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第四章流量測量 第一節(jié)概述第二節(jié)容積式流量計第三節(jié)渦輪流量計第四節(jié)浮子流量計第五節(jié)差壓式流量計第五節(jié)柴油機(jī)燃油消耗量測量 第一節(jié)概述測定進(jìn)氣 排氣 冷卻水 燃油和潤滑油等流量 為了評價柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性 要測定燃油消耗量 熱平衡實驗時 要測定冷卻水和潤滑油的流量以及空氣和排氣的流量 柴油機(jī)液體大多屬于穩(wěn)定流動 測量較簡單 氣體流動大多有周期性脈動性質(zhì) 不能簡單用穩(wěn)流測量裝置 采用附加的穩(wěn)流措施 或選非穩(wěn)流測量裝置 一 流體與流量的表現(xiàn)形式流體 具有流動性能的物質(zhì) 一般可以認(rèn)為是氣體和液體的總稱 在熱能與動力機(jī)械中 通常有單相流 氣體 液體 多相流 氣液混合流體 流量 單位時間內(nèi)通過有效流通截面的流體數(shù)量 亦稱瞬時流量 可表示為質(zhì)量流量和體積流量 二者滿足 工程實際中 有時需要知道某一段時間間隔內(nèi)通過某流通截面的流體總量 這就是所謂的累計流量 累計流量除以相應(yīng)的時間間隔 則為該段時間的平均流量 由于流體密度隨其狀態(tài)而變化 在表示和比較流量大小時 注意單位和量綱的統(tǒng)一 同時考慮壓力 溫度等參數(shù)對流體體積的影響 注 測量體積流量 必須指明流體狀態(tài) 壓力 溫度等 測量單位時間流量的儀表 統(tǒng)稱為流量計 在使用時能指示或記錄當(dāng)時的瞬時流量或平均流量 測量總量的儀表 稱為計量表或總量計 在使用時能隨時累積其瞬時流量 流量測量通常在管道內(nèi)進(jìn)行 除少數(shù)流量計應(yīng)用自身具有的標(biāo)準(zhǔn)容積來測量流量以外 大多數(shù)流量計是根據(jù)流體在管道截面上的流動速度與容積流量成正比的關(guān)系來測量流量的 無論何種流量計 都有一定的適用范圍 對流體特性與管道條件都有特定的要求 弄清流體在管道內(nèi)流動的速度特性很有必要 流體在管道內(nèi)的流動是流體充滿管道的連續(xù)流動 一般情況下 沿管道中心線流速最大 管壁處的流速最小 等于零 在彎管和閥門后的流速分布較復(fù)雜 對流量測量有較大的影響 為此 在流量計前后要求有足夠的直管段長度或加裝整流器 才能使儀表前后的流速分布保持穩(wěn)定 管道流速分布圖 影響管道中流速分布的準(zhǔn)則為雷諾數(shù) 雷諾數(shù)Re 表征流體慣性力與粘性力之比的無量綱參數(shù) 即D 管道內(nèi)徑 m v 由特性尺寸所規(guī)定的橫截面上的平均流速 m s 流體的運(yùn)動粘度 m2 s 當(dāng)Re20000時 表示慣性力較大 呈紊流狀態(tài) 當(dāng)2300 Re 20000時 為層流到紊流的過渡區(qū) 二 流量計的類型根據(jù)測量方法的基本特點 流量計分為三大類 1 容積型流量計 工作原理較簡單 根據(jù)單位時間內(nèi)被測流體充滿或排出某一定容容器的次數(shù) 即適合于高粘度 低雷諾數(shù)的流體 流動狀態(tài)對測量結(jié)果的影響較小 精確度較高 但不適于高溫 高壓和臟物介質(zhì)的流量測量 屬于這種類型的流量計有 橢圓齒輪流量計 腰輪 羅茨 流量計 刮板式流量計 伺服式容積流量計 皮膜式流量計 轉(zhuǎn)筒流量計 2 速度型流量計 以流體一元流動的連續(xù)方程為理論依據(jù) 即當(dāng)流通截面確定時 流體的體積流量與截面上的平均流速成正比 通過測量流通截面上的流體流速或與流速有關(guān)的各種物理量 就可以計算出流量 可用于高溫 高壓流體 但是 由于以平均流速為測量依據(jù) 因此測量結(jié)果受流動條件 如雷諾數(shù) 渦流以及截面上流速的分布等 的影響很大 這給精確測量帶來困難 屬于這種類型的流量計有 差壓式 節(jié)流式 流量計 轉(zhuǎn)子流量計 渦輪流量計 超聲波流量計等 其中差壓式流量計應(yīng)用最廣 3 質(zhì)量型流量計 以測量與流體質(zhì)量有關(guān)的物理效應(yīng)為基礎(chǔ) 分為直接式 推導(dǎo)式和溫度壓力補(bǔ)償式三種 三 流量計的選用原則1 根據(jù)被測介質(zhì)的性質(zhì)選擇各種流量計對被測介質(zhì)的適應(yīng)性不同 選擇流量計時首先明確被測流體的物態(tài)及其特性 一般 測量水蒸汽可選用差壓式流量計或金屬轉(zhuǎn)子流量計 2 根據(jù)用途選擇測量精度要求較高時 可選用腰輪流量計 橢圓齒輪流量計 渦輪流量計 工業(yè)生產(chǎn)過程中要求有指示記錄和流量自動控制時 可用差壓式流量計 轉(zhuǎn)子流量計 3 根據(jù)工況條件選擇工況條件包括被測流體的流量變化范圍 溫度和壓力的高低等 4 其他除上述問題外 還應(yīng)考慮流量計的安裝條件 包括安裝位置 安裝尺寸以及流通管路的振動情況等 有時要考慮測量過程中產(chǎn)生的永久壓力損失帶來額外耗能費(fèi)用的大小 三 流量計的主要指標(biāo)1 量程和量程比在流量計的測量范圍內(nèi) 可測最大流量與最小流量值之差為流量計的量程 正常使用條件下 在該范圍內(nèi)測量時的誤差滿足精度要求 量程是用來定量描述流量范圍的參數(shù) 與流量計的示值范圍是兩個不同的概念 最大流量與最小流量之比 稱為流量計的量程比 它是比較不同量程流量計的流量范圍寬窄的參數(shù) 量程比大 說明流量范圍寬 反之則說明流量范圍窄 量程和量程比是評價流量計性能指標(biāo)的重要參數(shù) 期望流量計的范圍越寬越好 2 允許誤差和精度等級流量計在規(guī)定正常工作條件下允許的最大誤差 稱為流量計的允許誤差 規(guī)定正常工作條件 是指檢定規(guī)程中規(guī)定的檢定工作條件 允許誤差可用絕對誤差 相對誤差 引用誤差來表示 流量計的允許誤差一般不用絕對誤差表示 多用最大相對誤差和引用誤差來表示 流量計示值接近于被測流量真值 準(zhǔn)確度 且具有較好重復(fù)性 精密度 的能力 稱為流量計的精度 精確度 按精度大小區(qū)分的等級稱為流量計的精度等級 目前根據(jù)流量計的現(xiàn)狀 按國家規(guī)定的允許誤差大小劃分精度等級有 0 02 0 05 0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5 4 0 3 重復(fù)性指同一工作條件下 對同一被測量重復(fù)測量 其示值相互不一致的程度 重復(fù)性表示儀表隨機(jī)誤差的大小 流量計具有較高精度的充分必要條件是重復(fù)性好且準(zhǔn)確度高 兩者缺一不可 4 穩(wěn)定度指在規(guī)定工作條件內(nèi) 流量計的某些性能隨時間保持不變的能力 穩(wěn)定度是評價流量計性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù) 穩(wěn)定度通常用極限相對誤差來表示 5 靈敏度指流量計對被測流量值變化的反應(yīng)能力 對于給定的被測流量值 流量計靈敏度S用被測流量變化增量與流量計指示增量之比來表示 6 壓力損失指流體流過流量計及與流量計配套安裝的閥門等阻力件時所引起的不可恢復(fù)的壓力值 流量計的壓力損失通常用流量計的進(jìn) 出口間的靜壓差來表示 壓力損失的大小是衡量流量計測量成本高低的重要技術(shù)指標(biāo)之一 第六節(jié)柴油機(jī)燃油消耗量的測定燃油消耗量是表明柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo) 其測量特點是單位時間內(nèi)的流量較小 而且精度要求較高 根據(jù)GB6302 86規(guī)定 船用柴油機(jī)燃油消耗量的測量精度要求在 3 以內(nèi) 按測量原理劃分 柴油機(jī)燃油消耗量的測量方法分為 稱量法 容積法 流量計法 稱量法 通過直接測量消耗一定重量的燃油G kg 所經(jīng)歷的時間間隔t 然后利用下式進(jìn)行計算 式中 G 所消耗的燃油重量 kg t 經(jīng)歷的時間間隔 s 按規(guī)定不小于30s 適用 柴油機(jī)臺架實驗燃油消耗率 一 稱量法油耗手動測量手動測量裝置 a 主機(jī)b 三通閥c 燃油日用柜d 測量罐 不小于30s e 砝碼f 天平刻度盤步驟 通過轉(zhuǎn)換三通閥的位置 1 測量前的準(zhǔn)備 三通閥依次置于供油 充油 供油等待測量 2 測量 開始測量時三通閥置于測量 天平第一次達(dá)到平衡狀態(tài) 開始計時 天平第二次平衡時 停止計時 三通閥置于供油 在天平兩次達(dá)到平衡時的計時時間t內(nèi) 消耗的燃油重量G kg 計算可得燃油消耗量和燃油消耗率 稱量法的測量精度一般比容積法高 稱量法不需要測量燃油的密度 消除了比重變化造成的誤差 稱量法的測量誤差 1 由于兩次平衡時 油管浸入深度不同而引起力變化造成的燃油質(zhì)量測量誤差 2 由于測量罐為開式 測量時的供油壓力和柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時的供油壓力不同而產(chǎn)生的誤差 3 三通閥的密封問題 測量時日用油箱向柴油機(jī)和充油罐的漏泄而產(chǎn)生的誤差 4 包括秒表和人工操作時的時間測量誤差 二 自動測量裝置 用光電元件在天平達(dá)到兩次平衡時刻發(fā)出計時開始和結(jié)束的控制信號 自動完成測量過程 2 容積法 測量消耗一定容積的燃油Vt所經(jīng)歷的時間間隔t 用下式進(jìn)行計算 式中 Vt 所消耗的燃油容積 l t 所經(jīng)歷的時間間隔 s 按規(guī)定不小于30s 容積法燃油消耗測量儀原理 測量腔由A B C三個容器組成 A B C間以細(xì)管連接 連接管上標(biāo)有測量容積始末的刻度線A0 A0 A B B C C0 C0 測量時根據(jù)需要選擇A A B A B C作為測量容積 穩(wěn)壓腔作用 測量時盡管測量腔向柴油機(jī)供油 但壓力仍保持與正常運(yùn)轉(zhuǎn)時日用油箱的壓力相同 還起到安全保護(hù)作用 放氣旋塞適當(dāng)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓腔中的油面原始高度 使測量時當(dāng)測量腔中油面降到測量容積結(jié)束線以下時 穩(wěn)壓腔中油面高于連通管頂端 燃油通過連通管進(jìn)入測量腔 防止供油中斷而突然停車 測量步驟 1 準(zhǔn)備 三通閥置供油位置 正確選擇測量容積 保證最大負(fù)荷工況下燃油量能維持運(yùn)轉(zhuǎn)不少于30秒 測量前調(diào)節(jié)放氣旋塞 調(diào)整穩(wěn)壓腔的初始液面高度 使測量時消耗完測量容積的燃油后 穩(wěn)壓腔油面剛好上升到超過連通管頂端開口 進(jìn)入測量腔 2 充油 三通閥轉(zhuǎn)到充油位置 油箱供油同時也向測量腔充油 當(dāng)測量腔油面略高于A0 A0時 三通閥轉(zhuǎn)到供油位置 3 測量 三通閥轉(zhuǎn)到測量位置 液面達(dá)到選定測量容積的開始刻度 開始計時 降到結(jié)束線刻度時停止計時 三通閥轉(zhuǎn)到供油位置 容積法的測量誤差 1 選定容積的標(biāo)定 刻度以及由于容器材料溫度特性產(chǎn)生的測量誤差 2 秒表精度和人工操作時的測量誤差 3 三通閥密封問題 測量時油箱中燃油向柴油機(jī)漏泄產(chǎn)生誤差 4 燃油密度誤差 燃油密度隨燃油的成分 溫度而變化 比重計的測量誤差 誤差較大 需進(jìn)行修正 測定條件下可用密度計進(jìn)行現(xiàn)場測定 或按修正公式計算 測量工況下 溫度t 的燃油密度 燃油在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 20 的燃油密度 3 質(zhì)量流量計 測定液體的質(zhì)量流量 特點 測量精度高 響應(yīng)快 壓力損失小 測量精度不受被測液體的溫度 密度 粘度的影響 逐漸用于對液體流量作精密測量 已用于燃油消耗量的測量 原理 主管路1中液體流量為Q 齒輪泵的循環(huán)流量都為q 區(qū)間2中流體的主流量為Q q 區(qū)間3中流體的總流量為Q q 若忽略摩擦損失 這一流動用伯努力方程表示 流體密度 g 重力加速度p2 區(qū)間2中流體壓力 p3 區(qū)間3中流體壓力v2 區(qū)間2中流體流速 v3 區(qū)間3中流體流速區(qū)間2和區(qū)間3的壓差 管路1橫截面積A 壓差 管路1中的液體質(zhì)量流量 只要保證齒輪泵的循環(huán)流量恒定 用壓差計測出壓差 可求得質(zhì)量流量 第二節(jié)冷卻水和機(jī)油流量的測量柴油機(jī)冷卻水和機(jī)油流量的測量方法歸納為兩類 直接測量 容積法 重量法 和間接測量 目前常用的流量計多屬間接測量法 通過測量與流量有函數(shù)關(guān)系的物理量的變化而得到流量 一 機(jī)油消耗量的測量1 油標(biāo)尺法 柴油機(jī)油底殼裝有測量油底殼油位高度的游標(biāo)尺 實驗前測量滑油面高度 實驗結(jié)束后向油底殼內(nèi)加入已知量 重量 容積 滑油 使液面達(dá)到實驗前游標(biāo)尺所示的水平 可求出滑油消耗量 特點 方法簡單 方便 但誤差大 受船舶航行區(qū)域海況的影響較大 適用于 實船 2 重量法和容積法 分別測出柴油機(jī)試驗前 后滑油的重量或容積 并計算其差值得到 作法 保持冷卻水和機(jī)油溫度試驗前后一致 泄放機(jī)油并測量 計及已知的機(jī)油加入量 差值是消耗的油量 特點 較準(zhǔn)確 但操作復(fù)雜適用 柴油機(jī)臺架實驗二 潤滑油流量測量和容積式流量計 受流體粘度和流量大小的影響很小 測量精度高 量程較大 儀表前后直管段要求不高 安裝方便 常用于測量高粘度或變粘度液體的容積測量 但當(dāng)流體中含有固體物質(zhì)時 會妨礙儀表的正常運(yùn)轉(zhuǎn) 在柴油機(jī)試驗中 常用容積式流量計測量經(jīng)過濾器后的潤滑油流量 容積式流量計的基本原理都相同 測量腔類似一種標(biāo)準(zhǔn)容器 儀表內(nèi)部的運(yùn)動元件在入口和出口壓差的作用下動作 把充滿在運(yùn)動元件和殼體之間 測量腔 的流體排向出口 運(yùn)動元件與計算機(jī)構(gòu)連接 計數(shù)器的讀數(shù)與容積總量成比例 橢圓齒輪流量計殼體內(nèi)部是一對嚙合的橢圓齒輪 與蓋板構(gòu)成密封的月牙型空腔 作為流量的計量單位 兩齒輪交替相互驅(qū)動 每轉(zhuǎn)1周 空腔中排出4份液體 計算單位時間的齒輪轉(zhuǎn)數(shù) 即知流量 容積式流量計的選用和安裝 容積式流量計用精密測量體積的辦法來測定流量 運(yùn)動元件與殼體之間存在的間隙和測量腔的加工誤差 造成漏泄 產(chǎn)生測量誤差 容積式流量計不宜測量小流量和大流量 應(yīng)根據(jù)要求選則適當(dāng)量程 小流量時漏泄相對嚴(yán)重 誤差較大 大流量時 加速元件磨損 壓力損失增加而使間隙漏泄增加 為防止滑油混入氣泡 在流量計前安裝氣體分離器 三 冷卻水流量測量方法冷卻水流量除了可用重量法和容積法外 可用渦輪流量計測量 渦輪流量計 是一種速度式流量儀表 利用在被測流體中自由旋轉(zhuǎn)的葉輪的轉(zhuǎn)速與管路中流體的流速成正比的原理將流量轉(zhuǎn)換為葉輪轉(zhuǎn)速測量 r 葉輪平均半徑S 葉柵有效流通面積 渦輪葉片與渦輪軸線夾角n 渦輪轉(zhuǎn)速 特點 精度高 反應(yīng)快 耐壓好 量程寬特點 用來測量瞬時脈動流量或總量 由于對被測介質(zhì)的潔凈度要求高 受粘度影響大 常用測量冷卻水流量 渦輪流量計使用時應(yīng)正確安裝 連接流量計的上游段直管長度應(yīng)不小于15D 下游段直管長度不小于5D 才能消除測量管道內(nèi)的渦流或旋流 以保證渦輪流量計流量系數(shù)為常數(shù) 使流量計在線性區(qū)運(yùn)行 第三節(jié)空氣流量的測量通常用節(jié)流壓差法來測量 即在流體通道中安裝節(jié)流裝置以形成壓差來測量 節(jié)流式流量計特點 結(jié)構(gòu)簡單 測量精確 使用壽命長 適用性廣 積累的試驗數(shù)據(jù)豐富可靠 安裝要求較嚴(yán)格 上下游需要足夠的直管段長度 測量范圍窄 量程比 可測最大流量與最小流量之比 一般為3 壓力損失大 增加能量消耗 刻度非線性 測量進(jìn)氣流量時 柴油機(jī)與流量計之間要裝一個穩(wěn)壓箱 不低于1個氣缸容積200倍 穩(wěn)壓箱一端裝橡皮膜 抑制氣流的脈動 目前常用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計和雙紐線流量計 1 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計是國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置 由標(biāo)準(zhǔn)孔板 取壓裝置 測量管等組成 測量原理 標(biāo)準(zhǔn)孔板的中心為圓孔 安裝于流體的管道中 中心線完全重合 圓孔直徑小于管道直徑 流束流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)孔板圓孔時 流通截面積收縮 流速增加 靜壓力減少 孔板前后形成壓差 其大小取決于流速 只要測出壓差 可算出平均流速 最后算出流量 試驗指出 流量愈大 平均流速也愈大 通過節(jié)流元件時靜壓力降低也愈顯著 標(biāo)準(zhǔn)孔板的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)孔板的結(jié)構(gòu)設(shè)計 加工制造 安裝使用 流量計算實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化 稱為標(biāo)準(zhǔn)孔板 中間帶有圓孔的薄圓盤 開口中心和管道中心重合 孔板開口在流束進(jìn)入一側(cè)制成圓柱形 流束排出一側(cè)制成圓錐形 2 雙紐線流量計 屬于節(jié)流式流量計 進(jìn)口部分輪廓為雙紐線 出口部分為圓柱形直管 流場均勻 流量系數(shù)大 壓力損失小 結(jié)構(gòu)簡單 制造容易 特別是測量增壓柴油機(jī)空氣流量時 由于標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計的壓力損失較大 會影響增壓器正常工作 采用雙紐線流量計 二 空氣流量的測量誤差1 進(jìn)氣脈動產(chǎn)生的誤差 進(jìn)氣脈動使得節(jié)流元件前后壓差的平均值與平均流量隨脈動振幅大小而變化 按基本流量方程求得的流量值偏大 為抑制氣流脈動 在穩(wěn)壓箱一端裝橡皮膜 2 節(jié)流裝置產(chǎn)生的誤差3 空氣測量系統(tǒng)的漏泄誤差 測量系統(tǒng)各接頭和焊縫處不應(yīng)有漏泄 須進(jìn)行漏泄試驗 測定出實際漏泄量 節(jié)流式流量計可用來測量廢氣流量 由于廢氣溫度高且變化大 含有水蒸汽 先除濕降溫至10 左右 再導(dǎo)入流量計測量