流体测量的基本原理和方法。

名词和术语

瞬时流量:单位时间内流经管道横截面的流体量(m3/h，t/h)。

累计流量:一段时间内流经管道横截面的流体总量(m3，t)。

流量计:用于测量管道中流量的测量仪器称为流量计。

主要质量指标

流量范围:可测量的最大和最小范围，误差不超过允许值。

量程和量程比:量程是最大流量和最小流量之差；量程比是最大流量与最小流量的比值，也称为量程。

测量误差

基本错误:

准确度:流量计指示接近被测流量真实值的能力称为流量计的准确度。

精度级别为:0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和4.0。

重复性:流量计在相同工况下多次重复测量后的指示值的一致性反映了仪表的随机误差。

按测量对象分，有封闭管道和明渠两类；

按计量目的可分为总量计量和流量计量，它们的仪表分别称为总量表和流量计。

根据测量原理，有机械原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理原理等等。

流量计简介

流量测量方法和仪器有很多种。工业流量计有100多种。之所以有这么多品种，是因为至今还没有找到一种适用于任何流体、任何量程、任何流动状态、任何使用条件的流量计。

按照目前最流行、最广泛的分类，分别介绍了各种流量计的原理、特点、应用及国内外发展情况。

序列号流量计类型全球输出

百分率

1差压流量计(孔板、文丘里管)45 ~ 55%

2浮子流量计(又称玻璃转子流量计)13 ~ 16%

3容积式流量计(椭圆、腰轮和螺线)12 ~ 14%

4涡轮流量计9 ~ 11%

5电磁流量计5 ~ 6%

6流体振荡流量计(涡街，岁差)2.2 ~ 3%

7超声波流量计(时差、多普勒)1.6 ~ 2.2%

8热流量计2 ~ 2.5%

9科里奥利质量流量计0.9 ~ 1.2%

10其他流量计(插入式流量计1.6 ~ 2.2%)

1.1差压流量计

差压式流量计是根据安装在管道中的流量检测器产生的差压、已知的流体条件以及检测器和管道的几何尺寸来计算流量的仪表。

差压流量计由一次设备(检测片)和二次设备(差压转换和流量显示仪表)组成。差压流量计通常以试件的形式分类，如孔板流量计、文丘里流量计、平均管流量计等。

二次设备是各种机械、电子、机电一体化的差压计、差压变送器和流量显示仪表。已发展成为三类(系列化、通用化、标准化)程度较高的一大类仪器，既能测量流量参数，又能测量其他参数(如压力、液位、密度)。

差压流量计的检测部件按其工作原理可分为节流装置式、液阻式、离心式、动压头式、动压头增益式和喷射式。

试件按其标准化程度可分为标准和非标准两类。

所谓标准试件，就是按照标准文件设计、制造、安装和使用，不需要实际的流量标定，就可以确定其流量值，估算测量误差。

非标准试件不太成熟，还没有纳入国际标准。

差压流量计是应用最广泛的流量计，其使用量在各种流量计中居首位。近年来，由于各种新型流量计的问世，其使用百分比逐渐下降，但仍是最主要的流量计类型。

优势:

(1)应用最广泛的孔板流量计结构牢固，性能稳定可靠，使用寿命长。

(2)应用范围广，至今没有流量计可与之媲美；

(3)试件、变送器和显示仪表分别由不同厂家生产，便于规模经济生产。

缺点:

(1)测量精度普遍较低；

(2)范围较窄，一般只有3:1 ~ 4:1；

(3)对现场安装条件要求高；

(4)压力损失大(孔板、喷嘴等。).

应用概述:

差压流量计的应用范围很广，它可以用于封闭管道中各种物体的流量测量，如流体:单相、混合相、洁净、污浊、粘性流等。工作条件:常压、高压、真空、常温、高温、低温等。直径:从几毫米到几米；流动条件:亚音速、音速、脉动流等。其在各工业部门的消耗量约占流量计总消耗量的1/4~1/3。

1.2浮子流量计

浮子流量计，又称旋转流量计，是一种变面积流量计。在自下而上膨胀的垂直锥形管中，圆形截面的浮子的重力由水力承担，使浮子在锥形管中自由升降。

浮子流量计是继差压流量计之后应用最广泛的流量计，特别是在小流量和微流量中。

80年代中期，日本、西欧和美国的销售金额占流量计的15%~20%。我国1.990的产量估计为1.2 ~ 1.4万台，其中95%以上为玻璃锥管浮子流量计。

特点:

(1)玻璃锥管浮子流量计结构简单，使用方便，但其缺点是耐压低，玻璃管破裂风险大。

(2)适用于小管径、低流量；

(3)压力损失低。

1.3容积式流量计

原则

结构容积式流量计按其测量元件可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、盘式流量计、液封旋转圆筒流量计、湿式气体流量计和膜式气体流量计。

特点(1)测量精度高；

(2)管道安装条件对测量精度没有影响；

(3)可用于测量高粘度液体；

(4)范围广；

(5)直读式仪器无需外部能源即可直接获得累计量和总量，清晰易操作。

缺点:

(1)结果复杂巨大；

(2)被测介质的种类、口径和工作状态有很大的局限性；

(3)不适合高低温场合；

(4)大多数仪器只适用于清洁的单相流体；

(5)噪音和振动。

容积式流量计、差压式流量计和浮子流量计被列为使用量最大的三种流量计，常用于测量贵重介质(石油产品、天然气等)的总量。).

近年来，工业化国家PD流量计(不包括家用燃气表和家用水表)的销售金额占流量计的13% ~ 23%；中国约占20%，1990(不含国产燃气表)产量预计34万套，其中椭圆齿轮式和腰轮式分别约占70%和20%。

优势:

应用概述:

1.4涡轮流量计

涡轮流量计是速度流量计的主要类型，它是利用一个多叶片转子(涡轮)来感受流体的平均流量，从而推断出流量或总量的仪表。

一般由传感器和显示器两部分组成，也可以做成一个整体。

涡轮流量计、容积式流量计和科里奥利质量流量计被称为重复性和准确性最好的三种产品。作为十大流量计之一，其产品已发展到多品种、多系列的量产规模。

优势:

(1)高精度，是所有流量计中最精确的流量计；

(2)重复性好；

(3)零漂移，抗干扰能力强；

(4)范围广；

(5)结构紧凑。

缺点:

(1)不能长时间保持校准特性；

(2)流体的物理性质对流动特性有很大影响。

应用概述:

涡轮流量计广泛应用于以下测量对象:石油、有机液体、无机液体、液化气、天然气、低温流体都在欧美。涡轮流量计的消耗量仅次于孔板流量计。仅在荷兰，就有2600多台各种尺寸、压力从0.8~6.5MPa到6.5MPa不等的燃气涡轮流量计用于天然气管道，成为优秀的天然气计量仪表。

1.5电磁流量计

电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律测量导电液体的仪器。

电磁流量计具有一系列优良的特性，可以解决其他流量计不易应用的问题，如脏流量和腐蚀性流量的测量。

在20世纪70年代和80年代，电磁流量有了很大的突破，这使它成为一种广泛使用的流量计，其在流量计中的使用百分比不断上升。

优势:

(1)测量通道为光滑的直管，不会堵塞，适用于测量含有固体颗粒的液固两相流体，如纸浆、泥浆、污水等。

(2)没有流量检测带来的压力损失，节能效果好；

(3)被测体积流量不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的明显影响；

(4)流量范围大，孔径范围宽；

(5)可以使用腐蚀性流体。

缺点:

(1)不能测量低电导率的液体，如石油产品；

(2)不能测量气泡大的气体、蒸汽和液体；

(3)不能在较高温度下使用。

应用概述:

电磁流量计应用广泛，大口径仪表多用于给排水工程；中小口径常用于要求较高或难以测量的场合，如钢铁工业高炉风口冷却水控制，造纸工业纸浆液和黑液的测量，化工工业强腐蚀性液体和有色冶金工业纸浆的测量；小口径和微口径常用于制药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。

1.6涡街流量计

涡街流量计是在流体中放置一个流线型涡流发生器，流体在发生器两侧交替分离释放两个系列规则交错的涡流发生器的仪器。

涡街流量计按频率检测方式可分为应力式、应变式、电容式、热式、振动式、光电式和超声波式。

涡街流量计是最年轻的一种流量计，但它发展很快，已经成为一种通用的流量计。

优势:

(1)结构简单牢固；

(2)适用流体种类多；

(3)准确度高；

(4)范围广；

(5)压力损失小。

缺点:

(1)不适合低雷诺数测量；

(2)需要长直管段；

(3)仪表系数低(与涡轮流量计相比)；

(4)仪器缺乏在脉动流和多相流中的应用经验。

1.7超声波流量计

超声波流量计是通过检测流体流动对超声波束(或超声波脉冲)的影响来测量流量的仪器。

根据信号检测原理，超声波流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤波法和噪声法。

超声波流量计和电磁流量计一样，由于仪表流道中没有障碍物，所以是一种无障碍流量计。它是一种适合解决流量测量难题，特别是大口径流量测量的流量计，是近年来发展较快的流量计之一。

优势:

(1)可用于非接触式测量；

(2)无流量妨碍测量，无压力损失；

(3)可以测量不导电的液体，是电磁流量计的补充，没有阻碍。

缺点:

(1)传播时间法只能用于清洗液体和气体；多普勒方法只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体；

(2)多普勒法的测量精度不高。

应用概述:

(1)传播时间方法适用于清洁的单相液体和气体。典型应用包括工厂排放液体、陌生液体、液化天然气等。

(2)在高压天然气领域有良好的气体应用经验；

(3)多普勒法适用于非均质含量较低的两相流体，如未经处理的污水、工厂排放液、脏的工艺液等；通常不适用于非常干净的液体。

1.8科里奥利质量流量计

科里奥利质量流量计(以下简称CMF)是一种直接质量流量计，其原理是流体在振动管中流动，产生与质量流量成正比的科里奥利力。

CMF在中国的应用起步较晚。近年来，几家制造商(如太行仪器厂)开发了自己的供应市场。还有几家制造商建立合资企业或引进国外技术生产系列仪器。

1.9明渠流量计

与以往不同的是，它是一种用于测量不完全管的明渠中自由面自然流量的流量计。

非满管流的水道称为明渠，测量明渠水流的称为明渠流量计。

明渠流量计除圆形外还有多种形状，如U形、梯形和矩形。

明渠流量计的应用场所是城市供水引水渠道；火力发电厂的引水和排水渠道、污水处理进、排水渠道；工矿企业排水及水利工程和农业灌溉渠道。有人估算1995套，占总流量计的1.6%，国内应用尚无估算数据。

2新型流量计工作原理的研究与开发

2.1静电流量计

东京工业大学研制了一种适用于测量输油管道中低导电液体流量的静电流量计。

静电流量计的金属测量管与管道系统绝缘连接，通过测量电容上的静电荷可以知道测量管中的电荷。他们分别对铜、不锈钢、塑料等内径为4~8mm的测量管仪器进行了实际流量测试。试验表明，流量与电荷之间的关系接近线性。

2.2综合效果表

仪器的工作原理是基于流体的动量和压力引起的仪器腔的变形，测量复合效应的变形来获得流量。该仪器由GMI工程管理学院研发，已申请两项专利。

2.3转速表流量传感器

它是由俄罗斯科学与工程中心的工业仪器公司根据悬浮效应原理开发的。该仪器已成功应用于多个领域(如核电站安装了2000多台，用于测量热水流量达8年之久)，目前仍在不断改进，以拓展其应用领域。

几种流量计的应用及发展趋势

3.1科里奥利质量流量计(CMF)

国外已开发了30多个系列的CMF，每个系列开发的技术重点在于:流量检测计量管的结构设计创新；提高仪器的零点稳定性和准确度；增加测量管的挠度，提高灵敏度；改善测量管的应力分布，减少疲劳损伤，增强抗振动干扰能力。

3.2电磁流量计(EMF)

自20世纪50年代初电动势进入工业应用以来，其应用领域日益扩大。从80年代后期开始，EMF占各国流量计销售金额的16%~20%。

中国这几年发展很快，1994的销量估计在6500~7500台。国内已生产出最大直径2~6m的ENF，具备验证3 m直径的设备能力

3.3涡街流量计(USF)

USF在60年代末进入工业应用，80年代末以来已占各国流量计销售额的4%~6%。1992全球销量预估为354800台，同期国内产品预估为8000~9000台。

4结论

从上面可以看出，虽然流量计在今天已经日益成熟，但其类型仍然是极其多样的，没有一种流量计适合任何场合。

每种流量计都有其适用范围和局限性。这要求我们:

(1)选择仪器时，既要熟悉仪器，又要熟悉被测对象，还要考虑其他因素，这样测量才会准确；

(2)努力开发新的仪器，使其在现有基础上更加完善。

与流量相关的物理参数

在流量测量和计算中，要用到流体的一些物理性质(流体性质)，这些性质对流量测量的精度和流量计的选择有很大的影响。我们只介绍这些物理参数的基本概念和一些简单公式，详细数据需要查询相关手册。

1.流体密度

流体的密度由以下公式定义

ρ——流体密度，kg/m3；

m——流体的质量，kg；

v——流体体积，m3。

(1)液体的密度

当压力不变时，液体密度的计算公式为:

ρ——温度t时液体的密度，kg/m3；

ρ 20-20℃时液体的密度，kg/m3；

μ——液体的体积膨胀系数，1/℃;

t——液体的温度，℃。

当温度不变时，液体密度的计算公式为:

ρ1——压力P1下液体的密度，kg/m3；

ρ0——压力P0下液体的密度；千克/立方米；

β——液体的体积压缩系数1/MPa；

P0，p 1-液体的压力，Mpa。

通常情况下，压力的变化对液体的密度影响很小，在5Mpa以下可以忽略不计，但对于烃类，即使在低压下也要进行压力校正。

(2)气体的密度

工况下干气的密度计算公式为:

ρ——工况下干气的密度，kg/m3；

ρn——标准状态下干气的密度(293.15k，101.325kPa)，kg/m3；

p——工作条件下气体的绝对压力，kPa；

PN——标准状态下的绝对压力，101.325 kPa；

t——工作状态下气体的绝对温度，k；

TN——标准状态下的绝对温度，293.15K；；

Zn——标准状态下气体的可压缩性；

z为工作条件下气体的可压缩性。

2.流体粘度

流体本身阻碍其颗粒相对滑动的性质，称为流体的粘度。流体的粘度是用粘度来衡量的。同一种流体的粘度随着流体的温度和压力而变化。通常，当温度升高时，液体的粘度降低，而气体的粘度增加。液体的粘度只需要在非常高的压力下进行压力修正，而气体的粘度与压力和温度密切相关。有两种常用方法来表征流体粘度:

(1)动力粘度

η ——流体动力粘度，Pa？s；

τ——单位面积内耗，Pa；

—速度梯度，1/秒；

u——流体速度，米/秒；

h——两种流体之间的距离，m。

(3)具有运动粘度的流体的动力粘度与其密度的比值称为运动粘度。

V——运动粘度m2/s

3.热膨胀率

热膨胀系数是指流体温度变化1？c当其体积的相对变化率，即:

β——流体的热膨胀系数，1/℃;

v——流体的原始体积，m3；

v—因温度变化而膨胀的流体体积，m3；

t-流体温度变化值，℃。

4.压缩系数

压缩系数是指温度不变而压力变化时流体体积的变化率，即:

k——流体的可压缩性，1/pa；

v为压力为p时的流体体积m3；

p-压力增加？压力下流体体积的变化，m3。

5.雷诺数

雷诺数是表示流体惯性力与粘性力之比的无量纲量，其定义为:

v——流体的平均速度，m/s；

l指流速的特征长度，如圆形管道中管道内径的值，m；

自变量——流体的运动粘度，m2/s

雷诺数可以用来判断流动状态。一般来说，雷诺数Re < 2300为层流，Re = 2000 ~ 4000为转捩，Re > 4000为湍流。

希望能用上。