流体流量测量的方法优化

流量是指单位时间内流过通道截面的流体量。若流过的量以体积表示，称为体积流量qV；以质量表示，称为质量流量qm；以重量表示，称为重量流量qw。它们之间的关系为

式中，g是测量地的重力加速度；ρ是被测流体的密度，它随流体的状态而变。因此，以体积流量描述时，必须同时指明被测流体的压强和温度。为了便于比较，以标准技术状态下，即压强0.1013MPa、温度20℃的体积流量来表示。一般而言，以体积流量描述的流量计，其指示刻度的标定都是以水或空气为介质，在标准技术状态下进行的。若使用条件和工厂标定条件不符时，需进行修正或现场重新标定。

测量流量的方法大致可分为三类。

（1）速度式测量方法 以流体在通道中的流速为测量依据，这类仪表种类繁多，常见的有节流式流量计、转子流量计、涡轮流量计、靶式流量计等。

（2）容积式测量方法 以单位时间内排出流体的固定容积数为测量依据，这类仪表常见的有湿式气体流量计、皂膜流量计、椭圆齿流量计等。

（3）质量式测量方法 以流过的流体质量为测量依据，这类仪表常见的主要有直接式和补偿式两种。

4.3.1 速度式测量方法

1.节流式流量计

节流式流量计中较为典型的有孔板流量计和喷嘴流量计，它们都是基于流体的动能和势能相互转化的原理设计的，其基本结构如图4-7和图4-8所示。流体通过孔板或喷嘴时流速增加，从而在孔板或喷嘴的前后产生势能差，这一势能差可以由引压管在压差计或差压变送器上显示出来。

对于标准的孔板和喷嘴，其结构尺寸、加工精度、取压方式、安装要求、管道的粗糙度等均有严格的规定，只有满足这些规定条件及制造厂提供的流量系数时，才能保证测量的精度。

非标准孔板和喷嘴是指不符合标准孔板规范的、如自己设计制造的孔板或喷嘴。对于这类孔板和喷嘴，在使用前必须进行校正，取得流量系数或流量校核曲线后才能投入使用。在设计制造孔板时，孔径的选择要按流量大小、压差计的量程和允许的能耗综合考虑。为了使流体的能耗控制在一定范围内并保证检测的灵敏度，推荐的孔板孔径和管径之比为0.45～0.50。

图4-7 孔板

图4-8 喷嘴

孔板和喷嘴的安装，一般要求保持上游有30d～50d、下游有不小于5d的直管稳定段。孔口的中心线应与管轴线相重合。对于标准孔板或是已确定了流量系数的孔板，在使用时不能反装，否则会引起较大的测量误差。正确的安装是孔口的锐角方向正对着流体的来流方向。由于孔板或喷嘴的取压方式不同会直接影响其流量系数的值，标准孔板采用角接取压或法兰取压，标准喷嘴采用角接取压，使用时须按要求连接。自制孔板除采用标准孔板的方法外，尚可采用径距取压，即上游取压口距孔板端面1d，下游取压口距孔板端面0.5d。

孔板流量计结构简单，使用方便，可用于高温、高压场合，但流体流经孔板能量损耗较大。若不允许能量消耗过大的场合，可采用文丘里流量计。其基本原理与孔板类同，不再赘述。按照文丘里流量计的结构，设计制成的玻璃毛细管流量计能测量小流量，它已在实验中获得广泛使用。

2.转子流量计

转子流量计又称浮子流量计，如图4-9所示，是实验室最常见的流量仪表之一。其特点是量程比大，可达10∶1，直观，势能损失较小，适合于小流量的测量。

图4-9 转子流量计

若将转子流量计的转子与差动变压器的可动铁芯连接成一体，使被测流体的流量值转换成电信号输出，可实现远传显示的目的。

转子流量计安装时要特别注意垂直度，不允许有明显的倾斜（倾角要小于20°），否则会带来测量误差。为了检修方便，在转子流量计上游应设置调节阀。转子流量计测的是体积流量，出厂前是在标准技术状态下标定的。因此，若实际使用条件和标准技术状态条件不符时，需按下式进行修正或现场重新标定。

对于液体：

式中　q —实际流量，L/h；

qN——刻度流量，L/h；

ρ0——20℃时水的密度，kg/m3；

ρ——被测介质密度，kg/m3；

ρf——转子密度，kg/m3。

对于气体：

式中　ρ0——标定介质（空气）在标准状态下的密度，kg/m3；

ρ——被测介质在标准状态下的密度，kg/m3；

p0，T0——标定的空气状况：0.1013MPa，293K下的压强和温度；

p，T——实际测量时被测介质的绝对压强和绝对温度。

3.涡轮流量计

涡轮流量计是一种精度较高的速度式流量测量仪表，其精度为0.5级。它由涡轮流量变送器（图4-10）和显示仪表组成。当流体通过时，冲击由导磁材料制成的涡轮叶片，使涡轮发生旋转。变送器壳体上的检测线圈产生一个稳定的电磁场。在一定流量范围和流体黏度下，涡轮的转速和流体流量成正比。涡轮转动时，涡轮叶片切割电磁场。由于叶片的磁阻与叶片间隙间流体的磁阻相差很大，因而使通过线圈的磁通量发生周期性变化，线圈内便产生了感应电流脉冲信号。脉冲信号的多少与流量的大小成正比。在一定时间间隔内测取脉冲数量（脉冲数/秒），并根据涡轮流量计的流量系数（脉冲数/升），便可求得体积流量（升/秒）。

图4-10 涡轮流量计(www.xing528.com)

4.靶式流量计

在化工和炼油生产中，通常会遇到如重油、沥青、焦油等黏度较高介质和悬浮液的流量测量。在这种场合下，上述介绍的节流式流量计、转子流量计和涡轮流量计由于结构上及性能上的限制，不能适应这种特殊介质流量测量的要求。靶式流量计是在管道中插入一块靶作为节流元件（如图4-11所示），从流体力学的基本原理来看，它与节流式流量计、转子流量计是相似的，都是采用了在管道中插入一定型式的节流元件（孔板、转子、靶等），利用流体能量形式转换的办法来进行流量测量。靶式流量计虽然其流通截面是恒定的（靶与管壁间的环形间隙），但它是采用流体给予靶上的推力F而不是静压差作为流量测量信号。流体流量越大，靶上受到的推力F也越大。将推力F通过力矩传递及信号转换，便可将流体流量显示出来。

图4-11 靶式流量计

1—靶；2—输出轴密封片；3—靶的输出力杠杆（主杠杆）；4—管道；F—靶上所受到的流体推力

4.3.2容积式测量方法

1.湿式气体流量计

湿式气体流量计结构如图4-12所示，其外部为一圆筒形外壳，内部为一分成四室的转子；在流量计正面有指针、刻度盘和数字表，用以记录气体流量。进气管、加水漏斗和放水旋塞均在流量计后面；出气管和水平仪在流量计顶部。在表顶有两个垂直的孔眼，可用于插入气压计和温度计；溢水旋塞在流量计正面左侧。流量计下面有三只螺丝支脚用来校准水平。气体由流量计背面中央处进入，转子每转动一周，四个小室都完成一次进气和排气，故流量计的体积为四个小室充气体积之和。计数机构在刻度盘上显示相应数字。

图4-12 湿式气体流量计

湿式流量计每个气室的有效体积是由预先注入流量计内的水面控制的，所以在使用时必须检查水面是否达到预定的位置。安装时，仪表必须保持水平。

2.皂膜流量计

皂膜流量计一般用于气体小流量的测定，它由一根具有上、下两条刻度线指示的标准体积的玻璃管和含有肥皂液的橡皮球组成，如图4-13所示。肥皂液是示踪剂。当气体通过皂膜流量计的玻璃管时，肥皂液膜在气体的推动下沿管壁缓缓向上移动。在一定时间内皂膜通过上、下标准容积刻度线，表示在该时间段内通过了由刻度线指示的气体体积量，从而得到气体的平均流量。

图4-13 皂膜流量计

图4-14 椭圆齿流量计

为了保证测量精度，皂膜速度应小于4cm/s。安装时须保证皂膜流量计的垂直度。每次测量前，按一下橡皮球，使之在管壁上形成皂膜以便指示气体通过皂膜流量计的体积。为了使皂膜在管壁上顺利移动，在使用前须用肥皂液润湿管壁。

皂膜流量计结构简单，测量精度高，可作为校准其他流量计的基准流量计。它便于实验室制备，推荐尺寸为：管子内径1cm，长度25cm；或管子内径10cm，长度100～150cm两种规格。

3.椭圆齿流量计

椭圆齿流量计适用于黏度较高的液体，如润滑油的计量。它是由一对椭圆状互相啮合的齿轮和壳体组成的，如图4-14所示。在流体压差的作用下，各自绕其轴心旋转。每旋转一周排出四个月牙形体积（由齿轮与壳体间形成）的流体。

此外，实验室中也时常以计量泵作为液体的容积计量工具。使用计量泵需保持泵的转速或往复速度的稳定以保证计量的准确度，读者可参阅相关资料。

4.3.3 质量式测量方法——质量流量计

由速度式和容积式方法测得的流体体积流量都受到流体的工作压强、温度、黏度、组成以及相变等因素的影响而带来测量误差，而质量测量方法则直接测定单位时间内所流过的介质的质量，可不受上述诸因素的影响。它是一种比较新型的流量计，在工程与实验室中得到越来越多的使用。

由于质量流量是流通截面积、流体流速和流体密度的函数，当流通截面积为常数时，只要测得单位体积内流体的流量和流体密度，即可得到质量流量，而流体密度又是温度和压强的函数。因此，只要测得流体流速及其温度和压强，依一定的关系便可间接地测得质量流量。这就是温度、压力补偿式质量流量计的作用原理。

气体质量流量测量的压力、温度补偿系统如图4-15所示。它是通过测量流体的体积流量、温度、压力值，又根据已知的被测流体密度和温度、压力之间的关系，经过运算把测得的体积流量值自动换算到标准状况下的体积流量值。此值再乘以标准状况下的密度值（常数），便测得了该气体的质量流量。

图4-15 压力、温度补偿系统

4.3.4 常用流量测量仪表的选用

流量计的选用应根据工艺生产过程的技术要求、被测介质与应用场合，合理地选择种类、型号、工作压力和温度、测量范围、测量精度。

常用流量测量仪表的种类、特点和应用范围可参阅表4-3。

表4-3 常用流量测量仪表的种类、特点和应用范围

续表

4.3.5 流量计的标定校正

对于非标准化的各种流量仪表，例如转子、涡轮、椭圆齿轮等流量计，仪表制造厂在出厂前都进行了流量标定，建立流量刻度标尺，或给出流量系数、校正曲线。必须指出，仪表制造厂是以空气或水为工作介质，在标准技术状况下标定得到相关数据的。然而在实验室或生产上应用时，工作介质、压强、温度等操作条件往往和原来标定时的条件不同。为了精确地使用流量计，在使用之前需要进行现场校正工作。另外，对于自行改制（如更换转子流量计的转子）或自行制造的流量计，更需要进行流量计的标定工作。

对于流量计的标定和校验，一般采用体积法、称重法和基准流量计法来进行。

体积法或称重法是通过测量一定时间内排出的流体体积量或质量来实现的。基准流量计法则是用一个已校正过的、精度级别较高的流量计作为被校验流量计的比较基准。流量计标定的精度取决于测量体积的容器、称重的秤、测量时间的仪表或基准流量计的精度。以上各个测量仪的精度组成了整个标定系统的精度，亦即被测流量计的精度。由此可知，若采用基准流量计法标定流量，欲提高被标定的流量计的精度，必须选用精度更高的流量计。

对于实验室而言，上述三种方法均可使用。在小流量液体流量计的标定时，经常使用体积法或称重法，如用量筒作为标准体积容器，以天平称重。对于小流量的气体流量计，可以用标准容量瓶，皂膜流量计或湿式气体流量计作为计量标准。