流量測量研究論文

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論文關(guān)鍵字：流量計原理容積式電磁流量計

論文摘要：對目前重要的不同的流量計（容積式計量表，質(zhì)量流量計，電磁流量計）的原理、測量方法、應(yīng)用條件、注意事項等進(jìn)行了總結(jié)，進(jìn)而對流量測量有進(jìn)一步的了解。

1研究背景：

計量是工業(yè)生產(chǎn)的眼睛。流量計量是計量科學(xué)技術(shù)的組成部分之一,它與國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)、科學(xué)研究有密切的關(guān)系。做好這一工作對于保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都具有重要的作用。特別是在能源危機(jī)、工業(yè)生產(chǎn)自動化程度愈來愈高的當(dāng)今時代,流量計在國民經(jīng)濟(jì)中的地位與作用更加明顯。

節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)是大多數(shù)先進(jìn)企業(yè)非常關(guān)心的問題。而要確保壓縮空氣系統(tǒng)高效地運轉(zhuǎn)，流量測量是至關(guān)重要的。對一個典型壓縮空氣系統(tǒng)的全部成本進(jìn)行分析后，我們發(fā)現(xiàn)最大的成本是由電力消耗，而不是系統(tǒng)的投資或維護(hù)產(chǎn)生的。

一臺新式的壓縮機(jī)將百分之九十的電力轉(zhuǎn)換成熱量，而僅將百分之十轉(zhuǎn)換成壓縮空氣，這就使得壓縮空氣比電要貴十倍。測量耗電量隨處可見，但是測量壓縮空氣消耗量的企業(yè)并不多。不進(jìn)行測量就意味著不知道系統(tǒng)的效率。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示百分之三十的壓縮空氣會由于泄漏而損失掉，這本來是可以被檢測出來并修理好的。

還有另外一個重要問題：二氧化碳總排放量的百分之四十來自于工業(yè)。這些二氧化碳是在燃燒礦物燃料（媒、石油、煤氣等）來發(fā)電的過程中產(chǎn)生的。我們都知道，過多的二氧化碳會造成全球變暖。在能源變得短缺并且環(huán)保和我們每一個人息息相關(guān)的時候，流量測量將幫助您依據(jù)消耗量和泄漏檢測來分析您的系統(tǒng)，從而減少能耗和成本。

2調(diào)研目的：

由于流量是一個動態(tài)量,流量測量是一項復(fù)雜的技術(shù)。從被測流體來說,包括氣體、液體和混合流體這三種具有不同物理特性的流體;從測量流體流量時的條件來說,又是多種多樣的,如測量時的溫度可以從高溫到低溫;測量時的壓力可以從高壓到低壓;被測流量的大小可以從微小流量到大流量;被測流體的流動狀態(tài)可以是層流、湍流等等。此外就液體而言,還存在粘度大小不同等情況。

調(diào)研的目的就是對目前重要的不同的流量計的原理、測量方法、應(yīng)用條件、注意事項等進(jìn)行了總結(jié)，進(jìn)而對流量測量有進(jìn)一步的了解，對以后的研究工作起一定的指導(dǎo)意義。

3調(diào)研內(nèi)容

3.1概述

3.1.1流量的概念

流體在單位時間內(nèi)流經(jīng)某一有效截面的體積或質(zhì)量，前者稱體積流量（m3/s)，后者稱質(zhì)量流量(kg/s)。

如果在截面上速度分布是均勻的，則：

如果介質(zhì)的密度為，那么質(zhì)量流量

流過管道某截面的流體的速度在截面上各處不可能是均勻的，假定在這個截面上某一微小單元面積上速度是均勻的，流過該單元面積上的體積流量為，整個截面的流量為；測量某一段時間內(nèi)流過的流體量，即瞬時流量對時間的積分，稱之流體總量。，用來測量流量的儀表統(tǒng)稱為流量計。測量總量的儀表稱為流體計量表或總量計。

3.1.2流體的幾個概念

(1)粘性

在流體的內(nèi)部相互接觸的部分在其切線方向的速度有差別時會產(chǎn)生減小其速度差的作用。這是因為流速快的部分要加速與其相接觸的流速慢的部分，而流速慢的部分要減小與其相接觸的流速快的部分，流體的這種性質(zhì)，稱為粘性。衡量流體粘性大小的物理量稱為粘度

設(shè)有兩塊面積很大距離很近的平板，兩平板中間是流體。令底下的平板保持不動，而以一恒定力推動上面平板，使其以速度v沿x方向活動。由于流體粘性的作用，附在上板底面的一薄層液體以速度v隨上板運動。而下板不動故附在其上的流體不動，所以兩板間的液體就分成無數(shù)薄層而運動，如圖所示。作用力F與受力面平行，稱為剪力，剪力與板的速度v、板的面積S成正比，而與兩板間的距離y成反此，即

（圖）平板間流體速度變化

h稱為粘度，或動力粘度(dynamicviscosity)，單位是：泊（P）(Pa.s)

(2)層流和紊流

流體在細(xì)管中的流動形式可分為層流和紊流兩種。所謂層流(laminarflow)就是流體在細(xì)管中流動的流線平行于管軸時的流動。所謂紊流(turbulentflow)就是流體在細(xì)管中流動的流線相對混亂的流動。利用雷諾數(shù)可以判斷流動的形式。如果雷諾數(shù)小于某一值時，可判斷為層流，而大于此值時則判斷為紊流。

由此，我們發(fā)現(xiàn)管內(nèi)流體流動時存在著兩種狀態(tài)：一為層流狀面一為紊流狀態(tài)．在不同的流動狀態(tài)下，流體有不同的流動特性。在層流流動狀態(tài)時，流量與壓力降成正比；在紊流流動狀態(tài)時，流量與壓力降的平方根成正比，而且在層流與紊流兩種不同的流動狀態(tài)時，其管內(nèi)的速度分布也大不相同。這些對于許多采用測量流速來得到流量的測量方法是很重要的。

(3)雷諾數(shù)

雷諾數(shù)是表征流體流動時慣性力與粘性力之比。利用細(xì)管直徑d，可求出雷諾數(shù)：

為細(xì)管中的平均流速；為流體的運動粘度,d為管徑。Rd＜2320時為層流，Rd＞2320時為紊流；所謂平均流速，一般是指流過管路的體積流量除以管路截面積所得到的數(shù)值。

(4)流體流動的連續(xù)性方程

流體在管道內(nèi)作穩(wěn)定流動的情況:，若流體是不可壓縮的，即則

（圖）某一段流體管道

即流體在穩(wěn)定流動，且不可壓縮時，流過各截面流體的體積為常量。因此利用上式，很方便的求出流體流過管道不同截面時的流速。

（4）流體伯努力方程

3.2流量計

3.2.1容積式計量表

這類儀表用儀表內(nèi)的一個固定容量的容積連續(xù)地測量被測介質(zhì)，最后根據(jù)定量容積稱量的次數(shù)來決定流過的總量。習(xí)慣上人們把計量表也稱為流量計。根據(jù)它的結(jié)構(gòu)不同，這類儀表主要有橢圓齒輪流量計、腰輪流量汁、活塞式流量計等。

(1)橢圓齒輪流量計

（圖）橢圓齒輪流量計原理圖

腰輪流量計（羅茨流量計）

（圖）腰輪流量計原理圖

腰輪流量計除可測液體外，還可測量氣體，精度可達(dá)±0.1％，并可做標(biāo)準(zhǔn)表使用；最大流量可達(dá)1000m3/h。

(2)容積式流量計的誤差

儀表輸出由指針指示，指示值I:

其中：

流量較小時，誤差為負(fù)值，在流量增大時、誤差為正值、且基本保持不變(曲線1)。這種現(xiàn)象主要是由于在運動件的間隙中泄漏所引起的。這個泄漏量與間隙、粘度、前后壓差有關(guān)，另外也和流過體積V所需的時間有關(guān)。

容積式流量計的測量誤差值E，可由指示值與真值之差與指示值之比表示。設(shè)：V為通過流量計的流體體積真值；I為流量計指示值，則誤差值E可表示為

，為流量儀表的流量，，

，

（圖）容積式流量計的誤差曲線

（3）適用范圍

1）可用于各種液體流量的測量，尤其是用于油流量的準(zhǔn)確測量

2）高壓力、大流量的氣體流量測量

3）適用于潤滑性較好、粘度較高的重質(zhì)油品，如原油、重質(zhì)成品油等的計量

4）計量范圍受到轉(zhuǎn)子重量的影響，其精度只適用于一定流量的計量，計量更大流量時，要幾臺并聯(lián)使用

由于橢圓齒輪容積流量計直接依靠測量輪嚙合，因此對介質(zhì)的清潔要求較高，不允許有固體顆粒雜質(zhì)流過流量計．

3.2.2浮子流量計（轉(zhuǎn)子流量計）

(1)原理

浮子流量計的測量本體由一根自下向上擴(kuò)大的垂直錐管和一只可以沿著錐管的軸向自由移動的浮子組成．如圖下

（圖）浮子流量計測量原理圖

當(dāng)被測流體自錐管下端流入流量計時，由于流體的作用，浮子上下端面產(chǎn)生一差壓，該差壓即為浮子的上升力。當(dāng)差壓值大于浸在流體中浮子的重量時，浮子開始上升。隨著浮子的上升．浮子最大外徑與錐管之間的環(huán)形面積逐漸增大，流體的流速則相應(yīng)下降，作用在浮子上的上升力逐漸減小，直至上升力等于浸在流體中的浮子的重量時，浮子便穩(wěn)定在某一高度上。這時浮子在錐管中的高度與所通過的流量有對應(yīng)的關(guān)系。

（2）所受力的分析

作用在浮子上的力有：

流體自下而上運動時，作用在浮子上的阻力F;浮子本身的垂直向下的重力W；流體對浮子所產(chǎn)生的垂直向上的浮力B。當(dāng)浮子處于平衡狀態(tài)時，可列出平衡方程式

式中，cd為浮子的阻力系數(shù)；ro為流體密度；v為環(huán)形流通面積的平均流速：Af為浮子的最大迎流面積。

為浮子材料的重度；為浮子的體積

浮子在流體中所受的浮力為：為流體的重度

該環(huán)形流通面積為A0，則體積流量為

設(shè)，稱為流量系數(shù)，則

（3）注意事項

只要保持流量系數(shù)a為常數(shù)，則流量與浮子高度h之間就存在一一對應(yīng)的近似線性關(guān)系．我們可以將這種對應(yīng)關(guān)系直接刻度在流量計的錐管上．顯然，對于不同的流體，由于密度發(fā)生變化，所以qv與h之間的對應(yīng)關(guān)系也將發(fā)生變化，原來的流量刻度將不再適用．所以原則上，轉(zhuǎn)子流量計應(yīng)該用實際介質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定．

3.2.3電磁流量計

電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。屬于測速式流量計

（1）原理

（圖）電磁流量計原理圖

如圖所示，設(shè)在均勻磁場中，垂直于磁場方向有一個直徑為D的管道。管道由不導(dǎo)磁材料制成，當(dāng)導(dǎo)電的液體在導(dǎo)管中流動時，導(dǎo)電液體切割磁力線，因而在磁場及流動方向垂直的方向上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，如安裝一對電極，則電極間產(chǎn)生和流速成比例的電位差。

式中，c為感應(yīng)電動勢：B為磁感應(yīng)強度，D為管道內(nèi)徑；v為液體在管道內(nèi)平均流速。

（2）使用條件

優(yōu)點：

1）可以測量各種腐蝕性介質(zhì)：酸、堿、鹽溶液以及帶有懸浮顆粒的漿液

2）此流量計無機(jī)械慣性，反應(yīng)靈敏，可以測量脈沖流量，而且線性較好，可以直接進(jìn)行等分刻度局限性：

1）只能測量導(dǎo)電液體，因此對于氣體、蒸氣以及含大量氣泡的液體，或者電導(dǎo)率很低的液體不能測量

2）由于測量管內(nèi)襯材料一般不宜在高溫下工作，所以目前一般的電磁流量計還不能用于測量高溫介質(zhì)[（3）分類

直流勵磁、交流勵磁、低頻方波勵磁

3.2.4質(zhì)量流量計

在工業(yè)生產(chǎn)中，由于物料平衡，熱平衡以及儲存、經(jīng)濟(jì)核算等所需要的都是質(zhì)量，并非體積，所以在測量工作中，常需將測出的體積流量，乘以密度換算成質(zhì)量流量。但由于密度隨溫度、壓力而變化，所以在測量流體體積流量時，要同時測量流體的壓力和密度，進(jìn)而求出質(zhì)量流量。在溫度、壓力變化比較頻繁的情況下，難以達(dá)到測量的目的。這樣便希望用質(zhì)量流量計來測量質(zhì)量流量，而無需再人工進(jìn)行上述換算。

（1）分類

1）直接式：即直接檢測與質(zhì)量流量成比例的量，檢測元件直接反映出質(zhì)量流量。

2）推導(dǎo)式：即用體積流量計和密度計組合的儀表來測量質(zhì)量流量，同時檢測出體積流量和流體密度，通過運算得出與質(zhì)量流量有關(guān)的輸出信號。

3）補償式：同時檢測流體的體積流量和流體的溫度、壓力值，再根據(jù)流體密度與溫度、壓力的關(guān)系，由計算單元計算得到該狀態(tài)下流體的密度值，最后再計算得到流體的質(zhì)量流量值。

補償式質(zhì)量流量則量方法，是目前工業(yè)上普遍應(yīng)用的一種測量方法。

（2）熱式質(zhì)量流量計

熱式質(zhì)量流量計是由外熱源對被測流體加熱，測量因流體流動而造成的溫度變化來反映質(zhì)量流量，或利用加熱流體時流體溫度上升所需能量與流體質(zhì)量之間關(guān)系測量流體質(zhì)量流量的儀表。比較典型的一種是托馬斯流量計。

（圖）托馬斯氣體流量計原理圖

加熱氣體所需要的能量和加熱器上下游溫差之間的關(guān)系可表示為：

由上式可得氣體的質(zhì)量流量可表示為

從上式知，若采用恒定功率法，即保持功率E為常數(shù)，則溫差與質(zhì)量流量成反比，測量溫差即得流量；若采用恒定溫差法，即保持溫差為常數(shù)，則加熱器輸入功率E與質(zhì)量流量成反比，測得加熱器功率E即可得值。實用上，無論從特性關(guān)系或?qū)崿F(xiàn)測量的手段看，恒定溫差法都比恒定功率法簡單，因而應(yīng)用較多。

（3）推導(dǎo)式質(zhì)量流量計

它是由體積流量計和密度計組合而成的，其形式可分為

1）檢測的流量計和密度計的組合方式；

2）檢測的流量計和密度計的組合方式；其中為流體密度，為體積流量

3）檢測的流量計和檢測的流量計的組合方式；

（圖）檢測器與密度計的組合質(zhì)量流量計原理圖

（圖）檢測器和密度計組合的質(zhì)量流量計原理圖

（圖）檢測器和檢測器組合的質(zhì)量流量計原理圖

4調(diào)研總結(jié)

首先，由于流量是一個動態(tài)量,流量測量是一項復(fù)雜的技術(shù)。對在一定通道內(nèi)流動的流體的流量進(jìn)行測量統(tǒng)稱為流量計量。流量測量的流體是多樣化的，如測量對象有氣體、液體、混合流體；流體的溫度、壓力、流量均有較大的差異，要求的測量準(zhǔn)確度也各不相同。因此，流量測量的任務(wù)就是根據(jù)測量目的，被測流體的種類、流動狀態(tài)、測量場所等測量條件，研究各種相應(yīng)的測量方法，并保證流量量值的正確傳遞。

經(jīng)過幾天的調(diào)研，對目前重要的不同的流量計的原理、測量方法、應(yīng)用條件、注意事項等進(jìn)行了總結(jié)，進(jìn)而對流量測量有了進(jìn)一步的了解。達(dá)到了調(diào)研目的。

其次，流量儀表伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展有必要逐步完善其性能,而技術(shù)的進(jìn)步也讓流量儀表的完善成為可能。盡管有些儀表（如電磁）的性能相對較為優(yōu)越，但也并非盡善到可取代所有的流量儀表，況且，它當(dāng)前的價格還較昂貴，使用的經(jīng)驗還不足，有待積累。工業(yè)領(lǐng)域十分廣闊，還沒有一種儀表可以滿足一切要求。所以盡管發(fā)展趨勢有增有減，而取代的過程將是緩慢的。

最后，調(diào)研內(nèi)容有一定的根據(jù)性，對現(xiàn)實中流量的測量、應(yīng)用，都有一定的幫助

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