1、流量計(jì)的發(fā)展
流量測(cè)量的發(fā)展可追溯到古代的水利工程和城市供水系統(tǒng)。古羅馬凱撒時(shí)代已采用孔板測(cè)量居民的飲用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法測(cè)量尼羅河的流量。我國(guó)著名的都江堰水利工程應(yīng)用寶瓶口的水位觀測(cè)水量大小等等。17世紀(jì)托里拆利奠定差壓式流量計(jì)的理論基礎(chǔ)，這是流量測(cè)量的里程碑。自那以后，18、19世紀(jì)流量測(cè)量的許多類(lèi)型儀表的雛形開(kāi)始形成，如堰、示蹤法、皮托管、文丘里管、容積、渦輪及靶式流量計(jì)等。20世紀(jì)由于過(guò)程工業(yè)、能量計(jì)量、城市公用事業(yè)對(duì)流量測(cè)量的需求急劇增長(zhǎng)，才促使儀表迅速發(fā)展，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展極大地推動(dòng)儀表更新?lián)Q代，新型流量計(jì)如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)。至今，據(jù)稱(chēng)已有上百種流量計(jì)投向市場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)使用中許多棘手的難題可望獲得解決。
我國(guó)開(kāi)展近代流量測(cè)量技術(shù)的工作比較晚，早期所需的流量?jī)x表均從國(guó)外進(jìn)口。
流量測(cè)量是研究物質(zhì)量變的科學(xué)，質(zhì)量互變規(guī)律是事物聯(lián)系發(fā)展的基本規(guī)律，因此其測(cè)量對(duì)象已不限于傳統(tǒng)意義上的管道液體，凡需掌握量變的地方都有流量測(cè)量的問(wèn)題。流量和壓力、溫度并列為三大檢測(cè)參數(shù)。對(duì)于一定的流體，只要知道這三個(gè)參數(shù)就可計(jì)算其具有的能量，在能量轉(zhuǎn)換的測(cè)量中必須檢測(cè)此三個(gè)參數(shù)。能量轉(zhuǎn)換是一切生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，因此流量和壓力、溫度儀表一樣得到最廣泛的應(yīng)用。
2、流量計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域
流量測(cè)量技術(shù)與儀表的應(yīng)用大致有以下幾個(gè)領(lǐng)域。
一、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程
流量?jī)x表是過(guò)程自動(dòng)化儀表與裝置中的大類(lèi)儀表之一，它被廣泛誚用于冶金、電力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、輕紡、食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)及人民日常生活等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，是發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，節(jié)約能源，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益和管理水平的重要工具在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。在過(guò)程自動(dòng)化儀表與裝置中，流量?jī)x表有兩大功用：作為過(guò)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)的檢測(cè)儀表和測(cè)量物料數(shù)量的總量表。
二、能源計(jì)量
能源分為一次能源（煤炭、原油、煤層氣、石油氣和天然氣）、二次能源（電力、焦炭、人工燃?xì)�、成品油、液化石油氣、蒸汽）及載能工質(zhì)（壓縮空氣、氧、氮、氫、水）等。能源計(jì)量是科學(xué)管理能源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。流量?jī)x表是能源計(jì)量?jī)x表的重要組成部分，水、人工燃?xì)�、天然氣、蒸汽和油品這些常用的能源都使用著數(shù)量極其龐大的流量計(jì)，它們是能源管理和經(jīng)濟(jì)核算不可缺少的工具。
三、環(huán)境保護(hù)工程
煙氣，廢液、污水等的排放嚴(yán)重污染大氣和水資源，嚴(yán)重威脅人類(lèi)生存環(huán)境。國(guó)家把可持續(xù)發(fā)展列為國(guó)策，環(huán)境保護(hù)將是21世紀(jì)的最大課題�？諝夂退奈廴疽玫娇刂疲仨毤訌�(qiáng)管理，而管理的基礎(chǔ)是污染量的定量控制。
我國(guó)是以煤為主要能源的國(guó)家，全國(guó)有上百萬(wàn)個(gè)煙囪不停地向大氣排放煙氣。煙氣排放控制是根治污染的重要項(xiàng)目，每個(gè)煙囪必須是安裝煙氣分析儀表和流量計(jì)，組成連櫝排放監(jiān)視系統(tǒng)。煙氣的流量沆量有很大因難，它的難度為煙囪尺寸大且形狀不規(guī)則，氣體組分變化不定，流速范圍大，臟污，灰塵，腐蝕，高溫，無(wú)直管段等。
四、交通運(yùn)輸
有五種方式：鐵路公路、航空、水運(yùn)、和管道運(yùn)輸。其中管道運(yùn)輸雖早已有之，但應(yīng)用并不普遍。隨著環(huán)保問(wèn)題的突出，管道運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)引起人們的重視。管道貌岸然運(yùn)輸必須裝備流量計(jì)，它是控制、分配和調(diào)度的眼睛，亦是安全監(jiān)沒(méi)和經(jīng)濟(jì)核算的必備工具。
五、生物技術(shù)
21世紀(jì)將迎來(lái)生命科學(xué)的世紀(jì)，以生物技術(shù)為特征的產(chǎn)業(yè)將獲得迅速發(fā)展。生物技術(shù)中需監(jiān)測(cè)計(jì)量的物質(zhì)很多，如血液，尿液等。儀表開(kāi)發(fā)的難度極大，品種繁多。
六、科學(xué)實(shí)驗(yàn)
科學(xué)實(shí)驗(yàn)需要的流量計(jì)不但數(shù)量多，且品種極其繁雜。據(jù)統(tǒng)計(jì)流量計(jì)100多種中很大一部分是應(yīng)科研之需用的，它們并不批量生產(chǎn)，在市面出售，許多科研機(jī)構(gòu)和大企業(yè)皆設(shè)專(zhuān)門(mén)小組研制專(zhuān)用的流量計(jì)。
七、海洋氣象，江河湖泊
這些領(lǐng)域?yàn)槌ㄩ_(kāi)流道，一般需檢測(cè)流速，然后推算流量。流速計(jì)和流量計(jì)所依據(jù)的物理原理及流體力學(xué)基礎(chǔ)是共通的但是儀表原理及結(jié)構(gòu)以及使用條件有很大差別。
3、流量計(jì)種類(lèi)
用以測(cè)量管路中流體流量(單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的流體體積)的儀表。有轉(zhuǎn)子流量計(jì)、節(jié)流式流量計(jì)、細(xì)縫流量計(jì)、容積流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)和堰等。
流量測(cè)量方法和儀表的種類(lèi)繁多,分類(lèi)方法也很多。至今為止,可供工業(yè)用的流量?jī)x表種類(lèi)達(dá)60種之多。品種如此之多的原因就在于至今還沒(méi)找到一種對(duì)任何流體、任何量程、任何流動(dòng)狀態(tài)以及任何使用條件都適用的流量?jī)x表。
這60多種流量?jī)x表,每種產(chǎn)品都有它特定的適用性,也都有它的局限性。按測(cè)量對(duì)象劃分就有封閉管道和明渠兩大類(lèi);按測(cè)量目的又可分為總量測(cè)量和流量測(cè)量,其儀表分別稱(chēng)作總量表和流量計(jì)。
總量表測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道的流量,是以短暫時(shí)間內(nèi)流過(guò)的總量除以該時(shí)間的商來(lái)表示,實(shí)際上流量計(jì)通常亦備有累積流量裝置,做總量表使用,而總量表亦備有流量發(fā)訊裝置。因此,以嚴(yán)格意義來(lái)分流量計(jì)和總量表已無(wú)實(shí)際意義。
按測(cè)量原理分有力學(xué)原理、熱學(xué)原理、聲學(xué)原理、電學(xué)原理、光學(xué)原理、原子物理學(xué)原理等。
按照目前最流行、最廣泛的分類(lèi)法,即分為:容積式流量計(jì)、差壓式流量計(jì)、浮子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、流體振蕩流量計(jì)中的渦街流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)和插入式流量計(jì)、探針式流量計(jì)，來(lái)分別闡述各種流量計(jì)的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用概況及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況。
3.1差壓式流量計(jì) 差壓式流量計(jì)是根據(jù)安裝于管道中流量檢測(cè)件產(chǎn)生的差壓,已知的流體條件和檢測(cè)件與管道的幾何尺寸來(lái)計(jì)算流量的儀表。
差壓式流量計(jì)由一次裝置(檢測(cè)件)和二次裝置(差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表)組成。通常以檢測(cè)件形式對(duì)差壓式流量計(jì)分類(lèi),如孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、均速管流量計(jì)等。
二次裝置為各種機(jī)械、電子、機(jī)電一體式差壓計(jì),差壓變送器及流量顯示儀表。它已發(fā)展為三化(系列化、通用化及標(biāo)準(zhǔn)化)程度很高的、種類(lèi)規(guī)格龐雜的一大類(lèi)儀表,它既可測(cè)量流量參數(shù),也可測(cè)量其它參數(shù)(如壓力、物位、密度等)。
差壓式流量計(jì)的檢測(cè)件按其作用原理可分為:節(jié)流裝置、水力阻力式、離心式、動(dòng)壓頭式、動(dòng)壓頭增益式及射流式幾大類(lèi)。
檢測(cè)件又可按其標(biāo)準(zhǔn)化程度分為二大類(lèi):標(biāo)準(zhǔn)的和非標(biāo)準(zhǔn)的。
所謂標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)件是只要按照標(biāo)準(zhǔn)文件設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用,無(wú)須經(jīng)實(shí)流標(biāo)定即可確定其流量值和估算測(cè)量誤差。
非標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)件是成熟程度較差的,尚未列入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的檢測(cè)件。
差壓式流量計(jì)是一類(lèi)應(yīng)用最廣泛的流量計(jì),在各類(lèi)流量?jī)x表中其使用量占居首位。近年來(lái),由于各種新型流量計(jì)的問(wèn)世,它的使用量百分?jǐn)?shù)逐漸下降,但目前仍是最重要的一類(lèi)流量計(jì)。
優(yōu)點(diǎn):
(1)應(yīng)用最多的孔板式流量計(jì)結(jié)構(gòu)牢固,性能穩(wěn)定可靠,使用壽命長(zhǎng);
(2)應(yīng)用范圍廣泛,至今尚無(wú)任何一類(lèi)流量計(jì)可與之相比擬;
(3)檢測(cè)件與變送器、顯示儀表分別由不同廠(chǎng)家生產(chǎn),便于規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。
缺點(diǎn):
(1)測(cè)量精度普遍偏低;
(2)范圍度窄,一般僅3:1~4:1;
(3)現(xiàn)場(chǎng)安裝條件要求高;
(4)壓損大(指孔板、噴嘴等)。
注：一種新型產(chǎn)品：引進(jìn)美國(guó)航天航空局而開(kāi)發(fā)的平衡流量計(jì)，這種流量計(jì)的測(cè)量精度是傳統(tǒng)節(jié)流裝置的5-10倍，永久壓力損失1/3。壓力恢復(fù)快2倍，最小直管段可以小至1.5D，安裝和使用方便，大大減少流體運(yùn)行的能力消耗。
應(yīng)用概況:
差壓式流量計(jì)應(yīng)用范圍特別廣泛,在封閉管道的流量測(cè)量中各種對(duì)象都有應(yīng)用,如流體方面:單相、混相、潔凈、臟污、粘性流等;工作狀態(tài)方面:常壓、高壓、真空、常溫、高溫、低溫等;管徑方面:從幾mm到幾m;流動(dòng)條件方面:亞音速、音速、脈動(dòng)流等。它在各工業(yè)部門(mén)的用量約占流量計(jì)全部用量的1/4~1/3。
3.2 浮子流量計(jì) 浮子流量計(jì),又稱(chēng)轉(zhuǎn)子流量計(jì),是變面積式流量計(jì)的一種,在一根由下向上擴(kuò)大的垂直錐管中,圓形橫截面的浮子的重力是由液體動(dòng)力承受的,從而使浮子可以在錐管內(nèi)自由地上升和下降。
浮子流量計(jì)是僅次于差壓式流量計(jì)應(yīng)用范圍最寬廣的一類(lèi)流量計(jì),特別在小、微流量方面有舉足輕重的作用。
80年代中期,日本、西歐、美國(guó)的銷(xiāo)售金額占流量?jī)x表的15%~20%。中國(guó)產(chǎn)量1990年估計(jì)在12~14萬(wàn)臺(tái),其中95%以上為玻璃錐管浮子流量計(jì)。
特點(diǎn):
(1)玻璃錐管浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便,缺點(diǎn)是耐壓力低,有玻璃管易碎的較大風(fēng)險(xiǎn);
(2)適用于小管徑和低流速;
(3)壓力損失較低。
3.3容積式流量計(jì) 容積式流量計(jì),又稱(chēng)定排量流量計(jì),簡(jiǎn)稱(chēng)PD流量計(jì),在流量?jī)x表中是精度最高的一類(lèi)。它利用機(jī)械測(cè)量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個(gè)已知的體積部分,根據(jù)測(cè)量室逐次重復(fù)地充滿(mǎn)和排放該體積部分流體的次數(shù)來(lái)測(cè)量流體體積總量。
容積式流量計(jì)按其測(cè)量元件分類(lèi),可分為橢圓齒輪流量計(jì)、刮板流量計(jì)、雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì)、往復(fù)活塞流量計(jì)、圓盤(pán)流量計(jì)、液封轉(zhuǎn)筒式流量計(jì)、濕式氣量計(jì)及膜式氣量計(jì)等。
優(yōu)點(diǎn):
(1)計(jì)量精度高;
(2)安裝管道條件對(duì)計(jì)量精度沒(méi)有影響;
(3)可用于高粘度液體的測(cè)量;
(4)范圍度寬;
(5)直讀式儀表無(wú)需外部能源可直接獲得累計(jì),總量,清晰明了,操作簡(jiǎn)便。
缺點(diǎn):
(1)結(jié)果復(fù)雜,體積龐大;
(2)被測(cè)介質(zhì)種類(lèi)、口徑、介質(zhì)工作狀態(tài)局限性較大;
(3)不適用于高、低溫場(chǎng)合;
(4)大部分儀表只適用于潔凈單相流體;
(5)產(chǎn)生噪聲及振動(dòng)。
應(yīng)用概況:
容積式流量計(jì)與差壓式流量計(jì)、浮子流量計(jì)并列為三類(lèi)使用量最大的流量計(jì),常應(yīng)用于昂貴介質(zhì)(油品、天然氣等)的總量測(cè)量。
工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家近年P(guān)D流量計(jì)(不包括家用煤氣表和家用水表)的銷(xiāo)售金額占流量?jī)x表的13%~23%;我國(guó)約占20%,1990年產(chǎn)量(不包括家用煤氣表)估計(jì)為34萬(wàn)臺(tái),其中橢圓齒輪式和腰輪式分別約占70%和20%。
3.4 渦輪流量計(jì) 渦輪流量計(jì),是速度式流量計(jì)中的主要種類(lèi),它采用多葉片的轉(zhuǎn)子(渦輪)感受流體平均流速,從而且推導(dǎo)出流量或總量的儀表。
一般它由傳感器和顯示儀兩部分組成,也可做成整體式。
渦輪流量計(jì)和容積式流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)稱(chēng)為流量計(jì)中三類(lèi)重復(fù)性、精度最佳的產(chǎn)品,作為十大類(lèi)型流量計(jì)之一,其產(chǎn)品已發(fā)展為多品種、多系列批量生產(chǎn)的規(guī)模。
優(yōu)點(diǎn):
(1)高精度,在所有流量計(jì)中,屬于最精確的流量計(jì);
(2)重復(fù)性好;
(3)元零點(diǎn)漂移,抗干擾能力好;
(4)范圍度寬;
(5)結(jié)構(gòu)緊湊。
缺點(diǎn):
(1)不能長(zhǎng)期保持校準(zhǔn)特性;
(2)流體物性對(duì)流量特性有較大影響。
應(yīng)用概況:
渦輪流量計(jì)在以下一些測(cè)量對(duì)象獲得廣泛應(yīng)用:石油、有機(jī)液體、無(wú)機(jī)液、液化氣、天然氣和低溫流體統(tǒng)在歐洲和美國(guó),渦輪流量計(jì)在用量上是僅次于孔板流量計(jì)的天然計(jì)量?jī)x表,僅荷蘭在天然氣管線(xiàn)上就采用了2600多臺(tái)各種尺寸,壓力從0.8~6.5MPa的氣體渦輪流量計(jì),它們已成為優(yōu)良的天然氣計(jì)量?jī)x表。
3.5電磁流量計(jì) 電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律制成的一種測(cè)量導(dǎo)電性液體的儀表。
電磁流量計(jì)有一系列優(yōu)良特性,可以解決其它流量計(jì)不易應(yīng)用的問(wèn)題,如臟污流、腐蝕流的測(cè)量。
70、80年代電磁流量在技術(shù)上有重大突破,使它成為應(yīng)用廣泛的一類(lèi)流量計(jì),在流量?jī)x表中其使用量百分?jǐn)?shù)不斷上升。
優(yōu)點(diǎn):
(1)測(cè)量通道是段光滑直管,不會(huì)阻塞,適用于測(cè)量含固體顆粒的液固二相流體,如紙漿、泥漿、污水等;
(2)不產(chǎn)生流量檢測(cè)所造成的壓力損失,節(jié)能效果好;
(3)所測(cè)得體積流量實(shí)際上不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的明顯影響;
(4)流量范圍大,口徑范圍寬;
(5)可應(yīng)用腐蝕性流體。
缺點(diǎn):
(1)不能測(cè)量電導(dǎo)率很低的液體,如石油制品;
(2)不能測(cè)量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體;
(3)不能用于較高溫度。
應(yīng)用概況:
電磁流量計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,大口徑儀表較多應(yīng)用于給排水工程;中小口徑常用于高要求或難測(cè)場(chǎng)合,如鋼鐵工業(yè)高爐風(fēng)口冷卻水控制,造紙工業(yè)測(cè)量紙漿液和黑液,化學(xué)工業(yè)的強(qiáng)腐蝕液,有色冶金工業(yè)的礦漿;小口徑、微小口徑常用于醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、生物化學(xué)等有衛(wèi)生要求的場(chǎng)所。
3.6 渦街流量計(jì) 渦街流量計(jì)是在流體中安放一根非流線(xiàn)型游渦發(fā)生體,流體在發(fā)生體兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則地交錯(cuò)排列的游渦的儀表。
渦街流量計(jì)按頻率檢出方式可分為:應(yīng)力式、應(yīng)變式、電容式、熱敏式、振動(dòng)體式、光電式及超聲式等。
渦街流量計(jì)是屬于最年輕的一類(lèi)流量計(jì),但其發(fā)展迅速,目前已成為通用的一類(lèi)流量計(jì)。
優(yōu)點(diǎn):
(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固;
(2)適用流體種類(lèi)多;
(3)精度較高;
(4)范圍度寬;
(5)壓損小。
缺點(diǎn):
(1)不適用于低雷諾數(shù)測(cè)量;
(2)需較長(zhǎng)直管段;
(3)儀表系數(shù)較低(與渦輪流量計(jì)相比);
(4)儀表在脈動(dòng)流、多相流中尚缺乏應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。
3.7 超聲流量計(jì) 超聲流量計(jì)是通過(guò)檢測(cè)流體流動(dòng)對(duì)超聲束(或超聲脈沖)的作用以測(cè)量流量的儀表。
根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理超聲流量計(jì)可分為傳播速度差法(直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法、空間濾法及噪聲法等。
超聲流量計(jì)和電磁流量計(jì)一樣,因儀表流通通道未設(shè)置任何阻礙件,均屬無(wú)阻礙流量計(jì),是適于解決流量測(cè)量困難問(wèn)題的一類(lèi)流量計(jì),特別在大口徑流量測(cè)量方面有較突出的優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)它是發(fā)展迅速的一類(lèi)流量計(jì)之一。
優(yōu)點(diǎn):
(1)可做非接觸式測(cè)量;
(2)為無(wú)流動(dòng)阻撓測(cè)量,無(wú)壓力損失;
(3)可測(cè)量非導(dǎo)電性液體,對(duì)無(wú)阻撓測(cè)量的電磁流量計(jì)是一種補(bǔ)充。
缺點(diǎn):
(1)傳播時(shí)間法只能用于清潔液體和氣體;而多普勒法只能用于測(cè)量含有一定量懸浮顆粒和氣泡的液體;
(2)多普勒法測(cè)量精度不高。
應(yīng)用概況:
(1)傳播時(shí)間法應(yīng)用于清潔、單相液體和氣體。典型應(yīng)用有工廠(chǎng)排放液、:怪液、液化天然氣等;
(2)氣體應(yīng)用方面在高壓天然氣領(lǐng)域已有使用良好的經(jīng)驗(yàn);
(3)多普勒法適用于異相含量不太高的雙相流體,例如:未處理污水、工廠(chǎng)排放液、臟流程液;通常不適用于非常清潔的液體。
3.8 科里奧利質(zhì)量流量計(jì) 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)CMF)是利用流體在振動(dòng)管中流動(dòng)時(shí),產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質(zhì)量流量?jī)x表。
我國(guó)CMF的應(yīng)用起步較晚,近年已有幾家制造廠(chǎng)(如太行儀表廠(chǎng))自行開(kāi)發(fā)供應(yīng)市場(chǎng);還有幾家制造廠(chǎng)組建合資企業(yè)或引用國(guó)外技術(shù)生產(chǎn)系列儀表。
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)
熱式流量計(jì)傳感器包含兩個(gè)傳感元件，一個(gè)速度傳感器和一個(gè)溫度傳感器。它們自動(dòng)地補(bǔ)償和校正氣體溫度變化。儀表的電加熱部分將速度傳感器加熱到高于工況溫度的某一個(gè)定值，使速度傳感器和測(cè)量工況溫度的傳感器之間形成恒定溫差。當(dāng)保持溫差不變時(shí)，電加熱消耗的能量，也可以說(shuō)熱消散值，與流過(guò)氣體的質(zhì)量流量成正比。
如：美國(guó)SIERRA
3.9 明渠流量計(jì) 與前述幾種不同,它是在非滿(mǎn)管狀敞開(kāi)渠道測(cè)量自由表面自然流的流量?jī)x表。
非滿(mǎn)管態(tài)流動(dòng)的水路稱(chēng)作明渠,測(cè)量明渠中水流流量的稱(chēng)作明渠流量計(jì)(open channel flowmeter)。
明渠流量計(jì)除圓形外,還有U字形、梯形、矩形等多種形狀。
明渠流量計(jì)應(yīng)用場(chǎng)所有城市供水引水渠;火電廠(chǎng)引水和排水渠、污水治理流入和排放渠;工礦企業(yè)水排放以及水利工程和農(nóng)業(yè)灌溉用渠道。有人估計(jì)1995臺(tái),約占流量?jī)x表整體的1.6%,但是國(guó)內(nèi)應(yīng)用尚無(wú)估計(jì)數(shù)據(jù)。
4、新工作原理流量?jī)x表的研究和開(kāi)發(fā)
4.1 靜電流量計(jì) (electrostatic flowmeter)
日本東京技術(shù)學(xué)院研制適用于石油輸送管線(xiàn)低導(dǎo)電液體流量測(cè)量的靜電流量計(jì)。
靜電流量計(jì)的金屬測(cè)量管絕緣地與管系連接,測(cè)量電容器上靜電荷便可知道測(cè)量管內(nèi)的電荷。他們分別作了內(nèi)徑4~8mm銅、不銹鋼等金屬和塑料測(cè)量管儀表的實(shí)流試驗(yàn),試驗(yàn)表明流量與電荷之間接近于線(xiàn)性。
4.2 復(fù)合效應(yīng)流量?jī)x表 (combined effects meter)
該儀表的工作原理是基于流體的動(dòng)量和壓力作用于儀表腔體產(chǎn)生的變形,測(cè)量復(fù)合效應(yīng)的變形求取流量。本儀表由美國(guó)GMI工程和管理學(xué)院開(kāi)發(fā),已申請(qǐng)兩項(xiàng)專(zhuān)利。
4.3 轉(zhuǎn)速表式流量傳感器 (tachmetric flowrate sensor)
它是由俄羅斯科學(xué)工程中心工業(yè)儀表公司開(kāi)發(fā)，是基于懸浮效應(yīng)理論研制的。該儀表已在若干現(xiàn)場(chǎng)成功的應(yīng)用(例如在核電站安裝2000余臺(tái)測(cè)量熱水流量，連續(xù)使用8年),且還在改進(jìn)以擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。
5、 幾種流量?jī)x表應(yīng)用和發(fā)展動(dòng)向
5.1 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)(CMF) 國(guó)外CMF已發(fā)展30余系列，各系列開(kāi)發(fā)在技術(shù)上著眼點(diǎn)在于:流量檢測(cè)測(cè)量管結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)創(chuàng)新;提高儀表零點(diǎn)穩(wěn)定性和精確度等性能;增加測(cè)量管撓度,提高靈敏度;改善測(cè)量管應(yīng)力分布,降低疲勞損壞,加強(qiáng)抗振動(dòng)干擾能力等。
5.2 電磁流量計(jì)(EMF) EMF從50年代初進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用以來(lái),使用領(lǐng)域日益擴(kuò)展,80年代后期起在各國(guó)流量?jī)x表銷(xiāo)售金額中已占16%~20%。
我國(guó)近年發(fā)展迅速,1994年銷(xiāo)售估計(jì)為6500~7500臺(tái)。國(guó)內(nèi)已生產(chǎn)最大口徑為2~6m的ENF,并有實(shí)流校驗(yàn)口徑3m的設(shè)備能力。
5.3 渦街流量計(jì)(USF) USF在60年代后期進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用,80年代后期起在各國(guó)流量?jī)x表銷(xiāo)售金額中已占4%~6%。1992年世界范圍估計(jì)銷(xiāo)售量為3.54.8萬(wàn)臺(tái),同期國(guó)內(nèi)產(chǎn)品估計(jì)在8000~9000臺(tái)。
6、 結(jié)論
由上述可知,流量計(jì)發(fā)展到今天雖然已日趨成熟,但其種類(lèi)仍然極其繁多,至今尚無(wú)一種對(duì)于任何場(chǎng)合都適用的流量計(jì)。
每種流量計(jì)都有其適用范圍,也都有局限性。這就要求我們:
(1)在選擇儀表時(shí),一定要熟悉儀表和被測(cè)對(duì)象兩方面的情況,并要兼顧考慮其它因素,這樣測(cè)量才會(huì)準(zhǔn)確;
(2)努力研制新型儀表,使其在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上更加完善。
差壓式流量計(jì)
差壓式流量計(jì)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)DPF或流量計(jì))是根據(jù)安裝于管道中流量檢測(cè)件產(chǎn)生的差壓、已知的流體條件和檢測(cè)件與管道的幾何尺寸來(lái)測(cè)量流量的儀表。DPF由一次裝置(檢測(cè)件)和二次裝置(差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表)組成。通常以檢測(cè)件的型式對(duì)DPF分類(lèi)，如孔扳流量計(jì)、文丘里管流量計(jì)及均速管流量計(jì)等。二次裝置為各種機(jī)械、電子、機(jī)電一體式差壓計(jì)，差壓變送器和流量顯示及計(jì)算儀表，它已發(fā)展為三化(系列化、通用化及標(biāo)準(zhǔn)化)程度很高的種類(lèi)規(guī)格龐雜的一大類(lèi)儀表。差壓計(jì)既可用于測(cè)量流量參數(shù)，也可測(cè)量其他參數(shù)(如壓力、物位、密度等)。
DPF按其檢測(cè)件的作用原理可分為節(jié)流式、動(dòng)壓頭式、水力阻力式、離心式、動(dòng)壓增益式和射流式等幾大類(lèi)，其中以節(jié)流式和動(dòng)壓頭式應(yīng)用最為廣泛。
節(jié)流式DPF的檢測(cè)件按其標(biāo)準(zhǔn)化程度分為標(biāo)準(zhǔn)型和非標(biāo)準(zhǔn)型兩大類(lèi)。所謂標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置是指按照標(biāo)準(zhǔn)文件設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用，無(wú)須經(jīng)實(shí)流校準(zhǔn)即可確定其流量值并估算流量測(cè)量誤差，非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置是成熟程度較差，尚未列入標(biāo)準(zhǔn)文件中的檢測(cè)件。
標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)流式DPF的發(fā)展經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的過(guò)程，早在20世紀(jì)20年代，美國(guó)和歐洲即開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模的節(jié)流裝置試驗(yàn)研究。用得最普遍的節(jié)流裝置－－孔板和噴嘴開(kāi)始標(biāo)準(zhǔn)化�，F(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的一種型式ISA l932噴嘴，其幾何形狀就是30年代標(biāo)準(zhǔn)化的，而標(biāo)準(zhǔn)孔板亦曾稱(chēng)為ISA l932孔板。節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)形式的標(biāo)準(zhǔn)化有很深遠(yuǎn)的意義，因?yàn)橹挥泄?jié)流裝置結(jié)構(gòu)形式標(biāo)準(zhǔn)化了，才有可能把國(guó)際上眾多研究成果匯集到一起，它促進(jìn)檢測(cè)件的理論和實(shí)踐向深度和廣度拓展，這是其他流量計(jì)所不及的。1980年ISO(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織)正式通過(guò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5167，至此流量測(cè)量節(jié)流裝置第一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)誕生了。ISO 5167總結(jié)了幾十年來(lái)國(guó)際上對(duì)為數(shù)有限的幾種節(jié)流裝置(孔板、噴嘴和文丘里管)的理論與試驗(yàn)的研究成果，反映了此類(lèi)檢測(cè)件的當(dāng)代科學(xué)與生產(chǎn)的技術(shù)水平。但是從ISO 5167正式頒布之日起，它就暴露出許多亟待解決的問(wèn)題，這些問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面。
1)ISO 5167試驗(yàn)數(shù)據(jù)的陳舊性 ISO 5167中采用的數(shù)據(jù)大多是30年代的試驗(yàn)結(jié)果，今天無(wú)論節(jié)流裝置制造技術(shù)，流量試驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)技術(shù)都有巨大的進(jìn)步，重新進(jìn)行系統(tǒng)地試驗(yàn)以獲得更高精確度及更可靠的數(shù)據(jù)是必要的。進(jìn)入80年代美國(guó)和歐洲都進(jìn)行大規(guī)模的試驗(yàn)，為修訂ISO 5167打下基礎(chǔ)。
2) ISO 5167中關(guān)于直管段長(zhǎng)度規(guī)定的問(wèn)題 在ISO投票通過(guò)ISO 5167時(shí)，美國(guó)投了反對(duì)票，其主要原因是對(duì)直管段長(zhǎng)度的規(guī)定有不同意見(jiàn)，這個(gè)問(wèn)題應(yīng)是ISO 5167修訂的主要問(wèn)題之一。
3) ISO 5167中各項(xiàng)規(guī)定的科學(xué)性問(wèn)題 影響節(jié)流裝置流出系數(shù)的因素特別多，主要有孔徑與管徑的比值β、取壓裝置、雷諾數(shù)、節(jié)流件安裝偏心度、前后阻流件類(lèi)型及直管段長(zhǎng)度、孔板入口邊緣尖銳度、管壁粗糙度、流體流動(dòng)湍流度等，眾多因素影響錯(cuò)綜復(fù)雜，有的參數(shù)難以直接測(cè)量，因此標(biāo)準(zhǔn)中有些規(guī)定并非科學(xué)地確定，而是為了取得一致，不得不人為地確定。著名流量專(zhuān)家斯賓塞(E．A．Spencer)提出一系列應(yīng)重新檢討的問(wèn)題，如孔板平直度、同心度、直角邊緣尖銳度、管道粗糙度、上游流速分布及流動(dòng)調(diào)整器的作用等。
4)關(guān)于節(jié)流式DPF測(cè)量精確度提高的問(wèn)題 鑒于節(jié)流式DPF在流量計(jì)中占有重要地位，提高其測(cè)量精確度意義重大。歷次國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議認(rèn)為必須使流量測(cè)量工作者、流體力學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)工作者緊密合作共同攻關(guān)才能解決此問(wèn)題。
20世紀(jì)80年代美國(guó)和歐洲開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模的孔板流量計(jì)試驗(yàn)研究，歐洲為歐共體實(shí)驗(yàn)計(jì)劃(EEC Experimental Program)，美國(guó)為API實(shí)驗(yàn)計(jì)劃(API Experimental Program)。試驗(yàn)的目的是用現(xiàn)代最新測(cè)試設(shè)備及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理技術(shù)進(jìn)行新一輪的范圍廣泛的試驗(yàn)研究，為修訂ISO 5167打下技術(shù)基礎(chǔ)。1999年ISO發(fā)出ISO 5167的修訂稿(ISO／CD 5167-1-4)，該文件為委員會(huì)草案，它在技術(shù)內(nèi)容與編輯上都有很大改動(dòng)，是一份全新的標(biāo)準(zhǔn)。本來(lái)預(yù)定于1999年7月在美國(guó)丹佛舉行的ISO／TC30／SC2會(huì)議上審查通過(guò)為DIS(標(biāo)準(zhǔn)草案)，但是會(huì)議認(rèn)為尚有細(xì)節(jié)問(wèn)題應(yīng)再商榷而未能通過(guò)。新的ISO 5167標(biāo)準(zhǔn)何時(shí)正式頒布尚不得而知。ISO 5167新標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)核心內(nèi)容皆有實(shí)質(zhì)性變化，一是孔板的流出系數(shù)公式，用Reader-Harris/Gallagher計(jì)算式(R-G式)代替Stolz計(jì)算式，另一為節(jié)流裝置上游側(cè)直管段長(zhǎng)度的規(guī)定以及流動(dòng)調(diào)整器的使用等。
我們通常稱(chēng)ISO 5167(GB／T2624)中所列節(jié)流裝置為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，其他的都稱(chēng)為非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，應(yīng)該指出，非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置不僅是指那些節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)與標(biāo)難節(jié)流裝置相異的，如果標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置在偏離標(biāo)準(zhǔn)條件下工作亦應(yīng)稱(chēng)為非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，例如，標(biāo)準(zhǔn)孔板在混相流或標(biāo)準(zhǔn)文丘里噴嘴在臨界流下工作的都是。
目前非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置大致有以下一些種類(lèi)：
1)低雷諾數(shù)用 1／4圓孔板，錐形入口孔板，雙重孔板，雙斜孔板，半圓孔板等；
2)臟污介質(zhì)用 圓缺孔板，偏心孔板，環(huán)狀孔板，楔形孔板，彎管節(jié)流件等；
3)低壓損用 羅洛斯管，道爾管，道爾孔板，雙重文丘里噴嘴，通用文丘里管，Vasy管等；
4)小管徑用 整體(內(nèi)藏)孔板；
5)端頭節(jié)流裝置 端頭孔板，端頭噴嘴，Borda管等；
6)寬范圍度節(jié)流裝置 彈性加載可變面積可變壓頭流量計(jì)(線(xiàn)性孔板)；
7)毛細(xì)管節(jié)流件 層流流量計(jì)；
8)脈動(dòng)流節(jié)流裝置；
9)臨界流節(jié)流裝置 音速文丘里噴嘴；
10)混相流節(jié)流裝置。
節(jié)流式DPF現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的不斷拓展必然提出發(fā)展非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的要求，十余年來(lái)ISO亦在不斷制訂有關(guān)非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的技術(shù)文件，在它們不能成為正式標(biāo)準(zhǔn)之前作為技術(shù)報(bào)告發(fā)表�？梢灶A(yù)見(jiàn)，今后有可能若干較為成熟的非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置會(huì)晉升為標(biāo)準(zhǔn)型的。
20世紀(jì)90年代中后期世界范圍內(nèi)各式DPF銷(xiāo)售量在流量?jī)x表總量中臺(tái)數(shù)占50％-60％(每年約百萬(wàn)臺(tái))，金額占30％左右。我國(guó)銷(xiāo)售臺(tái)數(shù)約占流量?jī)x表總量(不包括家用燃?xì)獗砗图矣盟砑安ＡЧ芨∽恿髁坑?jì))的35％-42％(每年6萬(wàn)-7萬(wàn)臺(tái))。
2 工作原理
2.1 基本原理
充滿(mǎn)管道的流體，當(dāng)它流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時(shí)，如圖4.1所示，流速將在節(jié)流件處形成局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后便產(chǎn)生了壓差。流體流量愈大，產(chǎn)生的壓差愈大，這樣可依據(jù)壓差來(lái)衡量流量的大小。這種測(cè)量方法是以流動(dòng)連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)為基礎(chǔ)的。壓差的大小不僅與流量還與其他許多因素有關(guān)，例如當(dāng)節(jié)流裝置形式或管道內(nèi)流體的物理性質(zhì)(密度、粘度)不同時(shí)，在同樣大小的流量下產(chǎn)生的壓差也是不同的。
圖4.1 孔板附近的流速和壓力分布
2.2 流量方程
式中 qm－－質(zhì)量流量，kg/s;
qv－－體積流量，m3/s;
C－－流出系數(shù)；
ε－－可膨脹性系數(shù)；
β－－直徑比，β=d/D;
d－－工作條件下節(jié)流件的孔徑，m；
D－－工作條件下上游管道內(nèi)徑，m；
△P－－差壓，Pa；
ρl－－上游流體密度，kg/m3。
由上式可見(jiàn)，流量為C、ε、d、ρ、△P、β(D)6個(gè)參數(shù)的函數(shù)，此6個(gè)參數(shù)可分為實(shí)測(cè)量【d，ρ，△P，β(D)】和統(tǒng)計(jì)量(C、ε)兩類(lèi)。
(1)實(shí)測(cè)量
1)d、D 式(4．1)中d與流量為平方關(guān)系，其精確度對(duì)流量總精度影響較大，誤差值一般應(yīng)控制在±0．05％左右，還應(yīng)計(jì)及工作溫度對(duì)材料熱膨脹的影響。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定管道內(nèi)徑D必須實(shí)測(cè)，需在上游管段的幾個(gè)截面上進(jìn)行多次測(cè)量求其平均值，誤差不應(yīng)大于±0．3％。除對(duì)數(shù)值測(cè)量精度要求較高外，還應(yīng)考慮內(nèi)徑偏差會(huì)對(duì)節(jié)流件上游通道造成不正常節(jié)流現(xiàn)象所帶來(lái)的嚴(yán)重影響。因此，當(dāng)不是成套供應(yīng)節(jié)流裝置時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)配管應(yīng)充分注意這個(gè)問(wèn)題。
2)ρ ρ在流量方程中與△P是處于同等位置，亦就是說(shuō)，當(dāng)追求差壓變送器高精度等級(jí)時(shí)，絕不要忘記ρ的測(cè)量精度亦應(yīng)與之相匹配。否則△P的提高將會(huì)被ρ的降低所抵消。
3)△P 差壓△P的精確測(cè)量不應(yīng)只限于選用一臺(tái)高精度差壓變送器。實(shí)際上差壓變送器能否接受到真實(shí)的差壓值還決定于一系列因素，其中正確的取壓孔及引壓管線(xiàn)的制造、安裝及使用是保證獲得真實(shí)差壓值的關(guān)鍵，這些影響因素很多是難以定量或定性確定的，只有加強(qiáng)制造及安裝的規(guī)范化工作才能達(dá)到目的。
(2)統(tǒng)計(jì)量
1)C 統(tǒng)計(jì)量C是無(wú)法實(shí)測(cè)的量(指按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造安裝，不經(jīng)校準(zhǔn)使用)，在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)最復(fù)雜的情況出現(xiàn)在實(shí)際的C值與標(biāo)準(zhǔn)確定的C值不相符合。它們的偏離是由設(shè)計(jì)、制造、安裝及使用一系列因素造成的。應(yīng)該明確，上述各環(huán)節(jié)全部嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，其實(shí)際值才會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)確定的值相符合，現(xiàn)場(chǎng)是難以完全滿(mǎn)足這種要求的。
應(yīng)該指出，與標(biāo)準(zhǔn)條件的偏離，有的可定量估算(可進(jìn)行修正)，有的只能定性估計(jì)(不確定度的幅值與方向)。但是在現(xiàn)實(shí)中，有時(shí)不僅是一個(gè)條件偏離，這就帶來(lái)非常復(fù)雜的情況，因?yàn)橐话阗Y料中只介紹某一條件偏離引起的誤差。如果許多條件同時(shí)偏離，則缺少相關(guān)的資料可查。
2)ε 可膨脹性系數(shù)ε是對(duì)流體通過(guò)節(jié)流件時(shí)密度發(fā)生變化而引起的流出系數(shù)變化的修正，它的誤差由兩部分組成：其一為常用流量下ε的誤差，即標(biāo)準(zhǔn)確定值的誤差；其二為由于流量變化ε值將隨之波動(dòng)帶來(lái)的誤差。一般在低靜壓高差壓情況，ε值有不可忽略的誤差。當(dāng)△P／P≤0.04時(shí)，ε的誤差可忽略不計(jì)。
3 分 類(lèi)
差壓式流量計(jì)分類(lèi)如表4.1所示。
表4.1 差壓式流量計(jì)分類(lèi)表
分類(lèi)原則 分 類(lèi) 類(lèi) 型
按產(chǎn)生差壓的作用原理分類(lèi) 1）節(jié)流式；2）動(dòng)壓頭式；3）水力阻力式；4）離心式；5）動(dòng)壓增益式；6）射流式
按結(jié)構(gòu)形式分類(lèi) 1）標(biāo)準(zhǔn)孔板；2）標(biāo)準(zhǔn)噴嘴；3）經(jīng)典文丘里管；4）文丘里噴嘴；5）錐形入口孔板；6）1/4圓孔板；7）圓缺孔板；8）偏心孔板；9）楔形孔板；10）整體（內(nèi)藏）孔板；11）線(xiàn)性孔板；12）環(huán)形孔板；13）道爾管；14）羅洛斯管；15）彎管；16）可換孔板節(jié)流裝置；17）臨界流節(jié)流裝置
按用途分類(lèi) 1）標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置；2）低雷諾數(shù)節(jié)流裝置；3）臟污流節(jié)流裝置；4）低壓損節(jié)流裝置；5）小管徑節(jié)流裝置；6）寬范圍度節(jié)流裝置；7）臨界流節(jié)流裝置；
3.1 按產(chǎn)生差壓的作用原理分類(lèi)
1)節(jié)流式 依據(jù)流體通過(guò)節(jié)流件使部分壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能以產(chǎn)生差壓的原理工作，其檢測(cè)件稱(chēng)
之為節(jié)流裝置，是DPF的主要品種。
2)動(dòng)壓頭式 依據(jù)動(dòng)壓轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓的原理工作，如均速管流量計(jì)。
3)水力阻力式 依據(jù)流體阻力產(chǎn)生的壓差原理工作，檢測(cè)件為毛細(xì)管束，又稱(chēng)層流流量計(jì)，一
般用于微小流量測(cè)量。
4)離心式 依據(jù)彎曲管或環(huán)狀管產(chǎn)生離心力原理形成的壓差工作，如彎管流量計(jì)，環(huán)形管流量
計(jì)等。
5)動(dòng)壓增益式 依據(jù)動(dòng)壓放大原理工作，如皮托-文丘里管。
6)射流式 依據(jù)流體射流撞擊產(chǎn)生原理工作，如射流式差壓流量計(jì)。
3.2 按結(jié)構(gòu)形式分類(lèi)
1) 標(biāo)準(zhǔn)孔板 又稱(chēng)同心直角邊緣孔板，其軸向截面如圖4.2所示。孔板是一塊加工成圓形同心的具有銳利直角邊緣的薄板�？装彘_(kāi)孔的上游側(cè)邊緣應(yīng)是銳利的直角。標(biāo)準(zhǔn)孔板有三種取壓方式：角接、法蘭及D-D/2取壓；如圖4.3所示。為從兩個(gè)方向的任一個(gè)方向測(cè)量流量，可采用對(duì)稱(chēng)孔板，節(jié)流孔的兩個(gè)邊緣均符合直角邊緣孔板上游邊緣的特性，且孔板全部厚度不超過(guò)節(jié)流孔的厚度。
圖4.2 標(biāo)準(zhǔn)孔板
圖4.3 孔板的三種取壓方式
2) 標(biāo)準(zhǔn)噴嘴 有兩種結(jié)構(gòu)形式：ISA 1932噴嘴和長(zhǎng)徑噴嘴。
a. ISA 1932噴嘴（圖4.4） 上游面由垂直于軸的平面、廓形為圓周的兩段弧線(xiàn)所確定的收縮段、圓筒形喉部和凹槽組成的噴嘴。ISA 1932噴嘴的取壓方式僅角接取壓一種。
圖4.4 ISA 1932噴嘴
b. 長(zhǎng)徑噴嘴（圖4.5） 上游面由垂直于軸的平面、廓形為1/4橢圓的收縮段、圓筒形喉部和可能有的凹槽或斜角組成的噴嘴。長(zhǎng)徑噴嘴的取壓方式僅D-D/2取壓一種。
3） 經(jīng)典文丘里管 由入口圓筒段A、圓錐收縮段B、圓筒形喉部C和圓錐擴(kuò)散段E組成，如圖4.6 所示。根據(jù)不同的加工方法，有以下結(jié)構(gòu)形式：①具有粗鑄收縮段的；②具有機(jī)械加工收縮段的；③具有鐵板焊接收縮段的。不同結(jié)構(gòu)形式的L1、L2、R1、R2與D、d的關(guān)系如表4.2所示。
4）文丘里噴嘴 由進(jìn)口噴嘴、圓筒形喉部及擴(kuò)散段組成，如圖4.7所示。
5）錐形入口孔板 錐形入口孔板與標(biāo)準(zhǔn)孔板相似，相當(dāng)于一塊倒裝的標(biāo)準(zhǔn)孔板，其結(jié)構(gòu)如圖4 . 8所示，取壓方式為角接取壓。
表4.2 L1、L2、R1、R2與D、d關(guān)系
注 粗 鑄 入 口 機(jī)械加工的入口 粗焊的鐵板入口
1 ±0.25D(100mm＜D＜150mm)
L1=0.5D±0.05D L1=0.5D±0.05D
2 L2=1D或0.25D+250mm兩個(gè)量中的小者 L2≥D(入口直徑) L2≥D(入口直徑)
3 R1=1.375D+20% R1＜0.25D R1=0,焊縫除外
4 R2=3.625d至3.8d R2＜0.25D R2=0,焊縫除外
超聲波流量計(jì)的基本原理及類(lèi)型
超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)就載上流體流速的信息。因此通過(guò)接收到的超聲波就可以檢測(cè)出流體的流速，從而換算成流量。根據(jù)檢測(cè)的方式，可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關(guān)法等不同類(lèi)型的超聲波流量計(jì)。起聲波流量計(jì)是近十幾年來(lái)隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展才開(kāi)始應(yīng)用的一種
非接觸式儀表，適于測(cè)量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。它與水位計(jì)聯(lián)動(dòng)可進(jìn)行敞開(kāi)水流的流量測(cè)量。使用超聲波流量比不用在流體中安裝測(cè)量元件故不會(huì)改變流體的流動(dòng)狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產(chǎn)管線(xiàn)運(yùn)行因而是一種理想的節(jié)能型流量計(jì)。
眾所周知，目前的工業(yè)流量測(cè)量普遍存在著大管徑、大流量測(cè)量困難的問(wèn)題，這是因?yàn)橐话懔髁坑?jì)隨著測(cè)量管徑的增大會(huì)帶來(lái)制造和運(yùn)輸上的困難，造價(jià)提高、能損加大、安裝不僅這些缺點(diǎn)，超聲波流量計(jì)均可避免。因?yàn)楦黝?lèi)超聲波流量計(jì)均可管外安裝、非接觸測(cè)流，儀表造價(jià)基本上與被測(cè)管道口徑大小無(wú)關(guān)，而其它類(lèi)型的流量計(jì)隨著口徑增加，造價(jià)大幅度增加，故口徑越大超聲波流量計(jì)比相同功能其它類(lèi)型流量計(jì)的功能價(jià)格比越優(yōu)越。被認(rèn)為是較好的大管徑流量測(cè)量?jī)x表，多普勒法超聲波流量計(jì)可測(cè)雙相介質(zhì)的流量，故可用于下水道及排污水等臟污流的測(cè)量。在發(fā)電廠(chǎng)中，用便攜式超聲波流量計(jì)測(cè)量水輪機(jī)進(jìn)水量、汽輪機(jī)循環(huán)水量等大管徑流量，比過(guò)去的皮脫管流速計(jì)方便得多。超聲被流量汁也可用于氣體測(cè)量。管徑的適用范圍從2cm到5m，從幾米寬的明渠、暗渠到500m寬的河流都可適用。
另外，超聲測(cè)量?jī)x表的流量測(cè)量準(zhǔn)確度幾乎不受被測(cè)流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，又可制成非接觸及便攜式測(cè)量?jī)x表，故可解決其它類(lèi)型儀表所難以測(cè)量的強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測(cè)量問(wèn)題。另外，鑒于非接觸測(cè)量特點(diǎn)，再配以合理的電子線(xiàn)路，一臺(tái)儀表可適應(yīng)多種管徑測(cè)量和多種流量范圍測(cè)量。超聲波流量計(jì)的適應(yīng)能力也是其它儀表不可比擬的。超聲波流量計(jì)具有上述一些優(yōu)點(diǎn)因此它越來(lái)越受到重視并且向產(chǎn)品系列化、通用化發(fā)展，現(xiàn)已制成不同聲道的標(biāo)準(zhǔn)型、高溫型、防爆型、濕式型儀表以適應(yīng)不同介質(zhì)，不同場(chǎng)合和不同管道條件的流量測(cè)量。
超聲波流量計(jì)目前所存在的缺點(diǎn)主要是可測(cè)流體的溫度范圍受超聲波換能鋁及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測(cè)流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全。目前我國(guó)只能用于測(cè)量200℃以下的流體。另外，超聲波流量計(jì)的測(cè)量線(xiàn)路比一般流量計(jì)復(fù)雜。這是因?yàn)�，一般工業(yè)計(jì)量中液體的流速常常是每秒幾米，而聲波在液體中的傳播速度約為1500m／s左右，被測(cè)流體流速(流量)變化帶給聲速的變化量最大也是10－3數(shù)量級(jí)．若要求測(cè)量流速的準(zhǔn)確度為1％，則對(duì)聲速的測(cè)量準(zhǔn)確度需為10-5～10-6數(shù)量級(jí)，因此必須有完善的測(cè)量線(xiàn)路才能實(shí)現(xiàn)，這也正是超聲波流量計(jì)只有在集成電路技術(shù)迅速發(fā)展的前題下才能得到實(shí)際應(yīng)用的原因。
超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、電子線(xiàn)路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測(cè)流體中，接收器接收到的超聲波信號(hào)，經(jīng)電子線(xiàn)路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)供給顯示和積算儀表進(jìn)行顯示和積算。這樣就實(shí)現(xiàn)了流量的檢測(cè)和顯示。
超聲波流量計(jì)常用壓電換能器。它利用壓電材料的壓電效應(yīng)，采用適出的發(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振勸。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔埽员銠z測(cè)。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，而接收換能器則是利用壓電效應(yīng)。
超聲波流量計(jì)換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動(dòng)。薄片直徑超過(guò)厚度的10倍，以保證振動(dòng)的方向性。壓電元件材料多采用鋯鈦酸鉛。為固定壓電元件，使超聲波以合適的角度射入到流體中，需把元件故人聲楔中，構(gòu)成換能器整體(又稱(chēng)探頭)。聲楔的材料不僅要求強(qiáng)度高、耐老化，而且要求超聲波經(jīng)聲楔后能量損失小即透射系數(shù)接近1。常用的聲楔材料是有機(jī)玻璃，因?yàn)樗该�，可以觀察到聲楔中壓電元件的組裝情況。另外，某些橡膠、塑料及膠木也可作聲楔材料。
超聲波流量計(jì)的電子線(xiàn)路包括發(fā)射、接收、信號(hào)處理和顯示電路。測(cè)得的瞬時(shí)流量和累積流量值用數(shù)字量或模擬量顯示。
根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理，目前超聲波流量計(jì)大致可分傳播速度差法(包括：直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法、頻差法)波束偏移法、多普勒法、相關(guān)法、空間濾波法及噪聲法等類(lèi)型，如圖所示。其中以噪聲法原理及結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，便于測(cè)量和攜帶，價(jià)格便宜但準(zhǔn)確度較低，適于在流量測(cè)量準(zhǔn)確度要求不高的場(chǎng)合使用。由于直接時(shí)差法、時(shí)差法、頻差法和相位差法的基本原理都是通過(guò)測(cè)量超聲波脈沖順流和逆流傳報(bào)時(shí)速度之差來(lái)反映流體的流速的，故又統(tǒng)稱(chēng)為傳播速度差法。其中頻差法和時(shí)差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來(lái)的誤差，準(zhǔn)確度較高，所以被廣泛采用。按照換能器的配置方法不同，傳播速度差撥又分為：Z法(透過(guò)法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。波束偏移法是利用超聲波束在流體中的傳播方向隨流體流速變化而產(chǎn)生偏移來(lái)反映流體流速的，低流速時(shí)，靈敏度很低適用性不大．多普勒法是利用聲學(xué)多普勒原理，通過(guò)測(cè)量不均勻流體中散射體散射的超聲波多普
勒頻移來(lái)確定流體流量的，適用于含懸浮顆粒、氣泡等流體流量測(cè)量。相關(guān)法是利用相關(guān)技術(shù)測(cè)量流量，原理上，此法的測(cè)量準(zhǔn)確度與流體中的聲速無(wú)關(guān)，因而與流體溫度，濃度等無(wú)關(guān)，因而測(cè)量準(zhǔn)確度高，適用范圍廣。但相關(guān)器價(jià)格貴，線(xiàn)路比較復(fù)雜。在微處理機(jī)普及應(yīng)用后，這個(gè)缺點(diǎn)可以克服。噪聲法(聽(tīng)音法)是利用管道內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲與流體的流速有關(guān)的原理，通過(guò)檢測(cè)噪聲表示流速或流量值。其方法簡(jiǎn)單，設(shè)備價(jià)格便宜，但準(zhǔn)確度低。
以上幾種方法各有特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)被測(cè)流體性質(zhì)．流速分布情況、管路安裝地點(diǎn)以及對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的要求等因素進(jìn)行選擇。一般說(shuō)來(lái)由于工業(yè)生產(chǎn)中工質(zhì)的溫度常不能保持恒定，故多采用頻差法及時(shí)差法。只有在管徑很大時(shí)才采用直接時(shí)差法。對(duì)換能器安裝方法的選擇原則一般是：當(dāng)流體沿管軸平行流動(dòng)時(shí)，選用Z法；當(dāng)流動(dòng)方向與管鈾不平行或管路安裝地點(diǎn)使換能器安裝間隔受到限制時(shí)，采用V法或X法。當(dāng)流場(chǎng)分布不均勻而表前直管段又較短時(shí)，也可采用多聲道(例如雙聲道或四聲道)來(lái)克服流速擾動(dòng)帶來(lái)的流量測(cè)量誤差。多普勒法適于測(cè)量?jī)上嗔�，可避免常�?guī)儀表由懸浮粒或氣泡造成的堵塞、磨損、附著而不能運(yùn)行的弊病，因而得以迅速發(fā)展。隨著工業(yè)的發(fā)展及節(jié)能工作的開(kāi)展，煤油混合(COM)、煤水泥合(CWM)燃料的輸送和應(yīng)用以及燃料油加水助燃等節(jié)能方法的發(fā)展，都為多普勒超聲波流量計(jì)應(yīng)用開(kāi)辟?gòu)V闊前景。
流量計(jì)的種類(lèi)很多，一般市場(chǎng)上用得比較廣泛的有：電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、孔板流量計(jì)、V錐流量計(jì)、金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)、玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)、橢圓齒輪流量計(jì)、均速管流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等。它們的安裝條件對(duì)直管段的要求V錐流量計(jì)是最低，而電磁、渦街、孔板等對(duì)直管段要求就較高，一般是前5D后3D,對(duì)于流量計(jì)前端有彎頭、閥門(mén)
等的直管段要求就更高，最高要求直管段是前50D后5D,因此在選購(gòu)流量計(jì)時(shí)一定要考慮流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝的環(huán)境、位置等因素，從而選擇更加適合現(xiàn)場(chǎng)工礦的流量計(jì)。