流量测量方法及流量计

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根据测量原理，将流量测量方法分为几大类，下面分别说明其测量方法、特性等，并介绍几种最常用的流量计。

1．差压式流量计

流体流动的伯努利方程就是流体运动的能量方程，其含义是：在流体运动过程中，不同性质的机械能可以相互转换，但总的机械能守恒，差压式流量计正是利用了压能与动能的转换和守恒原理而测量流量的。

(1)节流式流量计

充满圆管的单相连续流体，流经管内节流件时，由于节流件的流通截面比管道截面小，流束形成局部收缩，在压头作用下，流体加速，动能增加，静压下降，在节流件前后形成压力差(简称差压)△p，△p=p₁－p₂。设流体是理想流体和不可压缩的，在两截面之间，按伯努利方程和连续方程就可导出不可压缩实际流体的流量方程：

式中 C——流出系数，据节流件流束的收缩特性，取压孔的位置和速度分布而确定；

A₁，A₂——分别为所取两个断面的截面积，m²；

m——截面比A₂／A₁；

△p——两截面间差压。

(2)浮子流量计

浮子流量计是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子所组成，如图4．10－1所示。被测流体自下而上经过锥管和浮子形成的环隙时，浮子上下端产生差压形成浮子上升的力，当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量时，浮子便上升，环隙面积随之增大，该处流体流速下降，浮子上下端差压降低，作用于浮子的上升力亦随着减小，直到上升力等于浸在流体中浮子重量时，浮子便稳定在某一高度。浮子在锥管中高度和通过的流量有对应关系。

1．锥形管 2．浮子 3．流通环隙

图4．10－1 浮子流量计原理示意图

2．容积式流量计

典型的容积式流量计(椭圆齿轮式)的工作原理如图4．10－2所示。两个椭圆形齿轮具有相互滚动进行接触旋转的形状，当流体流过流量计时，作用在流量计进出口之间的压力差使两个齿轮产生旋转，并将流体由入口排向出口。在一次循环过程中，流量计排出四个由齿轮与壳壁围成的初月形空腔的流体体积，该体积称为流量计的“循环体积”。设流量计“循环体积”为v，一定时间内转子转动次数为N，则在该时间内流过流量计的流体体积为：

图4．10－2 椭圆齿轮流量计工作示意图

V=Nv (4．10－16)

3．速度式流量计

以测量流体流速来得到流量的流量计统称为速度式流量计。它的种类很多，近年来发展也很快，下面分别介绍之。

(1)涡轮流量计

如图4．10－3所示，被测流体流入传感器，经过导流体冲击叶轮。由于叶轮的叶片与流体流向之间有一倾角，流体冲力使叶轮产生转动力矩，克服阻力矩后叶轮开始旋转，当两力矩平衡时叶轮便恒速旋转。在一定条件下转速与流量成正比，因此测出叶轮转速就可求得流量。

图4．10－3 涡轮流量传感器原理图

(2)涡街流量计

当非流线型阻流体垂直插入流体中，随着流体流动，阻流体就产生漩涡分离，此漩涡形成了有规则的排列，称此排列为涡街。据卡门研究，大多数排列情况或多或少地有些不稳定，只有排列成两排内旋且互相交错的漩涡列，涡列宽度h与漩涡间距c之比为0．2806时，涡列才是稳定的，称为卡门涡街。产生卡门涡街的阻流体叫漩涡发生体。

图4．10－4 涡街流量计原理图

根据卡门涡街原理。漩涡频率f与流速间有下列关系：

式中 v₁——漩涡发生体两侧的流速，m／s；

d——漩涡发生体特征宽度，m；

S_f——斯特劳哈尔数，在一定雷诺数范围内为一常数。

管内瞬时体积流量q_v则为：

式中 D——管道内径，m；

v——管内平均流速，m／s；

m——漩涡发生体两侧流通面积与管道截面积之比。

上式经变换得到：

式中：K_v——涡街流量计的仪表系数，(m³)^－1。

(3)电磁流量计

电磁流量计的测量原理是法拉第电磁感应定律，导体在磁场中切割磁力线运动时在其两端产生感应电动势。导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，与它们垂直的方向上产生与体积流量成比例的感应电动势，电动势的方向按“弗来明右手规则”，其值为：

式中：E——感应电动势，V；

K——系数；

B——磁感应强度，T；

D——测量管内径，m；

——平均流速，m／s。

设液体的体积流量为q_v(m³／s)；则：

式中：为仪表常数。

(4)超声流量计

①传播速度差法

传播速度差法是利用超声波在流体中顺流和逆流传播的速度差与流体的流速成正比的原理测量流量的方法。

在传播速度差法中，时间差法是应用较多的方法。如图示，原理方程式的基本关系如下：

式中：t₂·t₁——超声波在流体中的逆流和顺流传播时间；

△t——时间差；

V——线平均流速；

L——超声波在流体中的传播路径长度；

θ——超声波传播方向与流体流向之间的夹角。

由线平均流速V经过一定的修正和补偿，即可得到断面平均流速及流量。

②多普勒法

当信号源发射信号被一个与其有相对运动的目标所反射时，反射信号与发射信号的频率之间就会出现频移，这种现象称为多普勒效应。

多普勒法的测量原理如下：发射换能器向流体发射出频率为f_l的连续超声波，当受到悬浮在流体中随流体运动的粒子或气泡散射时，使接收换能器收到的信号产生了多普勒频移△f。设接收到的超声波频率为f_r，可得如下关系式的频移。

则： (4．10－25)

式中 v——散射体随流体运动的速度；

Q——超声波传播方向与流体流向的夹角；

C——流体的声速。

4．质量流量计

质量流量计的型式很多，在此只介绍科里奥利质量流量计(简称CMF)。

图4．10－5 科里奥式质量流量计原理图

如图示，当质量m的质点以速度v在对P轴作角速度ω旋转的管道内移动时，质点受两个分量的加速度及其力：(1)法向加速度a_r，其量值等于ω²r，方向朝向P轴；(2)切向加速度a_t，其量值等于ωv，方向与a_r垂直。由于复合运动，在质点的a_t方向上作用着科氏力F_c=2ωv_m，管道对质点作用着一个反向力－F_c。

当密度为ρ的流体在旋转管道中以恒定速度V流动时，任何一段长度△X的管道都将受到一个△F_c的切向科氏力。

△F_c=2ωvρA△x (4．10－26)

式中 A——管道的流通内截面积。

由于质量流量q_m=ρVA．所以

ΔF_c=2ωq_mΔx (4．10－27)

因此，直接或间接测量在旋转管道中流体所产生的科氏力就可以测得质量流量。由于旋转运动是困难的，目前产品均代之以管道振动。即由二端固定的薄壁测量管，在中点处以测量管谐振或接近谐振的频率所激励，在管内流动的流体所产生的科氏力，使测量管中点前后两半段产生方向相反的挠曲，用光学或电磁学方法检测挠曲以求得质量流量。

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