袁碟;蒋永荣;刘成良;刘可慧;孙振举;罗潜
【摘 要】Gas flowmeter is an important flow measurement. There are many gas flowmeters and applied widely in production and life. This paper reviewed the measurement principle, characteristic and application of three common gas flowmeters (including volumetric gas flowmeter, differential pressure gas flowmeter and velocity gas flowmeter).and the control systems of gas flowmeters are introduced from controlling chips and software platform. Finally, the future concern about improving gas flow is proposed.%气体流量计是我们生产生活中很重要的流量测量仪表，其种类繁多，适用范围各异。本文综述了3种常见气体流量计（包括容积式气体流量计、差压式气体流量计及速度式气体流量计）的计量原理、特点及应用范围，并从控制芯片和软件平台两方面介绍了一般气体流量计所采用的控制系统，由此提出今后气体流量计改进的方向。
【期刊名称】《仪器仪表用户》
【年(卷),期】2016(023)007
【总页数】5页(P5-9)
【关键词】气体流量计;计量原理;适用范围;计量控制
【作 者】袁碟;蒋永荣;刘成良;刘可慧;孙振举;罗潜
【作者单位】叠氮钠桂林电子科技大学 生命与环境科学学院，广西 桂林 541004;桂林电子科技大学 生命与环境科学学院，广西 桂林 541004;桂林电子科技大学 生命与环境科学学院，广西 桂林 541004;桂林电子科技大学 生命与环境科学学院，广西 桂林 541004;桂林电子科技大学 生命与环境科学学院，广西 桂林 541004;桂林电子科技大学 生命与环境科学学院，广西 桂林 541004
【正文语种】中 文
随着工业生产的不断进步，对气体流量计量的要求越来越高。例如大流量、小流量、瞬态流量、质量流量等，均需要高质量的流量计。气体计量的方式很多，根据计量的原理不同，一般可分为容积式、差压式以及速度式等计量方式［1］，与其对应的，主要有容积式气体流量计、差压式流量计和速度式气体流量计，本文拟针对以上3种气体流量计，探讨其
计量原理、控制系统及研究进展。
1.1 容积式气体流量计
容积式流量计是通过测定壳体与转子之间形成的容积来测量流体的体积流量。该流量计一般由4部分构成［2］，如图1所示。 根据容积式气体流量计本体部中不同的转子类型和结构，可以分为腰轮流量计、椭圆齿轮流量计、刮板流量计等。
腰轮流量计也称罗茨流量计，其计量部分有一对或者两对腰轮转子，在被测介质的作用下，流量计的出口端出现一个压差间产生一定容积的计量腔，其间充满被测介质。腰轮流量计一对（或两对）互相啮合的转子在流量计进出口压力差的作用下转动，被测介质在转子和流量计壳体之间随转子转动，被连续不断地分隔排出，最后通过一定的转换机构将排出介质的体积显示在计数器上［3］。腰轮流量计具有结构简单牢固、工作性能稳定、量程范围宽、测量精度高等特点。但是其在使用过程中需要注入润滑油润滑齿轮和轴承，故可能发生漏油，并且大口径腰轮流量计体积较大，价格昂贵，对气质洁净度要求较高［4］。
椭圆齿轮流量计是一种典型的容积式流量计量仪表，其工作原理是当被测介质流入时，在进出口压力差的作用下，在装置测量室中的一对相互啮合椭圆齿轮转子交替转动，将进口处的被测介质经月牙形腔体不断地从出口排出。椭圆齿轮流量计转一圈排出介质的体积为4倍月牙形腔体的体积，最后通过一定的转换机构计算，将测量的介质流量显示出来［2］。这种流量计的优点是精度高、结构简单、便于维护、价格便宜，应用范围也比较广泛。但是它对被测介质的清洁度要求较高，在较大流量时噪声较大。
刮板流量计是一种容积式流量计，其计量部分由刮板和内壳体及其安装在内壳体中的转子壳体组成，测出这些空腔的容积作为流量计的计量单元。当有介质流入时，流量计的进出口处会产生微小压差推动转子旋转，并不断将流入的介质经空腔计量后排出，计数机构通过采集到转子的转动次数计算出流经流量计的介质总量［5］。刮板流量计具有设计先进、结构合理、防砂、可靠性高、计量精度高、受环境温度影响小、便于检查和维修等特点［6］。但是其结构复杂，制造精度要求高，价格昂贵。
1.2 差压式气体流量计
差压式流量计有着悠久的使用历史，广泛地被行业接受，它是通过流经插入通道的障碍物
的压降来确定流量的［7］。当被测介质流经节流体时，在通道内的节流体处介质会因阻隔形成局部的收缩，从而静压力减小而流速增大，在节流体两边会形成一定的压差，当通过的介质的流量越大时，产生的压差也越大，节流体两边的压差与介质流量的平方成正比［8］。差压式流量计的工作原理图如图2所示。
假设D为流量计上游的管道内径，A1为此处的横截面积，V1为单位面积的流体体积，ρ1为此处流体密度，d为管道内节流体之间的内径，ρ2为此处流体密度，A2为此处的横截面积，V2为单位面积的流体体积。由流体连续性公式可知［8］：
由伯努利方程可知，流体在水平管内流动时的重力势能为零，故可得如下公式：2000导航
如果所测的流体是液体，则各处的密度相等，即ρ1=ρ2=ρ，节流体两边的压差由式（2）可得出为：
由式（3）和式（4）可得到下面的体积流量计算公式：
式中β为内径比d1/d2。
所测流体在管道内流动时能量会有一定的损失，流出系数c可以定义为c = 实际流量/理论流量，故可以改写式（5）为：
如果测量流体是可压缩的气体，则可将流体可压缩系数放入式（6）来修正，故得到气体时的流量公式：
背靠管式差压气体流量计是一种新型的差压式气体流量计，它设计有长方体型结构的节流体，在节流体内部分别设计了2个圆柱状导压管，其管的直径为5 mm，导压管两边对称各开一个直径3 mm的圆孔，此圆孔距离导压管底端有15 mm，这两个孔分别称为迎风取压孔和背风取压孔［7］。结构示意图如图3所示。
园林快题设计背靠管式流量计的结构是在管道上以插入的方式安装一个节流体，此节流体的迎风取压孔正对气体流动方向，而背风取压孔则完全背向气体流动方向。在所测流动气体的作用下，气流会在节流体的迎风取压孔和背风取压孔处分别产生正向和负向的压强，上面的微差压传感器通过节流体内部的两个导压管采集到压强差，从而计算出流经的气体流量。正是由于背靠管式节流体结构这种设计安装的特点，即使当产生较低的气流速度时，也会有较强的压强差，这非常适用于测量低流速和测量灵敏度的提高［8］。
六自由度1.3 速度式气体流量计
速度式流量计是以直接测量封闭管道中满管流动速度为原理。速度式流量计主要有3种：涡轮流量计、超声波流量计、涡街流量计。与另外2种流量计相比，超声波流量计拥有以下几种优良的性能特点［9］。
1）可用于高精度计量多种管径气体流量，并且计量的精度与流量管径成正比。
独眼 喙鼻2）量程范围宽、稳定性好，流量计本体压力损失可忽略，长输管道时降低增压费用。
3）可精确测量脉动流和双向流量，不受压力、湿气、温度、沉积物等性质的影响。
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下面以超声波流量计为例来说明。超声波流量计具有较高的准确性和重复性。此外，它没有移动的部件，不会产生额外的压降，允许双向测量［10］。目前，超声波流量计主要采用的测量原理有多普勒效应法和传播速度差法。多普勒法是通过测量不均匀流体中散射体散射时产生的超声波多普勒频移来计算流量，常用于测量含杂度较高的流体或两相流流量。速差法（包括：时差法、相位差法、频差法）主要是通过测量超声波脉冲在顺流和逆流中传播的速度差来计算流体的流速，其中由于频差法和时差法不受流体温度变化的影响，
测量准确度高，故被广泛应用［11］。
下面以时差法超声波气体流量计为例，对其基本测量原理做简单介绍。
时差法超声波流量计测量气体流量的原理［9］如图4所示。在充满流体的测量管道上按一定角度安装有一对超声波换能器，它们不断地交替发射和接收超声脉冲。在如图4中，设V为管道中流体速度，D为管道直径，L为两探头中心线间的距离，θ为探头与管道法线间的夹角，C为超声波在静止流体中的速度，则有L=D/cosθ。
一束超声脉冲经流体传播，L为其计时声程，超声波在顺流和逆流方向传播的时间不同，其公式为：
由上面公式推导计算出流体的速度 V，流速方程为：
在1h内流过管道的流量 F 为：
由以上的公式推导可得：只要在精确的计时系统下采样TAB、TBA，就并不需要通过获取超声波的传播速度来测量流体流速。
以上3种类型的流量计代表了当今主流的气体计量方式。它们各有适用的场合。其原理、特点及应用范围见表1。
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