流量计量基础知识

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第二章 流量计量基础知识

第一节 流量和流量计

1．流量

所谓流量，是指单位时间内流经封闭管道或明渠有效截面的流体量，又称瞬时流量 。流量以体积表示时称为体积流量，当流体量以质量表示时称为质量流量。

假设流体流过有效截面中的某一微小面积为dA, 流过该微小面积的流体流速为V，

则流体流过该微小面积dA的体积流量dgv和质量流量dqm分别为： dqv = v.dA dqm = ρvdA 式中：ρ----被测流体密度。

流体流过整个有效截面积的体积流量qv和质量流量qm可由对截面积积分求得：

qv = ∫A vdA qm =∫A ρvdA

如果有效截面积上各点的流速是相等的,或能求出其流速的平均值，则： qv = vA qm =ρvA 式中：V----流体平均流速。 K----累积流量。

在某一段时间内流体流过封闭管道或明渠有效截面的流体量称为累积流量或流体总量。累积流量可通过流量对时间的积分求得：

Q =∫t qvdt M =∫t qmdt 流量的计量单位：

流量单位是导出单位，国际单位制规定基本量长度、质量、时间的单位分别是米(m)、千克(kg)、秒(s)。由流量公式可导出体积流量的单位米3/秒（m3/s），质量流量的计量单位 千克/秒（kg/s）。累积质量流量千克(kg)，累积体积流量米3（m3）。

另外，工业上还使用米3/ 小时（m3/ h）、升/分( L/min)、吨/小时（t / h ）、升（L）、吨（t）等作为流量计量单位。

这里需要说明一点，流量是一个动态量，只有流体在封闭管道或明渠中流动时，它才有意义。

在工业生产中，瞬时流量是涉及流体介质的工艺流程中需要控制和调节的重要参量，用以保持均衡稳定的生产和保证产品质量。累积流量则是有关流体介质的贸易、分配、交接、供应等商业性活动中必知的参数之一,它是计价、结算、收费的基础。

2．流量计量的内容

由于流量是一个动态量，流量测量是一项复杂的技术。从被测流体来说，包

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括气体、液体、混合流体这三种不同物理特性的流体；从测量流体流量时的条件来说，又是多种多样的，如测量时的温度可以从高温到极低温，压力可以从高压到低压；被测流体的流动状态可以是层流、紊流等。此外还有粘度大小不同等。为准确测量流量，就必须研究不同流体在不同条件下的流量测量方法，并提供相应的测量仪表。这是流量计量的主要工作内容之一。

由于被测流体的特性如此复杂，测量条件又各不相同，从而产生了各种不同的测量方法和测量仪表。显然，如果没有一个统一的检定流量测量仪表准确度的方法，要保证大规模生产的工艺要求，要保证贸易的平等互换是不可能的。此外，还必须有一套流量单位复现方法，及检定系统对使用流量仪表传递的标准方法。流量计量学的另一个主要内容就是：研究流量单位的复现方法和检定系统，建立流量计量的基、标准装置，以保证量值传递和流量测量的准确度。 3．流量计

用于测量流量的器具称为流量计。流量计可分为专门测量流体瞬时流量的瞬时流量计；专门测量流体累积流量的累积式流量计。随着流量测量仪表及测量技术的发展，大多数流量计都同时具备测量流体瞬时流量和积算流体总量的功能，因此，习惯上又把瞬时流量和累积式流量计统称为流量计。

流量计的种类很多，分类方法也不尽相同，通常以工作原理来划分流量计的类别。在相同的原理下的各种流量计，则以其结构上的不同，主要是测量机构的不同来命名。按这样的分类方法可将流量计大致分为差压式流量计、浮子式流量计、容积式流量计、速度式流量计、临界流流量计、质量流量计等。

第二节 流体的性质及物理参数

在流量计量中，经常要遇到一系列反映流体属性和流体状态的参数。如流体的密度、粘度、压力、等熵指数、雷诺数、理想流体、可压缩流体和不可压缩流体、层流紊流多相流等。了解这些参数，对流量计量工作是必不可少的。 1． 流体的密度

在一定的温度和压力条件下，单位体积的流体所具有的质量称为流体密度，或者说流体的密度等于其质量与体积之比，用数学表达式表示为 ρ=m / V 式中：ρ----流体密度； m----流体质量； V----流体体积。

流体密度单位属于导出单位。国际单位制（SI ）中，质量的单位为千克（kg）,体积单位为米3（m3）,故流体密度的单位是千克/米3( kg /m3).

流体密度是流体的一个很重要属性。流体质量不随外界条件变化而变化，但流体体积与温度、压力密切相关。因此，流体密度是温度和压力的函数。在表示流体密度时，必须严格说明其所处的温度、压力状况。 2.流体粘度

当我们观察河渠中的水流时,可以看到河中央的水流速最快,越靠近岸边的水流得越慢。

同样，当流体在管道中流动时，管道中央的流速最快，越靠近管壁处的流速越慢。这是由于流体流动时，在流体内部产生内摩擦的缘故。下面是气体粘度的试验：

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电机轴上装有一铝盘，在距离适当处装一木盘。 当可调速的小电机电源电压较小时，装在电机轴上 的小铝盘开始转动，同时铝盘和木盘中间的空气被 带动而运动。当电源电压增大到某一值时，处于静 止状态和铝盘没接触的木盘开始转动，但速度比铝 盘低得多。继续增大电源电压，铝盘和木盘速度也 增大，但木盘转速始终比铝盘慢，其速度分布如图 所示。

由以上实验可知：一切流动时，内部各层的速度是不同的。在相邻层的接触面上存在着一对等值反向的力，速度较快的流层带动速度较慢的流层，使之加快速度，速度较慢层阻滞较快层，使其减速。这种阻滞力称为内摩擦力。流体间的相互作用称为流体内摩擦。

牛顿做过这样一个实验，在相互平行且距离L 较小的两平行板中间充满液体，下板固定，施一恒 定力F于上板，使其平行于下板均速运动。经过一 段时间间隔，观察发现，介于两板间的液体由静止 状态开始变为运动状态，附着上板的液体与上板同 样速度运动；附着于下板的液体静止不动，即速度

为零；中间的液体越靠近上板速度越快，越靠近下板速度越慢，运动由上层逐渐向下传递，形成如图的分布。

牛顿对这个实验研究，给出了著名的牛顿内摩擦定律：流体流动过程中流层间单位面积上的内摩擦力的大小与接触面法线方向的速度梯度志正比，与流体粘性有关，而与接触面上的压力无关，其数学表达式为

т=μdv/ dn

式中：т----切应力，т=F/S，F为内摩擦力，S为接触面积； dv/ dn ----沿接触面法线方向上的速度梯度； μ----粘度系数，也称粘度或动力粘度。

μ=

粘度是内摩擦的量度，是流体反抗形变的能力。各类流体的粘度不一，它是流体的特性，仅在流体形变时才表现出来。

除动力粘度外，在实际应用中还常使用运动粘度这个量；运动粘度是动力粘度与同温度下流体密度之比，用符号υ=μ/ρ

在国际单位制中，动力粘度单位为牛顿?秒/ 米2，即帕斯卡?秒（Pa?S），运动粘度υ的单位是米2/ 秒（m2/ s）。

我们把顺从牛顿内摩擦定律的流体，称为牛顿流体，如常见的流体水、轻质油、有机溶剂、气体等。牛顿流体的粘度是温度、压力的函数。当温度升高时，液体粘度下降，气体粘度升高。在流量计量中，压力变化对液体动力粘度的影响，在一般准确度要求下可忽略不计，但压力变化对气体动力粘度的影响需要考虑。选择流量计的工作粘度范围必须与被测介质粘度吻合，否则将影响其测量准确度。

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对于不服从牛顿内摩擦定律的流体，称为非牛顿流体。如油漆、胶体溶液、泥浆等均属非牛顿流体。非牛顿流体的粘度不仅是温度和压力的函数，同时还与切应力和切变速度有关，其规律性较复杂。目前，流量计量重点研究对象是牛顿流体。

流体的粘度可通过粘度计测定，部分流体的粘度可查表求得。 我们把没有粘性的流体称为理想流体。理想流体是流体力学的一个重要假设模型。实际流体均有粘性，绝对理想流体是不存在的。但这种理想模型却有重大的理论和实际使用价值。对于粘性较小的流体，在一定准确度要求下，忽略粘性的影响，其分析结果与实际几乎没有出入。理想流体的讨论将使问题极为简化。 3. 流体的压力

我们把垂直并且均匀作用在单位面积上的力定义为流体的压力，又称压强。

P = F/A 式中：P----流体作用压力； F----作用力； A----作用面积。

在国际单位制中，作用力F的单位是牛顿（N）；作用面积A的单位是米2（m2）；压力P的单位是牛顿/米2即帕斯卡（Pa）。 在实际生活和生产中有不同的压力概念。

(1) 绝对零压力：如果将一个小容器中所有的气体分子抽出，使其中形成真空，即没有压力作用于小容器的内壁。这种理想状态被称为零压条件或称为绝对零。

(2) 大气压力：在绝对零以上，由大气产生的压力就是大气压力。用符号PB表示。大气压力值随气象情况、海拔高度和地理纬度等不同而改变。在计算气体的体积时，常使用标准大气压（在海平面上的标准大气压力为101.325kPa）做参比值。

(3) 表压力： 测压仪表所指示的压力称为表压力。它是以大气压力为零起算的压力，用符号PG表示。表压力是通常工程中实用压力。

(4) 绝对压力： 是指不附带任何条件，从绝对零算起的压力。即液体、气体和蒸汽所处空间的全部压力。它等于大气压力和表压力之和，用符号PA表示： PA = PB + PG

(5)真空压力： 当绝对压力低于大气压力时，此绝对压力与大气压力之差就是真空表的读数。又称为疏空压力、负压力。用符号Ph表示： Ph = PA -PB （PA＜PB）

(6) 差压： 两个相关压力之差就是差压。常用符号△P表示。 (7) 静压力：静压是指在流体中不受流速影响而测得的表压力值。例如：对于管道流动由管壁处所测压力均为静压力值。为测得流体的静压，应使取压孔钻得与管道垂直，取压孔的入口边缘应无毛刺和倒角。国外学者雷利（Rayle）于1959年在他的论文中指出，如取压孔的尺寸偏离推荐值，取压孔倾斜或入口边缘状况不符合要求，会造成静压测量有-0.5%~1.1%的系统误差。

（8） 动压力：如使取压管弯曲，使管口轴线对准流体的流动方向由于感受

朝向它的流体的动能而使静压增大。在取压管的另一端接有压力计。当 流体的流速为零时，压力计的示值与静压力相同，但是当流速增大时，就会发