《能源监测与评价》——能源监测技术（七）

图2-56所示为圆柱体旌涡频率信号检测器。圆柱体表面开有导压孔，与圆柱体内部空腔相通。空腔由隔板分成两部分，在隔板的中央部分有一小孔，在小孔中装有检测流体流动的铂电阻丝。当旋涡在圆柱体下游侧产生时，出于升力的作用，使得圆柱体下方的压力比上方高一些，圆柱体下方的流体在上下压力差的作用下，从圆柱体下方导压孔进入空腔，通过隔板中央部分的小孔，流过铂电阻丝，从上方导压孔流出。如果将铂电阻丝加热到高于流体温度的某温度值，则当流体流过铂电阻丝时，就会带走热量，改变其温度，也即改变其电阻值。当圆柱体上方产生一个旋涡时，则流体从上导压孔进入，由下导压孔流出，又一次通过铂电阻丝，又改变一次它的电阻值。由此可知：电阻值变化与流动变化相对应，即与旋涡的频率相对应。所以，可由检测铂电阻丝电阻变化频率得到涡频率，进而得到流量值。

涡街流量计主要用于工业管道介质流体的流量测量，如气体、液体、蒸汽等多种介质，其特点是压力损失小，量程范围大，精度高，在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、黏度等参数的影响;无可动机械零件，维护量小，仪表参数能长期稳定，因此可靠性高，可在-20～250℃的工作温度范围内工作;有模拟标准信号，也有数字脉冲信号输出。其缺点是不适用于低雷诺数测量，需较长直管段。

(5)电磁流量计。电磁流量计是基于法拉第电磁感应原理制成的一种流量计，见图2-57，当被测导电流体在磁场中沿垂直磁力线方向流动而切割磁力线时，在对称安装在流通管道两侧的电极上将产生感应电动势，此电动势与流速成正比。流体流量方程为

值得注意的是，采用电磁流量计测量时应满足的条件为：①磁场是均匀分布的恒定磁场;②被测流体的流速轴对称分布;③被测流体是非磁性的;④被测流体的电导率均匀且各向同性。电磁流量计的结构如图2-58所示。值得注意的是，测量管道应由非导磁材料制成，如果是金属管道，内壁上要装有绝缘衬里。电磁流量计有两种励磁方式：直流励磁和交流励磁。

直流励磁方式采用直流电产生磁场或采用永久磁铁，它能产生一个恒定的均匀磁场。这种直流励磁的最大优点是受交流电磁场干扰影响很小，因而可以忽略液体中的自感现象的影响。但是，使用直流磁场易使通过测量管道的电解质液体被极化，即电解质在电场中被电解，产生正负离子，在电场力的作用下，负离子跑向正极，正离子跑向负极。这样，将导致正负电极分别被相反极性的高子所包围，严重影响仪表的正常工作。所以，直流励磁一般只用于测量非电解质液体，如液态金属等。

目前，工业上使用的电磁流量计，大都采用工频(50Hz)电源交流励磁方式，即它的磁场是由正弦交变电流产生的，所以产生的磁场也是一个交变磁场。交变励磁的主要优点是消除了电极表面的极化干扰。另外，由于磁场是交变的，所以输出信号也是交变信号。电磁流量计有以下特点：①测量管道内没有可动部件或突出于管内的部件，所以几乎没有压力损失，可以测量各种腐蚀性液体以及带有悬浮颗粒的浆液(如泥浆、纸浆、化学纤维、矿浆)等溶液，也可用于各种有卫生要求的医药、食品等部门的流量测量(如血浆、牛奶、果汁、卤水、酒类等);还可用于大型管道自来水和污水处理厂流量测量等。②输出电流与介质流量呈线性关系，且不受液体物理性质(温度、压力、黏度、密度)或流动状态的影响。流速的测量范围大，测量管径小到1mm，大到2m以上。③一般精度为0.5～1.5级。④被测介质必须是导电液体，其电导率一般要求不小于水的电导率。⑤不能测量气体、蒸汽及石油制品等的流量。⑥信号较弱，满量程时只有2.5～8mV，抗干扰能力差。⑦电源电压的波动会引起磁场强度的变化，从而影响到测量信号的准确性。

由于测量管内衬材料一般不宜在高温下工作，因此目前一般的电磁流量计还不能用于测量高温介质。视采用的内衬材料不同，其适应的温度范围也不一样：采用普通橡胶衬里，被测介质温度为-20～60℃;采用高温橡胶衬里，被测介质温度为-20～90℃;采用聚四氟乙烯衬里，被测介质温度为-30～100℃;采用高温型四氟乙烯衬里，被测介质温度为-30～180℃。

此外，为了减小导管内引起的涡流损耗，故测量导管不宜采用厚壁导管，一般管壁厚度不超过8mm。对于导电液体，其电导率的下限值一般也不得小于2×10-3～5×10-3S/m(西门子/米)。如果采用特殊的电子线路，有可能将电导率下限扩大至1×10-4S/ m。流速和速度分布必须符合设定条件，否则将会产生较大的测量误差。因此，在电磁流量传感器的前后，必须有足够的直管段长度，以消除各种局部阻力对流速分布对称性的影响。感应电动势与流速有关，电磁流量计的满量程流速下限一般不得低于0.3m/s。

使用电磁流量计应注意以下问题;

1)安装要求。电磁流量计安装位置应选择在任何时候测量导管内都能充满液体的地方，以防止由于测量导管内没有液体而指针不在零位所造成的错觉。最好是垂直安装，使被测液体积自下向上流经仪表，这样可以避免在导管中有沉淀物或在介质中有气泡而造成的测量误差。如不能垂直安装，也可水平安装，但要使两电极在同一水平面上。

2)接地要求。电磁流量计的信号比较弱，在满量程时只有2.5～8mV，流量很小时，输出只有几微伏，外界略有干扰就能影响测量的精度。因此其外壳、屏蔽线、测量导管以及电磁流量计两端的管道都要接地，并且要求单独设置接地点，绝对不要连接在电动机、电器等的公用地线或上下水管道上。

3)安装地点。电磁流量计的安装地点要远离一切磁源(如大功率电动机、变压器等).不能有振动。

4)电源要求。必须使用同一相电源，否则由于检测信号和反馈信号相差-120。的相位，使仪表不能正常工作。

(6)超声波流量计。超声波是指振动频率大于20kHz以上的，其每秒的振动次数(频率)甚高，超出了入耳听觉的上限(20000Hz)，人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声波流量计则是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表，它从20世纪80年代开始进入我国工业生产和计量领域，并在90年代得到迅速发展。在管道上的纵向距离为L两处安装两组超声波发生器和接收器，如图2-59所示中的T1、R1和T2、R2。当流体静止时，声速为C。当流体速度为u时，顺流的声速为c+u，传播时间T1;逆流的声速为c-u，传播时间为T2。超声波传播的时间差为

因此通过测量时间差即可获得来流的速度。此测量方法称为时间法。由于时间差非常小，欲使测量准确就需要较复杂的电子线路，为简化测量线路，用测量顺逆两个连续波之间的相位差(为一连续波的角频率)来求得流速的方法称为相位差法。这两种方法都需要准确知道声速。但液体中的声速随温度变化故为消除因温度差异而产生的误差，可通过测量频率差而求得流速，这种方法称为频率差法。

相位差法是把上述时间差转换为超声波传播的相位差来测量。超声波换能器向流体连续发射形式为s(t)=Asin(cot+(Po)的超声波脉冲，式中叫为超声波的角频率。此时超声波传播的相位差为：

频率差法的最大优点是不受声速的影响，即不必对流体温度改变而引起声波的变化进行补偿，因此是常用的方法。

超声波流量计属大管径流量测量仪表，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、黏度、密度等参数的影响。如果超声变送器安装在管道外侧，就无须插入。它几乎适用于所有的液体，包括浆体等，测量精确度高，但管道的污浊会影响精确度。