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关于流量测量的综述

　　论文关键字：流量计　原理　容积式　电磁流量计
　　论文摘要：对目前重要的不同的流量计的原理、测量方法、应用条件、注意事项等进行了总结，进而对流量测量有进一步的了解。
　　1研究背景：
　　计量是工业生产的眼睛。流量计量是计量科学技术的组成部分之一,它与国民经济、国防建设、科学研究有密切的关系。做好这一工作对于保证产品质量、提高生产效率、促进科学技术的发展都具有重要的作用。特别是在能源危机、工业生产自动化程度愈来愈高的当今时代,流量计在国民经济中的地位与作用更加明显。
　　节约能源和环境保护是大多数先进企业非常关心的问题。而要确保压缩空气系统高效地运转，流量测量是至关重要的。对一个典型压缩空气系统的全部成本进行分析后，我们发现最大的成本是由电力消耗，而不是系统的投资或维护产生的。
　　一台新式的压缩机将百分之九十的电力转换成热量，而仅将百分之十转换成压缩空气，这就使得压缩空气比电要贵十倍。测量耗电量随处可见，但是测量压缩空气消耗量的企业并不多。不进行测量就意味着不知道系统的效率。统计数据显示百分之三十的压缩空气会由于泄漏而损失掉，这本来是可以被检测出来并修理好的。
　　还有另外一个重要问题：二氧化碳总排放量的百分之四十来自于工业。这些二氧化碳是在燃烧矿物燃料来发电的过程中产生的。我们都知道，过多的二氧化碳会造成全球变暖。在能源变得短缺并且环保和我们每一个人息息相关的时候，流量测量将帮助您依据消耗量和泄漏检测来分析您的系统，从而减少能耗和成本。
　　2调研目的
　　由于流量是一个动态量,流量测量是一项复杂的技术。从被测流体来说,包括气体、液体和混合流体这三种具有不同物理特性的流体;从测量流体流量时的条件来说,又是多种多样的,如测量时的温度可以从高温到低温;测量时的压力可以从高压到低压;被测流量的大小可以从微小流量到大流量;被测流体的流动状态可以是层流、湍流等等。此外就液体而言,还存在粘度大小不同等情况。
　　调研的目的就是对目前重要的不同的流量计的原理、测量方法、应用条件、注意事项等进行了总结，进而对流量测量有进一步的了解，对以后的研究工作起一定的指导意义。
　　3调研内容
　　概述
　　流量的概念
　　流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量，前者称体积流量平板间流体速度变化

　　h称为粘度，或动力粘度(dynamic viscosity)，单位是：泊()

　　(2)层流和紊流
　　流体在细管中的流动形式可分为层流和紊流两种。所谓层流(laminar flow)就是流体在细管中流动的流线平行于管轴时的流动。所谓紊流(turbulent flow)就是流体在细管中流动的流线相对混乱的流动。利用雷诺数可以判断流动的形式。如果雷诺数小于某一值时，可判断为层流，而大于此值时则判断为紊流。
　　由此，我们发现管内流体流动时存在着两种状态：一为层流状面一为紊流状态．在不同的流动状态下，流体有不同的流动特性。在层流流动状态时，流量与压力降成正比；在紊流流动状态时，流量与压力降的平方根成正比，而且在层流与紊流两种不同的流动状态时，其管内的速度分布也大不相同。这些对于许多采用测量流速来得到流量的测量方法是很重要的。
　　(3)雷诺数
　　雷诺数是表征流体流动时惯性力与粘性力之比。利用细管直径d，可求出雷诺数
　　为细管中的平均流速； 为流体的运动粘度,d为管径。Rd＜2320时为层流，Rd＞2320时为紊流；所谓平均流速，一般是指流过管路的体积流量除
　　以管路截面积所得到的数值。

　　(4)流体流动的连续性方程
　　流体在管道内作稳定流动的情况: ，若流体是不可压缩的，即 则
　　某一段流体管道
　　即流体在稳定流动，且不可压缩时，流过各截面流体的体积为常量。因此利用上式，很方便的求出流体流过管道不同截面时的流速。
　　流体伯努力方程

　　流量计
　　容积式计量表
　　这类仪表用仪表内的一个固定容量的容积连续地测量被测介质，最后根据定量容积称量的次数来决定流过的总量。习惯上人们把计量表也称为流量计。根据它的结构不同，这类仪表主要有椭圆齿轮流量计、腰轮流量汁、活塞式流量计等。
　　(1)椭圆齿轮流量计
　　椭圆齿轮流量计原理图
　　腰轮流量计
　　腰轮流量计原理图
　　腰轮流量计除可测液体外，还可测量气体，精度可达±％，并可做标准表使用；最大流量可达1000m3/h。
　　(2)容积式流量计的误差
　　仪表输出由指针指示，指示值I:
　　其中
　　流量较小时，误差为负值，在流量增大时、误差为正值、且基本保持不变(曲线1)。这种现象主要是由于在运动件的间隙中泄漏所引起的。这个泄漏量与间隙、粘度、前后压差有关，另外也和流过体积V所需的时间有关。
　　容积式流量计的测量误差值E，可由指示值与真值之差与指示值之比表示。设：V为通过流量计的流体体积真值；I为流量计指示值，则误差值E可表示为

， 为流量仪表的流量， ，

，

　　容积式流量计的误差曲线
　　适用范围
　　1）可用于各种液体流量的测量，尤其是用于油流量的准确测量
　　2）高压力、大流量的气体流量测量
　　3）适用于润滑性较好、粘度较高的重质油品，如原油、重质成品油等的计量
　　4）计量范围受到转子重量的影响，其精度只适用于一定流量的计量，计量更大流量时，要几台并联使用
　　由于椭圆齿轮容积流量计直接依靠测量轮啮合，因此对介质的清洁要求较高，不允许有固体颗粒杂质流过流量计．
　　浮子流量计
　　(1)原理
　　浮子流量计的测量本体由一根自下向上扩大的垂直锥管和一只可以沿着锥管的轴向自由移动的浮子组成．如图下
　　浮子流量计测量原理图
　　当被测流体自锥管下端流入流量计时，由于流体的作用，浮子上下端面产生一差压，该差压即为浮子的上升力。当差压值大于浸在流体中浮子的重量时，浮子开始上升。随着浮子的上升．浮子最大外径与锥管之间的环形面积逐渐增大，流体的流速则相应下降，作用在浮子上的上升力逐渐减小，直至上升力等于浸在流体中的浮子的重量时，浮子便稳定在某一高度上。这时浮子在锥管中的高度与所通过的流量有对应的关系。
　　所受力的分析
　　作用在浮子上的力有
　　流体自下而上运动时，作用在浮子上的阻力F; 浮子本身的垂直向下的重力W；流体对浮子所产生的垂直向上的浮力B。当浮子处于平衡状态时，可列出平衡方程式

　　式中，cd为浮子的阻力系数；ro为流体密度；v为环形流通面积的平均流速：Af为浮子的最大迎流面积。

　　为浮子材料的重度； 为浮子的体积
　　浮子在流体中所受的浮力为：　为流体的重度

　　该环形流通面积为A0，则体积流量为

　　设 ，称为流量系数，则

　　注意事项
　　只要保持流量系数a为常数，则流量与浮子高度h之间就存在一一对应的近似线性关系．我们可以将这种对应关系直接刻度在流量计的锥管上．显然，对于不同的流体，由于密度发生变化，所以qv与h之间的对应关系也将发生变化，原来的流量刻度将不再适用．所以原则上，转子流量计应该用实际介质进行标定．
　　电磁流量计
　　电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。属于测速式流量计
　　原理
　　电磁流量计原理图
　　如图所示，设在均匀磁场中，垂直于磁场方向有一个直径为D的管道。管道由不导磁材料制成，当导电的液体在导管中流动时，导电液体切割磁力线，因而在磁场及流动方向垂直的方向上产生感应电动势，如安装一对电极，则电极间产生和流速成比例的电位差。

　　式中，c为感应电动势：B为磁感应强度， D为管道内径；v为液体在管道内平均流速。

　　使用条件
　　优点
　　1）可以测量各种腐蚀性介质：酸、碱、盐溶液以及带有悬浮颗粒的浆液
　　2）此流量计无机械惯性，反应灵敏，可以测量脉冲流量，而且线性较好，可以直接进行等分刻度局限性
　　1）只能测量导电液体，因此对于气体、蒸气以及含大量气泡的液体，或者电导率很低的液体不能测量
　　2）由于测量管内衬材料一般不宜在高温下工作，所以目前一般的电磁流量计还不能用于测量高温介质
　　分类
　　直流励磁、交流励磁、低频方波励磁
　　质量流量计
　　在工业生产中，由于物料平衡，热平衡以及储存、经济核算等所需要的都是质量，并非体积，所以在测量工作中，常需将测出的体积流量，乘以密度换算成质量流量。但由于密度随温度、压力而变化，所以在测量流体体积流量时，要同时测量流体的压力和密度，进而求出质量流量。在温度、压力变化比较频繁的情况下，难以达到测量的目的。这样便希望用质量流量计来测量质量流量，而无需再人工进行上述换算。
　　分类
　　1）直接式：即直接检测与质量流量成比例的量，检测元件直接反映出质量流量。
　　2）推导式：即用体积流量计和密度计组合的仪表来测量质量流量，同时检测出体积流量和流体密度，通过运算得出与质量流量有关的输出信号。
　　3）补偿式：同时检测流体的体积流量和流体的温度、压力值，再根据流体密度与温度、压力的关系，由计算单元计算得到该状态下流体的密度值，最后再计算得到流体的质量流量值。
　　补偿式质量流量则量方法，是目前工业上普遍应用的一种测量方法。
　　热式质量流量计
　　热式质量流量计是由外热源对被测流体加热，测量因流体流动而造成的温度变化来反映质量流量，或利用加热流体时流体温度上升所需能量与流体质量之间关系测量流体质量流量的仪表。比较典型的一种是托马斯流量计。
　　托马斯气体流量计原理图
　　加热气体所需要的能量和加热器上下游温差之间的关系可表示为

　　由上式可得气体的质量流量可表示为

　　从上式知，若采用恒定功率法，即保持功率E为常数，则温差 与质量流量 成反比，测量温差 即得流量；若采用恒定温差法，即保持温差 为常数，则加热器输入功率E与质量流量成反比，测得加热器功率E即可得 值。实用上，无论从特性关系或实现测量的手段看，恒定温差法都比恒定功率法简单，因而应用较多。
　　推导式质量流量计
　　它是由体积流量计和密度计组合而成的，其形式可分为
　　1）检测 的流量计和密度计的组合方式；
　　2）检测 的流量计和密度计的组合方式；其中 为流体密度， 为体积流量
　　3）检测 的流量计和检测 的流量计的组合方式；
　　检测器与密度计的组合质量流量计原理图
　　检测器和密度计组合的质量流量计原理图
　　检测器和 检测器组合的质量流量计原理图
　　4调研总结
　　首先，由于流量是一个动态量,流量测量是一项复杂的技术。对在一定通道内流动的流体的流量进行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。
　　经过几天的调研，对目前重要的不同的流量计的原理、测量方法、应用条件、注意事项等进行了总结，进而对流量测量有了进一步的了解。达到了调研目的。
　　其次，流量仪表伴随着现代工业的发展有必要逐步完善其性能,而技术的进步也让流量仪表的完善成为可能。尽管有些仪表的性能相对较为优越，但也并非尽善到可取代所有的流量仪表，况且，它当前的价格还较昂贵，使用的经验还不足，有待积累。工业领域十分广阔，还没有一种仪表可以满足一切要求。所以尽管发展趋势有增有减，而取代的过程将是缓慢的。
　　最后，调研内容有一定的根据性，对现实中流量的测量、应用，都有一定的帮助
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