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論文關鍵字：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，質量流量計，電磁流量計）的原理、測量方法、應用條件、注意事項等進行了總結，進而對流量測量有進一步的了解。

1研究背景：

計量是工業生產的眼睛。流量計量是計量科學技術的組成部分之一,它與國民經濟、國防建設、科學研究有密切的關系。做好這一工作對于保證產品質量、提高生產效率、促進科學技術的發展都具有重要的作用。特別是在能源危機、工業生產自動化程度愈來愈高的當今時代,流量計在國民經濟中的地位與作用更加明顯。

節約能源和環境保護是大多數先進企業非常關心的問題。而要確保壓縮空氣系統高效地運轉，流量測量是至關重要的。對一個典型壓縮空氣系統的全部成本進行分析后，我們發現最大的成本是由電力消耗，而不是系統的投資或維護產生的。

一臺新式的壓縮機將百分之九十的電力轉換成熱量，而僅將百分之十轉換成壓縮空氣，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并不多。不進行測量就意味著不知道系統的效率。統計數據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。這些二氧化碳是在燃燒礦物燃料（媒、石油、煤氣等）來發電的過程中產生的。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保和我們每一個人息息相關的時候，流量測量將幫助您依據消耗量和泄漏檢測來分析您的系統，從而減少能耗和成本。

2調研目的：

由于流量是一個動態量,流量測量是一項復雜的技術。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、應用條件、注意事項等進行了總結，進而對流量測量有進一步的了解，對以后的研究工作起一定的指導意義。

3調研內容

3.1概述

3.1.1流量的概念

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

如果在截面上速度分布是均勻的，則：

如果介質的密度為，那么質量流量

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

在流體的內部相互接觸的部分在其切線方向的速度有差別時會產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，稱為粘性。衡量流體粘性大小的物理量稱為粘度

設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)就是流體在細管中流動的流線相對混亂的流動。利用雷諾數可以判斷流動的形式。如果雷諾數小于某一值時，可判斷為層流，而大于此值時則判斷為紊流。

由此，我們發現管內流體流動時存在著兩種狀態：一為層流狀面一為紊流狀態．在不同的流動狀態下，流體有不同的流動特性。在層流流動狀態時，流量與壓力降成正比；在紊流流動狀態時，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時，其管內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

雷諾數是表征流體流動時慣性力與粘性力之比。利用細管直徑d，可求出雷諾數：

為細管中的平均流速；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值。

(4)流體流動的連續性方程

流體在管道內作穩定流動的情況:，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

這類儀表用儀表內的一個固定容量的容積連續地測量被測介質，最后根據定量容積稱量的次數來決定流過的總量。習慣上人們把計量表也稱為流量計。根據它的結構不同，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±0.1％，并可做標準表使用；最大流量可達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，另外也和流過體積V所需的時間有關。

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：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、粘度較高的重質油品，如原油、重質成品油等的計量

4）計量范圍受到轉子重量的影響，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，因此對介質的清潔要求較高，不允許有固體顆粒雜質流過流量計．

3.2.2浮子流量計（轉子流量計）

(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，浮子上下端面產生一差壓，該差壓即為浮子的上升力。當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形面積逐漸增大，流體的流速則相應下降，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的關系。

（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；流體對浮子所產生的垂直向上的浮力B。當浮子處于平衡狀態時，可列出平衡方程式

式中，cd為浮子的阻力系數；ro為流體密度；v為環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

該環形流通面積為A0，則體積流量為

設，稱為流量系數，則

（3）注意事項

只要保持流量系數a為常數，則流量與浮子高度h之間就存在一一對應的近似線性關系．我們可以將這種對應關系直接刻度在流量計的錐管上．顯然，對于不同的流體，由于密度發生變化，所以qv與h之間的對應關系也將發生變化，原來的流量刻度將不再適用．所以原則上，轉子流量計應該用實際介質進行標定．

3.2.3電磁流量計

電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律制成的一種測量導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。管道由不導磁材料制成，當導電的液體在導管中流動時，導電液體切割磁力線，因而在磁場及流動方向垂直的方向上產生感應電動勢，如安裝一對電極，則電極間產生和流速成比例的電位差。

式中，c為感應電動勢：B為磁感應強度，D為管道內徑；v為液體在管道內平均流速。

（2）使用條件

優點：

1）可以測量各種腐蝕性介質：酸、堿、鹽溶液以及帶有懸浮顆粒的漿液

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

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

2）由于測量管內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[（3）分類

直流勵磁、交流勵磁、低頻方波勵磁

3.2.4質量流量計

在工業生產中，由于物料平衡，熱平衡以及儲存、經濟核算等所需要的都是質量，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，進而求出質量流量。在溫度、壓力變化比較頻繁的情況下，難以達到測量的目的。這樣便希望用質量流量計來測量質量流量，而無需再人工進行上述換算。

（1）分類

1）直接式：即直接檢測與質量流量成比例的量，檢測元件直接反映出質量流量。

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

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

補償式質量流量則量方法，是目前工業上普遍應用的一種測量方法。

（2）熱式質量流量計

熱式質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量之間關系測量流體質量流量的儀表。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系可表示為：

由上式可得氣體的質量流量可表示為

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

（3）推導式質量流量計

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量流量計原理圖

（圖）檢測器和密度計組合的質量流量計原理圖

（圖）檢測器和檢測器組合的質量流量計原理圖

4調研總結

首先，由于流量是一個動態量,流量測量是一項復雜的技術。對在一定通道內流動的流體的流量進行測量統稱為流量計量。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，要求的測量準確度也各不相同。因此，流量測量的任務就是根據測量目的，被測流體的種類、流動狀態、測量場所等測量條件，研究各種相應的測量方法，并保證流量量值的正確傳遞。

經過幾天的調研，對目前重要的不同的流量計的原理、測量方法、應用條件、注意事項等進行了總結，進而對流量測量有了進一步的了解。達到了調研目的。

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

最后，調研內容有一定的根據性，對現實中流量的測量、應用，都有一定的幫助

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