流量计之量测原理应用.docx

1、流量计之量测原理应用實驗二 流體流動Fluid Flow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(Area meter)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(V

2、enturi flow meter)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(Bernoulli equation)，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)

3、根據質量流量守恆u1 A1 u2 A2 (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)：流體密度(kg/m3)定義噴喉直徑(D2)與管內徑(D1)之比值為，即，則u1 = u2 2 (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 = (m)gh (10)其中 h：壓差計讀數高度差 (m)m： 差壓計填充液的密度 (kg/m3)：流體密度 (kg/m3)式(9)簡化為 (11)(3)孔口流量計(Orifice flow

4、meter)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(vena contracta , 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(Pressure drop)，壓力落差的平方根與流體的流量成正比。圖4 孔口板管線

5、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Re20,000時，C0約為0.61；當Re20,000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(Skin friction loss)，可由式(15)計算得之： (15)D：管徑 (m)f：泛寧摩擦因數(fannings friction faction)L：管

6、長 (m) (16)合併(10)、(15)、(16)式 (17)上式中m、D、L及黏度皆可由實驗測得。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(Equivalent Length)，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(En

7、largement Loss)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(Enlargement Loss Coefficient) 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(Contraction Loss)，可由式(22)計算： (22)其中 lwc：因管流縮小之能量損耗(kgf-m

8、/kg)u2：流體在較小管中之平均速度(m/sec)Kc：縮小損耗係數(Enlargement Loss Coefficient)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/A100.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0Kc0.500.470.430.380.340.300.260.210.160.090三、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。

9、浮子流量計校正浮子流量計出廠是以20的水或20、0.1 MPa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 (by pass)、V10固定45，V4V9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(1050 L/min)，由小而大，在V12量取固定時間( 2060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V5V9、V12，水差壓計歸零。2.調整流量10 L/min，開90 肘管活栓。3.當系統壓力穩定時，

10、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(2050 L/min)，重覆上述步驟，關閉上90 肘管活栓。直管(1管)1.調整流量10 L/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(2050 L/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10 L/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(2050 L/min)，重覆上述步驟，關閉T型管活栓。突縮管1.調整流量10 L/min，開啟突縮管活栓。2.當系統壓力穩定時，記錄差壓計讀數

11、，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(2050 L/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10 L/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(2050 L/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10 L/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(2050 L/min)，重覆上述步驟，關閉球閥活栓。逆止閥1.調整流量10 L/min，開啟差壓計逆

12、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(2050 L/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5 L/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10 L/min，重覆上述步驟，關閉針閥活栓。閘閥1.調整流量10 L/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(2050 L/min)，重覆上述步驟，關閉閘閥活栓。球型閥1.調整流量10 L/mi

13、n，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(2050 L/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10 L/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(2050 L/min)，重覆上述步驟，關閉文氏計活栓。孔口流量計1.調整流量10 L/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

14、量(2050 L/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H2O = 1000 kg/m3空氣密度air = 1.2 kg/m3流體粘度H2O = 110-3 kg/m.sb.Hg差壓封閉液之密度Hg = 1.36104 kg/m3H2O差壓封閉液之密

15、度H2O = 1.00103 kg/m3c.管內徑：(1)0.028 m突擴 1/2(0.016 m)1 (0.028 m)突縮 1 (0.028 m) 1/2(0.016 m)d.孔口流量計之孔口內徑(擴散 45)：0.014 me.文氏流量計之噴喉內徑(前縮25，後擴7)：0.009 mf.水平直管之長度：1 m表2 浮子流量計校正表流量計讀數(L/min)01020304050實驗次數123123123123123時間(sec)6060403020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

16、)(mm)102030405090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510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log Re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log Re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log Re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)

17、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)Re2Cv or Co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)Re2Ke or Kclwe or lwc(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)Ref(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)Ref查圖Leq實

18、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10 L/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？