，通过伺服机构随时调节流经热线的电流值。测定流经热线的电流值即可得到气体流速。n为测定气体流速方向，将热线绕其轴线旋转，当热线的

33、轴线与气流速度方向正交时，由于此时热线与气流流速方向垂直，因此热线向测量点周围气流的散热量具有最大值。对于采用“恒值电流法”，此时热线的温度便有最小值；对于“恒温法”，此时流经热线的电流具有最大值。因此可判明被测气体流速方向。但必须指出，按上述方法判断的气体流速的方向具有 180的不确定性。第四章 流量测量43 气体流速测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n3）测量内燃机气体流速时须考虑的问题n当将热线风速仪用于测量内燃机气体流速时，特别是测定燃烧气体的流速时，由于被测气体的温度高、含有颗粒状的尘埃以及内燃机运行时发生相当强烈的机械振动等，将使探头的工作条件相当恶劣，因此须考虑以下问题：

34、n（1）为防止机械振动及被测气流中颗粒物质对热线的损坏，热线应具有足够的强度，或选用热膜探头。n（2）为提高热线探头对被测气流的阶跃响应和频率响应，所选用的热线直径在保证强度的前提下应尽可能小。n（3）因为欲测定气道或燃烧室局部的气体流速及流场分布，因此选用的热线尺寸应尽可能小。为不干扰被测流场速度分布，探头尺寸也应尽可能小。n（4）为提高流速测量的精度，希望热线与被测气体之间的温度差值尽可能大。n（5）为测量气流的流动方向，可选用二元探头或三元探头。n（6）应测量热线支杆的温度，并应使热线的两个支杆温度保持相同，以使热线的温度分布对称。n（7）当燃烧室壁或气体温度发生变化时，为保持热线的引线

35、温度恒定（引线电阻值恒定），希望对探头采用水冷。第四章 流量测量43 气体流速测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n4 32 多普勒激光测速仪n多普勒激光测速仪的工作原理是当激光照射到跟随被测气体一起流动的微粒上时，激光被运动的粒子所散射，其散射光对入散射光对入射光的频率偏移与流体速度成正比射光的频率偏移与流体速度成正比，测定散射光的频率偏移量，便可求得被测流体速度，多普勒激光测速仪由光学系统和多普勒信号处理装置两大部分组成。n多普勒效应多普勒效应n由于辐射源与接收器之间发生相对运动，将会导致辐射频率的变化。尽管光源与接收器之间没有相对运动，只要在光路的某一点上发生光波被运动着的微粒散射

36、时，也会产生多普勒频移。第四章 流量测量43 气体流速测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院第四章 流量测量44 其它流量的测量 n441 冷却水流量测量与涡轮流量计n 冷却水流量测量除了可以用重量法或容积法外，也可以用涡轮流量计和卡门旋涡流量计进行测量。n 涡轮流量计是一种速度式流量仪表，它具有精度高、反应快、耐压好、量程较宽（10：1）等特点，可用来测量瞬时脉动流量或总量。由于它对被测介质的净洁度要求高。而且受粘度影响较大，故常用来测量冷却水的流量，不宜用来测量润滑油流量。nLW型涡轮流量计的传感器如图所示，它包括涡轮组件（即叶轮组件）、导向架组件、壳体和带前置放大器的磁感应变换器四个

37、部分。交通科学与工程学院交通科学与工程学院n涡轮组件经过动平衡，螺旋形叶片用导磁不锈钢制成，质量轻便，在摩擦很小的轴承中转动，以提高灵敏度。直叶片导向架组件及壳体用非导磁不锈钢制成。工作时，被测流体流入传感器，作用在涡轮叶片上，推动涡轮旋转。涡轮叶片周期地切割磁场的磁力线，并相应地使磁路的磁阻发生周期的变化，从而在线圈内感生脉动电势信号。由于涡轮的转数n与容积流量qv成正比，而单位时间电信号的脉冲数N（即频率f）又与n成正比，故输出电信号的频率与流量有线性关系：涡轮流量计传感器 第四章 流量测量44 其它流量的测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n式中 为传感器的流量系数（脉冲次数/L）

38、n 涡轮流量传感器要求其上游直管段长度一般为20D，下游直管段长度一般为5D；在使用时应避免振动，严防强磁场和热辐射的影响。在计算质量流量时，应按照流体的密度、粘度等物理量的变化对指示值进行修正。n442 润滑油流量测量与容积式流量计n 润滑油消耗量的测定，按照我国内燃机台架性能试验方法及汽车发动机性能试验方法的规定，均采用称重法。而润滑油流量的测量，既可用重量法和容积法，也可用流量计进行测定。适用的流量计是容积式流量计。第四章 流量测量44 其它流量的测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n容积式流量计受流体粘度和流量大小的影响很小，测量精度高（可达02），量程比较大（一般10：1），仪

39、表前后直管段要求不高，安装方便；但是，当流体中含有固体杂质时，会妨碍仪表的正常运转。因此，容积式流量计常用于测量不含固体杂质的液体，尤其适于测量高粘度和变粘度液体的容积流量。在内燃机试验中，大多数容积式流量计，如图所示的三种容积式流量计，均可用来测量经过滤清器后的润滑油流量。容积式流量计1一隔板2一旋转活塞3一内圆筒4一外圆简5一导辊6一旋转活塞轴 第四章 流量测量44 其它流量的测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n所有容积式流量计的基本原理都是相同的，流量计的测量腔类似一种标准容器。仪表内部的运动元件在入口和出口压差作用下动作，不断地把充满在运动元件和壳体之间（测量腔）的流体排向出口

40、。运动元件与计数机构连接。计数器上读数与流体的容积总量成比例。n443 燃油消耗量测量和转子流量计n 在前面介绍的重量法和容积法，因精度较高，使用方便，目前仍被广泛地用来测定内燃机的燃油消耗量，只有在内燃机耐久试验和其他可以降低测量精度的场合，才采用小流量工业产品流量计。下面介绍可供测量燃油消耗量的转子流量计。n 转子流量计也是利用节流原理的一种流量测量仪表。第四章 流量测量44 其它流量的测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n转子流量计的结构如图所示，它由一段向上扩大的垂直的锥形玻璃管或金属管和在管中放一只可随被测介质流量大小而作上下浮动的转子所组成。转子（又称浮子）就是这种流量计的节

41、流元件。当被测流体经过转子和锥形管之间的环形缝隙时，由于节流原理所产生的压力差的作用，使得转子上移，因而环形缝隙随之增大，介质的升力也随之减小，直至介质作用于转子的上升力与转子在介质中的重量相平衡，转子便稳定在某一高度上。流量愈大，转子的平衡位置也愈高。所以转子所处的平衡位置的高低（即环形缝隙流通面积的大小）可作为流量测量的尺度，故转子流量计亦名变面积流量计。同时，由于转子的重量是已定的，当转子处于任一平衡位置时，其两端压差也为恒定值，故转子流量计又叫恒压差式流量计。转子流量计 第四章 流量测量44 其它流量的测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n转子流量计的流量方程式，可以在基本流量方

42、程式的基础上，考虑到转子的力平衡关系，而求得容积流量qv与环形缝隙流通截面F。之间的内在关系，再通过锥形的几何尺寸求得F0和转子平衡位置的高度h之间的对应关系，最后导出转子流量计的流量方程式为：n式中 Vf、Ff为转子的体积与最大截面积；f为转子材料的密度，为被测流体的密度；为转 子的流量系数R为离刻度零点高为h处的锥形管的内孔半径；r为转子的最大半径；为锥形夹角。n当转子形状、材料、特性及被测液体已知时，上式等号右侧除h外，所有各个参数一般均可看作常数，故转子流量计的流量与转子平衡位置的高度成正比，即转子流量计具有线性刻度。第四章 流量测量44 其它流量的测量 交通科学与工程学院交通科学与工

43、程学院n转子流量计是一种非标准化仪表，需每台单独在标准状态下进行标定。转子流量计上的刻度值，对于测量液体的是代表20C时水的流量值，对用于测量气体的是代表20C、101325Pa压力下空气的流量值。在实际使用时，由于被测介质不是水，而是柴油、汽油等内燃机燃料，它们的密度是不相同的，致使指示值和实际值之间存在一定差别。为此，必须对流量指示值进行换算和修正。n一般换算公式为 n式中qvy、y、y为实际被测液体的容积流量、密度和流量系数；qv、s、S出厂标定时水的容积流量、密度和流量系数。第四章 流量测量44 其它流量的测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院n转子的流量系数与转子的形状和雷诺数有

44、关。转子的形状有旋转式、圆盘式和板式三种，它们的和Re之间的关系如下图所示。旋转式的临界雷诺数Rek=6000，多用于玻璃管式直接指示转子流量计；圆盘式的Rek=300，板式的Rek=40，这两种多用于远传式转子流量计。n测量燃料消耗量的转子流量计，宜选用玻璃管式直接指示的转子流量计，配用不锈钢旋转式转子，其使用范围应能满足测量燃油消耗量的要求。n此外，转子流量计也可供活塞漏气量测量及废气成分分析时作废气流量测定之用。转子的和Re的特性曲线 第四章 流量测量44 其它流量的测量 交通科学与工程学院交通科学与工程学院思考题n1 试述容积法油耗仪稳压腔的功能。n2 绘图说明涡轮流量变送器的测量原理。n3 绘图说明标准孔板流量计测量原理。n4 测量内燃机气体流速时须考虑那些问题？n5 绘出内燃机实验台架标准孔板流量计空气流量测量系统，并分析该系统的误差。n6 阐述热线风速仪的工作原理。7 何谓多普勒效应？