关于流量的研究及其测量方法

1、 关于流量的研究及其测量方法 兰州交通大学环境与市政工程学院 关于流量的研究及其测量方法摘要：流量，指单位时间内通过特定表面的流体（液体或气体）的量（体积或质量）。若单以体积衡量流体的量，其流量称之为“体积流量”，用Q来表示，这也是多数场合中，流量所指的涵义。它可分为瞬时流量（Flow Rate）和累计流量（Total Flow），瞬时流量即单位时间内过封闭管道或明渠有效截面的量，流过的物质可以是气体、液体、固体；累计流量即为在某一段时间间隔内流体流过封闭管道或明渠有效截面的累计量。 关键字：流量，流量计，流量测量方法 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，Flow meter，The flow measurement method 在国际单位制（SI）中，体积流量的标准单位为立方米每秒（m/s）。若以质量衡量流体的量，其流量称之为“质量流量”。在国际单位制中，质量流量的标准单位为公斤每秒（kg/s）。 流量的方程为：Q=SV=常量。不可压缩的流体作定常流动时，通过同一流管各截面的流量不变。对在一定通道内流动的流体的流量进行

5、测量统称为流量计量。流量测量的流体是多样化的，如测量对象有气体、液体、混合流体；流体的温度、压力、流量均有较大的差异，要求的测量准确度也各不相同。因此，流量测量的任务就是根据测量目的，被测流体的种类、流动状态、测量场所等测量条件，研究各种相应的测量方法，并保证流量量值的正确传递。 流量的测量方法，从水文站角度讲，可分为浮标法、流速仪法、超声破法等，流速仪发测量精度最高,目前最常用的方法是采用液体流量计。 流量计，全国科学技术名词审定委员会把它定义为：指示被测流量和（或）在选定的时间间隔内流体总量的仪表。简单来说就是用于测量管道或明渠中流体流量的一种仪表，工程上常用单位m/h，它可分为瞬时流量（

6、Flow Rate）和累计流量（Total Flow），瞬时流量即单位时间内过封闭管道或明渠有效截面的量，流过的物质可以是气体、液体、固体；累计流量即为在某一段时间间隔内（一天、一周、一月、一年）流体流过封闭管道或明渠有效截面的累计量。通过瞬时流量对时间积分亦可求得累计流量，所以瞬时流量计和累计流量计之间也是可以相互转化的。测量管道或明沟中液体、气体或蒸汽等流体流量的工业自动化仪表，又称流量计。流量是指单位时间内流经管道有效截面的流体数量。流体数量用体积表示者称为体积流量，单位为米3/时、升/时等;流体数量用质量表示者称为质量流量，单位为吨/时、千克/时等。流量测量的发展可追溯到古代的水利工程

7、和城市供水系统。古罗马凯撒时代已采用孔板测量居民的饮用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法测量尼罗河的流量。我国著名的都江堰水利工程应用宝瓶口的水位观测水量大小等等。17世纪托里拆利奠定差压式流量计的理论基础，这是流量测量的里程碑。自那以后，18、19世纪流量测量的许多类型仪表的雏形开始形成，如堰、示踪法、皮托管、文丘里管、容积、涡轮及靶式流量计等。20世纪由于过程工业、能量计量、城市公用事业对流量测量的需求急剧增长，才促使仪表迅速发展，微电子技术和计算机技术的飞跃发展极大地推动仪表更新换代，新型流量计如雨后春笋般涌现出来。至今，据称已有上百种流量计投向市场，现场使用中许多棘手的难题可望获

8、得解决。中国开展近代流量测量技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口。目前常见的流量计根据测量结果的方式可划分为体积流量计和质量流量计。由于质量流量计价格昂贵、体积庞大、安装环境要求严格等特点，很多工业现场无法使用，故本文中主要考虑体积流量计。体积式流量计又可根据测量原理划分为速度式流量计、差压式流量计、容积式流量计等。不同的流量计具有不同的安装条件，测量精度以及适用环境，正确的选用合理经济的流量计，在工业自动化系统建设中尤为重要。 随着工业发展对液体流量计要求的不断提高，液体流量计在工业测量中的地位已经部分地被先进的、高精度的、便利的流量仪表所取代，电磁流量计基于法拉第电磁感应原理研

9、制出的一种测量导电液体体积流量的仪表，根据法拉第电磁感应定律，导电体在磁场中作切割磁力线运动时，导体中产生感应电压，该电动势的大小与导体在磁场中做垂直于磁场运动的速度成正比，由此再根据管径，介质的不同液体流量计在一根由下向上扩大的垂直锥管中，圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的，浮子可以在锥管内自由地上升和下降。在流速和浮力作用下上下运动，与浮子重量平衡后，通过磁耦合传到与刻度盘指示流量。一般分为玻璃和金属转子流量计。金属转子流量计是工业上最常用的，对于小管径腐蚀性介质通常用玻璃材质，由于玻璃材质的本身易碎性，关键的控制点也有用全钛材等贵重金属为材质的转子流量计，液体流量计与显示仪表的接线

10、，应根据放大器的电源来选择接线方式，详见有关“使用说明书。液体流量计传感器可水平、垂直安装，垂时流体方向必须向上。液体应充满管道，不得有气泡。安装时，液体流动方向应与传感器外壳上指示流向的箭头方向一致。传感器上游端至少应有20倍公称通径长度的直管段，下游端应不少于5倍公称通径的直管段，其内壁应光滑清洁，无凹痕、积垢和起皮等缺陷。流量计按测量原理分有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。本文按照目前最流行、最广泛的分类法,即分为:容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计来分别阐述各种流量计

11、的原理、特点、应用概况及国内外的发展情况。1.1差压式流量计差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压,已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。差压式流量计由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。通常以检测件形式对差压式流量计分类,如孔板流量计、文丘里流量计、均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计,差压变送器及流量显示仪表。它已发展为三化(系列化、通用化及标准化)程度很高的、种类规格庞杂的一大类仪表,它既可测量流量参数,也可测量其它参数(如压力、物位、密度等)。差压式流量计的检测件按其作用原理可分为:节流装置、水力阻力式、离心式

12、、动压头式、动压头增益式及射流式几大类。检测件又可按其标准化程度分为二大类:标准的和非标准的。所谓标准检测件是只要按照标准文件设计、制造、安装和使用,无须经实流标定即可确定其流量值和估算测量误差。非标准检测件是成熟程度较差的,尚未列入国际标准中的检测件。差压式流量计是一类应用最广泛的流量计,在各类流量仪表中其使用量占居首位。近年来,由于各种新型流量计的问世,它的使用量百分数逐渐下降,但目前仍是最重要的一类流量计。优点:(1)应用最多的孔板式流量计结构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长;(2)应用范围广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比拟;(3)检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产,便于规模

13、经济生产。缺点:(1)测量精度普遍偏低;(2)范围度窄,一般仅3:14:1;(3)现场安装条件要求高;(4)压损大(指孔板、喷嘴等)。应用概况:差压式流量计应用范围特别广泛,在封闭管道的流量测量中各种对象都有应用,如流体方面:单相、混相、洁净、脏污、粘性流等;工作状态方面:常压、高压、真空、常温、高温、低温等;管径方面:从几mm到几m;流动条件方面:亚音速、音速、脉动流等。它在各工业部门的用量约占流量计全部用量的1/41/3。1.2浮子流量计浮子流量计,又称转子流量计,是变面积式流量计的一种,在一根由下向上扩大的垂直锥管中,圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的,从而使浮子可以在锥管内自由地

14、上升和下降。浮子流量计是仅次于差压式流量计应用范围最宽广的一类流量计,特别在小、微流量方面有举足轻重的作用。80年代中期,日本、西欧、美国的销售金额占流量仪表的15%20%。我国产量1990年估计在1214万台,其中95%以上为玻璃锥管浮子流量计。特点:(1)玻璃锥管浮子流量计结构简单,使用方便,缺点是耐压力低,有玻璃管易碎的较大风险;(2)适用于小管径和低流速;(3)压力损失较低。1.3容积式流量计容积式流量计,又称定排量流量计,简称PD流量计,在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分,根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流

15、体体积总量。容积式流量计按其测量元件分类,可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。优点:(1)计量精度高;(2)安装管道条件对计量精度没有影响;(3)可用于高粘度液体的测量;(4)范围度宽;(5)直读式仪表无需外部能源可直接获得累计,总量,清晰明了,操作简便。缺点:(1)结果复杂,体积庞大;(2)被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大;(3)不适用于高、低温场合;(4)大部分仪表只适用于洁净单相流体;(5)产生噪声及振动。应用概况:容积式流量计与差压式流量计、浮子流量计并列为三类使用量最大的流量

16、计,常应用于昂贵介质(油品、天然气等)的总量测量。工业发达国家近年PD流量计(不包括家用煤气表和家用水表)的销售金额占流量仪表的13%23%;我国约占20%,1990年产量(不包括家用煤气表)估计为34万台,其中椭圆齿轮式和腰轮式分别约占70%和20%。1.4涡轮流量计涡轮流量计,是速度式流量计中的主要种类,它采用多叶片的转子(涡轮)感受流体平均流速,从而且推导出流量或总量的仪表。一般它由传感器和显示仪两部分组成,也可做成整体式。涡轮流量计和容积式流量计、科里奥利质量流量计称为流量计中三类重复性、精度最佳的产品,作为十大类型流量计之一,其产品已发展为多品种、多系列批量生产的规模。优点:(1)高

17、精度,在所有流量计中,属于最精确的流量计;(2)重复性好;(3)元零点漂移,抗干扰能力好;(4)范围度宽;(5)结构紧凑。关于差压式液体流量计的设计 基本原理是输入口与输出口这间的压力差与通过导液管的流速直接相关，用压力传感器测量导液管入口与出口之间的压力差，并将其转换成电压量输出。通过检测导液管两端的压力差，即可计算出通过导游管的流速和流量。差压式液体流量计的结构如图1所示，主要由导液管和差压式压力传感器组成。导液管由输入管、节流管、输出管和两个取压管组成，两个取压管由输入管和输出管引出，用于引出节流管两端的压力差。导液管可由玻璃、塑料、金属等材料制成。输入管和输出管的内径比节流管大，取压管

18、的内径通常最小。如图1所示，输入管、节流管和输出管被连接成“一”字型，取压管被对称地接在输入管与输出管上。差压式压力传感器通过气管被连在两取压管上。当有液体流过导液管时，输入管与输出管之间会产生的压力差，输入管压力大于输出管的压力。由差压式传感器检测这个压力差，并转换成电压信号。 另外，压力差随差通过导液管的单位时间内液体流量（流速）的变化而变化，其关系可由以下等式来表达其中，Qv为单位时间的体积流量，为流量计的转换系数，Y为流体澎胀率，对于液体Y=1，g为当地重力加速度， P1-P2为输入管与输出管之间的压力差，为流体密度等式（1）为用体积流量来表示，也可转换为质量流量表示，如式（2）其中，

19、Qm差压流量计的质量流量，其常与（1）相同。从等（1）和（2）可以得出当，Y，g和不变时，流量与压力差的平方根成正比。流量转换系数是很复杂的一个常数，它决定于传感器的结构和方法，比如与获取压力的方式和位置等因素有关。所需器材：26PCBFA6D型压力传感器，玻璃导管，单片机，导线若干，增压泵、水阀，量筒和水池。压差式压力传感器设计： 本装置采用的压力传感器如图2所示，其内部电路主要是由四个应变片电阻线成的一个惠斯通电桥电路组成。采用型号为26PCBFA6D型压力传感器，其量程为从0到34.445kPa，本压力传感器具有很高的灵敏度，线性度和稳定性，另外还有过载能力强和温度补偿功能。 在使用压力

20、传感器前，对其进行性能测试。将它街上透明的水管，用水柱高坐压力，用高灵敏度数字万用表测量电压，传感器街上12v电压。记录数据。如成线性关系，则表示性能稳定，可以使用。 为了提高传感器的灵敏度，采用了一个仪表放大电路如图4所示。图中使R1=R2=R3=R4=R5=R6，放大电路的输入端接压力传感器的输出，其输出接一个12位的ADC转换器。放大电路的增益可以用等式（4）来表示。其中，Av是放大电路增益，所以有在上式中令K=AvK1，Vo是放大电路输出电压。结合等式（1），（3），（5），流过导液管的液体体积流量和所对应的电压有以下关系：由等式（6）可以清楚地看出体积流量与放大电路输出电压的平方根成正比。关于涡街流量计设计 工作原理：在流体中设置旋涡发生体（阻流体），从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街，如图1所示。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。设旋涡的发生频率为f，被测介质来流的平均速度为U，旋涡发生体迎面宽度为d，表体通径为D，根据卡曼涡街原理，有如下关系式f=SrU1/d=SrU/md （1）式中U1-旋涡发生体两侧平均流速，m/s；Sr-斯特劳哈尔数；m-旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比 图1 卡曼涡街 管道内体积流量qv为qv=D2U