超聲波流量計及其他流量計的發展簡介 十三

超聲波流量計幾種常用的測量方法是為了滿足各種介質測量的需要，幾百年來人們根據不同的測量原理，研究開發制造出了數十種不同類型的流量計，大致分為容積式、速度式、差壓式、面積式、質量式等。各種類型的流量計量原理、結構不同既有獨到之處又存在局限性。為達到較好的測量效果，需要針對不同的測量領域，不同的測量介質、不同的工作范圍，選擇不同種類、不同型號的流量計。工業計量中常用的幾種氣體流量計有：

（1）差壓式流量計      

差壓式流量計是以伯努利方程和流體連續性方程為依據，根據節流原理，當流體流經節流件時（如標準孔板、標準噴嘴、長徑噴嘴、經典文丘利嘴、文丘利噴嘴等），在其前后產生壓差，此差壓值與該流量的平方成正比。在差壓式流量計中，因標準孔板節流裝置差壓流量計結構簡單、制造成本低、研究最充分、已標準化而得到最廣泛的應用�？装辶髁坑嬂碚摿髁坑嬎愎�式為：

式中，qf為工況下的體積流量，m3/s；c為流出系數，無量鋼；β=d/D，無量鋼；d為工況下孔板內徑，mm；D 為工況下上游管道內徑，mm；ε為可膨脹系數，無量鋼；Δp為孔板前后的差壓值，Pa；ρ1 為工況下流體的密度，kg/m3。

對于天然氣而言，在標準狀態下天然氣積流量的實用計算公式為：

式中，qn為標準狀態下天然氣體積流量，m3/s；As 為秒計量系數，視采用計量單位而定，此式As=3.1794×10-6；c為流出系數；E 為漸近速度系數；d為工況下孔板內徑，mm；FG為相對密度系數，ε為可膨脹系數；FZ 為超壓縮因子；FT 為流動濕度系數；p1 為孔板上游側取壓孔氣流絕對靜壓，MPa；Δp為氣流流經孔板時產生的差壓，Pa。

差壓式流量計一般由節流裝置（節流件、測量管、直管段、流動調整器、取壓管路）和差壓計組成，對工況變化、準確度要求高的場合則需配置壓力計（傳感器或變送器）、溫度計（傳感器或變送器）流量計算機，組分不穩定時還需要配置在線密度計（或色譜儀）等。

（2）速度式流量計

速度式流量計是以直接測量封閉管道中滿管流動速度為原理的一類流量計。工業應用中主要有：

（3）渦輪流量計：當流體流經渦輪流量傳感器時，在流體推力作用下渦輪受力旋轉，其轉速與管道平均流速成正比，渦輪轉動周期地改變磁電轉換器的磁阻值，檢測線圈中的磁通隨之發生周期性變化，產生周期性的電脈沖信號。在一定的流量（雷諾數）范圍內，該電脈沖信號與流經渦輪流量傳感器處流體的體積流量成正比。渦輪流量計的理論流量方程為：

式中 n為渦輪轉速；qv為體積流量；A為流體物性（密度、粘度等），渦輪結構參數（渦輪傾角、渦輪直徑、流道截面積等）有關的參數；B為與渦輪頂隙、流體流速分布有關的系數；C為與摩擦力矩有關的系數。

（4）渦街流量計：在流體中安放非流線型旋渦發生體，流體在旋渦發生體兩側交替地分離釋放出兩列規則的交替排列的旋渦渦街。在一定的流量（雷諾數）范圍內，旋渦的分離頻率與流經渦街流量傳感器處流體的體積流量成正比。渦街流量計的理論流量方程為：

式中，qf為工況下的體積流量，m3/s；D 為表體通徑，mm；M 為旋渦發生體兩側弓形面積與管道橫截面積之比；d 為旋渦發生體迎流面寬度，mm；f 為旋渦的發生頻率，Hz；Sr 為斯特勞哈爾數，無量綱。

（5）旋進渦輪流量計：當流體通過螺旋形導流葉片組成的起旋器后，流體被強迫圍繞中心線強烈地旋轉形成旋渦輪，通過擴大管時旋渦中心沿一錐形螺旋形進動。在一定的流量（雷諾數）范圍內，旋渦流的進動頻率與流經旋進渦流量傳感器處流體的體積流量成正比。旋進旋渦流量計的理論流量方程為：

式中，qf 為工況下的體積流量，m3/s；f 為旋渦頻率，Hz；K 為流量計儀表系數，P/m3(p為脈沖數)。

（6）時差式超聲波流量計：當超聲波穿過流動的流體時，在同一傳播距離內，其沿順流方向和沿逆流方向的傳播速度則不同。在較寬的流量（雷諾數）范圍內，該時差與被測流體在管道中的體積流量（平均流速）成正比。超聲波流量計的流量方程式為：

式中，qf 為工況下的體積流量，m3/s；V 為流體通過超聲換能器皿1、2 之間傳播途徑上的聲道長度，m；L為超聲波在換能器1、2之間傳播途徑上的聲道長度，m；X 為傳播途徑上的軸向分量，m；t1 為超聲波順流傳播的時間，s；t2 為超聲波逆流傳播的時間，s。

速度式氣體流量計一般由流量傳感器和顯示儀組成，對溫度和壓力變化的場合則需配置壓力計（傳感器或變送器）、溫度計（傳感器或變送器）、流量積算儀（溫壓補償）或流量計算機（溫壓及壓縮因子補償）；對準確度要求更高的場合（如貿易天然氣），則另配置在線色譜儀連續分析混合氣體的組分或物性值計算壓縮因子、密度、發熱量等。

（7）容積式流量計

在容積式流量計的內部，有一構成固定的大空間和一組將該空間分割成若干個已知容積的小空間的旋轉體，如腰輪、皮膜、轉筒、刮板、橢圓齒輪、活塞、螺桿等。旋轉體在流體壓差的作用下連續轉動，不斷地將流體從已知容積的小空間中排出。根據一定時間內旋轉體轉動的次數，即可求出流體流過的體積量。容積式流量計的理論流量計算公式：

式中，qf 為工況下的體積流量，m3/s；n 為旋轉體的流速，周/s；V 為旋轉體每轉一周所排流體的體積，m3/周。

在標準狀態下，容積式流量計的體積流量計算公式與速度流量計相同。氣體容積式流量計屬機械式儀表，一般由測量體和積算器組成，對溫度和壓力變化的場合則需配置壓力計（傳感器或變送器）、溫度計（傳感器或變送器）、流量積算儀（溫壓補償）或流量計算機（溫壓及壓縮因子補償）。