第二节 流量量测

流量是单位时间内流经某一过水断面的流体体积。某瞬时单位时间内流过的流体体积称为瞬时流量。某段时间内流过的流体总体积除以该段时间为该段时间内的平均流量。

在实验室中量测恒定流流量的方法可分为直接量测法与间接量测法两大类。根据流量的定义进行量测，称为直接量测法。根据量测其他水力要素如水位、压差或流速等换算得到流量的方法，称为间接量测法。

一、直接量测法

1.体积法

设备：秒表一只，标定容积的量水器一个（量杯或水箱）。

方法：用秒表记录时间T，同时读出标定容积的量水器上的容积读数就是该段时间内流入量水器内的水体体积V，可得平均流量的量测值为

2.质量法

设备：秒表一只，磅秤及水桶各一个。

方法：用秒表记录出时间T，用磅秤称出T时段内流入水桶中水的质量m，根据公式G=ρgV，ρ为水的密度，可以换算出平均流量的量测值为

直接量测流量的方法在量测较小流量时简单且比较精确。应用此法时还应注意量测时间T需足够长，一般接水时间大于10s，以保证量测精度，必要时应对流量进行多次量测取平均值。

二、间接量测法

量水堰法是在明渠中量测流量。将量水堰置于明渠中，当水流从堰顶溢流时，水流发生收缩，并在上游形成壅水现象。此时堰上水头与过堰流量之间具有一定关系，根据实测的堰顶水头、堰的溢流宽度、堰高等数值就可由堰流公式计算出过堰流量。

薄壁堰适用于小流量并有较高的精度，多用于实验室、灌溉渠道和钻井等处测定流量。河道或实际工程中也常采用宽顶堰和实用堰来量测较大流量。

常用的薄壁堰有矩形堰和三角堰两种，如图1-2-1所示，其过流纵剖面如图1-2-2所示。

1.矩形薄壁量水堰

如图1-2-1（a）所示，其堰口为矩形。其流量公式为

式中：H为堰上水头；b为溢流宽度；m₀为堰的流量系数，由实验确定。该系数可用经验公式进行计算，如雷包克（T.Rehbock）对于自由出流和无侧收缩矩形薄壁堰给出如下公式，其中 H 为堰上水头，P为堰高，均以m计。

图1-2-1 薄壁量水堰

图1-2-2 量水堰过流剖面

该式的适用条件为

2.三角形薄壁堰

三角形薄壁堰的堰口形状为等腰三角形，简称三角堰。如图1-2-1（b）所示，使用三角堰测小流量时，较小的流量变化会使堰上水头产生较大的变化。所以常用三角堰来测较小流量。当三角堰的堰上水头H变化时，溢流宽度b也同时改变。

对于直角形三角堰θ=90°，由上式可写为

式中：C为直角三角堰的流量系数；H为堰上水头，m；Q为流量，m³/s。

适用于堰高P≥2H，堰箱宽B≥（3～4）H范围。当Q<0.1m³/s时，具有足够高的精度。根据实验（H≈0.05～0.25m），m₀=0.396，可得C=1.4，则流量公式为

3.文丘里管流量计

文丘里管包括收缩段、喉管和扩散段三个部分，安装在需要测定流量的管道上，如图1-2-3所示。

在收缩段进口断面1-1和喉管断面2-2处设测压孔，并连接压差计。

若暂不考虑能量损失，对断面1-1和断面2-2可写能量方程如下：

图1-2-3 文丘里管流量计

令α₁=α₂=1，有

由实验可测得

该值是水流单位势能的减少量，也正是水流单位动能的增加量。如果管道断面为圆形，进口断面直径为d₁，喉管断面直径为d₂，由连续方程

则通过喉管时的水流单位动能的增加值为

通过有压管道的流量为

当已知d₁及d₂时，K为定值。

由于在实际的水流流动中存在着能量损失，因此管道中通过的实际流量Q_实<Q_理，引入一个小于1的系数μ后就可将管道实际流量的计算式写为

实验中，由测量流量Q和测压管水头差Δh，就可求得流量系数μ。

式中：μ为文丘里管的流量系数，由实验得到。

μ随水流的雷诺数Re及d₂/d₁而变化。在使用文丘里管时应事先对μ值加以率定。但在雷诺数Re较大时（Re>2×10⁵），μ值接近常数。

标准文丘里管常采用d₂/d₁=0.5，其扩散部分的扩散角度α不宜太大，一般以5°～7°为宜，通常用铜管来制作，以免生锈。

在安装时，管道在距文丘里管上游10倍管径的距离，下游6倍管径的距离内均不得有其他管件，以免水流产生漩涡而影响其流量系数。

文丘里管具有能量损失较小，对水流干扰较少和使用方便等优点。其缺点是测流范围较小，管内壁面加工精度要求较高。

4.电磁流量计

电磁流量计由电磁流量传感器和转换器两部分组成。传感器安装在管道上，其作用是将流进管道内的液体体积流量值线性的变换成感生电势信号，并通过传输线将此信号送到转换器，它将传感器送来的流量信号进行放大，并转换成与流量信号成正比的标准电信号输出，以进行显示、累积和调节控制。

电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律而制成的。当液体进入管道时，在产生交变磁场的两个磁极之间，固定一段由绝缘材料制成的管道，管道上下有一对电极。当导电液体沿管道在交变磁场中在与磁力线成垂直方向运动时，导电液体切割磁力线产生感应电势。在管道轴线和磁场磁力线相互垂直的管壁上安装了一对检测电极，将这个感应电势检出。感应电动势E的大小与磁通密度B、管道内径d以及被测流体在横截面上的平均流速v有关，可表示为

然而体积流量Q等于流体的流速v与管道截面积πd²/4的乘积代入式（1-2-8）得

式中：k为仪表常数，当仪表常数k确定后，感应电动势E与流量Q成正比。

图1-2-4、图1-2-5为电磁流量计及结构原理图。理论上只要流体的参数（压强、温度、密度、粘滞系数与导热系数等）不影响其导电程度，则量测仪表的读数就与流体的性质无关。

图1-2-4 电磁流量计

图1-2-5 电磁流量计的结构原理图

电磁流量计结构简单，没有插入流体的探头部分，不干扰流场，且水流能量损失也很小，并且对耐高温、防腐、防毒来说也具有明显优点，尤其适用于含砂水流及浆体等流量的测定。

电磁流量计的缺点是易受外界电磁干扰的影响，不能用来测量气体。

5.涡轮流量计

涡轮流量计及结构原理如图1-2-6、图1-2-7所示，由壳体、叶轮（涡轮）、前后导向架和带磁电感应器的放大器等组成。涡轮安装在管道中心，两端由导向架支撑。当被测流体通过管道时，冲击涡轮叶片，涡轮受到驱动力矩而旋转。旋转中的涡轮叶片能周期性地改变磁电感应转换系统中的磁阻值，使通过线圈的磁通量周期性地发生变化而产生电脉冲信号。在一定的流量范围下，叶轮转速与流体流量成正比，即电脉冲数量与流量成正比。该脉冲信号经放大器放大后送至二次仪表进行流量和总量的显示或计算。其精度可达1%左右。但小流量的精度不高，且水流通过旋转涡轮时能量损失较大，对水质有较高的要求。

图1-2-6 涡轮流量计

图1-2-7 涡轮流量计变送器结构

1—紧固件；2—壳体；3—前导向件；4—止推片；5—叶轮；6—电磁感应式信号检出器；7—轴承；8—后导向件

在测量范围内，传感器的输出脉冲总数与流过传感器的体积总量成正比，其比值称为仪表常数，以K表示。每台传感器都经过实际标定测得仪表常数值。当测出脉冲信号的频率f和某一段时间内的脉冲总数N后，分别除以仪表常数K，便可求得瞬时流量q（L/S）和累计流量Q（L）。

6.超声波流量计

超声波流量计的测流原理是通过发射换能器产生超声波，以一定的方式穿过流动的流体，通过接收换能器转换成电信号，并经信号处理反映出流体的流速以测定流量。超声波流量计为无阻式仪表，应用范围与电磁流量计类似。

超声流量仪表是以“速度差法”为原理，测量圆管内液体流量的仪表。它采用了先进的多脉冲技术、信号数字化处理技术及纠错技术，能够有效地抵抗来自变频设备的干扰、电磁场的干扰和系统流态的干扰。仪表由转换器和传感器两大部分组成。传感器测流方式有插入式传感器、外夹式传感器、管段式传感器。

超声波流量计所依据的测流原理有传播速度差法、多普勒法、波速偏移法、噪声法、漩涡法、相关法和流速液面法。按不同的测流原理，超声波流量计可以具有多种不同的形式。上述各种方法用于流量测量各有利弊，可以根据不同的用途和精度选择。从精度上看，传播速度差法较好。

传播速度差法又分为时差法和频差法（多普勒效应），如图1-2-8、图1-2-9所示。

图1-2-8 时差法

图1-2-9 多普勒效应

时差法是将流体流动时与静止时超声波在流体中传播的情况进行比较，由于流速不同会使超声波的传播速度发生变化。设静止流体中的声速为c，流体的速度为v，当声波的传播方向与流体的流动方向一致时，其传播速度为c+v，当声波的传播方向与流体的流动方向相反时，其传播速度为c-v，如果距离为L的两处T₁和T₂放两个超声波发生器与接收器则当在T₁顺方向、T₂逆方向发射超声波时，分别到达接收器R₁和R₂处的时间为：

由以上两式消去c得平均流速与距离、时间的关系为：

一般情况下，液体中的声速达1000m/s以上，远远大于管道中的流速，即v²《c²，所以又可以得到

由此可见，当声速一定时，只要测出Δt，就可以求得流体的流速，进而计算出流量。

多普勒法是超声波向管中流体发射声束，声波经流体中微粒或气泡散射后，产生频率差，传感器接收到的频率差信号与流速成正比，可由下式表示：

式中：f₁为发射频率；Δf为频率差；θ为流体轴向与发射或接收声波之间的夹角。