流量测量仪表基本原理
流体流量的测量和调节是工业生产的重要环节。随着工业生产的发展和节约能源的需要，流量测量愈引起人们的重视，流量仪表得到广泛的应用，流量测量技术获得较快的发展，这对于实现一生产工艺过程自动化、保证安全生产、提高经济效益都将起到重要作用。
流量测量的关键在于仪表的正确选型和使用。流量仪表品种较多，使用范围较广。由于测量介质，诸如液体、气体和蒸汽等以及工况条件的不同，对仪表有不同的要求。，因此，必须了解流量计的工作原理、结构性能以及被测介质的特性、流动状态、管路情况以及生产工艺过程对仪表的要求，正确选用合适的仪表。其次，对仪表还必须使用得当和加强日常维护管理，才能取得满意的效果。安装不良、使用不当、维护管理不善往往导致仪表丧失精度或早期损坏，给生产造成损失，这在实际工作中屡见不鲜。
一、常用流量计的基本原理
流体在单位时间内流过管道或设备某横截面处的数量称为流量。该数量可以用体积、重量和质量来表示，流过的数量用体积计算的称为体积流量，用质量计算的称为质量流量，体积流量的单位为m3/s(也用m3/h, cm3/s, l/min表示)，质量流量的单位为kg/s(也用kg/h表示)。
流量计是测量流量的仪表，它能指示和记录某瞬时流体的流量值，累积某段时间间隔内流体的总量值。流量测量的方法很多，较常用的测量方法大体上可分为差压式流量计、容积式流量计、速度式流量计、转子流量计、漩涡流量计、靶式流量计、电磁流量计、超声波流量计等。由于流量测量方法的基础理论都建立在不同的物理原理上，因此各类流量计就相应具有各不相同的特点以及不同的使用场合，为了适应各种工艺条件及要求的过程控制，在此将介绍几种常用流量计仪表的工作原理。
(一)转子流量计的基本原理
转子流量计（如图9-11）广泛应用在各工艺部门中，主要由一根自下而上扩大的垂直锥形管
图9-11 转子流量计的工作原理图
和一只随流体流量大小而可以上下移动的锥形转子所组成。转子升降时，它的大外径与锥形管之间的环隙面积随转子高度不同而变化。当流量增加时，转子上升环形面积增大，并使转子稳定在较高位置，此时高度h即可指示流量。故转子流量计也称为变面积流量计。根据其锥形管所选用的材料，可分为金属管转子流量计和玻璃管转子流量计。金属管转子流量计带有远传转换机构，可以实现对流量的就地指示，并可对应被测流量的大小输出气、电标准信号，与电、气动单元组合仪表配套使用，对流量进行指示或控制。因此金属管转子流量计也称为远传转子流量计。其工作原理：将转子流量计的转子与差动变压器的铁芯连接，使转子带动铁芯一起运动，就可将流量大小转换成感应电压的大小，经放大后可输出直流信号。
(二)差压式流量计基本原理
差压式流量计是一种使用历史较悠久，实验数据较完整的流量装置。它是以测量流体流经节流装置所产生的静压差来显示流量大小的一种流量计。在压力管路中加装孔板（如图9-12）、喷嘴、文丘利管等节流装置，用差压变送器测取节流装置前后水流速度变化而形成的压力差，用差值大小经开方器作开方运算后换算成流量，以输出毫安级直流信号。
图9-12 节流装置的取压方式
1-1—角接取压法；2-2—法兰取压法；3-3—径距取压法；4-4—理论取压法；5-5—管接取压法
(三)电磁流量计基本原理
电磁流量计（如图9-13）是根据法拉第电磁感应定律研制出的一种测量导电液体体积流量的仪表。根据法拉第电磁感应定律，导电流体介质在水管中与外设磁场垂直方向流动而切割磁力线时，会在电极上产生感应电势e，然后通过变换器放大，输出直流信号，供显示仪表。
1-涡轮；2-导流器；3-磁电感应转换器
4-外壳；5-前置放大器
(四)涡轮流量计基本原理
涡轮流量计（如图9-14）是一种速度式流量测量仪表，它通过测定置于流体中的涡轮的转速来反映流量的大小。涡轮流量计由涡轮流量传感器(包括前置放大器)和流量积算仪组成，可实现瞬时流量和累积流量的计量。涡轮流量传感器主要由壳体组件、叶轮组件、磁电感应转换器(包括前置放大器)等所组成。其工作原理，当被测流体通过传感器时，冲击叶轮叶片，使叶轮旋转，在一定的流量范围内及一定的流体粘度下，叶轮转速与流体流量成正比。而当叶轮转动时，叶轮上由导磁不锈钢制成的螺旋形叶片，依次接近处于管壁上的检测线圈，周期性地改变检测线圈磁电回路的磁阻，使通过线圈的磁通量发生变化而产生与流量成比例的脉冲电信号。此脉冲信号经前置放大器放大后送至二次仪表进行积算或显示。
(五)漩涡流量计基本原理
漩涡流量计是一种速度式流量计。输出信号是与流量成正比的脉冲频率信号或标准电流信号，可远距离传送，并且输出信号仅与流量有关，不受流体的温度、压力、成分、粘度和密度的影响。
漩涡流量计是利用流体力学中卡门涡街的原理制作的一种仪表，把一个非流线型的对称形状的物体(如圆往体、三角柱体、矩形柱体、六面柱体等，以下简称漩涡发生体)垂直插在管道中，流体绕过漩涡发生体时，出现了附面层分离，在漩涡发生体的左右二侧后方交替产生漩涡，形成涡列。左右两例的漩涡的旋转方向相反。这种漩涡列通常被称为卡门漩涡列，也称卡门涡街。
流体经过漩涡发生体强制形成漩涡，其中心沿管中心线向前移动，进入管的扩大部分时，漩涡统检测元件作螺旋运动，检测元件为热敏电阻，每当漩涡作用在该元件上时，使其温度发生变化，此时热敏电阻的阻值随着漩涡的频率而变化，通过电子线路将这个频率处理成直流信号。经流量显示仪或调节仪显示控制流量。
(六)靶式流量计基本原理
靶式流量计是一种速度式流量计，它与流量显示仪及调节仪等仪表配合，能测量控制高粘度以及含颗粒或腐蚀性介质的流量。
其工作原理是，当被测流体流经检测元件时，流体作用于靶上的力与流体速度成正比，与流体流量的平方成反比，杠杆经密封膜片将靶上的力送到力平衡变送器，经变换器放大输出直流信号。
(七)超声波流量计基本原理
超声波流量计是近代发展起来的一种新型测量流量的仪表，在医疗、海洋观测，河流等方面的测量得到了广泛的应用。只要能传播超声波的流体均可用超声波流量计测量。该流量计也可测高粘度液体、非导电性或气体的流量。超声波测量流速的原理是：利用超声波在流体中的传播速度会随被测流体流速而变化。在管道外侧上下游处各设置探头一个，利用流体传播超声波，采用时频法测量流速（如图9-15），经变换后可显示瞬时流量。
图9-15 超声波测速原理
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流量测量的关键在于仪表的正确选型和使用。流量仪表品种较多，使用范围较广。由于测量介质，诸如液体、气体和蒸汽等以及工况条件的不同，对仪表有不同的要求。，因此，必须了解流量计的工作原理、结构性能以及被测介质的特性、流动状态、管路情况以及生产工艺过程对仪表的要求，正确选用合适的仪表。其次，对仪表还必须使用得当和加强日常维护管理，才能取得满意的效果。安装不良、使用不当、维护管理不善往往导致仪表丧失精度或早期损坏，给生产造成损失，这在实际工作中屡见不鲜。
一、常用流量计的基本原理
流体在单位时间内流过管道或设备某横截面处的数量称为流量。该数量可以用体积、重量和质量来表示，流过的数量用体积计算的称为体积流量，用质量计算的称为质量流量，体积流量的单位为m3/s(也用m3/h, cm3/s, l/min表示)，质量流量的单位为kg/s(也用kg/h表示)。
流量计是测量流量的仪表，它能指示和记录某瞬时流体的流量值，累积某段时间间隔内流体的总量值。流量测量的方法很多，较常用的测量方法大体上可分为差压式流量计、容积式流量计、速度式流量计、转子流量计、漩涡流量计、靶式流量计、电磁流量计、超声波流量计等。由于流量测量方法的基础理论都建立在不同的物理原理上，因此各类流量计就相应具有各不相同的特点以及不同的使用场合，为了适应各种工艺条件及要求的过程控制，在此将介绍几种常用流量计仪表的工作原理。
(一)转子流量计的基本原理
转子流量计（如图9-11）广泛应用在各工艺部门中，主要由一根自下而上扩大的垂直锥形管
图9-11 转子流量计的工作原理图
和一只随流体流量大小而可以上下移动的锥形转子所组成。转子升降时，它的大外径与锥形管之间的环隙面积随转子高度不同而变化。当流量增加时，转子上升环形面积增大，并使转子稳定在较高位置，此时高度h即可指示流量。故转子流量计也称为变面积流量计。根据其锥形管所选用的材料，可分为金属管转子流量计和玻璃管转子流量计。金属管转子流量计带有远传转换机构，可以实现对流量的就地指示，并可对应被测流量的大小输出气、电标准信号，与电、气动单元组合仪表配套使用，对流量进行指示或控制。因此金属管转子流量计也称为远传转子流量计。其工作原理：将转子流量计的转子与差动变压器的铁芯连接，使转子带动铁芯一起运动，就可将流量大小转换成感应电压的大小，经放大后可输出直流信号。
(二)差压式流量计基本原理
差压式流量计是一种使用历史较悠久，实验数据较完整的流量装置。它是以测量流体流经节流装置所产生的静压差来显示流量大小的一种流量计。在压力管路中加装孔板（如图9-12）、喷嘴、文丘利管等节流装置，用差压变送器测取节流装置前后水流速度变化而形成的压力差，用差值大小经开方器作开方运算后换算成流量，以输出毫安级直流信号。
图9-12 节流装置的取压方式
1-1—角接取压法；2-2—法兰取压法；3-3—径距取压法；4-4—理论取压法；5-5—管接取压法
(三)电磁流量计基本原理
电磁流量计（如图9-13）是根据法拉第电磁感应定律研制出的一种测量导电液体体积流量的仪表。根据法拉第电磁感应定律，导电流体介质在水管中与外设磁场垂直方向流动而切割磁力线时，会在电极上产生感应电势e，然后通过变换器放大，输出直流信号，供显示仪表。
1-涡轮；2-导流器；3-磁电感应转换器
4-外壳；5-前置放大器
(四)涡轮流量计基本原理
涡轮流量计（如图9-14）是一种速度式流量测量仪表，它通过测定置于流体中的涡轮的转速来反映流量的大小。涡轮流量计由涡轮流量传感器(包括前置放大器)和流量积算仪组成，可实现瞬时流量和累积流量的计量。涡轮流量传感器主要由壳体组件、叶轮组件、磁电感应转换器(包括前置放大器)等所组成。其工作原理，当被测流体通过传感器时，冲击叶轮叶片，使叶轮旋转，在一定的流量范围内及一定的流体粘度下，叶轮转速与流体流量成正比。而当叶轮转动时，叶轮上由导磁不锈钢制成的螺旋形叶片，依次接近处于管壁上的检测线圈，周期性地改变检测线圈磁电回路的磁阻，使通过线圈的磁通量发生变化而产生与流量成比例的脉冲电信号。此脉冲信号经前置放大器放大后送至二次仪表进行积算或显示。
(五)漩涡流量计基本原理
漩涡流量计是一种速度式流量计。输出信号是与流量成正比的脉冲频率信号或标准电流信号，可远距离传送，并且输出信号仅与流量有关，不受流体的温度、压力、成分、粘度和密度的影响。
漩涡流量计是利用流体力学中卡门涡街的原理制作的一种仪表，把一个非流线型的对称形状的物体(如圆往体、三角柱体、矩形柱体、六面柱体等，以下简称漩涡发生体)垂直插在管道中，流体绕过漩涡发生体时，出现了附面层分离，在漩涡发生体的左右二侧后方交替产生漩涡，形成涡列。左右两例的漩涡的旋转方向相反。这种漩涡列通常被称为卡门漩涡列，也称卡门涡街。
流体经过漩涡发生体强制形成漩涡，其中心沿管中心线向前移动，进入管的扩大部分时，漩涡统检测元件作螺旋运动，检测元件为热敏电阻，每当漩涡作用在该元件上时，使其温度发生变化，此时热敏电阻的阻值随着漩涡的频率而变化，通过电子线路将这个频率处理成直流信号。经流量显示仪或调节仪显示控制流量。
(六)靶式流量计基本原理
靶式流量计是一种速度式流量计，它与流量显示仪及调节仪等仪表配合，能测量控制高粘度以及含颗粒或腐蚀性介质的流量。
其工作原理是，当被测流体流经检测元件时，流体作用于靶上的力与流体速度成正比，与流体流量的平方成反比，杠杆经密封膜片将靶上的力送到力平衡变送器，经变换器放大输出直流信号。
(七)超声波流量计基本原理
超声波流量计是近代发展起来的一种新型测量流量的仪表，在医疗、海洋观测，河流等方面的测量得到了广泛的应用。只要能传播超声波的流体均可用超声波流量计测量。该流量计也可测高粘度液体、非导电性或气体的流量。超声波测量流速的原理是：利用超声波在流体中的传播速度会随被测流体流速而变化。在管道外侧上下游处各设置探头一个，利用流体传播超声波，采用时频法测量流速（如图9-15），经变换后可显示瞬时流量。
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