流量计之量测原理应用.docx
《流量计之量测原理应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《流量计之量测原理应用.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
流量计之量测原理应用
實驗二流體流動
FluidFlow
一、實驗目的
1.學習浮子流量計之使用及校正，並瞭解其原理。
2.學習孔口流量計、文氏流量計原理，研討孔口係數與雷諾數之關係。
3.測定流體流經圓管之摩擦損失，探討摩擦係數與雷諾數之關係。
4.測定流體流經閥件之摩擦損失，瞭解相當管長（Le）之物理意義。
二、原理
（1）浮子流量計（Rotameter）
浮子流量計，為面積流量計（Areameter）的一種。
液體自底部帶動浮子，由頂部流出，觀測浮子位置即可直接測出流量，一般讀取截面積最大處紀錄。
管上刻度通常只有水與空氣的標示，用於其他流體需校正之。
圖1浮子流量計各種浮標流量讀取點
（2）文氏流量計（Venturiflowmeter）
文氏流量計亦稱細腰流量計，係由中間縮小又放大的細腰管與差壓計所組成，細腰管最小截面積處稱為噴喉（throat）。
其縮小與放大有一定範圍，以避免突然縮小及放大時的摩擦損耗。
又其構造特殊，製造複雜，價格昂貴，使用上不普遍。
圖2文氏流量計
根據白努利方程式（Bernoulliequation），如式
（1）；當為水平管時，z2=z1=0，化簡為式
（2），
（SI）
（English）
（1）
（2）
其中lwf：
摩擦損失（J/kg）
P：
壓力（下標1,2表位置）（Pa，N/m2）
u：
流速（m/s）
z：
流體高度（下標1,2表位置）（m）
設
（3）
則
（4）
根據質量流量守恆
u1ρA1＝u2ρA2（5）
u1=u2（A2/A1）（6）
其中A1：
點1處截面積（m2）
A2：
細腰管喉口截面積（m2）
ρ：
流體密度（kg/m3）
定義噴喉直徑（D2）與管內徑（D1）之比值為β，即
，則
u1=u2β2（7）
式（7）帶入式（4），
（8）
設
，Cv為一修正常數，則
（9）
差壓計測量兩點間之壓降（-∆P）可由差壓計讀出，其關係如式（10）：
-∆P=P1-P2=（ρm－ρ）g∆h（10）
其中∆h：
壓差計讀數高度差（m）
ρm：
差壓計填充液的密度（kg/m3）
ρ：
流體密度（kg/m3）
式（9）簡化為
（11）
（3）孔口流量計（Orificeflowmeter）
孔口流量計或稱小孔計，結構上為一差壓式流量計，主要部分為平板上之小孔，其構造及按裝最為簡單，因此是最普遍被採用的流量計。
流體流經孔口計時有收縮現象，面積最小處（點2）一般距孔口板（點0）下流約一倍或兩倍管徑，此點稱為束縮面積（venacontracta,A2），位於壓力計接口正上方。
圖3孔口流量計構造
孔口流量計壓差的產生，係流體流經孔口時，流經截面突然縮小，壓力值突然降低，之後通過的截面積又回復到原來大小，同時壓力漸漸回升，但已無法完全恢復到原來的壓力值，如圖3所示，流體流經孔口會有壓力落差（Pressuredrop），壓力落差的平方根與流體的流量成正比。
圖4孔口板管線靜壓分佈圖
點1至點2之流動頗似文氏計，一般而言，束縮面積不易測定，該處之流體速度亦不易計算。
孔口流速（u0）可由u0代替u2，其誤差以放洩常數C0替代Cv，另定義孔口口徑（D0）對管內徑的比值
，則式（4）改寫成
（12）
故得
（13）
（14）
由實驗知，放洩係數C0與雷諾數有關，當Re＞20,000時，C0約為0.61；當Re＜20,000時，C0則必須由實驗決定。
（4）水平直管的摩擦損失
不可壓縮流體在一直圓管內流動時的表面摩擦損失（Skinfrictionloss），可由式（15）計算得之：
（15）
D：
管徑（m）
f：
泛寧摩擦因數（fanning'sfrictionfaction）
L：
管長（m）
（16）
合併（10）、（15）、（16）式
（17）
上式中ρm、ρ、D、L及黏度μ皆可由實驗測得。
由式（16）得：
（18）
（5）閥附件的摩擦損失
流體流經管件的摩擦損失為：
（19）
式中Leq為管閥件之相當管長（EquivalentLength），表此管閥件之摩擦阻力約當於多長直管長度所造成之摩擦阻力，理論值可由相關書籍查得，代入（15）式可得管閥件之摩擦損失，總管長（L）應為該系統直管長度及文獻上管/閥件相當管長的總和。
（6）擴大及縮小之摩擦損失
擴大及縮小摩擦損失如式（20）與式（22）或可由式（19）以相當管長求出。
圖5管截面突然擴大
圖6管截面突然縮小
擴大：
管流之擴大損耗（EnlargementLoss）隨擴大之方式而異，如管流逐漸擴大，則流體所受動力損耗甚微。
若管流突然擴大，則流體發生渦旋現象，流體之損耗能量頗大，此擴大損耗可由式（20）計算：
（20）
（21）
其中A1、A2
：
較小管與較大管之截面積（m2）
Ke
：
擴大損耗係數（EnlargementLossCoefficient）
lwe
：
因管流擴大之能量損耗（kgf-m/kg）
u1
：
流體在較小管中之平均速度（m/sec）
縮小：
若管流突然縮小，亦足以發生旋渦現象，此種機械能之損耗乃所謂縮小損耗（ContractionLoss），可由式（22）計算：
（22）
其中lwc
：
因管流縮小之能量損耗（kgf-m/kg）
u2
：
流體在較小管中之平均速度（m/sec）
Kc
：
縮小損耗係數（EnlargementLossCoefficient）
A1為較大管截面積，A2為較小管截面積，而縮小損耗係數與面積比A2/A1之關係如表1，可由A2/A1內差求出Kc。
表1管流縮小之損失係數
A2/A1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Kc
0.50
0.47
0.43
0.38
0.34
0.30
0.26
0.21
0.16
0.09
0
三、實驗裝置
請以色筆標示流體流向。
圖6流體流動裝置圖
四、實驗步驟
關閉洩水閥V1，儲水槽裝水至八分滿，啟動電源與水泵，校正浮子流量計，排除系統中空氣後，將水差壓計通大氣歸零。
浮子流量計校正
浮子流量計出廠是以20℃的水或20℃、0.1MPa的空氣做流量標定，並將流量值刻在玻璃管上。
當操作條件與標定條件不同時，應予以校正。
1.V2、V12全開，V3（bypass）、V10固定45°，V4~V9關閉，水由V12以水桶盛取。
2.利用碼錶與水桶，調整浮子的流量（10~50L/min），由小而大，在V12量取固定時間（20～60秒）收集之體積，收集時間愈長，誤差愈小。
3.記錄體積於表2，每一浮子位置做3次取平均，繪製流量校正曲線。
90肘管
1.V3、V10固定45°，開啟V4，關V5~V9、V12，水差壓計歸零。
2.調整流量10L/min，開90肘管活栓。
3.當系統壓力穩定時，記錄差壓計讀數於表3。
4.水差壓計重新通大氣歸零。
5.改變流量（20~50L/min），重覆上述步驟，關閉上90肘管活栓。
直管（1"管）
1.調整流量10L/min，開直管活栓。
2.當系統壓力穩定時，記錄差壓計讀數後，水差壓計重新通大氣歸零。
3.改變流量（20~50L/min），重覆上述步驟，關閉上直管活栓。
T型管
1.開V5，關V4，調整流量10L/min，開啟T型管活栓。
2.當系統壓力穩定時，記錄差壓計讀數後，將水差壓計重新通大氣歸零。
3.改變流量（20~50L/min），重覆上述步驟，關閉T型管活栓。
突縮管
1.調整流量10L/min，開啟突縮管活栓。
2.當系統壓力穩定時，記錄差壓計讀數，當壓力太大時，以汞差壓計量測壓力，並扣除系統內壓。
3.將水/汞差壓計重新通大氣歸零。
4.改變流量（20~50L/min），重覆上述步驟，關閉突縮管活栓。
突擴管
1.開V6，關V5，調整流量10L/min，開啟突擴管活栓。
2.當系統壓力穩定時，記錄差壓計讀數後，將水差壓計重新通大氣歸零。
3.改變流量（20~50L/min），重覆上述步驟，關閉突擴管活栓。
球閥
1.開V7，關V6，調整流量10L/min，開啟球閥活栓。
2.當系統壓力穩定時，記錄差壓計讀數後，將水差壓計重新通大氣歸零。
3.改變流量（20~50L/min），重覆上述步驟，關閉球閥活栓。
逆止閥
1.調整流量10L/min，開啟差壓計逆止閥活栓。
2.當系統壓力穩定時，記錄差壓計讀數後，將水差壓計重新通大氣歸零。
3.改變流量（20~50L/min），重覆上述步驟，關閉逆止閥活栓。
針閥
1.開V8，關V7、V11，調整流量5L/min。
2.將汞差壓計通大氣歸零，之後需扣除系統內壓。
3.開啟針閥活栓，當系統壓力穩定時，記錄汞差壓計讀數後，汞差壓計重新通大氣歸零。
4.改變流量10L/min，重覆上述步驟，關閉針閥活栓。
閘閥
1.調整流量10L/min，開V11及閘閥活栓。
2.當系統壓力穩定時，記錄差壓計讀數。
將水差壓計重新通大氣歸零。
3.改變流量（20~50L/min），重覆上述步驟，關閉閘閥活栓。
球型閥
1.調整流量10L/min，開V11及球型閥活栓。
2.當系統壓力穩定時，記錄差壓計讀數。
將水差壓計重新通大氣歸零。
3.改變流量（20~50L/min），重覆上述步驟，關閉計球型閥活栓。
文氏計
1.開V9，關V8，調整流量10L/min，開啟文氏計活栓。
2.當系統壓力穩定時，記錄差壓計讀數，當壓力太大時，以汞差壓計量測壓力，並扣除系統內壓。
3.將水/汞差壓計重新通大氣歸零。
4.改變流量（20~50L/min），重覆上述步驟，關閉文氏計活栓。
孔口流量計
1.調整流量10L/min，開孔口計活栓。
2.當系統壓力穩定時，記錄差壓計讀數，當壓力太大時，以汞差壓計量測壓力，並扣除系統內壓。
將水/汞差壓計重新通大氣歸零。
3.改變流量（20~50L/min），重覆上述步驟，關閉孔口流量計活栓。
4.關閉幫浦及總電源後，將槽內的水由閥V1排掉。
五、注意事項
1.流體循環經相當時間後，流體溫度會上升，造成泵效率降低，須加入冷水降低水溫，同時保持儲水槽之液位。
2.實驗前須先除去管路中所有的空氣，先以小流量流通所有的大小管，同時打開所流經活栓板上閥件通路，逐一趕掉管中之空氣。
3.實驗中隨時保持地板乾燥。
六、實驗結果
（1）數據紀錄：
a.流體密度ρH2O=1000kg/m3
空氣密度ρair=1.2kg/m3
流體粘度μH2O=1×10-3kg/m.s
b.Hg差壓封閉液之密度ρHg=1.36×104kg/m3
H2O差壓封閉液之密度ρH2O=1.00×103kg/m3
c.管內徑：
（1"）0.028m
突擴1/2"（0.016m）→1"（0.028m）
突縮1"（0.028m）→1/2"（0.016m）
d.孔口流量計之孔口內徑（擴散45°）：
0.014m
e.文氏流量計之噴喉內徑（前縮25°，後擴7°）：
0.009m
f.水平直管之長度：
1m
表2浮子流量計校正表
流量計讀數（L/min）
0
10
20
30
40
50
實驗次數
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
時間（sec）
60
60
40
30
20
體積（L）
0
平均體積（L）
0
平均流率（L/min）
0
線性回歸方程式
校正流率（L/min）
表3管閥件之流量壓差表
流量計讀數
∆h壓差（L/min）
（mm）
10
20
30
40
50
90°肘管
直管（1”管）
T型管
突縮管
突擴管
球閥
逆止閥
閘閥
球型閥
文氏計
孔口計
針閥
流量計讀數
5
10
壓差（mm）
※使用汞壓差計測量者需註記Hg
（2）結果整理
1.做圖求出浮子流量計校正後之線性回歸方程式。
（需含原點校正）
2.計算各管閥件不同流量下的各項數值，參考表4管閥件計算總表。
3.以流量係數C（C0,Cv）對logRe作圖。
（孔口計、文氏計）
4.管件：
直管、90°肘管、T型管，以Leq（相當管長）對logRe合併作圖，並說明討論。
5.閥件：
球閥、逆止閥、針閥、閘閥、球型閥，以Leq對logRe合併作圖，並說明討論。
6.將Leq實驗值與經驗數據（查圖）比較討論。
（3）誤差分析
表4管閥件之計算總表
文氏計、孔口計
流量計讀數
（L/min）
校正流率（L/min）
差壓（N/m2）
u1
（m/s）
u2
（m/s）
β
Re2
CvorCo
突縮管、突擴管
流量計讀數
（L/min）
校正流率（L/min）
差壓（N/m2）
u1
（m/s）
u2
（m/s）
Re2
KeorKc
lweorlwc
（Nm/kg）
直管
流量計讀數
（L/min）
校正流率（L/min）
差壓（N/m2）
lwf
（Nm/kg）
u
（m/s）
Re
f
（查圖）
L
實驗值
90°肘管、T型管、球閥、逆止閥、針閥、閘閥、球型閥
流量計讀數
（L/min）
校正流率（L/min）
差壓（N/m2）
lwf
（Nm/kg）
u
（m/s）
Re
f
查圖
Leq
實驗值
Leq
理論值
（查表）
七、討論
1.列舉3種常用流體流量計，說明其應用原理。
2.說明本實驗中為何需校正浮子流量計的流量?
3.流量計浮子讀取點該如何取決，請列舉不同浮子形狀下之讀取點。
4.試由式
（1）推導出式（14）。
5.如何分辨何時該用水柱差壓計，何時該用汞差壓計?
6.為何差壓計讀數會持續跳動，無法穩定讀取?
7.說明針閥適用情況，為何針閥只做流量5與10L/min測量壓差?
8.比較球閥、針閥、閘閥、球型閥四個閥件構造上的差異與用途。
9.V3、V10、V11、V12閥件之功能為何?
10.手繪圖示說明水差壓計之校正步驟程序。
11.說明儲水槽內擋板功能為何？
12.分別討論為何V3、V10需固定45°？
13.討論V10閥開度大小與差壓讀數有何相關？
14.比較孔口計與文氏計之優缺點。
15.摩擦損失的產生可能有哪些因素造成？
升级会员 