(二)流體流量測量

1.概述

流量是流體在單位時(shí)間內(nèi)通過管道或設(shè)備某橫截面處的數(shù)量。流量可分為質(zhì)量流量和體積流量。質(zhì)量流量是單位時(shí)間內(nèi)通過的流體質(zhì)量，用qm表示，單位為kg/s。體積流量是單位時(shí)間內(nèi)通過的流體體積，用q1表示，單位為m3/s。質(zhì)量流量和體積流量之間的關(guān)系為

qm=Pqv    (2-31)

式中P—流體的密度。

流量又有瞬時(shí)流量和累積流量之分。所謂瞬時(shí)流量，是指在單位時(shí)間內(nèi)流過管道或明渠某一截面的流體的量。工程上講的流量常指瞬時(shí)流量，所謂累積流量，是指在某一時(shí)間間隔內(nèi)流體通過的總量。該總量可以用在該段時(shí)間間隔內(nèi)的瞬時(shí)流量對(duì)時(shí)間的積分而得到，所以也叫積分流量，如用戶的水表、氣表等。累積流量除以流體流過的時(shí)間間隔，即為平均流量。

值得注意的是，對(duì)于氣體，密度受溫度、壓力變化影響較大，如在常溫常壓附近，溫度每變化10℃，密度變化約為3%;壓力每變化lOkPa，密度約變化3%。因此在測量氣體流量時(shí)，必須同時(shí)測量流體的溫度和壓力。為了便于比較，常將在工作狀態(tài)下測得的體積流量換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(溫度為20℃，壓力為101325Pa)的體積流量，用符號(hào)Qn表示，單位為m3/s。

流體流量的測量方法很多。由于生產(chǎn)過程中各種流體的性質(zhì)各不相同，流體的工作狀態(tài)(如介質(zhì)的溫度、壓力等)及流體的黏度、腐蝕性、導(dǎo)電性也不同，因此很難用一種原理或方法測量不同流體的流量。尤其工業(yè)生產(chǎn)過程的情況復(fù)雜，某些場合的流體是高溫、高壓，有時(shí)是氣液兩相或液固兩相的混合流體。所以目前流量測量的方法很多，測量原理和流量傳感器(或稱流量計(jì))也各不相同，從測量方法上一般可分為速度式、容積式和質(zhì)量式三大類。

(1)速度式流量測量原理。速度式流量傳感器大多是通過測量流體在管路內(nèi)已知截面流過的流速大小實(shí)現(xiàn)流量測量的。它是利用管道中流量敏感元件(如孔板、轉(zhuǎn)子、渦輪、靶子、非線性物體等)把流體的流速變換成壓差、位移、轉(zhuǎn)速、沖力、頻率等對(duì)應(yīng)的信號(hào)來間接測量流量的。差壓、轉(zhuǎn)子、渦輪、電磁、旋渦和超聲波等流量傳感器都屬于此類。

(2)容積式流量測量原理。容積式流量傳感器是根據(jù)已知容積的容室在單位時(shí)間內(nèi)所排出流體的次數(shù)來測量流體的瞬時(shí)流量和總量的。常用的容積式流量傳感器有橢圓齒輪式、旋轉(zhuǎn)活塞式和刮板式等。

(3)質(zhì)量式流量測量原理。質(zhì)量式流量傳感器有兩種：一種是根據(jù)質(zhì)量流量與體積流量的關(guān)系，測出體積流量再乘以被測流體的密度的間接質(zhì)量流量傳感器，如工程上常用的補(bǔ)償式質(zhì)量流量傳惑器，它采取溫度、壓力自動(dòng)補(bǔ)償;另一種是直接式質(zhì)量流量傳感器，如熱電式、慣性力式、動(dòng)量矩式質(zhì)量流量傳感器等。直接法測量具有不受流體的壓力、溫度、黏度等變化影響的優(yōu)點(diǎn)，是一種正在發(fā)展中的質(zhì)量流量傳感器。

流量測量儀表的發(fā)展趨勢表現(xiàn)在以下幾方面：①儀表測量精確度有所提高。例如，電磁流量計(jì)的精確度過去只有1.5級(jí)，現(xiàn)已提高到0.5級(jí)。②微機(jī)廣泛地應(yīng)用于測量儀表，逐步實(shí)現(xiàn)了流量測量儀表的智能化。除儀表性能更穩(wěn)定、精確度更高外，儀表的功能也大大增強(qiáng)，如自動(dòng)數(shù)據(jù)處理(包括去掉疏失誤差，求平均值、均方差等)，自動(dòng)選擇計(jì)量單位，自動(dòng)改變量程，進(jìn)行各種修正運(yùn)算(如氣體溫度、壓力變化對(duì)氣體流量的修正)，具有自診斷功能等。現(xiàn)已生產(chǎn)的帶微機(jī)的流量計(jì)有轉(zhuǎn)子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、超聲流量計(jì)、激光流速計(jì)等。此外，各種特殊情況下的流量測量儀表發(fā)展很快，如用于兩相介質(zhì)(氣固、液固、液氣)、高溫、高壓下的流量測量儀表。

2.速度式流量計(jì)

(1)節(jié)流壓差式流量計(jì)。節(jié)流壓差式流量計(jì)是應(yīng)用動(dòng)壓能和靜壓能轉(zhuǎn)換的原理來檢測流量。眾所周知，當(dāng)流體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時(shí)，流體將在節(jié)流件處形成局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后便嚴(yán)生了壓差。流體流量越大，產(chǎn)生的壓差越大，這樣可依據(jù)壓差來衡量流量的大小。顯然影響節(jié)流件壓差的因素有流量、節(jié)流裝置形式、管道內(nèi)流體的物理性質(zhì)(密度、黏度)等。

根據(jù)流體力學(xué)的伯努利方程和流體的連續(xù)性方程，可以推導(dǎo)出流量與壓差之間的流量方程式，即

節(jié)流壓差式流量計(jì)歷史悠久、技術(shù)成熟，因沒有移動(dòng)部分，易于使用，故應(yīng)用廣泛。其結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長，幾乎能測量各種工況下的流體流量，包括常壓、高壓、真空、常溫、高溫、低溫等不同工作狀態(tài);測量對(duì)象也可涵蓋單相和混相流體，不但適用于潔凈流體，對(duì)臟污流體也有一定的適應(yīng)性，可用于測量大多數(shù)液體、氣體和蒸汽的流速。此外，它還能測量亞音速流、臨界流、脈動(dòng)流。測量的管徑可從幾毫米到幾米;其缺點(diǎn)是堵塞和磨損后，會(huì)產(chǎn)生壓力損失，影響測量精確度。

節(jié)流壓差式流量計(jì)的組成如圖2-42所示，它由節(jié)流裝置、引壓導(dǎo)管和壓差變送器構(gòu)成。其中節(jié)流裝置安裝于管道中產(chǎn)生壓差;引壓導(dǎo)管將節(jié)流裝置前后產(chǎn)生的壓差傳送給壓差變送器;壓差變送器將產(chǎn)生的壓差轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)(4～20mA)，以供測量、顯示、記錄或控制。

節(jié)流差壓式流量計(jì)最常用的節(jié)流元件有標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、文丘里管和文丘里噴嘴等，如圖2-43所示。

標(biāo)準(zhǔn)孔板是一塊具有與管道同心圓形開孔的圓板，迎流一側(cè)是有銳利直角人口邊緣的圓筒形孔，順流的出口呈擴(kuò)散的錐形，其具體結(jié)構(gòu)見圖2-44。孔板結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，價(jià)格便宜，但壓力損失較大，測量精度較低，只適用于潔凈流體介質(zhì)，測量大管徑高溫高壓介質(zhì)時(shí)，孔板易變形。

標(biāo)準(zhǔn)噴嘴是一種以管道軸線為中心線的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱體，主要由人口圓弧收縮部分與出口圓筒形喉部組成。國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ISA)推薦的噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2-45所示。像文丘里管流量計(jì)一樣，為了測量精確，噴嘴前直管段至少為10倍管徑。

文丘里管有兩種標(biāo)準(zhǔn)形式：經(jīng)典文丘里管與文丘里噴嘴。文丘里管壓力損失最低，有較高的測量精度，對(duì)流體中的懸浮物不敏感，可用于污臟流體介質(zhì)的流量測量，在大管徑流量測量方面應(yīng)用得較多;但尺寸大、笨重，加工困難，成本高，一般用在有特殊要求的場合。為了測量精確，在文丘里管前面應(yīng)該至少有管道直徑的5～10倍的直管段。所需要的直管段長度取決于進(jìn)口斷面的條件。隨管徑比率增加，進(jìn)口斷面處流動(dòng)影響增大。壓力差測量應(yīng)該用管道周圍的環(huán)形測壓管，并保證在兩個(gè)斷面處有適當(dāng)?shù)拈_孔數(shù)。

在用節(jié)流壓差式流量計(jì)測量流量時(shí)，節(jié)流裝置的取壓方式對(duì)測量的精確度有很大影響。根據(jù)節(jié)流裝置取壓口位置可將取壓方式分為理論取壓、角接取壓、法蘭取壓、徑距取壓與損失取壓五種(見圖2-46)。目前廣泛采用的是角接取壓法，其次是法蘭取壓法。角接取壓法比較簡便，容易實(shí)現(xiàn)環(huán)室取壓，測量精度較高。法蘭取壓法結(jié)構(gòu)較簡單，容易裝配，計(jì)算也方便，但精度比角接取壓法低些。角接取壓裝置見圖2-47。法蘭取壓裝置如圖2-48所示。

值得注意的是，測量管道截面應(yīng)為圓形，節(jié)流件及取壓裝置安裝在兩圓形直管之間。節(jié)流件附近管道的圓度應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)中的具體規(guī)定。當(dāng)現(xiàn)場難以滿足直管段的最小長度要求或有擾動(dòng)源存在時(shí)，可考慮在節(jié)流件前安裝流動(dòng)整流器，以消除流動(dòng)的不對(duì)稱分布和旋轉(zhuǎn)流等情況。

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的計(jì)算包括兩類：流量計(jì)算和設(shè)計(jì)節(jié)流裝置。流量計(jì)算的任務(wù)是在管道、節(jié)流裝置、取壓方式、被測流體參數(shù)已知的情況下，根據(jù)測得的差壓值計(jì)算被測介質(zhì)流量。設(shè)計(jì)節(jié)流裝置則是要根據(jù)用戶提出的已知條件(如流體的性質(zhì)和工作參數(shù))以及限制要求來設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，包括選擇節(jié)流件形式、差壓計(jì)形式及量程范圍;計(jì)算確定節(jié)流件開孔尺寸，提出加工要求;建議節(jié)流件在管道上的安裝位置;估算流量測量誤差等。