CN1247997C - 一种测量极低流体流速的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种测量容器或管道内测点流体流速的方法和装置。本发明的方法是利用毕托管作为测点总压强和静压强的探测装置，利用刻度测压双管作为压差的测量装置，利用读数显微镜作为测压管内水头的读取装置。测量的精度，对于液体可至0.01m/s以下，对于气体可至0.1m/s以下。本发明的装置中包括一个毕托管，一个刻度测压双管系统和一个显微读数系统。

Description

一种测量极低流体流速的方法和装置

一、技术领域

本发明公开了一种测量流体流速的方法和装置，特别涉及一种测量下限可至0.01m/s的方法和装置。

二、技术背景

在科学研究和在工程应用中，有时需要测量反应容器或管道中某一测点的流体(液体或气体)流速。比较经典的方法主要是皮托管法。用皮托管测速和确定流量有严密的理论依据，构造简单，使用方便，是一种成熟、可靠、使用方便的测量方法。皮托管一般由两根同轴或平行焊接的管组成。其中一根管的末端为半球形，球形的顶端有一小孔，此管用来显示测点流体的总压强。另一根管的管壁上开设数个小孔，此管用来显示测点流体的静压强。通过测量总压强和静压强的差，就可以依据流体力学中的能量守恒方程计算流体的流速。但目前常见的测压装置多因为量程下限的限制，难以测量微小的压差。因此，当流速很小时，例如当水的流速小于0.2m/s时，几乎就无法测量。本发明提出一种利用皮托管原理和显微读数原理的测点流速测量方法，可使流速测量的下限和测量精度扩展到0.01m/s以下。(参考文献：《工程流体力学》，莫乃榕主编，华中理工大学出版社，2000年)

三、发明内容

本发明的方法如下：

以皮托管作为测点总压强和静压强的探测装置，以铅垂放置的刻度测压双管作为压强的测量装置，以读数显微镜作为精确读取测压管水头的装置。读数显微镜安装在带万向导轨系统和水平仪的底座上，以保证测量和显微镜对焦的精确度，并使操作简便。测量时，将皮托管的探测段放置在测点处，并使皮托管的全压孔正对流线的方向。刻度测压双管中的测量介质可以选用不影响被测量流体的液体或者与被测量流体相同，如水、水银、各种油等。将皮托管与刻度测压双管相连接，测压管须保持铅垂。当压差不要求精确至毫米液柱以下时，可以直接利用测压双管上的刻度读取压差。当要求的精确度更高时或者当流速极低时，则利用读数显微镜读取双管的液位差。根据待测量流体的具体情况可以选择不同型号的皮托管。可供选择的皮托管一般有四种：标准型、背靠型、防堵型和笛型。标准型皮托管用于悬浮物含量较低的流体流速的测量，背靠型和防堵型皮托管都是用在悬浮物含量较高的流体流速的测量，笛型皮托管主要是用来测量一定距离内的平均流速。测点的流速用下列公式计算：式中，ν为测点流速，m/s；ρ₁为被测量流体的密度，kg/m³；ρ₂为测压管中测量介质的密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；h为刻度测压双管的水头差，m。

本方法的主要优点是可以测量测点的流速，测量精度高、测量的下限低，并且安装和操作简便。对于水而言，测量的精度和下限可以小于0.01m/s。另外，本方法所需装置的造价也较低。

本发明的装置如下：

如附图所示，由皮托管1、刻度测压双管5、读数显微镜4和读数显微镜安装平台3组成。双刻度测压管的测量部分平行安装在支架8上，支架8带铅垂调节系统，以保证测压管与水平面垂直。刻度测压双管5为固定在一起的两根平行的玻璃管，玻璃管的的内径推荐为0.5～1.5cm，其上刻度精确至毫米。读数显微镜的安装平台3具备水平调节系统和导轨系统。水平调节系统的作用是保证读数显微镜的安装平面与水平面平行。导轨的作用是使读数显微镜可以在三维方向平动，以便于测量和显微镜对焦。根据实际情况，也可以将导轨系统设计为仅可在水平面内作二维平动或转动，或者进一步简化为仅可以在水平面内沿一维方向移动。根据实际需要可选择不同精度的读数显微镜，常见的读数显微镜的读数精度为0.0025mm。

本发明装置的使用方法如下：

(1)将皮托管的探测端6安放在测点位置，使皮托管的全压孔正对测点处的流线方向。

(2)用软管2将皮托管的测压端口7分别与刻度双管5下端连接。

(3)调节刻度支架8，使刻度双管5的测量部分垂直于水平面。

(4)调节安装平台3上的水平调节系统，使读数显微镜4的安装平面平行于水平面。

(5)如果对水头差的测量精度达到毫米级即可满足需要时，直接从刻度双管上读出两测压管的水头差。

(6)如果对水头差的测量精度要求达到毫米级以下，则按照以下步骤：

i.当水头差大于1mm时，先利用测压管上的刻度读出每一测压管内的水头至整数毫米，再用读数显微镜读出不足1毫米的部分，即可计算两管内的水头差。

ii.当水头差小于1mm时，先将读数显微镜与一个测压管内的弯月形液面对焦，并使读数显微镜内的读数叉丝与弯月面相切。然后将读数显微镜在水平面内平动并与另一测压管内的弯月形液面对焦，移动读数显微镜内的读数叉丝与该测压管内的弯月形液面相切，记录叉丝移动的距离，即为两测压管的水头差。

(7)根据公式(1)计算测点的流速。

实施例

测量气升式反应器内的流速分布，反应器内的流体为水。结合附图说明如下：

由于被测量的介质为悬浮物浓度较低的水，因此选用标准型的皮托管作为总水头和静水头的探测装置。读数显微镜的安装平台具万向导轨系统，可使读数显微镜在三维方向平动。读数显微镜的读数精度为0.0025mm。本例中流速小于0.1m/s。结合附图说明如下：

(1)将皮托管的探测端6安放在测点位置，使皮托管的全压孔正对测点处的流线方向。

(2)用软管2将皮托管的测压端口7分别与刻度双管5下端连接。

(3)操作刻度支架8，使刻度双管5的测量部分垂直于水平面。

(4)操作安装平台3上的水平调节系统，使读数显微镜4的安装平面平行于水平面。

(5)操作安装平台3上的万向导轨系统和读数显微镜4的对焦系统，使读数显微镜与一个测压管内的弯月形液面对焦，并使读数显微镜内的读数叉丝与其弯月面相切。

(6)操作安装平台上的万向导轨系统仅允许读数显微镜在水平面内平动，并操作读数显微镜4的对焦系统，使读数显微镜与另一测压管内的弯月形液面对焦。

(7)移动读数显微镜内的叉丝使其与弯月形液面相切，记录叉丝移动的距离，即为两测压管的水头差。

(8)根据公式(1)计算测点的流速。

(9)移动皮托管1使其探测端至另一待测点，重复上述(1)～(8)的步骤测定测点流速。

Claims (4)

1.一种测量容器或管道内流速的方法，测量液体流速的下限至0.01m/s以下，测量气体流速的下限至0.1m/s以下，其特征在于：

——采用皮托管的原理探测测点总压强和静压强，

——用两支装有用于测压的流体介质的竖直放置的带刻度的测压管，分别显示皮托管探测的总压强水头和静压强水头，

——采用读数显微镜法，使得对测压管内的用于测压的流体介质的水头高度的测量精度不低于0.001mm，

——根据下式计算测点流体速度

$v=\sqrt{\frac{{2\mathrm{\ρ}}_2\mathrm{gh}}{{\mathrm{\ρ}}_1}},$ 式中v为测点流速，单位：m/s；ρ₁为被测流体密度，单位：kg/m³；ρ₂为测压管中测量介质的密度，单位：kg/m³；g为重力加速度，单位：m/s²；h为两个测压双管内的水头差，单位：m。

2.一种测量容器或管道内极低流速的装置，其特征在于：包括刻度测压双管、皮托管和显微读数系统，

——测压双管由并列的两个透明的具刻度管组成，竖直固定在支架上并保持铅垂，管内装载用于测量的流体介质，

——用管道将皮托管的两个测压端口分别与两个测压管的下端相连，

——显微读数系统由读数显微镜和带有水平仪的万向导轨平台组成，读数显微镜安装在万向导轨平台上，可由万向导轨系统带动在三维方向平移，借助水平仪的指示并操作万向导轨使读数显微镜的物镜的光学轴线与水平面平行，

——测量时，皮托管的探测端口伸入待测容器或管道的测点处，并使全压孔正对流线的方向，

——利用读数显微镜分别读取两个测压管内的流体介质的水头，二者的差即为皮托管总压强与静压强的差，

——根据下式计算测点流体速度：

$v=\sqrt{\frac{2{\mathrm{\ρ}}_2\mathrm{gh}}{{\mathrm{\ρ}}_1}},$ 式中v为测点流速，单位：m/s；ρ₁为被测流体密度，单位：kg/m³；ρ₂为测压管中测量介质的密度，单位：kg/m³；g为重力加速度，单位：m/s²；h为测压双管内的水头差，单位：m。

3.如权利要求2所说的测量容器或管道内极低流速的装置，其特征在于：可以根据待测流体的性质，选择标准型、背靠型、防堵型和笛型皮托管。

4.如权利要求2所说的测量容器或管道内极低流速的装置，其特征在于：读数显微镜仅在水平面内沿一维方向移动，或者在水平面内沿二维方向平动或转动。

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