2.3.2 流量测量仪表

1.节流式流量计

节流式流量计工作原理如图2⁃3所示。在管道中安装一个直径比管径小的节流件，当充满管道的单向流体流经节流件时，由于流道截面突然缩小，流束将在节流件处形成局部收缩，使流速加快[23]。根据能量守恒定律，动压能和静压能在一定条件下可以互相转换。流速加快必然导致压力p降低，于是在节流件前后产生静压差Δp，而静压差的大小和流过的流体流量Q有关，所以可通过静压差来求得流量。

图2⁃3 节流式流量计工作原理

v1—流体流经节流件前的流速v2—流体流经节流件后的流速 p1—流体流经节流件前的静压p2—流体流经节流件后的静压

静压差通过导压管与压差计连接，测得静压差Δp=p1-p2，经理论推导后可求得流过管道流体的流量。

体积流量公式为

式中 α——流量系数；

ε——气体膨胀系数，当测定液体时，ε=1；

d——节流件开孔直径（m）；

Δp——节流件上游侧压力p1和下游侧压力p2的差值（Pa）；

ρ——流体密度（kg/m3）。

1）节流装置。标准节流装置是孔板、喷嘴和文丘里管，如图2⁃4所示。

2）取压方式。节流装置的取压方式以孔板为例，有五种取压方式，各种取压方式的取压孔位置如图2⁃5所示。

图2⁃4 工业上广泛应用的节流装置

图2⁃5 孔板的各种取压方式

1—角接取压 2—法兰取压 3—径距取压 4—理论取压 5—管接取压

①角接取压。在这种取压方式中，上下游取压孔中心至孔板（喷嘴）前后端的间距各等于取压孔直径的一半或等于取压环隙宽度的一半，因而取压孔穿透处与孔板端正好相平。

②法兰取压。在这种取压方式中，上下游取压孔中心至孔板前后端面的间距均为（25.4±0.8）mm。

③径距取压。在这种取压方式中，上游取压孔中心至孔板（喷嘴）前端面的间距为D，下游取压孔中心至孔板（喷嘴）前端面的间距为D/2。

④理论取压。在这种取压方式中，上游取压孔中心至孔板前端面的间距为D±0.1D，下游取压空中心至孔板前端面的间距见表2⁃3。

⑤管接取压。在这种取压方式中，上游取压孔中心至孔板前端面为2.5D，下游取压孔中心至孔板后端面为8D。

表2⁃3 理论取压下游取压孔位置

注：d是节流装置的直径，D为管道内直径。

以上五种取压方式各有不同。经分析，角接取压容易实现环室取压，可提高测量精度，而法兰取压安装方便。

3）前、后直管段。节流式流量计除了应具备上游10倍管径长，下游4倍管径的平直测量管外，还应包括节流件上游第一个局部阻力件与第二个局部阻力件，节流件下游第一个局部阻力件之间的长度，而且不同的节流件有不同的要求，详见国家标准GB/T2624—2006。

节流式流量计，其结构简单、工作可靠、成本低，并具有一定的准确度。研究、设计和使用历史悠久，有丰富的、可靠的实验数据，设计加工已经标准化。不需要进行实流标定，也能在已知的不确定度范围内进行流量测量。测量时，流体必须充满管道和节流装置，并连续地流经管道。流经的流体必须是牛顿流体，即单相流和定常流。标准节流装置不适用于脉动流和临界流的流量测量。

2.涡轮流量计

涡轮流量计是一种速度式流量仪表，其结构如图2⁃6所示。它主要由壳体组件1、前后导向架组件2和4、叶轮组件3和信号检测放大器6等组成。

图2⁃6 涡轮流量计结构

1—壳体组件 2—前导向架组件 3—叶轮组件 4—后导向架组件 5—压紧圈 6—信号检测放大器

当被测流体通过涡轮流量传感器时，流体通过导流器冲击涡轮叶片，由于涡轮的叶片与流体流向间有一倾角口，流体的冲击力对涡轮产生转动力矩，使涡轮克服机械摩擦阻力矩和流动阻力矩而转动。在一定的流量范围内，对于一定的流体介质黏度，涡轮的旋转角速度与通过涡轮的流量成正比。涡轮的旋转角速度一般都是通过安装在传感器壳体外面的信号检测放大器，用磁电感应的原理来测量转换的。当涡轮转动时，涡轮上由导磁不锈钢制成的螺旋形叶片依次接近和离开处于管壁外的磁电感应线圈，周期性地改变感应线圈磁回路的磁阻，使通过线圈的磁通量发生周期性的变化而产生与流量成正比的脉冲电信号。此脉冲信号经信号检测放大器放大整形后送至显示仪表（或计算机），显示流体流量或总量。

在某一流量范围和一定黏度范围内，涡轮流量计输出的信号脉冲频率与通过涡轮流量计的体积流量成正比，即

式中 k0——与数学模型有关的仪表

常数（1/L或1/m3）。

通常情况下，对一定的涡轮流量计和介质，k0值由标定求得，且表示成流量的关系曲线，称为涡轮流量计的特性曲线。图2⁃7所示为典型的涡轮流量计特性曲线。

图2⁃7 典型的涡轮流量计特性曲线

流量计的规格、流量范围、精度、最大工作压力和在正常流量范围的上限值时的压力降等见表2⁃4。

表2⁃4 涡轮流量计的常用规格

流量计应水平安装，其壳体上的流向标志方向与流体流动方向应该一致。流量计的下游侧应有不小于5D长度的直管段，上游侧一般不少于20D长度的直管段，或按下式计算

式中 L——直管段长度（mm）；

D——流量计的内径（mm）；

λ——管道内摩擦因数，处于湍流状态时，λ=0.0175；

Ks——漩涡速度比，由流量计上游侧管路情况决定，如图2⁃8所示。

图2⁃8 典型管路结构的漩涡速度比

流量计上游直管段的内径与流量计的内径相差应在流量计内径的±3%以内或不得超过5mm（两者取小者）。在流量计上游10D长度内、下游2D长度内，管道内壁应清洁，无明显凹痕、结垢和起皮现象。

影响涡轮流量计测量精度的主要原因是流速分布不均匀和漩流的存在，特别是回流影响最大。消除回流的方法是在上游部分的管道内装入整流器。通常采用图2⁃9所示的整流器。装入整流器后，上游部分直管段长度有10D就行了。如果有（15～20）D的直管段再装入整流器，在任何情况下都能使测量精度保持

在±0.2%以内。

图2⁃9 整流器

L—整流器总长度，一般取L=10DNA—上游混合室长度。一般取A=（2～3）DNB—导流（或导流片）长度，一般取B=（1.3～2）DNC—下游混合室长度，一般取C=0.5DN以上DN—流量计公称口径

n—整流器内导流管（导流片）数，4个以上d—导流管公称口径

流量控制阀要安装在涡轮流量计的下游，而在上游装截止阀时，必须全开。总之，必须注意不要使涡轮流量计的上游部分的流动发生紊乱。

流量计的上游应装有能除去流体中各种杂质的过滤器，过滤网目数为20～60目，以确保流量计的正常工作和提高使用寿命。

3.电磁流量计

根据法拉第电磁感应定律，导电液体在磁场内流动将产生感应电动势，如图2⁃10所示。

导电流体流过传感器工作磁场时，在测量管管壁与流动方向和磁场方向相互垂直方向的一对电极间，产生与体积流量成比例的电动势。电动势的大小可表示如下

E=kBDv （2⁃8）

式中 E——感应电动势信号（V）；

k——常数；

B——磁感应强度（T）；

D——测量管内径（m）；

v——测量管内电极断面轴线方向平均流速（m/s）。

图2⁃10 电磁流量计工作原理

因为流量，则

或

式（2⁃9）说明测量管内径D和磁感应强度B一定时，流量Q与感应信号电动势E成正比关系。式（2-10）说明流量Q和感应信号电动势E与磁感应强度B的比值成正比关系。

电磁流量计由电磁流量传感器和电磁流量转换器组成[24]。按照其工作原理与结构特征，电磁流量计具有以下特点：

1）用以测量导电流体的体积流量。测量不受流体的密度、黏度、温度、压力的影响，在一定范围内不受电导率的影响。

2）传感器的测量管内无阻扰部件，因而几乎无压力损失，可靠性高。

3）测量范围大。同一口径传感器上限流速可在0.3～15m/s范围内连续调整。

4）与其他流量计相比，其上游的直管段较短。通常在5D（D为管道直径）以上。

5）可测正、反两个方向流动流体的流量。

但是，电磁流量计不能测量气体和石油、石油制品以及有机溶剂等不导电的液体。

典型电磁流量计的流速⁃流量对照表见表2⁃5，图2⁃11和图2⁃12所示是不同流速下典型电磁流量计的精度曲线。

表2⁃5 电磁流量计的流速⁃流量对照表 （单位：m3/s）

（续）

图2⁃11 DN15～600电磁流量计精度曲线

图2⁃12 DN700～3000电磁流量计精度曲线

4.称量法和容器法

用容器可以测定一段时间内的平均流量。该方法是在一定时间内，由一个容器（量筒）收集排出液体，然后用称量法或容积法计量液体容量再除以时间。

1）仪器及装置。称量法由容器、秤（或天平）、切换器、计时器等组成。容器应有足够大的容积，测定时液体不应溢出容器外面。秤的最大容量不得超过被测液体质量m的5倍，秤的测量不确定度不能超过±0.03%。

容积法由量筒、切换器、计时器等组成。量筒应有足够大的容积，在测定时液体不应溢出量筒外面。确定量筒高度时，应使量筒内有500mm以上的水位差，横截面应上下一致，充满液体以后，不应发生变形，量筒的测量不确定度应小于±0.3%。

注意，如果使注入液体交替进入和排出量筒，量筒应是可接通和脱开，借此来控制注入液体；如果量筒是连接在管道中间的，则借量筒的出口关闭和打开来控制流出液体。

2）测定方法。向容器（或量筒）内注入液体的动作和注完撤离的动作应尽量快。两次切换时间之和不得超过0.5s。然后用大于60s的时间向容器（或量筒）内注入液体。测定次数，计时可采用时间计量仪器（如秒表、数字频率计等）。5～10次测量的标准偏差S=0.35%。测定时应记下液体的温度。

注入容器（或量筒）的液体含有气泡时，待消失后再进行测定。测定气泡不易消失的液体最好用称量法。

3）流量的计算。用称量法测定时

式中 Q——体积流量（m3/s）；

m——在单位时间内注入容器内的液体质量（kg）；

ρ——液体密度（kg/m3）；

t——注入液体所需的时间（s）。

用容积法测定时

式中 V——在时间t内注入量筒内的液体的体积（m3）。