流量测量

流量测量

气体或液体的流量测量是出于多种考量的,当然包括作为合约之一的商业考量和不同的生产过程因素。流量或体积流量 (体积/时间)可以通过测量的压力值来记录。

体积流量的测量方法多种多样。除了超声波流量传感器 ,还包括磁感应传感器和根据不同压力方法工作的传感器,其中包括孔板,文丘里喷嘴和普朗特毕托管。当对测量值进行评估时,伯努利方程适用于运用压差法的所有传感器:

Q = V/t = VmA

Q = 体积流量
Vm = 平均速度
t = 时间
A = 面积
V = 体积

Image 1: Orifice plate

现在我们将以孔板来测量体积流量为例。通过将孔板固定在管道上,造成管道局部收紧。当流量一致时,孔板前后压力不变。

p1 + ½ ρv12=p2+ ½ ρv22

p = 压力
ρ = 密度
v = 速度

这个设想是建立在连续性方程的基础上的,它表明管道内液体的质量不会增多也不会减少。

v1A1 = v2A2

v = 速度

A = 面积

Image 2: 流量测量

然而现实状况下,摩擦力的发生导致压强下降:

p + ½ ρv2 + wR = constant

p = 压力
ρ = 密度
v = 速度
wR = 体积摩擦力

Image 3: 压降  

这个压降对于确定体积流量很重要。然而,摩擦效应本身取决于很多因素。基于此,我们使用了一个经验公式,它反过来又依赖于经验值:

Q = 4000 αεd2√∆p/ρ

Q = 体积流量
α = 经验流量系数
ε = 膨胀系数 
d = 内孔直径
∆p = 压差
ρ = 密度

为了让用户更容易接受这个公式,测量系统和测量介质的所有常数都可以被概括为常数c。例如:

Q = c √∆p

压力测量:压缩介质 vs.  不可压缩介质

压力测量:压缩介质 vs. 不可压缩介质

在测量压力时要考虑很多因素。其中当然包含介质的实际属性。

其中最基本的区别在于介质是可压缩还是不可压缩性。可压缩性介质是一种密度和体积都与压力有关的物质,如气体。而不可压缩介质,无论压力大小,体积恒定,诸如液体。然而,应该注意的是,不可压缩性是一种理想状态,在现实中是不存在的。然而,水或液压油之类的液体在实践中被称为不可压缩介质,因为采用第一近似它们是不可压缩的。假设在正常条件下,管道内的水是不可压缩的,因为这极大地简化了运算,任何产生的误差都可以忽略不计。

我们以体积流量的计算为例。因为液体是不可压缩的,即它们的密度不变,如果体积恒定时(和由此带来的压力变化),断面流速扩大或缩小,就可适用以下公式:

Q = A1 •v1 = A2 •v2

由于气体的可压缩性则不适用于此公式。

由此可推测:静力学和动力学之间的差异在这里也很重要。静力学表示力的平衡。在这种情况下,由于压力差的均衡,不会出现流动现象。

而动力学则是完全不同的。在本例中,我们区分不同类型的流动现象。

摩擦也起着重要的作用。这里会发现外部摩擦和内部摩擦之间的区别。前者指的是流体和触面之间的摩擦(比如流体流动的管道内壁).在层流中会发生内部摩擦,例如,单层流体之间的摩擦。作用于流体的摩擦力取决各种参数,需要复杂的计算。这些参数包括内壁的粗糙度,流速,密度和粘度。后者也依赖于温度,这就进一步复杂了最终的计算。

现在回到静力学和动力学的区别。当我们试图建立重力压力时我们谈到了静态压力测量(也称为静水压力)。这指的是在万有引力作用下流体产生的压力。例如,测量静水压力用以检测罐体内的液位。在这里,可压缩介质和不可压缩介质的区别是很重要的,因为水的静水压力的计算比可压缩气体要容易得多。

不可压缩介质的质量等于它的密度乘以它的体积,也等于密度乘以面积,乘以高。对于计算静水压力,我们使用:

p = F/A = ρAhg/A = ρgh

p = 压力
F =力
A = 面积
ρ = 密度
h = 高
g = 重力

这个公式里的压力和介质深度程正比例。容器的形状或横截面积在这里不起任何作用。因此,静水压力与容器内的体积无关,而是与填充高度有关。这种现象也被称为流体静压佯谬。

您可以在这里阅读 更多基于压阻应用基础上的罐体内的流体填充液位监测。

静压用于测量液位时,需要动态压力来测量体积流量或流量。

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