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(guān)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(shù)，風量直接影響到溫升試驗的結(jié)果。風量測量是否準確，直接關(guān)系到試驗結(jié)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(nèi)空氣流經(jīng)設(shè)備或管道某處橫截面的數(shù)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(zhì)量表示時為質(zhì)量流量，計量單位為千克/秒（kg/s）。另外統(tǒng)計一段時間內(nèi)的空氣流經(jīng)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(zhì)量流量（kg）。根據(jù)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(xiàn)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(xù)性方程和伯努利方程。

2.1 連續(xù)性方程

在空氣流經(jīng)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(jù)連續(xù)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(chǎn)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(xù)測量得出風量；

（4）質(zhì)量流量測量法：以測量空氣的質(zhì)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(xiàn)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(chǎn)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(shù)參數(shù)，在試驗現(xiàn)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(xù)性方程為原理，它的結(jié)構(gòu)是一塊具有與管道同心的圓形開孔的圓板，迎流一側(cè)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(jié)構(gòu)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(zhì)，在測量大管徑高溫高壓介質(zhì)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(xù)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(zhì)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(shù)。

5 文丘里流量計測量裝置在試驗現(xiàn)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(shè)置上游取壓口，下游取壓口通常設(shè)在文氏喉（最小截面）附近，兩取壓口使用U壓差計連接，就構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)的10%左右。

試驗檢測的主要目的是確定試驗風道系統(tǒng)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(shè)備。

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而且試驗中使用的冷卻風中含有一定的雜質(zhì)，故選用文丘里流量計進行風量測量。

試驗現(xiàn)場采用55Kw變頻調(diào)速異步電動機帶動55Kw離心通風機運行從而產(chǎn)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(jié)束語

試驗檢測的主要目的是確定試驗風道系統(tǒng)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(shè)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(xiàn)場作為主要的風量測量設(shè)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(yè)機構(gòu)進行，使其使用具有一定的局限性。現(xiàn)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(yè)機構(gòu)進行校準，從而保證試驗結(jié)果的準確性和嚴密性。

參考文獻：

[1]GB/T 2624-93，流量測量節(jié)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(shù)[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(yè)于武漢理工大學、電子信息科學與技術(shù)專業(yè)，研究方向：電機試驗檢測。