測量流速之常見裝置

2008/4/9 1

Measuring Flow Velocity

Bio-fluid Mechanics

4/9/2008

2008/4/9 2

I. Use Dynamic Pressure (Bernoulli’s Principle)

2008/4/9 3

Venturi flow meter (柯誠文)

參考資料：中興大學化工系實驗手冊 濟南大學流體教學電子檔

一元流體靜力學 伯努力方程應用 中興大學圖書館流體相關藏書

2008/4/9 4

測量流速之常見裝置

(1) Pitot tube (皮托管)

(2) 孔口流量計(Orifice meter)

(3) 文氏流量計(Venturi flow meter)

2008/4/9 5

Bernoulli e.q.

三壓頭點

幾何壓頭項：位置高度

動 壓 頭項 ：動能產生之流體柱高度

靜 壓 頭項 ：壓力勢產生之流體柱高度 2 .

2

const p g Z+u + =

γ

Z hz

:

g h_d u

:2

2

γ h_p

:

p

. const h

h

h

_z

+

_d

+

_p

=

2008/4/9 6

Venturi flow meter

2008/4/9

（式二）

7

又

（式一）

以中心線為基準面 方程式：

由

...

) (

4 4

...

2 2 2

2 2

z 2 2

2 2 2

1 2 2 1

2 2 2 2 1 1

2 2 1

1 1 2 2 2

2 1 2 2 2 1

2 1 2 2 2 1

2 1

2 2 2 2 2 1 1 1

d v v d v

d v d v

p g p v v

v v p p

g h v g v p p

z g v z p

g v z p

Bernoulli

c

β π π

α ρ α

ρ ρ

γ γ

γ γ

=

=

=>

×

=

×

⎥ ⎦

⎢ ⎤

⎣

= ⎡ −

−

=>

−

=

−

=>

Δ

=

−

=

−

=>

=

=>

+ +

= + +

同乘

g

α 校正因子：

轉換因子：g_c

引進

2008/4/9 8

2 / 1 2 1 4 1 2 2

2 / 1 2 1 4 1 2 2

) ( 2

) ( 1 2

⎥ ⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ −

= −

=>

⎥ ⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ −

= −

=>

β ρ α α

β ρ α α

p g p v C

C

p g p v

c V

V c

在引入文氏係數：

得：

由（一式）和（二式）

（式一）

...

2 ^{1 2}

2 1 1 2 2

2 ⎥

⎦

⎢ ⎤

⎣

= ⎡ −

−α ρ

α v v g_c ^{p p}

（式二）

2

...

2v β

2008/4/9 9

補充觀念

轉換因子(Conversion factor) ex：

校正因子

：對於沒有速度分布的流 =1 ex：turbulent flow or uniform flow 文式係數(Venturi coefficent)

：需由實驗決定，良好的文式計約0.98 對較大的直徑管約0.99

α α

...物理

mgh ...化工

gc

mh g

CV

2008/4/9 10

Questions?

2008/4/9 11

運用動力測壓法測量流速：Pitot Tube-I (盧凌遠、謝孟哲)

西南交通大學 力學實驗中心 http://exp.dame.com.cn/sy/

http://web.tongji.edu.cn/~cooling/data/network/network-1/7.ppt

2008/4/9 12

原理簡介

本方法的基本運作原理來自於白努力定理 位能+動能+靜壓＝定值

若我們在某點上，讓流體在等熵狀態下滯指到零 也就是在外界不作功的情況下讓動能減少至零

則根據白努立定理

其動能將完全轉換至以壓力的方式表現 為與靜壓區別，稱之為總壓

2008/4/9 13

考慮量測時，位於同一位能平面上 則白努力方程式可簡化為

動能 + 靜壓 ＝總壓

如此，我們只要知道總壓與靜壓 便能得到物體流速

2

0

1

2 ρ V + = P P

(

0

)

V

2

P P

=

ρ

−

2008/4/9 14

應用裝置 ^{L形毕托管}

畢託管（毕托管）是一種運用此方法而製造出的實驗用器材 經由位於最前方的總壓測孔

和位於中段下方的靜壓測孔 可分別得到總壓與靜壓

對照之前得到的推論公式，即可得到流體流速

2008/4/9 15

使用限制

測壓管的使用上限不超過相當於馬赫數為0.25時的流速

測壓管的使用下限為被測量的流速在全壓孔直徑上的雷諾數需超過200

2008/4/9 16

Questions?

2008/4/9 17

測壓法測量流速：Pitot Tube-II (郭裔德、彭瀚竹)

2008/4/9 18

間接式的測量方法：

‧不直接測量通過的流體容積

‧利用裝置阻流器在流體管 Æ流體經過時停滯而產生壓力 Æ利用穩定狀態下測量的壓力

與上述之停滯壓力的壓力差計算出流速

儀器裝置：

圖片來源：http://www.zimmerman.com.tw/news/iid1data/inews5.pdf

2008/4/9 19

物理原理：

gh p

=

ρ

p1 p₂

利用

代表淨壓而 代表全壓 由白努力定律得知

) 2 2 / 2 (

) / (

2 2 2

2 1 1 1

p u

p ρ

+

u

=

ρ

+

u1

u2

為流體因管壁彎曲流速為０ 為流體淨流速

12 1 2

2

[ 2 (

p p

) /

ρ

]

u

= −

⇒

2008/4/9 20

適用範圍：幾乎所有管徑都適用

限制：不適用於固體顆粒或顆粒過大和黏滯力過大 的流體中，因為管口易因此堵塞。

應用：在飛機上的空速測量，利用此方法測量出與 空氣的相對速度，但並不完全是飛機速度。

完全測量飛機速度：須考量其他因素，如：

校正空速、等效空速Æ真空速 而皮托管測出的空速稱為［指示空速］

如果要了解空速的計算方法請參考下列網址：

http://ca.geocities.com/alfredcavekimo/av111.htm

2008/4/9 21

Questions?

2008/4/9 22

測排氣流速:皮托管應用-III (林元菩、劉懿哲)

中華民國92年5月20日環署檢字第0920036460號公告 -排放管道中粒狀污染物採樣及其濃度之測定方法 之圖十四 使用皮托管測排氣流速圖例

2008/4/9 23

排放管道 靜壓孔

全壓孔 排氣流向

測定孔

皮托管 全壓測定管

傾斜式壓差計 靜壓測定管

耐熱材料

原理:

管子上的兩個開口分別正對和平行流的方向 Æ產生壓力差, 以壓力計測量其值。

正對的口增加的壓力為ρｖ^２， 而平行口減少的壓力也是ρｖ^２。

藉由壓差等於２ρｖ^２的關係便可測知流速。

2008/4/9 24

範圍及限制：

取決於壓差計的範圍

流體不要快到把儀器用壞；慢到測不出來 應用：

此處是用於測量器機車排氣管的風速。

排放管道 靜壓孔

全壓孔 排氣流向

測定孔

皮托管 全壓測定管

傾斜式壓差計 靜壓測定管

耐熱材料

2008/4/9 25

Questions?

2008/4/9 26

II. Mechanical (rotation)

2008/4/9 27

旋槳式流速儀 (謝憲明、吳偲維 )

參考資料: http://www.superlink.com.tw/tsi/industry.htm

2008/4/9 28

VELOCICALC Model 5725

風速量測範圍: LCD數字式0.25~ 30 m/s 精確度: 讀值±1.0%或±0.02 m/s 葉輪尺寸: 100 mm (4-inch) 溫度量測範圍: 0 ~ 60 ℃

精確度: ±0.5,℃; 解析度:0.1℃

風量量測範圍: 經由風速量測與風道截面積計算 可輸入風管尺寸: 0 ~ 16 m²

2008/4/9 29

物理原理:

利用風的流動帶動葉片轉動

Æ將動能轉成電壓訊號Æ 即可測得風速 適用範圍的限制:

流速太低時 葉片不易轉動 所以無法量測

2008/4/9 30

Questions?

2008/4/9 31

III. Direct Measurement–

Tracking the Moving Flow

2008/4/9 32

Flow sensor: MicroV (葉宜璁)

資料來源：http://www.measurementsci.com/products_microV.html

2008/4/9 33

規格：

2008/4/9 34

原理：

2008/4/9 35

應用及量測範例：

2008/4/9 36

缺點：

流體經過時會造成邊界層

，因此可能對準確度有些 微的影響。

優點：

2008/4/9 37

Questions?

2008/4/9 38

Particle-Image Velocimetry (王俊豪、郭怡君）

2008/4/9 39

2008/4/9 40

2008/4/9 41

2008/4/9 42

2008/4/9 43

Questions?

2008/4/9 44

都卜勒流速儀-I

Acoustic Doppler Profiler (洪啟元、廖學億)

http://www.dsd.gov.hk/FileManager/TC/publications_publicity/newsletter/news42/n007.html http://www.patent-cn.com/G01P/CN1248703.shtml http://www.smartec.com.tw/?d=vel&m=surface

2008/4/9 45

物理原理：

利用都卜勒原理，利用反射水中的懸浮微粒的聲波

，經由聲波頻率的改變，而換算出流速。

都卜勒的公式：

' ( )

s

f v f

v v

= m

f＇是彈回聲波的頻率 v是聲波的速度

v_s則可視為是水中懸浮微粒的速度

2008/4/9 46

適用範圍與限制：

測量河流、海流流速

量測水中的微粒的速度而把此 當為水流的流速

限制：

1. 水中微粒是否反應流速?

2. 發出聲波是否準確反射回來?

聲波波長在微粒的尺度範圍下Æ微粒尺度太小 Æ波的頻率太高 Æ損耗Æ傳遞距離很短 Æ提升接收器靈敏度，來增加它的可用性。

3. 水中的其它物質會對聲波的反射有貢獻 Æ設計上需辨識是否為有效反射

2008/4/9 47

產品範例：

Argonaut-SL 「淘金者」SL

‧可以很容易的安裝在岸邊、橋墩或其他垂直的水中結構前。

‧利用都卜勒聲波，精確測量水平一層的二維水流速度。

‧毋需校正，其測速精度不受水中髒污或生物附著的影響。

‧最適合應用於河流、灌溉渠道、供水系統流量即時監測。

‧搭配 YSI 多參數水質儀，可做水污染量監測

2008/4/9 48

Questions?

2008/4/9 49

都卜勒流速儀-II

Acoustic Doppler Profiler (嚴玉雯 )

作者：致遠管理學院 張逸中博士 2003/8/15 資料出處：http://ycc.dwu.edu.tw/Research/doc/ADP.doc

2008/4/9 50

流速儀種類簡介：

測量河流、湖泊和渠道等水體的水流速度的儀器，

有機械、電測和超聲三種類型。

‧機械型以轉子式為主，有旋槳式和旋杯式流速儀

‧電測型有電磁式流速儀

‧超聲型有時差法和都卜勒法流速儀

2008/4/9 51

原理及介紹：

都卜勒流速儀Acoustic Doppler Profiler (ADP)

• 以超音波測量水流流速

• 運用到水中聲波的都卜勒(Doppler)效應

•可以知道整個水體中各個層次的水流速度

2008/4/9 52

都卜勒原理：

2008/4/9 53

都卜勒流速儀原理：

自然界的水中都有一些懸浮顆粒，會將部分聲波 反射回發射的儀器，儀器收到後可以加以分析。

如果顆粒向儀器迫近，反射的頻率會高於發射的 頻率，如果遠離則低於發射頻率

藉著頻率差異Æ代入都卜勒定律Æ算出水流速度

2008/4/9 54

多指向多層次3D-ADP Æ 流向資訊

一般ADP都有3-4個發射音鼓 Æ根據幾何學原理

Æ算出整個平面的流速流向 不同深度的流速:

水越深處的資料回來得越慢 Æ各時段傳回的資料分別運算 Æ各層次的流速流向了

2008/4/9 55

測量限制：主要在聲波頻率

聲波須擊中懸浮顆粒以產生足夠的反射能量 聲波的理想波長是比懸浮物還短小

e.g. 若懸浮物是0.1mmÆ水中聲波頻率需15MHz，

但越高頻的聲波衰減越迅速

(如15MHz的聲波在水中根本傳不到一公尺！) 距離與感測精密度的兩難Æ 昂貴原因

實務困難：海洋傳遞夠遠也夠精確的頻率範圍為 50-500kHz，碰到任河水中的小魚與懸浮物體都會有 反應，對於辨識哪一個反射訊號是海底實在很麻煩。

2008/4/9 56

單極與雙極

SonTek 產品Argonaut-SL，兩個單極聲納之組合

2008/4/9 57

雙極都卜勒聲納

SonTek 產品之多種ADV

2008/4/9 58

Questions?

2008/4/9 59

III. Other Methods

2008/4/9 60

Parachute drogue

（王澄光、蔡峰岳）

2008/4/9 61

原理及物理方法:

法拉第於1832年提出利用電磁的方式測量海水流速 而實際上在1920年時初次實際運用。

海水中具有許多的電解質,再一頭使用氯化物通電與 海水接觸,如此會和另一頭的電線產生電壓差,並計 算其大小,可推算海流流速之大小。

2008/4/9 62

裝置、適用範圍及限制:

2008/4/9 63

Questions?