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一种新型的车载音速喷嘴气体流量检定系统 Douglas E. Dodds 　　摘要：本文介绍了一种新型的车载气体涡轮流量计检定系统。该系统由计算机控制一台数控喷嘴切换阀，可以根据流量计的口径自动选择11个音速喷嘴中的任一个对气体涡轮流量计在工况条件下进行检定；同时该系统中还有一台气相色谱仪与音速喷嘴结合起来完成气体质量流量的运算。文章中还介绍了用音速喷嘴检定气体涡轮流量计的质量流量公式和客积流量公式，以及检定系统的工艺流程图。采用该系统检定气体涡轮流量计，可以由计算机直接进行温度、压力修正，提高检定准确度。一、简介　　Arkla管道集团研究了一种车载音速喷嘴检定装置，可以在实际工作条件下检定气体涡轮流量计，检定的流量计口径在3-16 in。这种检定系统与气相色谱仪结合，完成气体质量流量计算。　　这个检定系统较过去的方法有很大的提高。在大多数情况下，在大气压下检定的涡轮流量计用于工作状态，原来的仪表常数将发生飘移。而采用音速喷嘴在实际工作压力、温度条件下检定克服了这一不足。另外，音速喷嘴系统使用天然气为介质而不是空气，也去掉了由空气引入的误差。　　车载检定系统可以检定整个涡轮计量系统，而不仅仅是检定一台涡轮流量计。这意味着由脉动引起的误差可以被检测出来，这是其它任何检定系统所不能做到的。二、定义　　音速喷嘴流量的基本定义是：在其它参数维持不变的情况下，当喷嘴下游的压力降低到某一点时，即使下游压力继续下降，也不会引起喷嘴喉管的质量流量进一步增加。在这一点，气体在喷嘴喉管处的运动速度为音速，被称为"临界流"、"音速流"或称为"扼流"。气体的质量流量可以在喷嘴喉管被精确地确定出来。早期，需在喷嘴的进口和出口的压力降低到50％时，才能获得音速，然而现在压力降可以小到5％，而典型的压降不会超过10％，即可以得到音速。三、车载检定装置的设备　　1、一台车载板房，将其间隔成微机间、阀组间、空气压缩机间和电源间。这样可将危险区与非危险区分开。　　2、一个计算机控制系统，包括一台IBM。386微机，其具有120兆硬盘32台打印机和一个远程终端(RTU)。远程终端是微机与数控阀的接口，它有控制输出、状态输入和模拟输入控制输出开关电磁气动阀-每一个喷嘴有一个电磁阀。每一个执行器由2个舌簧开关提供状态输入信号，反映执行器的位置，由微机判定哪些喷嘴在工作状态。来自空气压缩机的状态输入信号可以指示出空气压力是否降至751b／in2(表)以下，该压力是数控阀的最小操作压力。模拟输人代表涡轮流量计的工作温度和压力(两个输入)、阀进口和出口的压力(三点输入)和阀进口的温度(一点输入)。　　3、一台Daniel气体色谱仪，其在检定系统中是一台关键设备。气相色谱仪每6min对气体进行一次实时组分分析，并将结果通过一个RS。232的通讯接口输送到计算机。计算机应用分子百分量计算出用于质量公式的两个可变量。气体色谱仪条型记录仪和控制器安装在非危险区的微机房内。色谱仪的取样探头安装在危险区内的数控阀的管线上。　　4、2个供电单元使检定系统维持运转。一个2.8kW单元驱动小的负载，如色谱仪、计算机和RTU。一个7kw电机带动一个空气压缩机和空气调节器。　　5、一台1hp的空压机提供100lb/in2(表)压力的空气给数控阀的电磁阀，用以操作喷嘴。该气源也用于开动小型的手动工具。　　6、连接管线，由2根口径为4in，长为14ft的挠型管连接被检仪表和检定系统。一根连接被检表到检定装置的进口，另一根连接检定装置出口到返回管线。每一个连接头都采用高压快速接头，管线的工作压力为550lb/in2(表)。

　　7、数控切换阀，如图1所示的数控阀重1100lb，它有11个供选择的音速喷嘴通道，其以二进制方式控制。由于最大的两个喷嘴分为最大通道功能和逻辑控制。二进制控制给数控阀10bit的分辨率。结果是流量的增量阶程为58．7Ac勋。RIU的电控信号控制着气动电磁阀的开关，同时又控制气动操作电磁阀以使音速喷嘴进入工作状态。气缸在阀的中间，其具有足够的能量，即使空气供应中断仍可使阀门旋转两次。　　数控阀体上有4个连接孔：2个进口和2个出口。连接口用于连接进口的温度变送器和进口、出口的压力变送器。由于进口压力应十分精确，一个进口应安装2个压力变送器，其量程范围分别是0-75lb/in2(表)和0-200lb/in2(表)。当压力达到第一个压力变送器量程的95％时，计算机将测压仪表从第一个压变转换到第二个压变。一次有一个喷嘴打开，气体从入口进入喷嘴，再从壳体的4个管口流出进入外壳体，然后流出阀体。四、基本流量公式　　检定装置计算质量流量用以下公式

式中: M-工况状态下的质量流量，lb；　　　P-壳体内压力，1b/in2(绝)；　　　A-喷嘴喉部的截面积，in2；Arkla喷嘴直径的范围为0.0620-0.9941in，因此，其面积范围约为0.003-0.776in2；　　　C-临界流量系数，它是比热值的函数(等炳流量常数)。它是一个与气体流动状态下的气体声速有关的参数。在Arkla的系统中，有代表性的天然气估算的临界流量系数值是0.7(无量纲)。该值　　　　与压力和温度有关。C是用色谱仪分析计算出的分子百分量计算而来的；　　　Cd-流出系数，或实际质量流量除以理论质量流量得的数。简言之,它是喷嘴设计的效率,对不同的喷嘴它是不同的，并且是通过标定确定的。Arkla的喷嘴流出系数范围为0.96-1.0(无量纲)；　　　R-气体常数，其值是48.03除以气体分子量;由气相色谱仪分析计算的被测气体的分子量也用于此; 　　　T-壳体内的温度，R(℉+460)。　　　　容积流量是质量流量除以密度，密度等于P/ZRT，容积流量用下式计算：

式中: V-容积流量；　　　Z-壳体内的压缩系数(R.C.Johnson，不是AGA)，是一个接近1的数值。气相色谱仪分析计算的分子量和气体组分可以用于此；　　　Rv-气体常数，等于2.398除以气体分子量。气相色谱仪计算的分子量也用于此。R和Rv已被调整为工程单位。五、检定工艺流程　　气体流经涡轮流量计，然后经过数控阀并送出4个信号，如图2所示。测量气体压力和温度的两个信号，另外2个脉冲信号来自涡轮流量计的脉冲发讯器和来自数控阀的质量流量信号。需注意的是涡轮流量计的脉冲信号取自转换齿轮下部。

图2 检定系统流程图　　当流量计旋转一圈时，计算机测得装在涡轮流量计上发讯盘发出的数据。第一级齿轮是中间变速轮，对于Rockwell涡轮流量计和American流量计，它们的输入输出比为122.0555-l。第二级齿轮是变速齿轮，其输入输出比在1和2比1之间。　　流量计记数器固定在变速齿轮顶部，根据仪表口径不同，输出轴每转一圈记数器读数是100或1000 Acf。对3-6in的流量计，记数器与输出轴的比是100:1；因此，变速齿轮上面的输出轴每转一圈代表1ft3，对于8in或更大的流量计，记数器与输出轴间的比是1000:1。流量计信号、中间齿轮、变速齿轮和记数器给出的结果是实际工况下的立方英尺流量(Acf)。　　压力、容积、温度(PVT)图表安装在记数器的上部并用来校验记数器。　　计算机输入仪表温度和压力，并应用仪表测量的Acfh计算出Scfh(标准A3/h)；以lb为单位的质量流量是计算机从数控阀中获取数据除以标准状态下的密度值。在系统中流经涡轮流量计而后又通过数控阀的气体，其质量流量在各处都是一个常量。　　然而，以实际立方英尺的容积流量随着气体的组分、温度、压力而改变。因此，在阀体的容积流量与涡轮流量计处的容积流量不同。对于一定的质量流量，当气体密度增加时，实际容积流量(Acfh)减小。阀体中的容积流量高于其在涡轮流量计处的流量--这是因为阀进口的压力低于涡轮流量计处的压力，使流体流速略有升高。这就是为什么阀门和流量计处的压力和温度都需要测量的原因。　　涡轮流量计指示的Scfh和数控阀给出的Scfh之间的差即是涡轮流量计在该流量点的误差。该误差是相对于百分流量绘制的百分误差。这个百分仪表误差曲线是以实际流量对一个专门的仪表尺常数绘制的。通过输入计算机一个不同的变速比可以很容易改变K常数(脉冲数/ft3)。　　为了得到最小的误差，可以通过软件程序应用不同尺寸的喷嘴，并可以通过改变齿轮传动比对涡轮流量计实现检定。使用软件程序可以节约时间并省力，而实际上代替了改变齿轮传动比并且可反复对流量计检定，直到取得一个理想的结果。用10个不同流量点的检定结果可以绘制出详细的图表。六、结束语　　Arkla公司的车载音速喷嘴气体流量检定系

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1楼

极低温流体的流量测量作者：（日）川田裕郎小宫勤一山崎弘郎整理：革命党de人所谓工业上的极低温流体，一般指在大气压下沸点为－50℃以下的流体。代表性的极低温流体有LNG(液化天然气)、LN2(液氮)、LO2(液氧)、液化乙烯、液氢、液氯以及这些低温气体，L PG(液化石油气)不包括在极低温流体中。在论述极低温流体的流量测量方法时，特别要了解的是在工业过程中使用这些流体时，它与常温或高温相比有哪些不同?容易发生什么样的问题?因此，首先列举极低温流体和过程的特征加以说明。 (1) 容易引起状态变化

构成极低温流体的物质具有表1、表2所示的物理常数。这些流体通常以饱和状态储存在绝热的储存容器里。用泵升压、送出，开始过程处理，并反复进行加压、减压。在此过程中，饱和状态的极低温流体一会儿变为过冷状态，一会儿变为沸腾状态，状态容易变化。因此，配管设计和流量计设计需要采取措施。表1 低沸点物质的物理常数表2 液化天然气成分物质的物理常数

(2)有因浓缩而出现的物态变化液化天然气是由表2所示的物质而组成的混合物。由于从外部向储存容器或配管内加热，所以，先从甲烷开始蒸发，发生称为浓缩的如图1所示那样的成分变化。液化天然气的成分物质甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的液态密度如图2所示。由于浓缩，液化天然气的液态密度变大，所以，测量流量时，必须修正密度。 (3)对材料有限制金属材料在极低温下的屈服点、拉伸强度、延伸率、节流、冲击试验值等机械性质与常温下有很大不同，在极低温下，金属材料的拉伸强度上升，但延展性降低，冲击值也随材料而显著下降。因此，在极低温下所使用的仪器的材料，应是有充分抗破坏韧性的材料，使之不引起脆性破坏，这些材料就叫做低温材料。但是，现在使用的最一般的材料有：不锈钢、铝合金、90％的镍钢、35％的镍钢(镍铁合金)。表3示出了低温材料的机械性质。图3还示出了不锈钢的恰贝迁移温度曲线。

图1液化天然气的浓缩图2 液化天然气成分的液态密度

图3不锈钢的恰贝迁移温度迁移曲线表3低温材料的机械性质

(4)要求考虑因冷缩而产生的应力、间隙的变化后进行设计。低温材料的物理性质如表4所示。用这些材料设计测量仪器时，必须充分考虑冷缩的影响。 (5)需要预冷如果使极低温流体急剧地流入处于温暖状态的配管和仪器的局部，则不能控制从法兰漏出极低温流体，这样，配管和仪器会产生异常应力，有被破坏的危险。因此，必须进行预冷作业，冷却到所定的温度状态然后开始使用。 (6)必须注意因高凝固点物质的凝固而产生故障开始使用前．如果不消除空气、油分，那么，在极低温下，固化的水分，油分，二氧化碳等会增大可动部分的摩擦，使过滤器堵塞，发生效障。表4低温材料的物理性质

(7)在气液分界面引起对流在气液分界面内产生的对流，会出现微弱的脉动现象，发生因烟雾而产生的故障。流量测量仪器的种类目前使用最多的极低温流体的流量测量仪器有孔板、涡街流量计、涡轮流量计三种。但是，各种流量计，根据其用途、测量范围，也研制了很多不同的结构。因此，希望选择仪器时，一定要在充分掌握各种仪器的特征的基础上考虑价格。维护性能、要求精度、过程中测量场所的特征。极低温流体以液体和气体两种状态存在，但几乎所有的问题都发生在流体的流量测量过程中。因此．这里主要说明极低温液体的流量测量。孔板用孔板测量流体的方法是根据德国工业标准、美国机械工程师学会、日本工业标准等的标准确定的。由于其使用效果好，所以，极低温流体在以上述标准定义的物性值的范围内，如果测量时没有异常的物性值变化，就能进行圆满的测量。实际上在极低温流体的流量测量中，孔板应用得最多，可靠性也高。但是，在进行仪表设计时有几个重要的事项需要注意，下面就加以叙述。材料和结构 1. 材料采用SUS316L。焊接喷嘴使用低炭焊接棒是安全的。 2. 极低温流体在饱和状态下流动时，为把容易引起差压的摆动平滑化后进行测量，希望取压型式用角接取压。 3. 为了减少由于冷缩而引起的孔板漏浊，可将孔板和环室作成一体。 4. 对于测量高压配管或泵流用的孔板，难以用夹紧的办法来控制安装处的漏浊，有时甚至需要停止设备运行。因此，要按照配管等级来提高孔板安装位置的法兰和螺丝的等级，这种方法比通常用的过盈量要大，以防漏泄。同时，要将热传导率好的金属插入螺丝的空间，使配管的冷缩不产生时间差。根据情况，也有选择螺丝的冷缩率比孔板大的。 5. 在口径较大的配管上安装孔板时，用上述的薄片式的，有时不能控制漏泄。要使用带有法兰的孔板或焊接式孔扳。 2)孔板设计涡街流量计特征涡街流量计用于极低温流体的流量测量时，一般特征如下： 1. 压力损失比较小。即使是极低温的流体，其蒸发量也少，可以高精度测量。 2. 量程范围大。 3. 由于是检测流速，所以，流量和输出的关系为线性。 4. 由于可以脉冲输出，容易累积计算。 5. 很容易安装导压管。结构和材料为了减少热收缩等原因产生的漏液的可能性，主体一般装有法兰盘，而不用螺纹接头。为了避免冷热的影响，前置放大器部分采用加长管来安装。但是，有时也可根据情况安装散热片。本体、三角柱、法兰盘需使用低温材料SUS316。流量测量范围通常希望流量计的口径与普通配管直径一致。但是，往往是根据将来的计划来设计配管。当配管直径很大或使用量增加之后，会出现测量精度变差、甚至不能测量的情况。在这种情况下，必须按测量范围选用涡街流量计以及前后安装的整流器以使口径一致。一般地说，可按照下面几点来选定。 1. 最小流量的极限是这样选取的：当流量低于这个极限时，流量信号变弱。按雷诺数划分的话，雷诺数大约是2000。 2. 最大流量。换算为流速的话，取6米／秒。取该值的原因是一方面在流量计的检测部分压力损失增加，流体在该处急剧蒸发，另一方面它是涡街流量测量的极限值。涡轮流量计结构和材料涡轮流量计中装有转子和轴承等以高速转动的可动部分、摩擦部分。因此，应充分了解其结构和处理方法，否则，使用时就不会发挥其特性。一般使用的材料是大家所知道的SUS304L低温材料。如能进行奥氏体化处理，SUS304也可使用。轴承是涡轮流量计的最重要部分，达部分决定其特性、耐久性。如果被测流体是没有润滑性的液体，在选泽轴承时，要十分注意。通过实验证明，测量液化天然气用的涡轮流量计可以使用AISI 440C不锈钢的滚珠轴承。流量范围用涡轮流量计测量极低温流体时，最容易发生的故障是因仪表的压力损失而引起的急剧蒸发。仪表中形成急剧蒸发后，转子将以比通常转速快数十倍的速度旋转。这样轴承会在很短的时间内就被彻底磨坏。防止蒸发的最好方法是适当加大仪表的尺寸。涡轮流量计的压力损失与流量的平方成正比，如能将被测最大流量限制在仪表容量的1／2时，压力损失可下降到额定的1／4。一股地说，在间断使用时，如将被测最大流量控制在仪表容量的70％以下，基本上不会产生因仪表本身的压力损失而出现的故障。连续使用时，要将常用流量限制在仪表容量的50％以下。这就需要将轴承的检查周期取为一年以上。粘度的影响当流体是紊流时，转子的转速不受粘度和密度的影响。但是，当是层流时，就要受影响。因此，在流量小的地方，可测量的流体的密度和流量之间存在一定的极限。液化天然气等极低温流体和汽油相比，粘度小一个数量级。因此，就可以用汽油检定，保证得到量程以上的值。

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2楼

汽水两相流双参数测量仪表在油田中的应用姚丹亚孙勇* 仲朔平张宝芬清华大学 100084 *辽河油田摘要：热采法是最有效的回收稠油的方法。稠油的输出受注入汽水两相流的干度和质量流量影响。本文介绍一套采用单孔板可以对汽水两相流干度和质量流量双参数同时进行测量的仪表，该测量方法基于对汽水两相流孔板差压噪声的研究，以得出的测量汽水两相流干度和质量流量的理论模型为依据，全套仪表成功地应用于辽河油田的稠油热采过程。关键词：孔板噪声，两相流，质量流量，干度热采法是最有效的回收稠油的方法，在稠油热采过程中，注入油井蒸汽的质量流量和干度，很大程度地影响着稠油的输出，这使得对注井蒸汽参数的测量十分重要，这属于汽水两相流测量的问题。在工业过程和科学研究中，两相流的检测一直是检测科学研究的一个焦点。Murdock等建立了孔板分离流模型，James等建立了改进的孔板均相流模型。以上两模型用两相密度比修正后，进一步提高了模型精度，并扩大了适用范围。两相流动是一个随机过程，两相流体中的相分布在空间和时间上都是随机的。由此随机性在测量过程中产生的噪声，如孔板差压脉动，是人们在两相流检测的实践中熟知的物理现象。然而，根据传统的测量理论，此噪声仅仅是检测系统中的干扰信号。根据现代检测理论的观点，噪声也是过程系统输出的一种信息。通过对噪声机理的分析，建立噪声的统计滤波模型，便可获得与被检测变量相关的定量信息，从而建立噪声检测两相流的实用理论模型。 1、孔板差压噪声测量汽水两相流的理论模型假设：汽液两相分别流过孔板；无相间动量交换；无相变过程；满足绝热条件。由此得到理想化的孔板分离流模型为：

越小，差压噪声越大。将式(3)的两边分别除以式(2)的两边，可得：

式(5)、(6)即为利用孔板差压噪声测量汽液两相流双参数(例如质量流量和干度)的理论模型。其物理意义明确，形式非常简单，无须变换便可直接应用于微机仪表。实测的汽水两相流孔板差压方根的相对统计方差(R)，大者可达百分之几十，小者也有百分之几，对于干度变化的反应相当灵敏。 2、汽水两相流双参数测量仪表根据上述的模型，作者研制成功与单孔板配套的测量仪表。该仪表核心是Intel 8098 CPU，配置32K ROM和8K RAM，还包括8个LED，8个按键以及微型打印机。一台开关稳压电源为仪表和变送器提供电能。来自压力变送器和差压变送器的4～20毫安直流信号经I/V转换成1～5伏电压信号，再经A/D变换成数字量。数字滤波和统计估计可得数学模型计算所需的P、和。并按压力P由相应子程序计算密度和热焓，从而算出汽水两相流的干度、质量流量和携带热量，并对流量和热量进行累积运算。键盘和LED用于常数设置和结果显示，微打可定时或立即打印结果。D/A接口输出干度信号，RS232接口可与上位机进行通讯。仪表原理框图如图1所示。图1 仪表框图

3、仪表在油田中的应用利用孔板测量汽水两相流实验的78组数据，确定了比例系数值。以下实验数据来自辽河油田的两个油井。表1显示了采用本仪表和传统采样法所得的干度数据的差别。表2显示了采用本仪表和传统孔板流量计测得的流量数据的差别。 [表1] 时间 9:00 9:15 9:30 9:45 10:00 10:15 10:30 10:45 11:00 本仪表 68 66 65 67 70 68 68 67 68 采样 73 73 73 74 75 74 74 75 75 误差(%) 5 7 8 7 5 6 6 8 7 [表2] 时间 9:00 9:15 9:30 9:45 10:00 10:15 10:30 10:45 11:00 本仪表 8.184 8.012 8.189 8.203 8.021 8.086 8.012 8.103 8.085 孔板流量 8.2 8.2 8.2 8.2 8.1 8.1 8.1 8.1 8.1 误差(%) 0.195 2.293 0.134 -0.04 0.975 0.173 1.086 -0.037 0.185 从以上数据可以看出，仪表测得的质量流量与直流锅炉的给水孔板流量相比较，误差小于5%；干度的误差小于10％。 4、结论（1）在汽水两相流中的孔板差压噪声是由于两相流中相密度分布的不均匀性和孔板的相分离效应引起的。其差压噪声的方差包含着相比分和质量流量的信息。利用孔板噪声测量汽水两相流干度和质量流量的理论模型，经实验证明与实际基本相符。从而实现了用单一孔板同时测量汽水两相流双参数（干度和流量）。（2）汽水两相流双参数测量仪表与传统仪表相比，测量误差基本相同，但结构简单，而且具有更强的性能指标。参考文献 *************************************************************************************** 1、林宗虎等，Two-phase flow measurements with sharp-edged orifice, International Journal of Multiphase Flow, 1962,8 (6):683-693 2、佟允宪等，孔板在两相流中的相分离效应与两相流湿度测量。清华大学学报，Vol. 31, No. 3, 1991:12-16 3、佟允宪等，利用节流装置噪声测量两相流的理论模型。清华大学学报，Vol. 32, No. 6, 1992: 13-17 4、王文然等，利用孔板噪声测量两相流和干度的研究。清华大学学报，Vol. 32, No. S3, 1993: 117-123 5、仲朔平等，单孔板测量汽水两相流双参数。中国核科技报告，CNIC-00671, TSHUNE-0051 6、仲朔平等，孔板差压噪声测量汽水两相流双参数的原理和实践。电子?仪器仪表用户，1995年增刊号,111-115 7、姚丹亚等，The Application of Double Measurement of Steam-water in Oil Field.第二届国际多相流测试技术会议论文集，1998:140-145 　无锡市精信流量计公司技术论文资料提供

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3楼

智能化涡街流量计测量系统韩丽王式民归柯庭东南大学动力工程系（南京210096）　　摘要介绍一种通过键盘输入系数修正涡街流量计非线性的方法。用MCS-51单片机进行数据处理和检测，并讨论在以8031单片机为微处理器的智能化仪表中采用一片8155实现智能仪表键盘/显示器及打印机接口的最小化硬件设计技术。　　主题词涡街流量非线性修正最小化硬件接口　　Abstract A method of modifying the nonlinearity of vortex-shedding meter by keying in factors is introduced. Monolithic processor MCS-51 can be used for data processing and detecting and one-chip processor 8155 can be applied to intelligent instruments with chip microprocessor 8031 for minimized hardware design for interfacing of keyboard/display and printer. 　　Subject Headings Vortex, Flow, Nonlinear modification, Minimized hardware interface 前　　言　　在石油、化工等生产过程中，对管道内液体和气体的流量进行测量和控制是实现生产过程自动化的重要组成部分。涡街流量计具有量程宽，无可动部件，运行可靠，维护简单，压力损失小，具有一定的计量精度等优点。[1]特别是在很宽的范围内，它的测量与介质的密度、粘度等物性参数无关，因而受到普遍欢迎。本文介绍应用MCS一51单片机设计的智能涡街流量计，对涡街流量计固有的非线性进行修正，并具有显示、打印、检测参数的种类以及数据处理等功能，从而拓宽了涡街流量计的应用范围。工作原理

　　涡街流量计是基于卡门涡街原理制成的一种流体振荡性流量计。即在流动的流体中放置一个非流线型的对称形状的物体（涡街流量传感器中称之为漩涡发生体），就会在其下流两侧产生两列有规律的漩涡即卡门涡街，其漩涡频率正比于来流速度：[2] 　　　　　　　　　　　　　　　　F＝Stu／d 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）式中 F—涡街频率　　 d—漩涡发生体宽度　　 u—来流速度　　 St—斯特劳哈尔数　　St的值与漩涡发生体宽度d和雷诺数Re有关。当雷诺数Re＜2×104情况下，St为变数：当Re在2×104～7×106的范围内，St值基本上保持不变，这段范围为流量计的基本测量范围。　　式（1）表明，当d和St为定值时，漩涡产生的频率F与流体的平均流速u成正比，利用这一特性制成了涡街流量计。由于涡街传感器所测的并不是平均流速，而大约是漩涡发生体两侧的流速。[3]对于湍流状态，不同的雷诺数下，流速分布规律是不同的。即不同的流速下具有不同的流速分布，进而说明了涡街流量传感器检测到的主要反映漩涡发生体两侧的流速与管道平均流速的关系不是唯一确定的。这说明涡街流量传感器的非线性误差是其检测机理所决定的。在实际使用时，先绘出传感器的仪表系数与频率的试验曲线f (F)。　　　　　　　　　　　　　　K= f (F)=KG（F）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（2）　　式中G（F）是同一口径的各台仪表相同的曲线形状（仅是位移不同）。K是平均仪表系数。在本文应用MCS一51单片机的智能涡街流量计中，通过将试验曲线形状G（F）事先固化于流量计的EPROM中，和让用户结合现场具体工况通过键盘输入K的值，实现涡街传感器的非线性修正。硬件设计

　　图1是系统的硬件原理框图。图1　硬件原理框图　　根据设计要求，单片机应用系统[4]包括：（1）接受变送器送来的与流量成正比的脉冲，并对其定时、计数的电路；（2）显示器，键盘，打印机接口电路；（3）外部存储器的扩展电路；主要电路介绍如下： 1 键盘/显示器及打印机接口[5] 　　为使接口硬件尽可能少，设计时，仅用一片8155I/O接口芯片完成智能化仪表的键盘输入，LED输出和打印机输出的接口任务。将8155的PC口用作显示自选通和键盘扫描输出，PB口用作显示字段及小数点的输出，8031外部中断INTO用作键盘响应输入，PA口用作外接打印机的输出。如图2所示。

图2　键盘/显示器及打印机接口电路　　（1）显示器接口设计　　设计6位LED显示器作为仪表的显示输出。8155的PB口定义为输出口，其中低四位PB0～PB3输出显示数据的BCD码，并经74LS249 BCD译码器译码后送LED的段码端，PB4作为测量结果的小数点位经驱动器后接LED的小数点发光段；PB5作为极性控制位单独控制一个发光二极管以显示测量结果的正负。8155的PC口定义为输出口，PC0～PC5分别控制6位LED的位选通，实现动态扫描方式显示。　　（2）键盘接口设计　　在图2所示的键盘接口中，由6个键组成键盘。8031用外部中断INTO作为键盘状态输出。在6个键中，其中两个键定义为"加一键"和"减一键"。另外4个键分别为打印键，编程键，选项键以及复位键。按下编程键后，进入编程状态，用户输入平均仪表系数。选项键用来确定显示那种流量表达方式（如体积流量、质量流量等），键盘的列扫描信号来自于PC口输出的LED位选通信号：键盘的行输入信号由键盘是否闭合得到。没键按下，键状态为开，INTO位高电平，中断不被触发；若有键按下，键状态为闭，INTO由高点平变为低电平，中断由信号下降沿触发，从而向CPU发出中断请求。CPU响应中断后读取PC口的输出状态，判断PC0～PC5输出的低电平为即可完成键扫描和键识别。　　（3）打印机接口设计　　采用GP一16通用智能微型打印机，自带8039单片机。它可以把8031送来的数据以字符串、数据或图形三种方式打印出来；它与仪表的接口设计如图2所示，它的8根双向三态数据线D0～D7直接与8155的PA0～PA7相连，片选信号CS与8155的片选信号公用单片机系统译码器输出的端口地址Y7，WR和RD直接与8031的WR，RD相连，其硬件设计非常简单。 2 外部存储器的扩展　　（1）程序存储器EPROM的扩展　　由于8031片内没有EPROM，故8031单片机需要外扩一片EPROM2764（8K字节）。在P0口送出的低8位地址时，地址由信号ALE的下降沿控制锁存到锁存器中，高5位由P2.0～P2.4提供，锁存器采用74LS373锁存器，控制端直接与ALE相连。则程序存储器读选通信号PSEN控制EPROM2764的输出允许端OE。　　（2）数据存储器的扩展　　MCS一51单片机内RAM为128个字节，因其容量不能满足设计要求，故本机扩展8K字节静态RAM6264一片。本机外扩展的RAM和EPROM电路如图3所示：

图3 外部存储器扩展　　从图中可以看出EPROM2764与RAM6264的地址范围是相同的，但是它们的控制信号是不一样的。2764的选通信号是PSEN，而6264的读入或写入是靠RD或WR型号控制，所以不会产生数据冲突问题。软件设计[6] 　　本机软件采用模块结构，其4个主要部分分别如下。 1 主程序　　主程序为本仪器的监测程序。在程序运行中，必须首先对系统进行初始化，清各工作单元，置计数器及标志位初值，自检指示灯，开中断，启动计数器等工作。仪器采用微型键盘和LED指示灯相配合，使仪器的各种功能清晰有序。　　键盘子程序包括：扫描键盘子程序。其功能是寻找是否有键按下，输入键值程序；键值扫描程序；表驱动程序；通用显示子程序等。键值扫描子程序的功能是根据按键的位置一行行的扫描。表驱动程序是判断按键是哪种功能键。通用显示子程序的功能是将显示缓冲区中的字码转换成段码送入显示器中，显示各种字型。几乎所有程序中都要用到这一程序，因此称之为通用显示子程序，以便与显示功能块相区别。 2 中断服务程序　　仪器的测量、转换等程序均通过中断方式同主程序相连，单片机内的两个定时器计数器作为闸门使用。因为流量频率的测量很重要，所以定时器TO被用来测评，并定为高级中断。测量测频中断服务子程序流程图如图4所示。 3 功能块程序　　仪器通过键盘输入命令，可随时得到用户所需的结果，这就要用到功能程序块。功能程序块包括：显示、打印、清零等功能块。显示功能块的作用是根据用户的需要转入相应的入口参数，再经过码之转换，送至显示缓冲区中。打印程序包括打印质量流量及体积流量、瞬时流量及累计流量。 4 使用计算子程序主要包括计算流量的程序　　采用的是浮点制运算子程序，这些运算子程序可直接调用。结　　论　　采用上述设计的智能化涡街流量计，可让用户结合现场具体工况，通过键盘方便地输入校正系数，完成了对涡街流量计非线性修正，拓宽了涡街流量计的应用范围。

图4 TO的中断子程序框图参考文献 1 戴昌辉流体流动测量北京：航空工业出版社，1991 2 朱德祥流量仪表原理和应用南京：华东华工学院出版社，1992 3 王超等高精度智能化涡街流量变送器的研究仪器仪表学报，2000，8 4 徐爱钧智能化测量控制仪表原理与设计北京：北京航空航天大学出版社，1995 5 骆德汉智能化仪表键盘/显示器设计技术自动化与仪表，1990，3 6 何立民单片机应用文集北京：北京航空航天大学出版社，1991 无锡市精信流量计公司技术论文资料提供

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超声波流量计介绍作者：刘欣荣整理：革命党de人超声波流量计的基本原理及类型超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。起声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。众所周知，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不仅这些缺点，超声波流量计均可避免。因为各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计随着口径增加，造价大幅度增加，故口径越大超声波流量计比相同功能其它类型流量计的功能价格比越优越。被认为是较好的大管径流量测量仪表，多普勒法超声波流量计可测双相介质的流量，故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。在发电厂中，用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量，比过去的皮脱管流速计方便得多。超声被流量汁也可用于气体测量。管径的适用范围从2cm到5m，从几米宽的明渠、暗渠到500m宽的河流都可适用。另外，超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。超声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展，现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量测量。超声波流量计目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前我国只能用于测量200℃以下的流体。另外，超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1500m／s左右，被测流体流速(流量)变化带给声速的变化量最大也是10－3数量级．若要求测量流速的准确度为1％，则对声速的测量准确度需为10-5～10-6数量级，因此必须有完善的测量线路才能实现，这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。超声波流量计常用压电换能器。它利用压电材料的压电效应，采用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振劝。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电能，以便检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应。超声波流量计换能器的压电元件常做成圆形薄片，沿厚度振动。薄片直径超过厚度的10倍，以保证振动的方向性。压电元件材料多采用锆钛酸铅。为固定压电元件，使超声波以合适的角度射入到流体中，需把元件故人声楔中，构成换能器整体(又称探头)。声楔的材料不仅要求强度高、耐老化，而且要求超声波经声楔后能量损失小即透射系数接近1。常用的声楔材料是有机玻璃，因为它透明，可以观察到声楔中压电元件的组装情况。另外，某些橡胶、塑料及胶木也可作声楔材料。超声波流量计的电子线路包括发射、接收、信号处理和显示电路。测得的瞬时流量和累积流量值用数字量或模拟量显示。根据对信号检测的原理，目前超声波流量计大致可分传播速度差法(包括：直接时差法、时差法、相位差法、频差法)波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型，如图所示。其中以噪声法原理及结构最简单，便于测量和携带，价格便宜但准确度较低，适于在流量测量准确度要求不高的场合使用。由于直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传报时速度之差来反映流体的流速的，故又统称为传播速度差法。其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，所以被广泛采用。按照换能器的配置方法不同，传播速度差拨又分为：Z法(透过法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的，低流速时，灵敏度很低适用性不大．多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。相关法是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度等无关，因而测量准确度高，适用范围广。但相关器价格贵，线路比较复杂。在微处理机普及应用后，这个缺点可以克服。噪声法(听音法)是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值。其方法简单，设备价格便宜，但准确度低。以上几种方法各有特点，应根据被测流体性质．流速分布情况、管路安装地点以及对测量准确度的要求等因素进行选择。一般说来由于工业生产中工质的温度常不能保持恒定，故多采用频差法及时差法。只有在管径很大时才采用直接时差法。对换能器安装方法的选择原则一般是：当流体沿管轴平行流动时，选用Z法；当流动方向与管铀不平行或管路安装地点使换能器安装间隔受到限制时，采用V法或X法。当流场分布不均匀而表前直管段又较短时，也可采用多声道(例如双声道或四声道)来克服流速扰动带来的流量测量误差。多普勒法适于测量两相流，可避免常规仪表由悬浮粒或气泡造成的堵塞、磨损、附着而不能运行的弊病，因而得以迅速发展。随着工业的发展及节能工作的开展，煤油混合(COM)、煤水泥合(CWM)燃料的输送和应用以及燃料油加水助燃等节能方法的发展，都为多普勒超声波流量计应用开辟广阔前景。

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变径整流器在流量测量中的应用王京安于维龙一、概述传统的流体整流器经长期的研究与实践已趋于成熟，它一般采用阻隔体分隔流道来调整管道内的速度分布，以达到整流的目的；这一类整流器主要用于实验室和流量标定系统。但这种方法易引起污物堵塞和增加阻力损失，所以在工业管道上很少采用。涡街流量计由于其独特的性能，一直受到人们重视，并己到了广泛的应用，但仍有两个方面的问题困扰着人们，一是由于仪表上游管道阻流件的干扰，流场发生畸变，影响旋涡正常拨离。为了克服流场扰动，仪表前需要配装较长直管道(一般为15~40倍的工艺管内径的长度)，而在实际现场是很难满足的。二是，涡街流量计主要特点之一是量程宽，一般在10：1左右，应该说这样宽的测量范围应属比较优良的性能，但在实际工业应用中，最大流量远低于仪表的上限值，最小流量又往往会低于仪表的下限值，一些仪表经常工作在下限流量附近，造成仪表的计量准确度下降，这时信号较弱，仪表的抗干扰能力也下降。为了测量小流量，人们往往采用内腔形状为园台的传统变径管，经过缩径提高测量处的流速。使涡街流量计工作在正常流速范围内，但这种变径方式，结构尺寸大(一般长度为工艺管内径的3~5倍)，同时，由于流体流经变径管，在变径处产生大量旋转流团，增大局部阻力损失，也使流场发生畸变。所以必须在变径管与仪表之间加装大于15倍工艺管内径长度的直管道进行整流，且增加了沿程阻力损失(如图1所示)，这种方法增加施工成本，也给加工、安装带来不便。

（图1）纵端面采用特殊形线的变径整流器(己申报国家专利)，具有整流，提高流速及改变流速分布的多重作用，其结构尺寸小，长度仅为工艺管内径的1/3，可以直接卡装在仪表的两端，不仅不需要另外附加直管道，而且可以降低仪表对上游直管道的要求。实验表明：仪表上游阻力件为一个平面内的两个90°弯头在一般情况下，涡街流量计上游侧应加装大于20倍管道内径长度的直管道，而涡街流量计加装了变径整流器大大降低了对上游测直管道长度的要求，其阻力远远小于传统的变径管。更主要的是，可使下限流速降为原来的1/3，量程比提高到15：1以上。 ’ 二、原理及分析首先应该指出，传统的变径管可以经过缩径，并配以较小口径的流量计来达到测量小流量的目的，但是这种方法不可能扩大仪表的量程比，因为它并末改变管道的流速分布状态。我们知道，涡街流量计的理论及推导是基于在无穷大的均匀流场中得到的，而在实际封闭圆管中，却是非均匀流场，横断面的流速分布是一回转抛物面，虽然选择合理的柱型，使柱体两侧弓形面的流速分布均匀，但实际上，工艺管道上回转抛物面的流速分布的影响是客观存在的。实验表明在比较大的流量时，这个影响较小，或说这个影响在允许的范围内；但随着流量的下降，这个影响越来越大，从大量标定数据看，仪表常数总是随着流量的减小而增大。这说明取样点的流速与平均流速差异越来越大。

采用了变径整流器后（见图2），由于缩经断面的流速在逐渐增大，在断面上各点流速的增加是不一样的，靠近中心流速增加小，而靠近喉径边沿处流速增加大。设整流器进口处压力为P1，平均流速为V1，某点上的速度不均匀度为U1，出口处压力为P2，平均流速为V2，通过进口处某点同一流线，在出口处的速度不均匀度为U2，沿该流线，由伯努利方程得：

由式（6）可见，收缩比对出口处流速均匀度的影响，即对于一定的进口速度不均匀度，出口处的速度不均匀度将缩小n2倍。因此出口处流速趋于均匀，更接近涡街流量计理论的均匀流场的条件，不仅使漩涡趋于稳定，且提高了仪表的测量范围。另外，这种变径整流器，在流体动能的转换过程中有效的抑制了干扰。 continue

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[接前一页] 三、实验验正例1：一台口径为40mm的涡街流量计安装在φ40的工艺管道上，标定满足精度1%的量程比为8：1，当安装在φ50工艺管道上，并在仪表两侧安装变径整流器，在15：1的范围内精度为1.0%。例2：二台口径为50mm和40mm涡街流量计配装整流器后，分别安装在口径为80mm工艺管道上，进行水标定。实验数据见表1。工艺管内径/整流器喉部直径（mm）仪表常数重复性非线性量程最小流速（米/秒） 80/50 17452 0.05% 0.95% 15:1 0.1 80/40 10197 0.04% 0.78% 15:1 0.16 [表1]

再将两台口径为φ50mm和φ40mm涡街流量计配装整流器后，分别安装在φ80mm工以管道上，且仪表上游尉为一个平面内两个90°弯头，变径整流器前端与第二个90°弯头距离为3倍工艺管内径长段，进行水标定，工艺图如图3，实验数据见表2 工艺管内径/整流器喉部直径（mm）仪表常数重复性非线性量程最小流速（米/秒） 80/50 17266 0.02% 0.9% 16:1 0.1 80/40 10278 0.15% 0.08% 15:1 0.15 [表2] 实验结果表明： 1、在管道流速较低时，采用变径整流器，使仪表特性总体保持良好状态； 2、采用变径整流器，在仪表上游阻流件形式为一个平面内2个90°弯头，直管道很短（3D）的情况下，仪表常数的偏移在0.7%左右，说明整流器具有良好的流动调整性能。（与实验相同的上游阻流件形式在不装整流器条件下，仪表上游直管道长段为8倍工艺管内径时，仪表常数偏移为2.0%！） 3、在仪表前加装变径整流器，投展了仪表的测量范围。这与理论分析是相吻合的。四、阻力计算设工艺管道直径为D1, 介质的密度为ρ，流速为V1涡街流量计的压力损失为?ω1，整流器压力损失为?ω3，总压力损失为?ω。 ?ω1=0.3ρV2 1(Pa) 采用整流器后，仪表口径为D2，则涡街流量计处的流速为V2压损为?ω2。 ?ω2=1.3ρV2 2=(V2/V1)2·?ω1=(D1/D2)4·?ω1 整流器的压损，取决于缩径比D2/D1，之值一般都在0.8以上，则整流器的压损： ?ω3=0.12?ω2 所以总的压损?ω为：?ω=1.12?ω2=1.12（D1/D2）4×1.3ρV2 1（Pa）例：管径为D1=100mm的水计量系统，采用涡街流量计作为流量计量仪表，其最大流速Vmax为1m/s，其最小流速Vmin为0.3m/s，拟采用100/80整流器计算各相关参数：缩径后流速为V2：V2max=(100/80)2×1=1.56m/s V2min=0.47m/s ?ωmax=1.12(D1/D2)41.3ρV2 1 =1.12(100/80)4×1.3×998×1=3547(Pa) 五、应用举例加装变径整流器满管式涡街流量计已大量用于气体、水、蒸气等介质的测量，其实例枚不胜举，均收到了令人满意的效果。更值得一提的是，将变径整流器与插入式涡街流量计配套使用(见图4)，用于大口径煤气测量，成功地解决了大口径煤气介质脏，流速低、流量变化大，允许压损小等者大难问题。在冶金行业中，测量大口径煤气一般采用孔板流星计，由于其自身的局限性，很难满足实际测量要求，其问题是：①煤气中含有粉尘和各种杂质，经一段时间运行，大量粉尘堆积在孔板的上游侧，各种杂质附着在测量元件表面，就孔板来说，已无准确度可言，同时又经常发生导管堵塞的问题。由于生产的连续性，不可能停气清洗或更换孔板。②由于介质流速低，为获得较大的差压，孔板的开孔径一般都比较小，造成压损大，当流量增大时，孔板却起不了限流作用，遇到此类情况，有些企业不得不拆除孔板来满足生产。③普通孔板流量计的量程近为3：1，往往不能满足实际工况的需要。已投入实际运行的变径整流器与插入式涡街流量计所构成煤气流量计量系统：①变径整流器入口处为光滑曲线，介质流经时，有自清洗的效果，不会造成粉尘堆积。②变径处流速提升可满足插入式涡衔流量计下限流速的要求，且涡街流量计量程比为10：1，完全满足煤气测量范围的要求。③插入式涡街流量计可在管道不断流的情况下拆出测头进行定期或不定期清洗。满足连续生产的要求。④压损小，插入式涡街流量计测头部分在大口径管道内的流阻很小可忽略不计，变径部分的变径比一般都大于0.7，管道最大流速按25米/秒计算，压损仅在200Pa以内。上述表明，此种方法是解决大口径煤气计量的行之有效的方法。六、结束语涡街流量计与变径整流器配套使用，形成了一种新的流量测量系统，可使流量测量下限为下降（为原来的1/3），测量范围扩大(15：1以上)，并可以大大降低仪表对上游直管道长度的要求。这对一个流量计来讲无疑是一个不小的进步，它拓宽了涡街流量计的应用范围，在燃气、城市煤气、水、热水、蒸汽、油品、奶液、药液、化工产品(上述介质一般要求下限流速低，测量范围宽)的流量测量中将发挥突出优势。变径整流器在工业用户中实际应用情况还表明，变径整流器简化了仪表安装工艺，并且大大降低了工程造价。变径整流器研究与应用是流量应用技术研究的典型实例，它本身的研究还有待于进一步的深入，同时我们还应进一步关注其它与流量钡幢相关的应用技术研究，充分利利用现有的技术设备资源，真正解决一些流量测量的难点问题

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高温流体的流量测量作者：（日）川田裕郎小宫勤一山崎弘郎整理：革命党de人谈到高温流体时，还不能给该高温范围的意思明确的下一定义。目前，对于工业测量仪器来说，不同的种类，都自己规定了各自相应的高温范围。例如：温度计以1500～2000℃的范围为高温范围，对于调节阀、开关阀等阀类，谈到高温时，系指400～500℃以上的温度。流量计也按原理结构方式的不同而规定不同的高温范围。现在实用的工业温度上限对节流机构的差压流量计是540℃左右，容积式流量计是200℃左右，面积式流量计是400℃左右。对于需要进行测量、但在测量上有些问题的具有代表性的高温流体，我们列举以下三种。作为导热媒质或能源的高温气体、高温蒸汽，高速增殖反应堆用的、强导热煤质——液态金属钠等；钢铁工业中的铁水、钢水。就是这三种流体，出于精度和使用材料的不同，在测流量时要求的要点也分别不同，叙述一般的共同点是困难的。因此，此章中仅以高温气体、高温蒸气所使用的节流流量计的实用问题和以测量液态金属的电磁流量计为中心来叙述高温流体的流量测量。对于铁水、钢水还有两种测流量的方法：一种是应用高频集肤效应的流槽截面积测量的方式；另一种是电磁流量计的方式。这两种方式都可用于连续炼钢设备。为了能进行直接的、非接触形式的测量，也进行了多方面的研究和探讨，但是,实际上一般是通过把流量换算为液柱高或重量进行批量处理。因此，此章中不加叙述。另外，在测量液体金属钠的流量时，试验了在配管外安装检测器的超声波方式，不久将能实用化, 此处同样不加叙述。用节流机构测量高温流体的流量各种装置中的应用例子使用高温流体的部门以电力、钢铁、化学工业为主，范围非常广，它们要处理多种类型的流体。在进行液体、水蒸气、气体等流量的测量时，人们从不同原理结构的多种类型的流量计中,首先研究了节流机构的差压流量计是否适用，而实际上应用也最多。这是因为它结构简单,而且有丰富的数据和实际使用经验。结果，节流装置作为过程检测仪表,其可信度比任何其他仪表都受人重视。企业用发电和各厂用的发电装置以高效率化和大容量化为目标，将锅炉的蒸气温度和压力提高到临界温度和压力。这种蒸气为高温、高压的过热蒸气，其温度达568℃，压力达240公斤力／厘米2。从锅炉流向汽轮机的高压蒸气的流量一般用喷嘴等节流装置来测量。在炼钢、炼铁中，将燃烧空气的温度提高再吹入高炉、转炉、烧结炉等炉内。这些燃烧空气的流量可用文丘利管等节流装置测量。另外，从这些炉中排出的气体也属于高温范围，可采用文丘利管测量该流量。由于排出的气体为高温气体，它具有腐蚀性且含有灰尘，在选用材料时，要考虑这些特点和使用条件，选用合乎使用目的的、耐腐蚀性的材料。在化学、石油化学工业中，例如：制氢装置、利用水蒸气改质法的改质炉，其反应管内的温度也加800-900℃左右。石油精制的接触改质装置．温度为420～580℃，压力为15—50公斤力／厘米2。这些装置中的炉内温度虽是高温，但因是测量和控制进入炉内之前的流量，所以．不用测量那么高温的流体。以上只不过是举出了几例。要测量的高温流体还很多，不胜枚举。考虑用节流装置测高温流体的流量时，与选择阀类材料一样，在重视温度的同时尤其要重视压力。选择了适当的材料，就可以测量高温范围的流量。但从材料强度上来看，拉伸强度、屈服点都随温度的上升而下降，大约达到400℃以上时，就出现蠕变现象，因此，可将此温度看作是节流装置中的最高温度。下面叙述在该范围使用时必须注意的事项。结构关于节流装置的构造已作了详细说明，这里只叙述应特别注意的事项。

图3. 2 有代表性的结构在高温流体中，由于排液管的逆流，压力取出口的结构会受到热冲击现破坏现象，因此，美国机械工程师学会的标准中推荐了套筒方式。其结构如图3.1所示，允许湿度在800。F(427℃)以上。当温度低于标准温度时，可采用无套筒的结构。在高温高压范围内，节流装置的主体部分的结构很少采用法兰夹进的方式，一般采用与连接管突配焊接结构。作为有代表性的例子，我们将孔板、ISAl932喷嘴、流量喷嘴示于图3.2。高温材料的选择选择与高温流体接触的材料时，和选择配管、法兰、阀类等材料一样，要以压力—温度标准(Pressure—temperature rating)为标准。所谓压力—温度标准系指在各个公称压力下相应的各种材料的流体的温度变化以及流体温度和该温度下最高使用压力的关系，日本工业标准中规定的各种材料的压力—温度标准示于图3.3。如果从压力—温度标准来考虑，大约在340℃以下的范围内，合金钢的压力—温度标准同碳钢一样。但是，超过此温度后，温度影响就显著。

图3.3日本工业标准中钢材的压力—温度标准此现象是与出现蠕变现象相对应的。随着温度上升，高温下使用的金属材料的强度，不论是拉伸强度和屈服点都急剧下降，随之出现蠕变现象。温度再高就造成蠕变破坏。因此，在使用温度下材料的容许应力的取法是重要的。当然，用于计算强度的容许应力，必须采用最高使用温度下的数值。钢铁材料的各个温度下的容许拉伸应力示于图3.4。此图是根据火力发电用技术标准、将具有代表性的钢材加以图示化。该标准中没有表示出的钢材，必须将以下几点中的最小值作为容许应力使用。 1. 该温度下的拉伸强度的1／4(＝0.25)。 2. 该温度下的屈服点的1／1.6(=0.625)。 3. 在1000个小时内，产生0.01％蠕变的应力平均值。 4. 在100000个小时内产生的裂断应力的最小值r的0.8倍或平均值的0.6倍的值

1. 高温用的材料必须考虑下述所要求的特性： 2. 高温时的强度要好：关于用在最高温度下的条件，如上所述，拉伸应力、蠕变和裂断强度要在规定的压力—温度标准内。 3. 耐氧化性、耐腐蚀性要好：高温材料如果暴露在高温气体、高温蒸汽中。其耐氧化性、耐腐蚀性要好，不能因氧化损耗和氢的浸透而产生脆性、不能因碱性的粒间浸透而产生碱脆性等腐蚀。 4. 高强时、金属组织的稳定性要高：如果它长时间暴露在高温中，要注意可能出现碳化物的球状化和石墨化、析出和相变以及再结晶化等组织变化现象。碳钢、镍合金钢等如果长期暴露在4000℃温度中，碳化物相要石墨化。同样碳钼、锰铭钒、锰钢纸等合金钢，如果长时间暴露在468℃的温度下，也要考虑碳化物相的石墨化问题。 5. 加工性能要好，特别焊接性能要好

除上述之外，还应考虑节流装置各部分材料的匹配问题。必须注意。由于温度的不同，各种材料的热膨胀也不同，如图3.5所示.,由此图可知，在温度上升和下降的过程中，千万不要选择存在膨胀系数差的材料进行组合。焊接碳钢、合金钢含碳量越过0.35％以上时，不得彩焊接结构。这是由于焊接热而产生骤热、骤冷、淬火效应显著。由于焊接部分的收缩应力，焊接处容易产生龟裂。因此，设计焊接结构时．必须加以注意。不仅是焊接设计问题，为了获得具有可靠的焊接性能，必须有切实的焊接施工方法。另外，其焊接部分心须具有充分的强度。例如：焊接式喷嘴是测量锅炉过热蒸气流量的、有代表性的节流装置，其配管口径为150毫米(外径)以上时，必须根据火力发电技术标准和电工物件标准的焊接技术标准(根据日本通产省省令、公告等规定)，向所辖管厅办理申请手续后设计制作。在这种情况下，焊接部分的施工要让具有下述焊接技术的焊接技术人员进行，才可以确保其可靠性和工作质量。 1. 经财团法人火力发电协会考试合格的焊接技术员。 2. 符合锅炉和压力容器安全规则（日本劳动省）规定特殊接技术员和普通锅炉焊接技术员以及符合钢船结构规定(日本通信省)的焊接技术员。 3. 根据日本工业标准—Z—3801，经日本焊接协会(JWA)考试合格的技术员。这些有资格的焊接技术员要每年检查一次技术能力。检查焊接结果的好坏，可用非破坏性检查法来进行，用表3.I那样的方法来确认。在这种情况下，要事先明确采用哪种方法、检查哪个部位、判定标程如何。在上述的火力发电用技术标准和日本工业标准中对判定标准作了规定。表3.1 非破坏检查方法

用电磁流量计测量熔融态金属流量引言用电磁流量计测量熔融态金属流量可以说是典型的高温流量测量的例子。在这种情况下，选择电磁流量计的基本原则归纳起来有以下两点： 1. 原理明确。在输出上很少混进非流量信号，而且产生非流量信号的因素可以控制。 2. 结构非常简单。不用维修，可靠性高。第一项指出了在原理上不存在妨碍流动的因素，实际上不仅可以忽视压力损失，而且，输出信号从理论上得到了明确。也就是说，输出信号只依赖于磁场的强度和配管的几何尺寸，如掌握了现已确定的技术，测量上的重点就是要彻底控制磁场。也就是说，被测流体的物性参数对输出几乎不产生什么影响：其他原理结构的流量计也是如此。但这种情况，特别是流量计的实流校准需要很大的费用。由于实用上存在困难，因此，非常希望免掉这一项还能完成工作。通过实测输出的理论分析，小口径的流量计已搞清楚了。如果口径增大，会产生磁场端部效应，随之产生电动势，增加磁场的反作用．输出和流量之间的线性被破坏，给理论上的处理增加了困难。但是，上述理论还可直接应用。另外，它的结构有以下三个部件：(1)本身构成流路、具有绝缘管机能的不锈钢管；(2)在该管壁上，在与管中心对称的两个位置用焊接方法安装的导线(3)形成磁场的磁场装置。所以结构简单。并且在使用磁场装置和永久磁铁时，不用任何外部辅助能源就可得到输出信号。通过以上所述可以得出结论：即使是测量镕融态金属，也是用与配管相同的材料形成流量计的流路。所以，高温流设计基本上没有什么特殊的注意参项。因此该种流量计就是高温熔融态金属的处理和电磁流量计的理论、结构两项事项的相加。其研究成果的详细内容汇集在日本机械学会的调查报告中，这里只叙述特殊的事项。结构试制的测量液态金属用的电磁流量计的结构，主要按磁场发生装置的不同而不同根据用途大致分以下四种。 1. 炉内通道用永久磁铁式。 2. 过程用永久磁铁式。 3. 过程用大口径直流鞍型线圈式。 4. 炉内用涡电流差动流速式。在图3．6的(a)、(b)、(c)、(d)中示出了与四种用途相对应的结构图，第(I)和第(4)种用于炉内，包括磁场装置的整个流量计暴露在高温下。与此相反，第(2)和第(3)种用于炉外，磁场装置只限于较低的温度。下面简单说明这四种磁场装置。在(1)的场合由永久磁铁(与管路成同心圆)和极片形成匀强磁场。磁铁用铝镍钴合金，极片用纯铁。因为在500℃左右的高温下使用，所以应该在形成磁回路后，降低磁感应随温度变化而出现的非可逆变化，在高温下进行热干燥的热处理。在(2)的组合，磁铁本身的温度可以接近于室温，因此，不需要上述的特殊处理。但是，为了减少漏磁，发挥磁铁的性能，可用组合磁铁来构成。与(2)相反第(3)种需要外部电源等。有时还需要磁通修正装置，但磁结构的限制少，设计的自由度大。第(4)种和过去的原理结构不同，它是相据差动变压器研制的，其目的是用于检测检测部附近的流速关于液态金属用电磁流量计的理论，详细记载在舍克利夫的著作中。在实用中，输出E用下式表示： E=K1*K2*K3BDV 这里，B为磁感应（韦伯/厘米2）；D韦管内径（厘米）；V韦流体平均流速（米/秒）；K1为管壁输出短路效应修正系数；K2为磁场端部流体短路修正系数；K3为管膨胀修正系数。不管那种场合，原理上管路材料都是非磁性的，电导率比流体低。所以，使用与配管相同的或较薄的奥氏不锈钢管。为了很好的使金属与液体接触，除了要仔细的处理内表面外，焊接、检查等也要和第3.2节一样的进行。取出信号的导线，用在炉内时，可是用MI电缆，用在炉外时，可使用普通钢线。但是，从减少因热电动势而引起的误差的角度来讲，要求芯线和管路是同样材料。

图3．6液体金属用电隘流最计的结构

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啊林

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请刘师博回信；13604910667 谢谢 Email-wanglin196@sohu.com

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yy1225

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椭圆齿轮流量计作者：李良贸张以民整理：革命党de人椭圆齿轮流量计是容积式流量计的一种，用于精密的连续或间断的测量管道中液体的流量或瞬时流量．它特别适合于重油、聚乙烯醇、树脂等粘度较高介质的流量测量。 l 椭圆齿轮流量计的工作原理椭圆齿轮流量计的测量部分主要由两个相互啮合的椭圆齿轮及其外壳(计量室)所构成，如下图所示：

椭圆齿轮在被测介质的压差△p＝pl-p2的作用下，产生作用力矩使其转动。在(a)所示位置时，由于P1＞P2，在P1和P2的作用下所产生的合力矩使轮1产生顺时针方向转动，把轮1和壳体间的半月形容积内的介质排至出口，并带动轮2作逆时针方向转动，这时1为主动轮，2为从动轮，在 (b)上所示为中间位置，1和2均为主动轮；而在（c）上所示位置，P1和P2作用在1轮上的合力矩为零，作用在2轮上的合力矩使2轮作逆时针方向转动，并把已吸入半月形容积内的介质排至出口，这时2为主动轮，1为从动轮，与 (a)上所示情况刚好相反．如此往复循环，轮1和轮2互相交替地由一个带动另一个转动，将被测介质以半月形容积为单位一次一次地由进口排至出口．显然，图上(a)、(b)、(c)所示，仅仅表示椭圆齿轮转动了1／4周的情况，而其所排出的被测介质为一个半月形容积．所以，椭圆齿轮每转一周所排比的被测介质量为半月形容积的4倍，则通过椭圆齿轮流星计的体积流量Q为： Q＝4nυ0 式中： n——椭圆齿轮的旋转频率(转／秒)； υ0——半月形部分的容积(贝。)．这样，在椭圆齿轮流量计的半月形容积υ0一定的条件下，只要测出椭圆齿轮的旋转速度n，便可知道被测介质的流量。椭圆齿轮流量计流量信号(即椭圆齿轮的旋转速度n)的显示，有就地显示和远传显示两种。就地显示将齿轮的转动通过一系列的减速及调整转速比机构之后，直接与仪表面板上的指示针相连，并经过机械式计数器进行总量的显示。

远传显示主要是通过减速后的齿轮带动永久磁铁旋转，使得弹簧继电器的触点以与永久磁铁相同的旋转频率同步地闭合或断开，从而发出一个个电脉冲远传给另一显示仪表． l 椭圆齿轮流量计的特点流量测量与流体的流动状态无关，这是因为椭圆齿轮流量计是依靠被测介质的压头推动椭圆齿轮旋转而进行计量的。粘度愈大的介质，从齿轮和计量空间隙中泄漏出去的泄漏量愈小，因此核测介质的粘皮愈大，泄漏误差愈小，对测量愈有利。椭圆齿轮流量计计量精度高，适用于高粘度介质流量的测量，但不适用于含有固体颗粒的流体(固体颗粒会将齿轮卡死，以致无法测量流量)。如果被测液体介质中夹杂有气体时，也会引起测量误差。椭圆齿轮流量计主要技术数据（参考价格为1987年市场价）型号口径最小流量最大流量精度工作压力参考价格 LC—10 10 0.04 0.4 0.5 ≤1.6Mpa 300 LC—15 15 0.16 1.5 320 LC—20 20 0.3 3 320 LC—25 25 0.6 6 370 LC—40 40 1.5 15 460 LC—50 50 2.4 24 500 LC—80 80 6 60 600 LC—100 100 10 100 600 LC—150 150 12 120 1200 l 椭圆齿轮流量计的安装椭圆齿轮流量计在安装前应清洁管道．若液体内含有固体颗粒，则必须在管道上游加装过滤器；若含气体应安装排气装置。椭圆齿轮流量计对前后直管段没有一定的要求。它可以水平或垂直安装。安装时，应使流量计的椭圆齿轮转动轴与地面平行。 l 椭圆齿轮流量汁的使用按照要求正确安装后的椭圆齿轮流量计，使用时即可保证足够的精度，通常累计值的精度可达0.5级，是一种较为准确的流量计量仪表。但是，如果使用时被测介质的流量过小，仪表的泄漏误差的影响就会突出，不能再保证足够的测量精度。因此，不同型号规格的椭圆齿轮流量计对最小使用流量有一允许值，只有当实际被测流量大于该下限流量允许值时，测量精度才能得到保证。其次，使用椭圆齿轮流量计要注意被测介质的温度不能过高，否则不仅会增加测量误差，而且有使齿轮发生卡死的可能。为此，椭圆齿轮流量计在仪表所规定的使用温度范围内使用。长期使用后的椭圆齿轮流量计，其内部的齿轮会被腐蚀和磨损，从而影响测量精度。因此，要经常注意观察，并定期拆下进行检查，若条件允许最好定期进行标定。