多相流最常用的檢測方法

『壹』 電流檢測方法

電流檢測常用的方式為電阻直接取樣、利用霍爾元件(LEM)取樣和利用電流互感器取樣。
用電阻取樣易於實現，電路設計簡單，但損耗大，檢測信號易受干擾，適用於小功率轉換電路，電路如圖1所示，其中R1為電流檢測電阻。以源端平均電流1A為例，常用的電流控制型PWM控制器UC1845的電流保護檢測電壓為1V，這樣需要的電阻為1Ω，功耗為1W，按照航天器元器件降額要求(GJB/Z 35-93《元器件降額准則》)，至少選用2W的電阻。而一個2W電阻的封裝對於模塊電源來說體積較大。

電流檢測的一般方式
用霍爾元件雖然檢測精度較高，但成本、體積常常對於模塊電源來說還是無法接受。
一般電流互感器的特性介於電阻和霍爾元件之間，是用得最多的一種電流檢測方法。DC-DC轉換器中常用的是脈沖直流互感器，其原理如圖2所示，工作方式為單向磁化，類似正激轉換器。當初級電流流通時，磁芯中磁場逐漸增大;當初級電流不再增加時，次級感應電勢將二極體擊穿，使磁芯復位到剩磁感應強度Br。
通常初級線圈為1匝，次級匝數很多，這樣可以減小次級反射到初級的阻抗，以減小對初級的影響。
如果不考慮線圈電阻，則次級感應電壓可以近似為電壓源，脈沖直流互感器的設計依據公式

『貳』 流體測量的基本原理和方法。

流量測量方法
名詞與術語
 瞬時流量：單位時間內流過管道橫截面的流體量（m3/h、t/h）。
 累計流量：在一段時間內流過管道橫截面的流體總量（m3、t）。
 流量計：用於測量管道中流量的計量器具稱為流量計。
主要的質量指標
 流量范圍：最大與最小可測范圍，該范圍內誤差不超過容許值。
 量程和量程比：量程是最大流量與最小流量之差；量程比是最大流量與最小流量之比，又稱范圍度。
測量誤差
基本誤差：

准確度：流量計示值接近被測流量真值的能力，稱為流量計的准確度。
准確度等級有：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0級。
 重復性：流量計在同一工作條件下，多次重復測量，其示值一致性的程度，反映儀表隨機性誤差的大小。
按測量對象劃分就有封閉管道和明渠兩大類;
按測量目的又可分為總量測量和流量測量,其儀表分別稱作總量表和流量計。
按測量原理分有力學原理、熱學原理、聲學原理、電學原理、光學原理、原子物理學原理等。

流量計簡介

流量測量方法和儀表的種類繁多。工業用的流量儀表種類達100多種。品種如此之多的原因就在於至今還沒找到一種對任何流體、任何量程、任何流動狀態以及任何使用條件都適用的流量儀表。

本文按照目前最流行、最廣泛的分類法,分別介紹各種流量計的原理、特點、應用概況及國內外的發展情況。

序號 流量計種類 全球產量
百分比
1 差壓式流量計（孔板、文丘里） 45～55％
2 浮子流量計（又稱玻璃轉子流量計） 13～16％
3 容積式流量計（橢圓、腰輪、螺旋） 12～14％
4 渦輪流量計 9～11％
5 電磁流量計 5～6％
6 流體振盪流量計（渦街、旋進） 2.2～3％
7 超聲流量計（時差式、多普勒） 1.6～2.2％
8 熱式流量計 2～2.5％
9 科里奧利質量流量計 0.9～1.2％
10 其他流量計（插入式流量計 1.6～2.2％

1.1差壓式流量計
差壓式流量計是根據安裝於管道中流量檢測件產生的差壓,已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來計算流量的儀表。
差壓式流量計由一次裝置(檢測件)和二次裝置(差壓轉換和流量顯示儀表)組成。通常以檢測件形式對差壓式流量計分類,如孔板流量計、文丘里流量計、均速管流量計等。
二次裝置為各種機械、電子、機電一體式差壓計,差壓變送器及流量顯示儀表。它已發展為三化(系列化、通用化及標准化)程度很高的、種類規格龐雜的一大類儀表,它既可測量流量參數,也可測量其它參數(如壓力、物位、密度等)。
差壓式流量計的檢測件按其作用原理可分為:節流裝置、水力阻力式、離心式、動壓頭式、動壓頭增益式及射流式幾大類。
檢測件又可按其標准化程度分為二大類:標準的和非標準的。
所謂標准檢測件是只要按照標准文件設計、製造、安裝和使用,無須經實流標定即可確定其流量值和估算測量誤差。
非標准檢測件是成熟程度較差的,尚未列入國際標准中的檢測件。
差壓式流量計是一類應用最廣泛的流量計,在各類流量儀表中其使用量占居首位。近年來,由於各種新型流量計的問世,它的使用量百分數逐漸下降,但目前仍是最重要的一類流量計。
優點:
(1)應用最多的孔板式流量計結構牢固,性能穩定可靠,使用壽命長;
(2)應用范圍廣泛,至今尚無任何一類流量計可與之相比擬;
(3)檢測件與變送器、顯示儀表分別由不同廠家生產,便於規模經濟生產。
缺點:
(1)測量精度普遍偏低;
(2)范圍度窄,一般僅3:1~4:1;
(3)現場安裝條件要求高;
(4)壓損大(指孔板、噴嘴等)。
應用概況:
差壓式流量計應用范圍特別廣泛,在封閉管道的流量測量中各種對象都有應用,如流體方面:單相、混相、潔凈、臟污、粘性流等;工作狀態方面:常壓、高壓、真空、常溫、高溫、低溫等;管徑方面:從幾mm到幾m;流動條件方面:亞音速、音速、脈動流等。它在各工業部門的用量約占流量計全部用量的1/4~1/3。
1.2 浮子流量計
浮子流量計,又稱轉子流量計,是變面積式流量計的一種,在一根由下向上擴大的垂直錐管中,圓形橫截面的浮子的重力是由液體動力承受的,從而使浮子可以在錐管內自由地上升和下降。
浮子流量計是僅次於差壓式流量計應用范圍最寬廣的一類流量計,特別在小、微流量方面有舉足輕重的作用。
80年代中期,日本、西歐、美國的銷售金額占流量儀表的15%~20%。我國產量1990年估計在12~14萬台,其中95%以上為玻璃錐管浮子流量計。
特點:
(1)玻璃錐管浮子流量計結構簡單,使用方便,缺點是耐壓力低,有玻璃管易碎的較大風險;
(2)適用於小管徑和低流速;
(3)壓力損失較低。
1.3容積式流量計
原理
結構 容積式流量計按其測量元件分類,可分為橢圓齒輪流量計、刮板流量計、雙轉子流量計、旋轉活塞流量計、往復活塞流量計、圓盤流量計、液封轉筒式流量計、濕式氣量計及膜式氣量計等。

特點 (1)計量精度高;
(2)安裝管道條件對計量精度沒有影響;
(3)可用於高粘度液體的測量;
(4)范圍度寬;
(5)直讀式儀表無需外部能源可直接獲得累計,總量,清晰明了,操作簡便。
缺點:
(1)結果復雜,體積龐大;
(2)被測介質種類、口徑、介質工作狀態局限性較大;
(3)不適用於高、低溫場合;
(4)大部分儀表只適用於潔凈單相流體;
(5)產生雜訊及振動。

應用 容積式流量計與差壓式流量計、浮子流量計並列為三類使用量最大的流量計,常應用於昂貴介質(油品、天然氣等)的總量測量。
工業發達國家近年PD流量計(不包括家用煤氣表和家用水表)的銷售金額占流量儀表的13%~23%;我國約佔20%,1990年產量(不包括家用煤氣表)估計為34萬台,其中橢圓齒輪式和腰輪式分別約佔70%和20%。

優點:
應用概況:
1.4 渦輪流量計
渦輪流量計,是速度式流量計中的主要種類,它採用多葉片的轉子(渦輪)感受流體平均流速,從而且推導出流量或總量的儀表。
一般它由感測器和顯示儀兩部分組成,也可做成整體式。
渦輪流量計和容積式流量計、科里奧利質量流量計稱為流量計中三類重復性、精度最佳的產品,作為十大類型流量計之一,其產品已發展為多品種、多系列批量生產的規模。
優點:
(1)高精度,在所有流量計中,屬於最精確的流量計;
(2)重復性好;
(3)元零點漂移,抗干擾能力好;
(4)范圍度寬;
(5)結構緊湊。
缺點:
(1)不能長期保持校準特性;
(2)流體物性對流量特性有較大影響。
應用概況:
渦輪流量計在以下一些測量對象獲得廣泛應用:石油、有機液體、無機液、液化氣、天然氣和低溫流體統在歐洲和美國,渦輪流量計在用量上是僅次於孔板流量計的天然計量儀表,僅荷蘭在天然氣管線上就採用了2600多台各種尺寸,壓力從0.8~6.5MPa的氣體渦輪流量計,它們已成為優良的天然氣計量儀表。
1.5電磁流量計
電磁流量計是根據法拉弟電磁感應定律製成的一種測量導電性液體的儀表。
電磁流量計有一系列優良特性,可以解決其它流量計不易應用的問題,如臟污流、腐蝕流的測量。
70、80年代電磁流量在技術上有重大突破,使它成為應用廣泛的一類流量計,在流量儀表中其使用量百分數不斷上升。
優點:
(1)測量通道是段光滑直管,不會阻塞,適用於測量含固體顆粒的液固二相流體,如紙漿、泥漿、污水等;
(2)不產生流量檢測所造成的壓力損失,節能效果好;
(3)所測得體積流量實際上不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導率變化的明顯影響;
(4)流量范圍大,口徑范圍寬;
(5)可應用腐蝕性流體。
缺點:
(1)不能測量電導率很低的液體,如石油製品;
(2)不能測量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體;
(3)不能用於較高溫度。
應用概況:
電磁流量計應用領域廣泛,大口徑儀表較多應用於給排水工程;中小口徑常用於高要求或難測場合,如鋼鐵工業高爐風口冷卻水控制,造紙工業測量紙漿液和黑液,化學工業的強腐蝕液,有色冶金工業的礦漿;小口徑、微小口徑常用於醫葯工業、食品工業、生物化學等有衛生要求的場所。
1.6 渦街流量計
渦街流量計是在流體中安放一根非流線型游渦發生體,流體在發生體兩側交替地分離釋放出兩串規則地交錯排列的游渦的儀表。
渦街流量計按頻率檢出方式可分為:應力式、應變式、電容式、熱敏式、振動體式、光電式及超聲式等。
渦街流量計是屬於最年輕的一類流量計,但其發展迅速,目前已成為通用的一類流量計。
優點:
(1)結構簡單牢固;
(2)適用流體種類多;
(3)精度較高;
(4)范圍度寬;
(5)壓損小。
缺點:
(1)不適用於低雷諾數測量;
(2)需較長直管段;
(3)儀表系數較低(與渦輪流量計相比);
(4)儀表在脈動流、多相流中尚缺乏應用經驗。
1.7 超聲流量計
超聲流量計是通過檢測流體流動對超聲束(或超聲脈沖)的作用以測量流量的儀表。
根據對信號檢測的原理超聲流量計可分為傳播速度差法(直接時差法、時差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、互相關法、空間濾法及雜訊法等。
超聲流量計和電磁流量計一樣,因儀表流通通道未設置任何阻礙件,均屬無阻礙流量計,是適於解決流量測量困難問題的一類流量計,特別在大口徑流量測量方面有較突出的優點,近年來它是發展迅速的一類流量計之一。
優點:
(1)可做非接觸式測量;
(2)為無流動阻撓測量,無壓力損失;
(3)可測量非導電性液體,對無阻撓測量的電磁流量計是一種補充。
缺點:
(1)傳播時間法只能用於清潔液體和氣體;而多普勒法只能用於測量含有一定量懸浮顆粒和氣泡的液體;
(2)多普勒法測量精度不高。
應用概況:
(1)傳播時間法應用於清潔、單相液體和氣體。典型應用有工廠排放液、:怪液、液化天然氣等;
(2)氣體應用方面在高壓天然氣領域已有使用良好的經驗;
(3)多普勒法適用於異相含量不太高的雙相流體,例如:未處理污水、工廠排放液、臟流程液;通常不適用於非常清潔的液體。
1.8 科里奧利質量流量計
科里奧利質量流量計(以下簡稱CMF)是利用流體在振動管中流動時,產生與質量流量成正比的科里奧利力原理製成的一種直接式質量流量儀表。
我國CMF的應用起步較晚,近年已有幾家製造廠(如太行儀表廠)自行開發供應市場;還有幾家製造廠組建合資企業或引用國外技術生產系列儀表。
1.9明渠流量計
與前述幾種不同,它是在非滿管狀敞開渠道測量自由表面自然流的流量儀表。
非滿管態流動的水路稱作明渠,測量明渠中水流流量的稱作明渠流量計(open channel flowmeter)。
明渠流量計除圓形外,還有U字形、梯形、矩形等多種形狀。
明渠流量計應用場所有城市供水引水渠;火電廠引水和排水渠、污水治理流入和排放渠;工礦企業水排放以及水利工程和農業灌溉用渠道。有人估計1995台,約占流量儀表整體的1.6%,但是國內應用尚無估計數據。
2 新工作原理流量儀表的研究和開發
2.1 靜電流量計(electrostatic flowmeter)
日本東京技術學院研製適用於石油輸送管線低導電液體流量測量的靜電流量計。
靜電流量計的金屬測量管絕緣地與管系連接,測量電容器上靜電荷便可知道測量管內的電荷。他們分別作了內徑4~8mm銅、不銹鋼等金屬和塑料測量管儀表的實流試驗,試驗表明流量與電荷之間接近於線性。
2.2 復合效應流量儀表(combined effects meter)
該儀表的工作原理是基於流體的動量和壓力作用於儀表腔體產生的變形,測量復合效應的變形求取流量。本儀表由美國GMI工程和管理學院開發,已申請兩項專利。
2.3 轉速表式流量感測器(tachmetric flowrate sensor)
它是由俄羅斯科學工程中心工業儀表公司開發，是基於懸浮效應理論研製的。該儀表已在若干現場成功的應用(例如在核電站安裝2000餘台測量熱水流量，連續使用8年),且還在改進以擴大應用領域。
3 幾種流量儀表應用和發展動向
3.1 科里奧利質量流量計(CMF)
國外CMF已發展30餘系列，各系列開發在技術上著眼點在於:流量檢測測量管結構上設計創新;提高儀表零點穩定性和精確度等性能;增加測量管撓度,提高靈敏度;改善測量管應力分布,降低疲勞損壞,加強抗振動干擾能力等。
3.2 電磁流量計(EMF)
EMF從50年代初進入工業應用以來,使用領域日益擴展,80年代後期起在各國流量儀表銷售金額中已佔16%~20%。
我國近年發展迅速,1994年銷售估計為6500~7500台。國內已生產最大口徑為2~6m的ENF,並有實流校驗口徑3m的設備能力。
3.3 渦街流量計(USF)
USF在60年代後期進入工業應用,80年代後期起在各國流量儀表銷售金額中已佔4%~6%。1992年世界范圍估計銷售量為3.54.8萬台,同期國內產品估計在8000~9000台。
4 結論
由上述可知,流量計發展到今天雖然已日趨成熟,但其種類仍然極其繁多,至今尚無一種對於任何場合都適用的流量計。
每種流量計都有其適用范圍,也都有局限性。這就要求我們:
(1)在選擇儀表時,一定要熟悉儀表和被測對象兩方面的情況,並要兼顧考慮其它因素,這樣測量才會准確;
(2)努力研製新型儀表,使其在現有的基礎上更加完善。

流量相關的物性參數
在流量測量和計算中，要使用到一些流體的物理性質（流體物性），它們對流量測量的准確度及流量計的選用都有很大影響。我們對這些物性參數只作基本概念及一些簡單計算式的介紹，詳細數據資料需到有關手冊去查詢。
1．流體的密度
流體的密度由下式定義

ρ—流體密度，kg/m3；
m—流體的質量，kg；
V—流體的體積，m3。
（1） 液體的密度
壓力不變時，液體密度計算式為：

ρ—溫度t時液體的密度，kg/m3；
ρ20—20℃時液體的密度，kg/m3；
μ—液體的體積膨脹系數，1/℃；
t—液體的溫度，℃。
溫度不變時，液體密度計算式為：

ρ1—壓力P1時液體的密度，kg/m3；
ρ0—壓力P0時液體的密度，；kg/m3；
β—液體的體積壓縮系數1/Mpa；
P0、P1——液體的壓力，Mpa。
通常壓力的變化對液體密度的影響很小，在5Mpa以下可以忽略不計，但是對於碳氫化合物，即使在較低壓力下，亦應進行壓力修正。
（2） 氣體的密度
工作狀態下干氣體的密度計算式為：

ρ—工作狀態下干氣體的密度，kg/m3；
ρn—標准狀態下（293.15k，101.325kPa）干氣體的密度，kg/m3；
p—工作狀態下氣體的絕對壓力，kPa；
pn—標准狀態下絕對壓力，101.325kPa；
T—工作狀態下氣體的絕對溫度，K；
Tn—標准狀態下絕對溫度，293.15K；
Zn—標准狀態下氣體的壓縮系數；
Z—工作狀態下氣體的壓縮系數。
2．流體的粘度
流體本身阻滯其質點相對滑動的性質稱為流體的粘性。流體粘性的大小用粘度來度量。同一流體的粘度隨流體的溫度和壓力而變化。通常溫度上升，液體的粘度下降，而氣體粘度上升。液體粘度只在很高壓力下才需進行壓力修正，而氣體的粘度與壓力、溫度的關系十分密切。表徵流體粘度常用有如下二種：
（1）動力粘度

η——流體動力粘度，Pa•s；
τ—單位面積上的內摩擦力，Pa；
—速度梯度，1/s；
u —流體流速，m/s；
h —兩流體層間距離，m。
（3）運動粘度 流體的動力粘度與其密度的比值稱為運動粘度。

v——運動粘度m2/s 。
3．熱膨脹率
熱膨脹率是指流體溫度變化1ºC時其體積的相對變化率，即：

β—流體的熱膨脹率，1/℃；
V —流體原有體積，m3；
∆V—流體因溫度變化膨脹的體積，m3；
∆T—流體溫度變化值，℃。
4．壓縮系數
壓縮系數是指當流體溫度不變，所受壓力變化時，其體積的變化率，即：

k—流體的壓縮系數，1/Pa；
∆V—壓力為p時的流體體積m3；
∆p—壓力增加∆p時流體體積的變化量，m3。
5．雷諾數
雷諾數是一個表徵流體慣性力與粘性力之比的無量綱量，其定義為：

V—流體的平均速度，m/s；
L—流速的特徵長度，如在圓管中取管內徑值，m；
ν—流體的運動粘度，m2/s。
雷諾數的大小可以判斷流動的狀態，一般管道雷諾數Re＜2300為層流狀態，Re＝2000～4000為過渡狀態，Re＞4000為湍流（紊流）狀態。

希望能用上。

『叄』 多相流體力學的研究方法

主要有半經驗物理模型和統觀實驗法，數學模型及數值計演算法，局部場的實驗量測法等。 半經驗物理模型和統觀實驗法 半經驗物理模型指以實驗觀測為基礎對多相流的流動形態作出半經驗性的簡化假設以便進行簡化分析計算，如假定多相流為一維柱塞流 (plug flow)等。統觀實驗法指只研究外部參量變化規律，例如多相流在管道中的阻力或平均傳熱量與流速間的關系、平均的體積分數等，不研究多相流中各種變數的場分布規律。
數學模型和數值計演算法 對多相流基本方程組中各個湍流輸運項、相間相互作用項和源項的物理規律以實驗或公設為基礎提出一定的表達式，使聯立的方程組封閉，能夠求解，這就是建立數學模型。聯立的非線性偏微分方程組只能用數值法，如有限差分方法或有限元法求解。已經制定了二維和三維多相湍流流動計算程序軟體，可以初步用於計算旋風除塵器、煤粉燃燒室和氣化室、液霧燃燒室、反應堆中水-汽系統以及炮膛中氣-固或氣- 液各相中的壓力、速度、溫度、體積分數等的分布。目前，正在研製用於工程中最優化設計的軟體。
實驗量測法 研究多相流的流動、傳熱、傳質以及化學反應等規律時，觀測其流型，測量各相的速度、流量、尺寸、濃度、體積分數或含氣率、溫度分布等十分重要。觀測流型常常用高速攝影、全息照相和電測法等。測量顆粒尺寸分布可用印痕或溶液捕獲法、光學或激光散射法、激光全息術、激光多普勒法 （LDV法）等。測量流量、速度、濃度、重量含氣率分布等可以用 LDV法、取樣探針、電探針、光導纖維探針、分離器法等。測量平均截面含氣率可用放射性同位素法、γ射線法、分離器法等。