一、实验目的：
1、学习皮托管测速技术，掌握皮托管的测量原理及其测量系统组成，提高学生的实验技能和动手能力。
2、了解皮托管的组成结构、安装方法和使用条件；
3、掌握几种常用压力测量仪表（包括U 形管压力计、倾斜微压计、补偿微压计和数字微压计）的工作原理及使用方法；
4、学习皮托管流量测量原理和特征速度点选取原则，掌握常用方法（包括等环面法、对数直线法和切比雪夫法）的特征速度点的位置；
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5、掌握皮托管测量数据的处理方法。
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二、实验内容：
1、熟悉L 型和S 型皮托管的组成结构、安装方法和使用条件；
2、选用合适的仪表（包括测量、显示单元）组成皮托管测量系统；
3、对管道中某截面上不同位置的被测介质流速进行测量，绘出管道内介质流速分布曲线；
4、按照常用特征速度点选取原则（包括等环面法、对数直线法和切比雪夫法），测量在其特征速度点上的被测介质流速，计算介质流量。
三、实验原理
电工工具包（1）流速测量
皮托管是一种基于伯努利方程的流速测量装置，其测量原理参见附录I 。
（2）流量测量
为了得到流量值，需要测量管道截面上的平均流速。由于皮托管仅能测量特定点上的流速，所以要用皮托管测量流量可通过对多个特征速度点进行测量并进行相关的计算以得到管道的平均流速。通常的做法是将管道截面分成面积相等的若干个部分，测量每一部分特征点上的流速作为该部分的平均流速，再乘以面积得到该部分的平均流量，最后把通过各个部分面积的流量累加起来就是通过整个管道的流量。这种测量方法叫做速度面积法，是皮托管测量流量的一种基本方法。
如果将管道截面A 分成n 份，每份的截面积为A i ，每一份上的特征点流速为v i ，则流过整个管道的体积流量Q 为：
i n i i A v n Q ⋅=∑=1
1 （1）
四、实验过程与步骤
1、选择实验皮托管，记录该皮托管的编号和校准系数，填入表1；
2、按照所选用的特征速度点确定原则（等环面法、对数直线法和切比雪夫法三者选其一），对皮托管的竖直测量杆进行刻度；
3、开启离心风机；
4、调节调风阀门的开度，等待3分钟，使风机运转稳定；
5、记录大气温度，填入表1；
6、从标准流量计（旋涡流量计）中读取被测流量值，填入表1；
7、插入皮托管，按照所选用的特征速度点确定原则，分别测量对应该方法在三个位置上的差压（即动压值），填入表1；
8、调整调风阀门的开度，重复步骤4～7两次，再测量两个不同流量下的值，填入表1；
9、测完三个不同流量下的数据后，实验结束。
注意：每个流量选用一种压力计，除了U型管压力计作为演示用以外，其它三种压力计在实验中均要求使用。
五、实验装置与设备
1、皮托管：1支；
2、U型管压力计：一台；
3、倾斜微压计YYT-2000B：一台；
4、补偿微压计YJB-250：一台；
喉管5、数字微压计SYT-2000：一台；
6、数字旋涡流量计DY型：一台；
7、离心风机：一台；
8、连接导管：若干；
9、支架：若干；
10、直尺：一把；
11、记号笔：一支；
12、水银温度计：一支。
五、实验数据记录
表1 实验数据记录表
六、实验数据处理
1、按照式（附I-2），分别计算出位置1、2和3处的流速v1、v2和v3，绘出管道内同一截面内的流速分布曲线；
2、用它们的算术平均值作为管道的平均流速计算流量，分析计算的流量值和标准表读数的相对百分误差。
七、实验报告的要求
1、简述实验原理及实验用仪器设备；
2、实验数据按“实验数据处理”的要求处理，写出计算步骤和分析结果，要求给出：
①管道内同一截面内的流速分布曲线，
②皮托管流量测量的相对百分误差，并分析误差的来源及克服措施。
八、实验预习题
1、皮托管的测量原理与测量系统。
2、压力测量的常用方法。
3、U形管压力计、倾斜微压计、补偿微压计和数字微压计的使用方法和注意事项。
4、测量误差的来源及表述方法。
附录I ：皮托管的测量原理
皮托管是以其发明者、法国工程师Henri Pitot 的名字命名的，它由总压探头和静压探头组成，利用流体总压与静压之差，即动压来测量流速，故也称动压管。由于其主要测量对象为气体，因此又有风速管之称。
皮托管的特点是结构简单，制造使用方便，价格低廉，而且只要精心制造并经过严格标定和适当修正，即可在一定的速度范围内达到较高的测量精度。所以，虽然皮托管的出现已历时两个多世纪，但至今仍是热能与动力机械中最常用的流速测量手段。
皮托管测取的是流场空间某点的平均速度。由于是接触式测量，因而探头的头部尺寸决定了皮托管测速的空间分辨率。受工艺、刚度、强度和仪器惯性等因素的限制，目前最小的皮托管头部直径约为0.1～0.2mm 。
图附I -1是直角型（L 型）皮托管的结构简图。根据不可压缩流体的伯努利方程，流体参数在同一流线上有着如下关系：
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p v p ρ+= （附I-1） 式中，p 0、p 分别为流体的总压和静压；ρ为流体密度；v 为流体流速。
由式（附I-1）可得：
v = （附I-2）
可见，通过测量流体的总压p 0和静压p ，或它们的差压(p 0- p)，就可以根据式（附I -2）计算流体的流速，这就是皮托管测速的基本原理。
考虑到总压和静压的测量误差，利用它们的测量读数进行流速计算时，应做适当的修正。为此，引入皮托管的校准系数ζ，式（附I-2）改写为：
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v ζ= （附I-3）
实际上，通过合理调整皮托管各部分的几何尺寸，可以使总压、静压的测量误差接近于零。例如，图附I-1a 所示的标准皮托管是迄今为止最为完善的一种，其校准系数为1.01～1.02，且在较大的流动马赫数（Ma 数）和雷诺数（Re 数）范围内保持定值。
当被测流体为气体，且流动的马赫数Ma >0.3时，应考虑压缩性效应。这时的流速计算公式如下所示
v ζ= （附I-4）
式中，ε为气体的压缩性修正系数，可由表附I-1查取。
图附I-1 直角型（L 型）皮托管
表附I-1 压缩性修正系数与Ma 数的关系
对于可压缩气体，其绝对流速还与温度有关。为了避免测温的麻烦，一般用Ma 数表示气流的速度，即
a M ζ= （附I-5） 式中，k 为气体的等熵压缩（或膨胀）指数，对于空气，k =1.40。
用普通的皮托管测速时，一般要求流动Ma 数小于临界马赫数M c 。对于高Ma 数（Ma 接近1）下的流动，为避免在皮托管的头部附近发生脱体激波，可采用细长的锥形探头，见图附I-1b ，这类管子适用于Ma 数达0.8～0.85范围的流速测量。测量超音速气流的流速时，还会碰到测压管引发波阻损失等特殊问题，需要选用特定型式的总压和静压探头，并进行严格的标定。
除了使用最广泛的标准皮托管外，在一些特殊的场合还经常用到其它形式的皮托管，例如，测量尺寸较大的管道内的平均流速，可以采用图附I -2所示的笛形皮托管；而对于锅炉等设备管道中含尘浓度较高的气流测量，可以采用吸气式、遮板式或靠背式皮托管，见图附I-3。这些皮托管在使用前都必须经过严格标定。
图附I-2 笛形皮托管 图附I-3 测量高含尘量气流的皮托管
a) 吸气式，b) 遮板式，c) 靠背式
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