实验室中的流量测量是否可行的实验探讨

来源：作者：发布日期：2020-05-13

在典型的实验室或中试工厂中，流量测量存在一些异常问题。不可避免地，管道很小，流速很低，这些因素带来了一些独特的问题。从流体中获得的低能量和流量计组件的小型化是非常明显的，但是流体方面的考虑也可能令人生畏。

对于管道中的流动，雷诺数（Re –参见下面的图1）是一个无量纲的数学术语，它考虑了密度，粘度，速度，压力和其他各种运行参数。除了层流流量计依赖于测量低雷诺数的流体外，大多数传统的涡轮式流量计都需要湍流，这等于更高的雷诺数。

图1.雷诺数

因此，低流量通常等同于层流，并且流体的相对特性更像是糖水而不是水。非常早成功的低流量计量技术可能是在透明锥形管中垂直安装的球（请参见下面的图2）。这在高雷诺数和低雷诺数下均适用。在这种类型的仪表中，将球或异型浮子安装到带有孔的管上，该孔在其长度上会改变其横截面积。随着流量的增加，浮子会升起并朝着标定的刻度尺上升。由于系统中的能量低，重力被用作对浮子的反作用力，以及浮子的相对浮力以及被计量流体的粘度和密度。显然，如果液体的粘度或密度发生变化，则浮子上的阻力或升力会限制此类仪表的精度。为了获得非常佳性能，必须对这些仪表进行校准并在其实际工作条件下使用，因为工作条件的微小变化会导致流量读数的变化不成比例。通常，这些仪表不会提供用于远程仪表或总计的输出。一些可变面积仪表使用弹簧作为反作用力，并使用磁力跟随器连接外部指示器。这些功能使仪表可以在任何姿势下与不透明的流体和潜在的高压管线一起使用。

为了获得非常佳性能，必须对这些仪表进行校准并在其实际工作条件下使用，因为工作条件的微小变化会导致流量读数的变化不成比例。通常，这些仪表不会提供用于远程仪表或总计的输出。一些可变面积仪表使用弹簧作为反作用力，并使用磁力跟随器连接外部指示器。这些功能使仪表可以在任何姿势下与不透明的流体和潜在的高压管线一起使用。为了获得非常佳性能，必须对这些仪表进行校准并在其实际工作条件下使用，因为工作条件的微小变化会导致流量读数的变化不成比例。通常，这些仪表不会提供用于远程仪表或总计的输出。一些可变面积仪表使用弹簧作为反作用力，并使用磁力跟随器连接外部指示器。这些功能使仪表可以在任何姿势下与不透明的流体和潜在的高压管线一起使用。

流量计的另一项早期发展是使用层流元件的差压（？P）流量计。大多数差压流量计要求雷诺数更高的流体才能有效工作。雷诺数低于2000时，流动称为层流。可视化的非常简单方法是在打开的厨房水槽上成像水龙头。在层流低时，水像冰柱一样清澈。当水龙头进一步打开时，水会变得湍流且外观粗糙。当液体在具有湍流的导管中流动时，沿管道长度的压降可以显示为平方律，即流量每增加一倍，压降就会增加三倍。雷诺数低时，压降与流量呈线性关系。

正排量（PD）流量计技术利用了流体的高粘度。容积式流量计的种类繁多（请参见下面的图3），包括齿轮，椭圆齿轮，章动盘，螺杆，活塞，摆动活塞或新一代摆动隔膜流量计之一。PD流量计是一种流量计，需要流体机械地移动流量计中的组件才能进行流量测量。PD流量计非常适合于测量粘度更高的润滑液，但如果没有颗粒会堵塞流量计，则某些流量计可与非润滑液一起使用。随着粘度趋于高，压降通常也高。

图3.椭圆齿轮正排量计。目标应用：高粘度流体

传统的轴向涡轮流量计（管道中的螺旋桨）通常不适用于低流量，因为它们非常适合湍流。小型轴向涡轮流量计也对系统任何部分的变化敏感，特别是粘度和轴承阻力。相比之下–径向流涡轮机（通常被误称为Pelton轮）受系统更改的影响要小得多，因此可以设计为在层流/湍流边界上运行。径向流涡轮流量计装置（请参见下面的图4）通常使用安装在低摩擦轴承上的轻型扁平叶片涡轮，类似于大型手表中的轴承。它们在叶片的平面上喷射出一股液体。这导致涡轮旋转。

利用上述计量技术的已知局限性–工程师意识到，可以精确测量非常低的流量的唯一方法是向系统中注入一些能量，而又不会过多地干扰流量。这是通过以下技术发展实现的。

热流量计（参见下面的图5）是非常好个低流量计，其中有两种主要类型。热分散仪通过测量液体流量如何从与元件成比例的流量中去除热量来工作。通常这不是很准确。第二种热方法使用两个或什至三个元素。一个元件用于参考温度测量。第二个是热源，第三个测量热耗散，因此测量流量。这些是质量流量装置，并且能够测量非常低的流量，尽管必须知道液体的热特性才能进行精确测量。

科里奥利流量计是为测量低流量而开发的第二种流量设备。科里奥利仪表仍使用运动部件，但仅在流动管外部且仅在几分钟内使用。科里奥利流量计利用以下事实：绕弯头加速的流体将对流体的运动产生90度的反作用。这种流量计非常灵敏，可以非常精确地计量非常低的质量流量-但是，它们通常也相对昂贵，限制了其使用。

目标应用：微流量和流量控制。

非常新开发且广泛有效的低流量测量设备已基于超声波技术（请参见下面的图6）。使用超声波流量计–在Titan的开发实验室进行的试验中，测得的流量低至每分钟0.25毫升。超声波通过一个发射传感器以流动方向注入到流体中，然后被第二个传感器接收。然后，第二个传感器向该非常好个传感器发送对流的ping操作。当一个脉冲被流体的速度加速而第二个脉冲被延迟时，飞行时间的差是流体速度的两倍。由于流量计管的尺寸是已知的，因此可以计算出体积流量。