關(guān)于流量的研究及其測(cè)量方法

1、 關(guān)于流量的研究及其測(cè)量方法 蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院 關(guān)于流量的研究及其測(cè)量方法摘要：流量，指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)特定表面的流體（液體或氣體）的量（體積或質(zhì)量）。若單以體積衡量流體的量，其流量稱之為“體積流量”，用Q來(lái)表示，這也是多數(shù)場(chǎng)合中，流量所指的涵義。它可分為瞬時(shí)流量（Flow Rate）和累計(jì)流量（Total Flow），瞬時(shí)流量即單位時(shí)間內(nèi)過(guò)封閉管道或明渠有效截面的量，流過(guò)的物質(zhì)可以是氣體、液體、固體；累計(jì)流量即為在某一段時(shí)間間隔內(nèi)流體流過(guò)封閉管道或明渠有效截面的累計(jì)量。 關(guān)鍵字：流量，流量計(jì)，流量測(cè)量方法 Research on flow and its measurement

2、method Flow, refers to the unit time by a specific volume of fluid (liquid or gas) on the surface of the volume (or quality). If only to measure the amount of fluid volume, its flow is called “volume flow”, using Q indicate, this is also the majority of situations, traffic refers to meaning. It can

3、be divided into the instantaneous Flow (Flow Rate) and cumulative Flow (Total Flow), the instantaneous Flow Rate per unit of time closed pipes or the amount of open channel cross-section, Flow through the material can be gas, liquid and solid; Cumulative flow is in a certain period of time interval

4、fluid flows through the closed pipes or open channel section of the cumulative amount effectively.KEY WORDS：flow，F(xiàn)low meter，The flow measurement method 在國(guó)際單位制（SI）中，體積流量的標(biāo)準(zhǔn)單位為立方米每秒（m³/s）。若以質(zhì)量衡量流體的量，其流量稱之為“質(zhì)量流量”。在國(guó)際單位制中，質(zhì)量流量的標(biāo)準(zhǔn)單位為公斤每秒（kg/s）。 流量的方程為：Q=SV=常量。不可壓縮的流體作定常流動(dòng)時(shí)，通過(guò)同一流管各截面的流量不變。對(duì)在一定通道內(nèi)流動(dòng)的流

5、體的流量進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)稱為流量計(jì)量。流量測(cè)量的流體是多樣化的，如測(cè)量對(duì)象有氣體、液體、混合流體；流體的溫度、壓力、流量均有較大的差異，要求的測(cè)量準(zhǔn)確度也各不相同。因此，流量測(cè)量的任務(wù)就是根據(jù)測(cè)量目的，被測(cè)流體的種類、流動(dòng)狀態(tài)、測(cè)量場(chǎng)所等測(cè)量條件，研究各種相應(yīng)的測(cè)量方法，并保證流量量值的正確傳遞。 流量的測(cè)量方法，從水文站角度講，可分為浮標(biāo)法、流速儀法、超聲破法等，流速儀發(fā)測(cè)量精度最高,目前最常用的方法是采用液體流量計(jì)。 流量計(jì)，全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)把它定義為：指示被測(cè)流量和（或）在選定的時(shí)間間隔內(nèi)流體總量的儀表。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是用于測(cè)量管道或明渠中流體流量的一種儀表，工程上常用單位m³

6、/h，它可分為瞬時(shí)流量（Flow Rate）和累計(jì)流量（Total Flow），瞬時(shí)流量即單位時(shí)間內(nèi)過(guò)封閉管道或明渠有效截面的量，流過(guò)的物質(zhì)可以是氣體、液體、固體；累計(jì)流量即為在某一段時(shí)間間隔內(nèi)（一天、一周、一月、一年）流體流過(guò)封閉管道或明渠有效截面的累計(jì)量。通過(guò)瞬時(shí)流量對(duì)時(shí)間積分亦可求得累計(jì)流量，所以瞬時(shí)流量計(jì)和累計(jì)流量計(jì)之間也是可以相互轉(zhuǎn)化的。測(cè)量管道或明溝中液體、氣體或蒸汽等流體流量的工業(yè)自動(dòng)化儀表，又稱流量計(jì)。流量是指單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道有效截面的流體數(shù)量。流體數(shù)量用體積表示者稱為體積流量，單位為米3/時(shí)、升/時(shí)等;流體數(shù)量用質(zhì)量表示者稱為質(zhì)量流量，單位為噸/時(shí)、千克/時(shí)等。流量測(cè)量的發(fā)

7、展可追溯到古代的水利工程和城市供水系統(tǒng)。古羅馬凱撒時(shí)代已采用孔板測(cè)量居民的飲用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法測(cè)量尼羅河的流量。我國(guó)著名的都江堰水利工程應(yīng)用寶瓶口的水位觀測(cè)水量大小等等。17世紀(jì)托里拆利奠定差壓式流量計(jì)的理論基礎(chǔ)，這是流量測(cè)量的里程碑。自那以后，18、19世紀(jì)流量測(cè)量的許多類型儀表的雛形開(kāi)始形成，如堰、示蹤法、皮托管、文丘里管、容積、渦輪及靶式流量計(jì)等。20世紀(jì)由于過(guò)程工業(yè)、能量計(jì)量、城市公用事業(yè)對(duì)流量測(cè)量的需求急劇增長(zhǎng)，才促使儀表迅速發(fā)展，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展極大地推動(dòng)儀表更新?lián)Q代，新型流量計(jì)如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)。至今，據(jù)稱已有上百種流量計(jì)投向市場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)使

8、用中許多棘手的難題可望獲得解決。中國(guó)開(kāi)展近代流量測(cè)量技術(shù)的工作比較晚，早期所需的流量?jī)x表均從國(guó)外進(jìn)口。目前常見(jiàn)的流量計(jì)根據(jù)測(cè)量結(jié)果的方式可劃分為體積流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)。由于質(zhì)量流量計(jì)價(jià)格昂貴、體積龐大、安裝環(huán)境要求嚴(yán)格等特點(diǎn)，很多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法使用，故本文中主要考慮體積流量計(jì)。體積式流量計(jì)又可根據(jù)測(cè)量原理劃分為速度式流量計(jì)、差壓式流量計(jì)、容積式流量計(jì)等。不同的流量計(jì)具有不同的安裝條件，測(cè)量精度以及適用環(huán)境，正確的選用合理經(jīng)濟(jì)的流量計(jì)，在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)中尤為重要。 隨著工業(yè)發(fā)展對(duì)液體流量計(jì)要求的不斷提高，液體流量計(jì)在工業(yè)測(cè)量中的地位已經(jīng)部分地被先進(jìn)的、高精度的、便利的流量?jī)x表所取代，電磁流量計(jì)

9、基于法拉第電磁感應(yīng)原理研制出的一種測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)電體在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該電動(dòng)勢(shì)的大小與導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做垂直于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的速度成正比，由此再根據(jù)管徑，介質(zhì)的不同液體流量計(jì)在一根由下向上擴(kuò)大的垂直錐管中，圓形橫截面的浮子的重力是由液體動(dòng)力承受的，浮子可以在錐管內(nèi)自由地上升和下降。在流速和浮力作用下上下運(yùn)動(dòng)，與浮子重量平衡后，通過(guò)磁耦合傳到與刻度盤指示流量。一般分為玻璃和金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)。金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)是工業(yè)上最常用的，對(duì)于小管徑腐蝕性介質(zhì)通常用玻璃材質(zhì)，由于玻璃材質(zhì)的本身易碎性，關(guān)鍵的控制點(diǎn)也有用全鈦材等貴重金屬為材質(zhì)的轉(zhuǎn)子流量計(jì)，液

10、體流量計(jì)與顯示儀表的接線，應(yīng)根據(jù)放大器的電源來(lái)選擇接線方式，詳見(jiàn)有關(guān)“使用說(shuō)明書。液體流量計(jì)傳感器可水平、垂直安裝，垂時(shí)流體方向必須向上。液體應(yīng)充滿管道，不得有氣泡。安裝時(shí)，液體流動(dòng)方向應(yīng)與傳感器外殼上指示流向的箭頭方向一致。傳感器上游端至少應(yīng)有20倍公稱通徑長(zhǎng)度的直管段，下游端應(yīng)不少于5倍公稱通徑的直管段，其內(nèi)壁應(yīng)光滑清潔，無(wú)凹痕、積垢和起皮等缺陷。流量計(jì)按測(cè)量原理分有力學(xué)原理、熱學(xué)原理、聲學(xué)原理、電學(xué)原理、光學(xué)原理、原子物理學(xué)原理等。本文按照目前最流行、最廣泛的分類法,即分為:容積式流量計(jì)、差壓式流量計(jì)、浮子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、流體振蕩流量計(jì)中的渦街流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)和插入式流

11、量計(jì)來(lái)分別闡述各種流量計(jì)的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用概況及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況。1.1差壓式流量計(jì)差壓式流量計(jì)是根據(jù)安裝于管道中流量檢測(cè)件產(chǎn)生的差壓,已知的流體條件和檢測(cè)件與管道的幾何尺寸來(lái)計(jì)算流量的儀表。差壓式流量計(jì)由一次裝置(檢測(cè)件)和二次裝置(差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表)組成。通常以檢測(cè)件形式對(duì)差壓式流量計(jì)分類,如孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、均速管流量計(jì)等。二次裝置為各種機(jī)械、電子、機(jī)電一體式差壓計(jì),差壓變送器及流量顯示儀表。它已發(fā)展為三化(系列化、通用化及標(biāo)準(zhǔn)化)程度很高的、種類規(guī)格龐雜的一大類儀表,它既可測(cè)量流量參數(shù),也可測(cè)量其它參數(shù)(如壓力、物位、密度等)。差壓式流量計(jì)的檢測(cè)件按其作用原理可分為:節(jié)流

12、裝置、水力阻力式、離心式、動(dòng)壓頭式、動(dòng)壓頭增益式及射流式幾大類。檢測(cè)件又可按其標(biāo)準(zhǔn)化程度分為二大類:標(biāo)準(zhǔn)的和非標(biāo)準(zhǔn)的。所謂標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)件是只要按照標(biāo)準(zhǔn)文件設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用,無(wú)須經(jīng)實(shí)流標(biāo)定即可確定其流量值和估算測(cè)量誤差。非標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)件是成熟程度較差的,尚未列入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的檢測(cè)件。差壓式流量計(jì)是一類應(yīng)用最廣泛的流量計(jì),在各類流量?jī)x表中其使用量占居首位。近年來(lái),由于各種新型流量計(jì)的問(wèn)世,它的使用量百分?jǐn)?shù)逐漸下降,但目前仍是最重要的一類流量計(jì)。優(yōu)點(diǎn):(1)應(yīng)用最多的孔板式流量計(jì)結(jié)構(gòu)牢固,性能穩(wěn)定可靠,使用壽命長(zhǎng);(2)應(yīng)用范圍廣泛,至今尚無(wú)任何一類流量計(jì)可與之相比擬;(3)檢測(cè)件與變送器、顯示儀表分別

13、由不同廠家生產(chǎn),便于規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。缺點(diǎn):(1)測(cè)量精度普遍偏低;(2)范圍度窄,一般僅3:14:1;(3)現(xiàn)場(chǎng)安裝條件要求高;(4)壓損大(指孔板、噴嘴等)。應(yīng)用概況:差壓式流量計(jì)應(yīng)用范圍特別廣泛,在封閉管道的流量測(cè)量中各種對(duì)象都有應(yīng)用,如流體方面:單相、混相、潔凈、臟污、粘性流等;工作狀態(tài)方面:常壓、高壓、真空、常溫、高溫、低溫等;管徑方面:從幾mm到幾m;流動(dòng)條件方面:亞音速、音速、脈動(dòng)流等。它在各工業(yè)部門的用量約占流量計(jì)全部用量的1/41/3。1.2浮子流量計(jì)浮子流量計(jì),又稱轉(zhuǎn)子流量計(jì),是變面積式流量計(jì)的一種,在一根由下向上擴(kuò)大的垂直錐管中,圓形橫截面的浮子的重力是由液體動(dòng)力承受的,從而

14、使浮子可以在錐管內(nèi)自由地上升和下降。浮子流量計(jì)是僅次于差壓式流量計(jì)應(yīng)用范圍最寬廣的一類流量計(jì),特別在小、微流量方面有舉足輕重的作用。80年代中期,日本、西歐、美國(guó)的銷售金額占流量?jī)x表的15%20%。我國(guó)產(chǎn)量1990年估計(jì)在1214萬(wàn)臺(tái),其中95%以上為玻璃錐管浮子流量計(jì)。特點(diǎn):(1)玻璃錐管浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便,缺點(diǎn)是耐壓力低,有玻璃管易碎的較大風(fēng)險(xiǎn);(2)適用于小管徑和低流速;(3)壓力損失較低。1.3容積式流量計(jì)容積式流量計(jì),又稱定排量流量計(jì),簡(jiǎn)稱PD流量計(jì),在流量?jī)x表中是精度最高的一類。它利用機(jī)械測(cè)量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個(gè)已知的體積部分,根據(jù)測(cè)量室逐次重復(fù)地充滿和排放該體

15、積部分流體的次數(shù)來(lái)測(cè)量流體體積總量。容積式流量計(jì)按其測(cè)量元件分類,可分為橢圓齒輪流量計(jì)、刮板流量計(jì)、雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì)、往復(fù)活塞流量計(jì)、圓盤流量計(jì)、液封轉(zhuǎn)筒式流量計(jì)、濕式氣量計(jì)及膜式氣量計(jì)等。優(yōu)點(diǎn):(1)計(jì)量精度高;(2)安裝管道條件對(duì)計(jì)量精度沒(méi)有影響;(3)可用于高粘度液體的測(cè)量;(4)范圍度寬;(5)直讀式儀表無(wú)需外部能源可直接獲得累計(jì),總量,清晰明了,操作簡(jiǎn)便。缺點(diǎn):(1)結(jié)果復(fù)雜,體積龐大;(2)被測(cè)介質(zhì)種類、口徑、介質(zhì)工作狀態(tài)局限性較大;(3)不適用于高、低溫場(chǎng)合;(4)大部分儀表只適用于潔凈單相流體;(5)產(chǎn)生噪聲及振動(dòng)。應(yīng)用概況:容積式流量計(jì)與差壓式流量計(jì)、浮子流量計(jì)并

16、列為三類使用量最大的流量計(jì),常應(yīng)用于昂貴介質(zhì)(油品、天然氣等)的總量測(cè)量。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家近年P(guān)D流量計(jì)(不包括家用煤氣表和家用水表)的銷售金額占流量?jī)x表的13%23%;我國(guó)約占20%,1990年產(chǎn)量(不包括家用煤氣表)估計(jì)為34萬(wàn)臺(tái),其中橢圓齒輪式和腰輪式分別約占70%和20%。1.4渦輪流量計(jì)渦輪流量計(jì),是速度式流量計(jì)中的主要種類,它采用多葉片的轉(zhuǎn)子(渦輪)感受流體平均流速,從而且推導(dǎo)出流量或總量的儀表。一般它由傳感器和顯示儀兩部分組成,也可做成整體式。渦輪流量計(jì)和容積式流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)稱為流量計(jì)中三類重復(fù)性、精度最佳的產(chǎn)品,作為十大類型流量計(jì)之一,其產(chǎn)品已發(fā)展為多品種、多系列批量生

17、產(chǎn)的規(guī)模。優(yōu)點(diǎn):(1)高精度,在所有流量計(jì)中,屬于最精確的流量計(jì);(2)重復(fù)性好;(3)元零點(diǎn)漂移,抗干擾能力好;(4)范圍度寬;(5)結(jié)構(gòu)緊湊。關(guān)于差壓式液體流量計(jì)的設(shè)計(jì) 基本原理是輸入口與輸出口這間的壓力差與通過(guò)導(dǎo)液管的流速直接相關(guān)，用壓力傳感器測(cè)量導(dǎo)液管入口與出口之間的壓力差，并將其轉(zhuǎn)換成電壓量輸出。通過(guò)檢測(cè)導(dǎo)液管兩端的壓力差，即可計(jì)算出通過(guò)導(dǎo)游管的流速和流量。差壓式液體流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由導(dǎo)液管和差壓式壓力傳感器組成。導(dǎo)液管由輸入管、節(jié)流管、輸出管和兩個(gè)取壓管組成，兩個(gè)取壓管由輸入管和輸出管引出，用于引出節(jié)流管兩端的壓力差。導(dǎo)液管可由玻璃、塑料、金屬等材料制成。輸入管和輸出管

18、的內(nèi)徑比節(jié)流管大，取壓管的內(nèi)徑通常最小。如圖1所示，輸入管、節(jié)流管和輸出管被連接成“一”字型，取壓管被對(duì)稱地接在輸入管與輸出管上。差壓式壓力傳感器通過(guò)氣管被連在兩取壓管上。當(dāng)有液體流過(guò)導(dǎo)液管時(shí)，輸入管與輸出管之間會(huì)產(chǎn)生的壓力差，輸入管壓力大于輸出管的壓力。由差壓式傳感器檢測(cè)這個(gè)壓力差，并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。 另外，壓力差隨差通過(guò)導(dǎo)液管的單位時(shí)間內(nèi)液體流量（流速）的變化而變化，其關(guān)系可由以下等式來(lái)表達(dá)其中，Qv為單位時(shí)間的體積流量，為流量計(jì)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，Y為流體澎脹率，對(duì)于液體Y=1，g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋?P1-P2為輸入管與輸出管之間的壓力差，為流體密度等式（1）為用體積流量來(lái)表示，也可轉(zhuǎn)換為質(zhì)量流

19、量表示，如式（2）其中，Qm差壓流量計(jì)的質(zhì)量流量，其常與（1）相同。從等（1）和（2）可以得出當(dāng)，Y，g和不變時(shí)，流量與壓力差的平方根成正比。流量轉(zhuǎn)換系數(shù)是很復(fù)雜的一個(gè)常數(shù)，它決定于傳感器的結(jié)構(gòu)和方法，比如與獲取壓力的方式和位置等因素有關(guān)。所需器材：26PCBFA6D型壓力傳感器，玻璃導(dǎo)管，單片機(jī)，導(dǎo)線若干，增壓泵、水閥，量筒和水池。壓差式壓力傳感器設(shè)計(jì)： 本裝置采用的壓力傳感器如圖2所示，其內(nèi)部電路主要是由四個(gè)應(yīng)變片電阻線成的一個(gè)惠斯通電橋電路組成。采用型號(hào)為26PCBFA6D型壓力傳感器，其量程為從0到34.445kPa，本壓力傳感器具有很高的靈敏度，線性度和穩(wěn)定性，另外還有過(guò)載能力強(qiáng)和溫

20、度補(bǔ)償功能。 在使用壓力傳感器前，對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試。將它街上透明的水管，用水柱高坐壓力，用高靈敏度數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量電壓，傳感器街上12v電壓。記錄數(shù)據(jù)。如成線性關(guān)系，則表示性能穩(wěn)定，可以使用。 為了提高傳感器的靈敏度，采用了一個(gè)儀表放大電路如圖4所示。圖中使R1=R2=R3=R4=R5=R6，放大電路的輸入端接壓力傳感器的輸出，其輸出接一個(gè)12位的ADC轉(zhuǎn)換器。放大電路的增益可以用等式（4）來(lái)表示。其中，Av是放大電路增益，所以有在上式中令K=Av·K1，Vo是放大電路輸出電壓。結(jié)合等式（1），（3），（5），流過(guò)導(dǎo)液管的液體體積流量和所對(duì)應(yīng)的電壓有以下關(guān)系：由等式（6）可以清楚地看出體積流量與放大電路輸出電壓的平方根成正比。關(guān)于渦街流量計(jì)設(shè)計(jì) 工作原理：在流體中設(shè)置旋渦發(fā)生體（阻流體），從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街，如圖1所示。旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對(duì)稱地排列。設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f，被測(cè)介質(zhì)來(lái)流的平均速度為U，旋渦發(fā)生體迎面寬度為d，表體通徑為D，根據(jù)卡曼渦街原理，有如下關(guān)系式f=SrU1/d=SrU/md （1）式中U1-旋渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速，m/s；Sr-斯特勞哈爾數(shù)；m-旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比 圖1 卡曼渦街 管道內(nèi)體積流量qv為qv=D2U/4=D2mdf/