(二)流體流量測量

1.概述

流量是流體在單位時間內通過管道或設備某橫截面處的數量。流量可分為質量流量和體積流量。質量流量是單位時間內通過的流體質量，用qm表示，單位為kg/s。體積流量是單位時間內通過的流體體積，用q1表示，單位為m3/s。質量流量和體積流量之間的關系為

qm=Pqv    (2-31)

式中P—流體的密度。

流量又有瞬時流量和累積流量之分。所謂瞬時流量，是指在單位時間內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流量，所謂累積流量，是指在某一時間間隔內流體通過的總量。該總量可以用在該段時間間隔內的瞬時流量對時間的積分而得到，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間間隔，即為平均流量。

值得注意的是，對于氣體，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，必須同時測量流體的溫度和壓力。為了便于比較，常將在工作狀態下測得的體積流量換算成標準狀態下(溫度為20℃，壓力為101325Pa)的體積流量，用符號Qn表示，單位為m3/s。

流體流量的測量方法很多。由于生產過程中各種流體的性質各不相同，流體的工作狀態(如介質的溫度、壓力等)及流體的黏度、腐蝕性、導電性也不同，因此很難用一種原理或方法測量不同流體的流量。尤其工業生產過程的情況復雜，某些場合的流體是高溫、高壓，有時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)也各不相同，從測量方法上一般可分為速度式、容積式和質量式三大類。

(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已知截面流過的流速大小實現流量測量的。它是利用管道中流量敏感元件(如孔板、轉子、渦輪、靶子、非線性物體等)把流體的流速變換成壓差、位移、轉速、沖力、頻率等對應的信號來間接測量流量的。差壓、轉子、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已知容積的容室在單位時間內所排出流體的次數來測量流體的瞬時流量和總量的。常用的容積式流量傳感器有橢圓齒輪式、旋轉活塞式和刮板式等。

(3)質量式流量測量原理。質量式流量傳感器有兩種：一種是根據質量流量與體積流量的關系，測出體積流量再乘以被測流體的密度的間接質量流量傳感器，如工程上常用的補償式質量流量傳惑器，它采取溫度、壓力自動補償;另一種是直接式質量流量傳感器，如熱電式、慣性力式、動量矩式質量流量傳感器等。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點，是一種正在發展中的質量流量傳感器。

流量測量儀表的發展趨勢表現在以下幾方面：①儀表測量精確度有所提高。例如，電磁流量計的精確度過去只有1.5級，現已提高到0.5級。②微機廣泛地應用于測量儀表，逐步實現了流量測量儀表的智能化。除儀表性能更穩定、精確度更高外，儀表的功能也大大增強，如自動數據處理(包括去掉疏失誤差，求平均值、均方差等)，自動選擇計量單位，自動改變量程，進行各種修正運算(如氣體溫度、壓力變化對氣體流量的修正)，具有自診斷功能等。現已生產的帶微機的流量計有轉子流量計、渦輪流量計、超聲流量計、激光流速計等。此外，各種特殊情況下的流量測量儀表發展很快，如用于兩相介質(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

(1)節流壓差式流量計。節流壓差式流量計是應用動壓能和靜壓能轉換的原理來檢測流量。眾所周知，當流體流經管道內的節流件時，流體將在節流件處形成局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在節流件前后便嚴生了壓差。流體流量越大，產生的壓差越大，這樣可依據壓差來衡量流量的大小。顯然影響節流件壓差的因素有流量、節流裝置形式、管道內流體的物理性質(密度、黏度)等。

根據流體力學的伯努利方程和流體的連續性方程，可以推導出流量與壓差之間的流量方程式，即

節流壓差式流量計歷史悠久、技術成熟，因沒有移動部分，易于使用，故應用廣泛。其結構簡單、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;測量對象也可涵蓋單相和混相流體，不但適用于潔凈流體，對臟污流體也有一定的適應性，可用于測量大多數液體、氣體和蒸汽的流速。此外，它還能測量亞音速流、臨界流、脈動流。測量的管徑可從幾毫米到幾米;其缺點是堵塞和磨損后，會產生壓力損失，影響測量精確度。

節流壓差式流量計的組成如圖2-42所示，它由節流裝置、引壓導管和壓差變送器構成。其中節流裝置安裝于管道中產生壓差;引壓導管將節流裝置前后產生的壓差傳送給壓差變送器;壓差變送器將產生的壓差轉換為標準電信號(4～20mA)，以供測量、顯示、記錄或控制。

節流差壓式流量計最常用的節流元件有標準孔板、標準噴嘴、文丘里管和文丘里噴嘴等，如圖2-43所示。

標準孔板是一塊具有與管道同心圓形開孔的圓板，迎流一側是有銳利直角人口邊緣的圓筒形孔，順流的出口呈擴散的錐形，其具體結構見圖2-44。孔板結構簡單，加工方便，價格便宜，但壓力損失較大，測量精度較低，只適用于潔凈流體介質，測量大管徑高溫高壓介質時，孔板易變形。

標準噴嘴是一種以管道軸線為中心線的旋轉對稱體，主要由人口圓弧收縮部分與出口圓筒形喉部組成。國際標準協會(ISA)推薦的噴嘴結構如圖2-45所示。像文丘里管流量計一樣，為了測量精確，噴嘴前直管段至少為10倍管徑。

文丘里管有兩種標準形式：經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，對流體中的懸浮物不敏感，可用于污臟流體介質的流量測量，在大管徑流量測量方面應用得較多;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口斷面的條件。隨管徑比率增加，進口斷面處流動影響增大。壓力差測量應該用管道周圍的環形測壓管，并保證在兩個斷面處有適當的開孔數。

在用節流壓差式流量計測量流量時，節流裝置的取壓方式對測量的精確度有很大影響。根據節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，容易實現環室取壓，測量精度較高。法蘭取壓法結構較簡單，容易裝配，計算也方便，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，測量管道截面應為圓形，節流件及取壓裝置安裝在兩圓形直管之間。節流件附近管道的圓度應符合標準中的具體規定。當現場難以滿足直管段的最小長度要求或有擾動源存在時，可考慮在節流件前安裝流動整流器，以消除流動的不對稱分布和旋轉流等情況。

標準節流裝置的計算包括兩類：流量計算和設計節流裝置。流量計算的任務是在管道、節流裝置、取壓方式、被測流體參數已知的情況下，根據測得的差壓值計算被測介質流量。設計節流裝置則是要根據用戶提出的已知條件(如流體的性質和工作參數)以及限制要求來設計標準節流裝置，包括選擇節流件形式、差壓計形式及量程范圍;計算確定節流件開孔尺寸，提出加工要求;建議節流件在管道上的安裝位置;估算流量測量誤差等。