淺析文丘里流量計在電機風量測量中的應用

摘 要：對文丘里流量計的測量原理和在電機試驗中的應用進行初步探討。

關鍵詞：風量；流量計；文丘里；儀器

0 引言

在電機試驗中，風量是一個很重要的參數，風量直接影響到溫升試驗的結果。風量測量是否準確，直接關系到試驗結果的準確性。本文對文丘里流量計的測量原理和應用進行初步探討。

1 風量測量的定義

風量就是單位時間內空氣流經設備或管道某處橫截面的數量，又稱作瞬時流量。 當空氣用體積表示時為體積流量，計量單位為立方米/秒（m3/s），當空氣用質量表示時為質量流量，計量單位為千克/秒（kg/s）。另外統計一段時間內的空氣流經某處橫截面的總量叫做累積流量，可分為累積體積流量（m3）和累積質量流量（kg）。根據國家選定的非國際單位制單位分（min）、時（h）、升（L）、噸（t）也可以衍生出一系列計量單位，我們現在試驗常用的單位是立方米/分（m3/min）。

2 風量測量計算方程

試驗中測量風量的計算方程通常為空氣流動的連續性方程和伯努利方程。

2.1 連續性方程

在空氣流經的管道中取一管段的兩個截面Ⅰ和Ⅱ，兩處截面的面積、流體密度和流體的平均流速分別為A1、1、u1和A2、2、u2。則根據連續性方程得：

式中：u1、u2—截面Ⅰ和Ⅱ上流體的平均流速，m/s；

A1、A2—截面Ⅰ和Ⅱ的截面積，m2；

1、2—截面Ⅰ和Ⅱ上流體的密度，kg/m3；

2.2 伯努利方程

D.伯努利于1738年提出的理想正壓流體在重力作用下作定常運動時，沿流線積分而得到的表達運動流體機械能守恒方程。因此命名為伯努利方程。

式中：g—重力加速度 ，m/s2；

Z1、Z2—截面相對基準線的高度，m；

p1、p2—截面上流體的靜壓力，Pa；

ρ——氣體密度，kg/m3；

u1、u2—截面Ⅰ和Ⅱ上流體的平均流速，m/s。

3 風量測量方法

風量測量方法可以歸納為以下幾類：

（1）差壓式流量測量法：利用伯努利方程的原理，通過空氣流動過程中產生的差壓信號來測量出風量；

（2）速度式流量測量法：通過直接測量空氣流動速度來得出風量；

（3）容積式測量：利用標準容積連續測量得出風量；

（4）質量流量測量法：以測量空氣的質量流量為目的從而得出風量。

4 風量測量儀器

電機試驗，風量要求一般在40～120m3/min，適合使用壓差流量計，現場一般使用畢托管、文丘里管、孔板流量計等。

4.1 畢托管

畢托管（pitot tube）流量計屬差壓式流量計的一種。它的工作原理是伯努利方程，即通過測量流體流動過程中產生所的差壓值從而測量流速或流量。因此與其配套的顯示儀表通常為U型管壓力計、差壓變送器、手持式壓力計等差壓式儀表。畢托管能測量管道中溫度小于450攝氏度的各種氣體或液體的流速和流量，以及全壓、靜壓和動壓等技術參數，在試驗現場使用畢托管附帶U型管流量計進行風量測量較為方便的方法。

4.2 孔板流量計

標準孔板是以能量守恒定律和流動連續性方程為原理，它的結構是一塊具有與管道同心的圓形開孔的圓板，迎流一側是有銳利直角入口邊緣的圓筒形孔，順流的出口呈擴散的錐形。 其結構簡單，加工方便，價格便宜 。缺點是壓力損失較大，測量精度比較低，只適用于潔凈流體介質，在測量大管徑高溫高壓介質時，孔板易變形，不適合使用。

4.3 文丘里管測量

文丘里管測量方法是以能量守恒定律和流動連續性方程為原理，將測量管段制成漸縮漸擴管，具有圓錐形的入口收縮段和喇叭形的出口擴散段，避免了突然縮小和突然擴大，它的壓力損失最低，具有較高的測量精度，對流體中的懸浮物不敏感，可用于污臟流體介質的流量測量，在大管徑流量測量方面應用的較多。

體積流量公式：

式中：Qv——氣體流量，m3/min；

V1——氣體流動的速度，m/min；

A1、A2——管道截面積，m2；

Δp——壓差（P2-P1），Pa；

ρ——氣體密度，kg/m3；

由于粘滯性等因素的影響，上式需要乘一個小于1的修正常數。

5 文丘里流量計測量裝置在試驗現場的應用

將測量管段制成漸縮漸擴管，避免了管道的突然縮小和突然擴大，從而使阻力損失大大降低。這種管稱為文丘里管。在距文丘里管開始收縮處之前至少1/2管徑處設置上游取壓口，下游取壓口通常設在文氏喉（最小截面）附近，兩取壓口使用U壓差計連接，就構成文丘里流量計。文丘里管收縮角通常為15—25°，擴大角一般為5—7° 。由于它的漸縮漸擴結構使流體流速改變時不形成旋渦，故阻力小，永久壓力降僅占壓差讀數的10%左右。

試驗檢測的主要目的是確定試驗風道系統的實際流量，為保證電機試驗風量的準確性，需使用測量直觀，精度高的測量設備。

（下轉第41頁）

（上接第12頁）

而且試驗中使用的冷卻風中含有一定的雜質，故選用文丘里流量計進行風量測量。

試驗現場采用55Kw變頻調速異步電動機帶動55Kw離心通風機運行從而產生最大21465 m3/h的風量，進而滿足牽引電動機試驗的需求。

6 結束語

試驗檢測的主要目的是確定試驗風道系統的實際流量，為保證電機試驗風量的準確性，需使用測量直觀，精度高的測量設備。文丘里流量計具備測量直觀，精度高，使用方便，所以在試驗現場作為主要的風量測量設備使用。但文丘里流量計的測量部分加工困難，成本高，安裝復雜，而且校核需要專業機構進行，使其使用具有一定的局限性?，F場日常工作中一般使用畢托管對文丘里流量計進行校核，定期送專業機構進行校準，從而保證試驗結果的準確性和嚴密性。

參考文獻：

[1]GB/T 2624-93，流量測量節流裝置用孔板、噴嘴和文丘里管測量充滿圓管的流體流量[S].

[2]盛森芝，沈熊，舒煒編著.流速測量技術[M].北京大學出版社1987.

作者簡介：張曉霞（1984—），女，山西永濟人，職稱：工程師，畢業于武漢理工大學、電子信息科學與技術專業，研究方向：電機試驗檢測。