第5节 流量检测仪表与系统

流量是指单位时间内流体流经管道某一截面的数量，也称瞬时流量。而在某一段时间内流过的流体总和称为累积流量。流体流过的量用体积表示的称为体积流量，而用质量表示的称质量流量。由于流量测量的情况比较复杂，流量测量的方法及流量检测仪表也很多，以下是主要的几种流量检测仪表。

1.       节流式流量计

节流式流量计由节流装置（节流元件及取压装置），差压变送器和显示仪表组成。常见的节流元件有孔板、文丘里管和喷嘴等，如图5.1所示。由流体力学原理可知，流体流过节流元件时，在节流件前后要产生一定的差压，差压的大小与取压方式（位置）、节流件的形式和流量的大小等因素有关。对于孔板，流过节流件的流量与节流件前后的差压Δ有如下关系：

式中，为流出系数；为可膨胀性系数，对于液体，则=1；为孔板的开孔面积；为孔板开孔直径d与管道直径D之比；为流体在孔板前的密度。

图5.1标准节流装置

流出系数是影响流量测量准确度的一个重要参数，并受到多个参数的影响，主要有：

1）  取压方式：标准的取压方式有角接取压法；法兰取压法和取压法三种。

2）  雷诺数：当雷诺数达于某个临界值时，流出系数应趋向定值。

3）  直径比：值越小，测量准确度越高，但压力损失也越大。

4）  管壁粗糙度：为保证测量的准确度，节流装置前后的粗糙度应符合有关规定。

综合上述情况，对于标准孔板，角接取压方式的流出系数可用下列经验公式计算：

节流式流量计是目前应用最广泛的一种流量计，可测气体、液体和蒸汽等各种流体的流量。主要缺点是阻力损失较大，可测的最大流量与最小流量之比（量程比）较小，一般只有3:1。

2.       转子流量计

常用的转子流量计是利用在下窄上宽的锥形管中的浮子所受的力平衡原理工作的。图5.2是其检测原理图。被测流量与浮子的高度之间有如下关系：

式中，称转子流量计的流量系数；为锥形管标尺零处的直径；为锥形管的锥半角；为浮子的体积；为浮子的最大截面积；为浮子的密度；为流体的密度。

流量系数与锥形管的锥度、浮子的几何形状及流体的雷诺数有关，当雷诺数达到一定值后，基本保持不变。由式(5.3)可知，浮子的高度不仅与流量有关，也与浮子的密度和几何形状有关。所以改变浮子的材料等可改变流量的测量范围。另外，当浮子一定时，浮子的高度还与流体的密度有关，所以在标尺刻度时以水或标准状况下的空气来标定。当流体密度改变时，需要对读数值进行换算以得到实际流量。换算公式为

式中，和分别为流量的实际值和读数值；为转子的密度；和分别为实际被测流体的密度和标尺刻度时流体的密度。

转子流量计主要用于中小管径流量的测量，可以是直读式，也可以是电远传的。

3.       涡街流量计

涡街流量计的工作原理是，流体流经一非流线型的物体时，在它的下游两侧就会交替出现漩涡，如图5.3所示。漩涡的频率与柱体附近的流体流速成正比，与柱体的特征尺寸（漩涡发生体的迎面最大宽度）成反比，即

式中，称为斯特劳哈尔数，其大小与漩涡发生体的形状和雷诺数有关，在雷诺数为500～15000的范围内，基本上为一常数。由式(5.5)可知，测出漩涡的频率就可以得到流体的流速，从而测得体积流量。

式中，为管道直径；为垂直于磁力线方向的流体的平均速度。由此可知，感应电势的大小直接反映了流量的大小。

影响电磁流量计性能的主要因素是励磁方式。现有的励磁方式有直流式、工频交流式、低频方波和变频方波等，其中低频方波目前用得最多。

电磁流量计无可动或侵入部件，对流体几乎无压力损失，被测流体可以是含有颗粒、悬浮物等，量程比较宽。但是，电磁流量计不能用于气体、蒸汽及非导电的液体介质的流量测量。

5.       容积式流量计

容积式流量检测是一种直接式流量测量方法，它是让被测流体充满具有一定容积的空间，然后再把这部分流体从出口排出，根据单位时间或一定时间内排出的流体体积得到相应的瞬时流量和累计流量。？？

根据结构上不同，容积式流量计有：椭圆齿轮流量计、腰轮(罗茨)流量计、刮板流量计、活塞式流量计、湿式流量计及皮囊式流量计等。

容积式流量计的测量准确度一般较高，但在测小流量时因泄漏而使测量误差较大，大流量时则压力损失较大，并随流体黏度的增加而加大。

6.       质量流量计

质量流量的测量有间接法和直接法两种。间接法是通过体积流量与流体的密度的组合测量得到的；直接法中有基于科氏力的质量流量计和热式质量流量计等，其中基于科氏力的质量流量计应用最为广泛。

科氏质量流量计有直管、弯管、单管、双管等多种形式。图5.5给出了双弯管的结构图。当流体同时在两个Ｕ形管内流动时，在换能器Ａ的作用下，两根Ｕ形管彼此一开一合地振动。换能器Ｂ和Ｃ用来检测两管的振动情况，其中Ｃ输出的交变信号的相位将超前于Ｂ某个相位，相位差的大小与质量流量成正比。

科氏质量流量计的测量准确度较高，主要用于黏度和密度相对较大的流体的流量测量。

涡轮式流量计是以动量矩守恒原理为基础的，如图5.6所示。流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的旋转速度随流量的变化而变化，通过涡轮外的磁电转换装置可将涡轮的旋转转换成电脉冲。

涡轮流量计的测量准确度较高，可达到0.5级以上；反应迅速，量程比较宽，但它仅适用于洁净的被测介质（气体或液体）。

8.       超声波流量计

超声波流量计是近年来迅速发展起来的一种流量计，其测量原理是：在管道上安装两对声波传播方向相反的超声波换能器，如图5.7所示。声波从超声发射器、到接收器、所需要的时间差为

式中，为声速。在实际使用时，较多采用频率差法以减小声速易受温度的影响。

超声波流量计的最大特点是可实现非接触式的流量测量。