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流量测量仪表
flow meter
测量管道或明沟中液体、气体或蒸汽等流体流量的工业自动化仪表，又称流量计。流量是指单位时间内流经管道有效截面的流体数量。流体数量用体积表示者称为体积流量，单位为米(/时、升/时等;流体数量用质量表示者称为质量流量，单位为吨/时、千克/时等。
简史 早在1738年，瑞士人丹尼尔第一·伯努利以伯努利方程为基础利用差压法测量水流量。后来意大利人G.B.文丘里研究用文丘里管测量流量，并于1791年发表了研究结果。1886年，美国人C.赫谢尔用文丘里管制成测量水流量的实用装置20世纪初期到中期,原有的测量原理逐渐成熟,人们开始探索新的测量原理自1910年起美国开始研制测量明沟中水流量的槽式流量计。1922年，R.L.帕歇尔将原文丘里水槽改革为帕歇尔水槽（于1929年为美国土木工程师协会所命名）。1911～1912年,美籍匈牙利人 T.von卡门提出卡门涡街的新理论。30年代出现探讨用声波测量液体和气体的流速的方法，但到第二次世界大战为止未获很大进展，直到1955年才有应用声循环法（两组型）的马克森流量计，用于测量航空燃料的流量。1945年，A.科林用交变磁场成功地测量了血液流动的情况。60年代以后，仪表向精密化、小型化等方向发展。例如，为了提高差压仪表的精确度而出现力平衡差压变送器和电容式差压变送器；为使电磁流量计的传感器小型化和改善信噪比而出现用非均匀磁场和低频励磁方式的电磁流量计。此外，具有宽测量范围和无活动检测部件的实用卡门涡街流量计也在70年代问世。随着集成电路技术的迅速发展，具有锁相环路技术的超声（波）流量计也得到了普遍应用。微型计算机的广泛应用，进一步提高了流量测量的能力，如激光多普勒流速计应用微型计算机可处理较为复杂的信号。
分类、性能、特点 流量可利用各种物理现象来间接测量,所以流量测量仪表种类繁多。按测量方法分,流量计有差压式、变面积式、容积式、速度式和电磁式等。表[各类流量计的主要性能和特点]列出各类流量计的主要性能和特点。
差压流量计 应用非常广泛的一类流量测量仪表,约占流量测量仪表总数的70％。它由节流装置和差压计两部分组成（图1 [差压流量计]）。充满圆管的流体流经节流件（如孔板）时,流束在孔板处形成局部收缩,由于流速增加、静压力降低而在孔板前后产生压差。这一压差与流量的平方成正比。对于节流装置已制订有国际标准（ISO5167）测量压差的仪表有应变、电容和振弦式等差压变送器以及双波纹管差压计等类型。这类仪表调试方便，且已规范化。只要将节流装置与差压计配套就可用于测量流体的流量。
变面积流量计 它的主要形式是转（浮）子流量计（图2[转（浮）子流量计]）,由锥形玻璃管和浮子组成。浮子能在垂直安装的锥形玻璃管内上下移动。被测流体自下向上流过管壁与浮子之间环隙时,托起浮子向上这时管与浮子之间的环隙面积增大，直到浮子两边压差所形成的力与浮子重力相等时，浮子便处在一个平衡位置。流量变化时浮子两边压差所形成的力也随之变化，使浮子又在一个新的位置上重新平衡。浮子浮起的高度即为流量计的读数。
涡轮流量计 由传感器和显示仪表组成。传感器主要由磁电感应转换器和涡轮组成(图3[涡轮流量计])流体流过传感器时，先经过前导流件，再推动铁磁材料制成的涡轮旋转。旋转的涡轮切割固壳体上的磁电感应转换器的磁力线，磁路中的磁阻便发生周期性的变化，从而感应出交流电信号。信号的频率与被测流体的体积流量成正比。传感器的输出信号经前置放大器放大后输至显示仪表，进行流量指示和积算。涡轮转速信号还可用光电效应、霍耳效应等转换器检出。
电磁流量计 由传感器转换器和显示仪表组成,根据法拉第电磁感应定律工作。传感器主要由励磁线圈和一对电极组成（图4 [电磁流量计]）。在用非磁性材料制成的、直径为D的管道内,导电液体若以速度流动,切割由励磁线圈感应出的均匀磁通密度为B的磁场,则在流体方向和磁场方向都垂直的一对电极上感应出电动势ES，则ES=CBDV，经换算可得到体积流量
[460-11]式中C和K为比例常数。若已知流量计的直径和磁通密度，即可测得体积流量值。
卡门涡街流量计 在流体中放置一个非流线型柱状物（圆柱或三角柱形等），在某一雷诺数范围内便会在柱状物后面的两侧交替地产生一种有规律的旋涡(图5[卡门涡街流量计原理图])。当两侧旋涡之间的距离与同侧旋涡之间距之比满足/=0.281时,涡列是稳定的,且有规则。根据斯特芬哈尔实验得知旋涡产生的频率 与流体流速成正比,因此测出旋涡频率即可得出体积流量。旋涡频率信号可通过热敏元件、热丝、压电晶体和应变等元件检测出来。
超声（波）流量计 在管道上的纵向距离为的两处安装两组超声波发生器和接收器（图6 [超声(波)流量计原理图]中的T1、R 1和T2、R 2）。当流体静止时，声速为。当流体速度为 时，顺流的声速为+，传播时间为1 ；逆流的声速为 -，传播时间为2。通过测量时间差 [461-11]来测量流速的方法称为时间法。由于时间差非常小，欲测 △需要较复杂的电子线路，为简化测量线路，用测量顺逆两个连续波之间的相位差[461-12] （为─连续波的角频率）来求得流速的方法称为相位差法。这两种方法都需要准确知道声速，但液体中的声速随温度变化。为消除因温度差异而产生的误差,可通过测量频率差[461-13]而求得流速。这种方法称为频率差法。集成电路的发展使超声(波)流量计可普遍使用锁相环路技术，这样就能消除由声速带来的误差，使超声（波）流量计的应用得到推广。
质量流量计 测量质量流量的流量计。一般流量计测量的是体积流量。流体密度随着温度、压力的变化而变化。因此，在密度变化情况下求出的体积流量对某一规定的工况来说是不准确的，而质量流量却与温度、压力变化无关质量流量计可分为直接式和推导式两类图7 [动量矩式质量流量计]中的动量矩式质量流量计是直接式质量流量计的一种。仪表壳体内的两个叶轮分别装在两短轴上，中间有一隔离盘，在两叶轮的轮缘上有若干直叶片作为流体的通道。电动机以恒定角速度驱动主动叶轮，使流体具有与主动叶轮相同的角速，并产生与质量流量成比例的动量矩，作用在从动叶轮上。从动叶轮因被弹簧限制不能旋转而吸收动量矩。因此测出弹簧的制动力矩,就可知道动量矩的变化,也即测得质量流量。推导式质量流量计是在测量体积流量的同时测出管道内流体温度、压力或密度的变化值，并将它们的输出信号用计算器自动运算，这样即可测得体积流量换算到规定状态下的体积流量或质量流量。
新型流量计 为了满足流量测量的特殊要求，随着新技术的发展又出现一些新型流量测量仪表。例如多普勒激光流速计能测量射流元件内气流变化速度、超声速的气流和湍流、燃烧火焰，特别是它能测量速度的分布。用气动力输送各种物料时,需要测量气-固两相流的流量，为此而研制出一种不需要单独标定的相关流量计。为解决烟丝、水泥和玉米粉的固体流量测量而研制出冲量流量计；为解决矿石、纸、煤破碎后变成浆状液的输送和污水处理、挖泥等污泥的运送中的计量问题，已有耐磨内衬和带浓度补偿的电磁流量计。另外，在大口径中插入一种由小口径涡轮、涡街和电磁等制成的插入式流量计可测量大流量，仪器价格低廉，压损小，也便于维修。
杨根生
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