實驗室中的流量測量是否可行的實驗探討

來源：作者：發布日期：2020-05-13

在典型的實驗室或中試工廠中，流量測量存在一些異常問題。不可避免地，管道很小，流速很低，這些因素帶來了一些獨特的問題。從流體中獲得的低能量和流量計組件的小型化是非常明顯的，但是流體方面的考慮也可能令人生畏。

對于管道中的流動，雷諾數（Re –參見下面的圖1）是一個無量綱的數學術語，它考慮了密度，粘度，速度，壓力和其他各種運行參數。除了層流流量計依賴于測量低雷諾數的流體外，大多數傳統的渦輪式流量計都需要湍流，這等于更高的雷諾數。

圖1.雷諾數

因此，低流量通常等同于層流，并且流體的相對特性更像是糖水而不是水。非常早成功的低流量計量技術可能是在透明錐形管中垂直安裝的球（請參見下面的圖2）。這在高雷諾數和低雷諾數下均適用。在這種類型的儀表中，將球或異型浮子安裝到帶有孔的管上，該孔在其長度上會改變其橫截面積。隨著流量的增加，浮子會升起并朝著標定的刻度尺上升。由于系統中的能量低，重力被用作對浮子的反作用力，以及浮子的相對浮力以及被計量流體的粘度和密度。顯然，如果液體的粘度或密度發生變化，則浮子上的阻力或升力會限制此類儀表的精度。為了獲得非常佳性能，必須對這些儀表進行校準并在其實際工作條件下使用，因為工作條件的微小變化會導致流量讀數的變化不成比例。通常，這些儀表不會提供用于遠程儀表或總計的輸出。一些可變面積儀表使用彈簧作為反作用力，并使用磁力跟隨器連接外部指示器。這些功能使儀表可以在任何姿勢下與不透明的流體和潛在的高壓管線一起使用。

為了獲得非常佳性能，必須對這些儀表進行校準并在其實際工作條件下使用，因為工作條件的微小變化會導致流量讀數的變化不成比例。通常，這些儀表不會提供用于遠程儀表或總計的輸出。一些可變面積儀表使用彈簧作為反作用力，并使用磁力跟隨器連接外部指示器。這些功能使儀表可以在任何姿勢下與不透明的流體和潛在的高壓管線一起使用。為了獲得非常佳性能，必須對這些儀表進行校準并在其實際工作條件下使用，因為工作條件的微小變化會導致流量讀數的變化不成比例。通常，這些儀表不會提供用于遠程儀表或總計的輸出。一些可變面積儀表使用彈簧作為反作用力，并使用磁力跟隨器連接外部指示器。這些功能使儀表可以在任何姿勢下與不透明的流體和潛在的高壓管線一起使用。

流量計的另一項早期發展是使用層流元件的差壓（？P）流量計。大多數差壓流量計要求雷諾數更高的流體才能有效工作。雷諾數低于2000時，流動稱為層流。可視化的非常簡單方法是在打開的廚房水槽上成像水龍頭。在層流低時，水像冰柱一樣清澈。當水龍頭進一步打開時，水會變得湍流且外觀粗糙。當液體在具有湍流的導管中流動時，沿管道長度的壓降可以顯示為平方律，即流量每增加一倍，壓降就會增加三倍。雷諾數低時，壓降與流量呈線性關系。

正排量（PD）流量計技術利用了流體的高粘度。容積式流量計的種類繁多（請參見下面的圖3），包括齒輪，橢圓齒輪，章動盤，螺桿，活塞，擺動活塞或新一代擺動隔膜流量計之一。PD流量計是一種流量計，需要流體機械地移動流量計中的組件才能進行流量測量。PD流量計非常適合于測量粘度更高的潤滑液，但如果沒有顆粒會堵塞流量計，則某些流量計可與非潤滑液一起使用。隨著粘度趨于高，壓降通常也高。

圖3.橢圓齒輪正排量計。目標應用：高粘度流體

傳統的軸向渦輪流量計（管道中的螺旋槳）通常不適用于低流量，因為它們非常適合湍流。小型軸向渦輪流量計也對系統任何部分的變化敏感，特別是粘度和軸承阻力。相比之下–徑向流渦輪機（通常被誤稱為Pelton輪）受系統更改的影響要小得多，因此可以設計為在層流/湍流邊界上運行。徑向流渦輪流量計裝置（請參見下面的圖4）通常使用安裝在低摩擦軸承上的輕型扁平葉片渦輪，類似于大型手表中的軸承。它們在葉片的平面上噴射出一股液體。這導致渦輪旋轉。

利用上述計量技術的已知局限性–工程師意識到，可以精確測量非常低的流量的唯一方法是向系統中注入一些能量，而又不會過多地干擾流量。這是通過以下技術發展實現的。

熱流量計（參見下面的圖5）是非常好個低流量計，其中有兩種主要類型。熱分散儀通過測量液體流量如何從與元件成比例的流量中去除熱量來工作。通常這不是很準確。第二種熱方法使用兩個或什至三個元素。一個元件用于參考溫度測量。第二個是熱源，第三個測量熱耗散，因此測量流量。這些是質量流量裝置，并且能夠測量非常低的流量，盡管必須知道液體的熱特性才能進行精確測量。

科里奧利流量計是為測量低流量而開發的第二種流量設備。科里奧利儀表仍使用運動部件，但僅在流動管外部且僅在幾分鐘內使用。科里奧利流量計利用以下事實：繞彎頭加速的流體將對流體的運動產生90度的反作用。這種流量計非常靈敏，可以非常精確地計量非常低的質量流量-但是，它們通常也相對昂貴，限制了其使用。

目標應用：微流量和流量控制。

非常新開發且廣泛有效的低流量測量設備已基于超聲波技術（請參見下面的圖6）。使用超聲波流量計–在Titan的開發實驗室進行的試驗中，測得的流量低至每分鐘0.25毫升。超聲波通過一個發射傳感器以流動方向注入到流體中，然后被第二個傳感器接收。然后，第二個傳感器向該非常好個傳感器發送對流的ping操作。當一個脈沖被流體的速度加速而第二個脈沖被延遲時，飛行時間的差是流體速度的兩倍。由于流量計管的尺寸是已知的，因此可以計算出體積流量。