2.3.2 流量測量儀表

1.節(jié)流式流量計

節(jié)流式流量計工作原理如圖2?3所示。在管道中安裝一個直徑比管徑小的節(jié)流件，當充滿管道的單向流體流經(jīng)節(jié)流件時，由于流道截面突然縮小，流束將在節(jié)流件處形成局部收縮，使流速加快[23]。根據(jù)能量守恒定律，動壓能和靜壓能在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)換。流速加快必然導(dǎo)致壓力p降低，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生靜壓差Δp，而靜壓差的大小和流過的流體流量Q有關(guān)，所以可通過靜壓差來求得流量。

圖2?3 節(jié)流式流量計工作原理

v1—流體流經(jīng)節(jié)流件前的流速v2—流體流經(jīng)節(jié)流件后的流速 p1—流體流經(jīng)節(jié)流件前的靜壓p2—流體流經(jīng)節(jié)流件后的靜壓

靜壓差通過導(dǎo)壓管與壓差計連接，測得靜壓差Δp=p1-p2，經(jīng)理論推導(dǎo)后可求得流過管道流體的流量。

體積流量公式為

式中 α——流量系數(shù)；

ε——氣體膨脹系數(shù)，當測定液體時，ε=1；

d——節(jié)流件開孔直徑（m）；

Δp——節(jié)流件上游側(cè)壓力p1和下游側(cè)壓力p2的差值（Pa）；

ρ——流體密度（kg/m3）。

1）節(jié)流裝置。標準節(jié)流裝置是孔板、噴嘴和文丘里管，如圖2?4所示。

2）取壓方式。節(jié)流裝置的取壓方式以孔板為例，有五種取壓方式，各種取壓方式的取壓孔位置如圖2?5所示。

圖2?4 工業(yè)上廣泛應(yīng)用的節(jié)流裝置

圖2?5 孔板的各種取壓方式

1—角接取壓 2—法蘭取壓 3—徑距取壓 4—理論取壓 5—管接取壓

①角接取壓。在這種取壓方式中，上下游取壓孔中心至孔板（噴嘴）前后端的間距各等于取壓孔直徑的一半或等于取壓環(huán)隙寬度的一半，因而取壓孔穿透處與孔板端正好相平。

②法蘭取壓。在這種取壓方式中，上下游取壓孔中心至孔板前后端面的間距均為（25.4±0.8）mm。

③徑距取壓。在這種取壓方式中，上游取壓孔中心至孔板（噴嘴）前端面的間距為D，下游取壓孔中心至孔板（噴嘴）前端面的間距為D/2。

④理論取壓。在這種取壓方式中，上游取壓孔中心至孔板前端面的間距為D±0.1D，下游取壓空中心至孔板前端面的間距見表2?3。

⑤管接取壓。在這種取壓方式中，上游取壓孔中心至孔板前端面為2.5D，下游取壓孔中心至孔板后端面為8D。

表2?3 理論取壓下游取壓孔位置

注：d是節(jié)流裝置的直徑，D為管道內(nèi)直徑。

以上五種取壓方式各有不同。經(jīng)分析，角接取壓容易實現(xiàn)環(huán)室取壓，可提高測量精度，而法蘭取壓安裝方便。

3）前、后直管段。節(jié)流式流量計除了應(yīng)具備上游10倍管徑長，下游4倍管徑的平直測量管外，還應(yīng)包括節(jié)流件上游第一個局部阻力件與第二個局部阻力件，節(jié)流件下游第一個局部阻力件之間的長度，而且不同的節(jié)流件有不同的要求，詳見國家標準GB/T2624—2006。

節(jié)流式流量計，其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低，并具有一定的準確度。研究、設(shè)計和使用歷史悠久，有豐富的、可靠的實驗數(shù)據(jù)，設(shè)計加工已經(jīng)標準化。不需要進行實流標定，也能在已知的不確定度范圍內(nèi)進行流量測量。測量時，流體必須充滿管道和節(jié)流裝置，并連續(xù)地流經(jīng)管道。流經(jīng)的流體必須是牛頓流體，即單相流和定常流。標準節(jié)流裝置不適用于脈動流和臨界流的流量測量。

2.渦輪流量計

渦輪流量計是一種速度式流量儀表，其結(jié)構(gòu)如圖2?6所示。它主要由殼體組件1、前后導(dǎo)向架組件2和4、葉輪組件3和信號檢測放大器6等組成。

圖2?6 渦輪流量計結(jié)構(gòu)

1—殼體組件 2—前導(dǎo)向架組件 3—葉輪組件 4—后導(dǎo)向架組件 5—壓緊圈 6—信號檢測放大器

當被測流體通過渦輪流量傳感器時，流體通過導(dǎo)流器沖擊渦輪葉片，由于渦輪的葉片與流體流向間有一傾角口，流體的沖擊力對渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，使渦輪克服機械摩擦阻力矩和流動阻力矩而轉(zhuǎn)動。在一定的流量范圍內(nèi)，對于一定的流體介質(zhì)黏度，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與通過渦輪的流量成正比。渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度一般都是通過安裝在傳感器殼體外面的信號檢測放大器，用磁電感應(yīng)的原理來測量轉(zhuǎn)換的。當渦輪轉(zhuǎn)動時，渦輪上由導(dǎo)磁不銹鋼制成的螺旋形葉片依次接近和離開處于管壁外的磁電感應(yīng)線圈，周期性地改變感應(yīng)線圈磁回路的磁阻，使通過線圈的磁通量發(fā)生周期性的變化而產(chǎn)生與流量成正比的脈沖電信號。此脈沖信號經(jīng)信號檢測放大器放大整形后送至顯示儀表（或計算機），顯示流體流量或總量。

在某一流量范圍和一定黏度范圍內(nèi)，渦輪流量計輸出的信號脈沖頻率與通過渦輪流量計的體積流量成正比，即

式中 k0——與數(shù)學(xué)模型有關(guān)的儀表

常數(shù)（1/L或1/m3）。

通常情況下，對一定的渦輪流量計和介質(zhì)，k0值由標定求得，且表示成流量的關(guān)系曲線，稱為渦輪流量計的特性曲線。圖2?7所示為典型的渦輪流量計特性曲線。

圖2?7 典型的渦輪流量計特性曲線

流量計的規(guī)格、流量范圍、精度、最大工作壓力和在正常流量范圍的上限值時的壓力降等見表2?4。

表2?4 渦輪流量計的常用規(guī)格

流量計應(yīng)水平安裝，其殼體上的流向標志方向與流體流動方向應(yīng)該一致。流量計的下游側(cè)應(yīng)有不小于5D長度的直管段，上游側(cè)一般不少于20D長度的直管段，或按下式計算

式中 L——直管段長度（mm）；

D——流量計的內(nèi)徑（mm）；

λ——管道內(nèi)摩擦因數(shù)，處于湍流狀態(tài)時，λ=0.0175；

Ks——漩渦速度比，由流量計上游側(cè)管路情況決定，如圖2?8所示。

圖2?8 典型管路結(jié)構(gòu)的漩渦速度比

流量計上游直管段的內(nèi)徑與流量計的內(nèi)徑相差應(yīng)在流量計內(nèi)徑的±3%以內(nèi)或不得超過5mm（兩者取小者）。在流量計上游10D長度內(nèi)、下游2D長度內(nèi)，管道內(nèi)壁應(yīng)清潔，無明顯凹痕、結(jié)垢和起皮現(xiàn)象。

影響渦輪流量計測量精度的主要原因是流速分布不均勻和漩流的存在，特別是回流影響最大。消除回流的方法是在上游部分的管道內(nèi)裝入整流器。通常采用圖2?9所示的整流器。裝入整流器后，上游部分直管段長度有10D就行了。如果有（15～20）D的直管段再裝入整流器，在任何情況下都能使測量精度保持

在±0.2%以內(nèi)。

圖2?9 整流器

L—整流器總長度，一般取L=10DNA—上游混合室長度。一般取A=（2～3）DNB—導(dǎo)流（或?qū)Я髌╅L度，一般取B=（1.3～2）DNC—下游混合室長度，一般取C=0.5DN以上DN—流量計公稱口徑

n—整流器內(nèi)導(dǎo)流管（導(dǎo)流片）數(shù)，4個以上d—導(dǎo)流管公稱口徑

流量控制閥要安裝在渦輪流量計的下游，而在上游裝截止閥時，必須全開。總之，必須注意不要使渦輪流量計的上游部分的流動發(fā)生紊亂。

流量計的上游應(yīng)裝有能除去流體中各種雜質(zhì)的過濾器，過濾網(wǎng)目數(shù)為20～60目，以確保流量計的正常工作和提高使用壽命。

3.電磁流量計

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)電液體在磁場內(nèi)流動將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，如圖2?10所示。

導(dǎo)電流體流過傳感器工作磁場時，在測量管管壁與流動方向和磁場方向相互垂直方向的一對電極間，產(chǎn)生與體積流量成比例的電動勢。電動勢的大小可表示如下

E=kBDv （2?8）

式中 E——感應(yīng)電動勢信號（V）；

k——常數(shù)；

B——磁感應(yīng)強度（T）；

D——測量管內(nèi)徑（m）；

v——測量管內(nèi)電極斷面軸線方向平均流速（m/s）。

圖2?10 電磁流量計工作原理

因為流量，則

或

式（2?9）說明測量管內(nèi)徑D和磁感應(yīng)強度B一定時，流量Q與感應(yīng)信號電動勢E成正比關(guān)系。式（2-10）說明流量Q和感應(yīng)信號電動勢E與磁感應(yīng)強度B的比值成正比關(guān)系。

電磁流量計由電磁流量傳感器和電磁流量轉(zhuǎn)換器組成[24]。按照其工作原理與結(jié)構(gòu)特征，電磁流量計具有以下特點：

1）用以測量導(dǎo)電流體的體積流量。測量不受流體的密度、黏度、溫度、壓力的影響，在一定范圍內(nèi)不受電導(dǎo)率的影響。

2）傳感器的測量管內(nèi)無阻擾部件，因而幾乎無壓力損失，可靠性高。

3）測量范圍大。同一口徑傳感器上限流速可在0.3～15m/s范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整。

4）與其他流量計相比，其上游的直管段較短。通常在5D（D為管道直徑）以上。

5）可測正、反兩個方向流動流體的流量。

但是，電磁流量計不能測量氣體和石油、石油制品以及有機溶劑等不導(dǎo)電的液體。

典型電磁流量計的流速?流量對照表見表2?5，圖2?11和圖2?12所示是不同流速下典型電磁流量計的精度曲線。

表2?5 電磁流量計的流速?流量對照表 （單位：m3/s）

（續(xù)）

圖2?11 DN15～600電磁流量計精度曲線

圖2?12 DN700～3000電磁流量計精度曲線

4.稱量法和容器法

用容器可以測定一段時間內(nèi)的平均流量。該方法是在一定時間內(nèi)，由一個容器（量筒）收集排出液體，然后用稱量法或容積法計量液體容量再除以時間。

1）儀器及裝置。稱量法由容器、秤（或天平）、切換器、計時器等組成。容器應(yīng)有足夠大的容積，測定時液體不應(yīng)溢出容器外面。秤的最大容量不得超過被測液體質(zhì)量m的5倍，秤的測量不確定度不能超過±0.03%。

容積法由量筒、切換器、計時器等組成。量筒應(yīng)有足夠大的容積，在測定時液體不應(yīng)溢出量筒外面。確定量筒高度時，應(yīng)使量筒內(nèi)有500mm以上的水位差，橫截面應(yīng)上下一致，充滿液體以后，不應(yīng)發(fā)生變形，量筒的測量不確定度應(yīng)小于±0.3%。

注意，如果使注入液體交替進入和排出量筒，量筒應(yīng)是可接通和脫開，借此來控制注入液體；如果量筒是連接在管道中間的，則借量筒的出口關(guān)閉和打開來控制流出液體。

2）測定方法。向容器（或量筒）內(nèi)注入液體的動作和注完撤離的動作應(yīng)盡量快。兩次切換時間之和不得超過0.5s。然后用大于60s的時間向容器（或量筒）內(nèi)注入液體。測定次數(shù)，計時可采用時間計量儀器（如秒表、數(shù)字頻率計等）。5～10次測量的標準偏差S=0.35%。測定時應(yīng)記下液體的溫度。

注入容器（或量筒）的液體含有氣泡時，待消失后再進行測定。測定氣泡不易消失的液體最好用稱量法。

3）流量的計算。用稱量法測定時

式中 Q——體積流量（m3/s）；

m——在單位時間內(nèi)注入容器內(nèi)的液體質(zhì)量（kg）；

ρ——液體密度（kg/m3）；

t——注入液體所需的時間（s）。

用容積法測定時

式中 V——在時間t內(nèi)注入量筒內(nèi)的液體的體積（m3）。