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

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§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

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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

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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。

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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。

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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。

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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。

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3 热线风速仪强迫对流传热 --- 占主导地位。金（ King, 1914 ）公式：

TTdlhQ wf

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V

iw

Q

Q

0.5u eN A BR

u

e

hdN

k

vdR

强迫对流传热气体热传导惯性力粘性力

3 热线风速仪

USTC

0.5

2

21 1

/

/

fu e

w f

f w f

w W W

W W w f

QN A BR King

k A l T T t

dQ k A l T T t A B v

Q I R t

I R T T A B v

强迫对流传热 公式气体热传导

强迫对流传走的热

电流加的热

热平衡时：

3 热线风速仪

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金属丝电阻随温度变化：

vBARR

RRI

R

RRTT

KK

KK

TTTTRR

fw

ww

ww

fwfww

1100

2

00

0010

271

30

271

30

2100

,

1100.7,1102.5

1105.5,1105.3

1

得热平衡方程：

钨丝：

铂丝：

3 热线风速仪

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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。

3 热线风速仪

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恒流式：

E

R2 R1

RW

e1

R2 >> Rw

VBARI

VBARR

w

f

Iw

11002

11

3 热线风速仪

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恒温式：R2 R1

R3 Rw

I1I2

IB

e0

V , Tw , Rw , e1 , e2 - e1 , e0 , IB , eB , I1 , Tw , RW

00

11

RR

RRVBAI

w

fw

Rww

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。

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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。

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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。

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4 激光多普勒测速仪 (LDV)

基本光路

V

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4 激光多普勒测速仪 (LDV)

条纹模型

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f

x

zy

zy

y

x

4 激光多普勒测速仪 (LDV) 条纹模型

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V

1

2

d

2sin22sin2

0

Vd

Vf

d

D

4 激光多普勒测速仪 (LDV) 基本布置

V

激光电源声光调制

器电源 计算机光电倍增

管电源信号处理器 放大器

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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

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4 激光多普勒测速仪 (LDV)

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

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 175

MHz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

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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

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4 激光多普勒测速仪 (LDV)

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。

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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。

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4 相位多普勒粒子分析仪（ PDPA ）

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处理器

激光器

发射器

接受透镜

光电倍增管

4 相位多普勒粒子分析仪（ PDPA ）

mP=2

P=0

P=1

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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。

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5 粒子成像速度计 ( PIV)

PIV 原理

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Y

X

粒子第一个的像

t 后，粒子第二个的像

12

12

12

lim,lim 12

tt

YYV

tt

XXU

t2t1t2t1

5 粒子成像速度计 ( PIV)

典型系统 :

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CCD

电子同步器

计算机

Nd:YAG 激光器

5 粒子成像速度计 ( PIV)

激光器

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双 YAG 激光器的光路系统示意图

CCD

YAG 激光器

5 粒子成像速度计 ( PIV) 算法

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双曝光的图象

第一次曝光的图象 第二次曝光的图象

5 粒子成像速度计 ( PIV)算法

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CCD

计算机

流场的像100X125mm

查询区1X1mm

流场的速度分布

自相关、互相关

5 粒子成像速度计 ( PIV)

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（ a ）尾迹中的粒子图

（ c）减去来流速度后的速度场

（ b）尾迹的速度场

（ d）涡量分布图

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 ）

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

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流量测量

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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

6 流量测量

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 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）

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。

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LC-11 型椭圆齿轮流量计

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

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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。

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LWQ系统气体涡轮流量计

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。

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LWQ系统气体涡轮流量计

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 ℃ 。

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LWQ系统气体涡轮流量计

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 5S/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。

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LDE型电磁流量计 

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。 　　

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LZ系列金属管浮子流量计

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。

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LZB型玻璃转子流量计

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。

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分体管段式超声波流量计

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。

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MLF-900系列堰槽明渠流量计

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。

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MLW-2000系列弯管流量计

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