浅析文丘里流量计在电机风量测量中的应用

摘 要：对文丘里流量计的测量原理和在电机试验中的应用进行初步探讨。

关键词：风量；流量计；文丘里；仪器

0 引言

在电机试验中，风量是一个很重要的参数，风量直接影响到温升试验的结果。风量测量是否准确，直接关系到试验结果的准确性。本文对文丘里流量计的测量原理和应用进行初步探讨。

1 风量测量的定义

风量就是单位时间内空气流经设备或管道某处横截面的数量，又称作瞬时流量。 当空气用体积表示时为体积流量，计量单位为立方米/秒（m3/s），当空气用质量表示时为质量流量，计量单位为千克/秒（kg/s）。另外统计一段时间内的空气流经某处横截面的总量叫做累积流量，可分为累积体积流量（m3）和累积质量流量（kg）。根据国家选定的非国际单位制单位分（min）、时（h）、升（L）、吨（t）也可以衍生出一系列计量单位，我们现在试验常用的单位是立方米/分（m3/min）。

2 风量测量计算方程

试验中测量风量的计算方程通常为空气流动的连续性方程和伯努利方程。

2.1 连续性方程

在空气流经的管道中取一管段的两个截面Ⅰ和Ⅱ，两处截面的面积、流体密度和流体的平均流速分别为A1、1、u1和A2、2、u2。则根据连续性方程得：

式中：u1、u2—截面Ⅰ和Ⅱ上流体的平均流速，m/s；

A1、A2—截面Ⅰ和Ⅱ的截面积，m2；

1、2—截面Ⅰ和Ⅱ上流体的密度，kg/m3；

2.2 伯努利方程

D.伯努利于1738年提出的理想正压流体在重力作用下作定常运动时，沿流线积分而得到的表达运动流体机械能守恒方程。因此命名为伯努利方程。

式中：g—重力加速度 ，m/s2；

Z1、Z2—截面相对基准线的高度，m；

p1、p2—截面上流体的静压力，Pa；

ρ——气体密度，kg/m3；

u1、u2—截面Ⅰ和Ⅱ上流体的平均流速，m/s。

3 风量测量方法

风量测量方法可以归纳为以下几类：

（1）差压式流量测量法：利用伯努利方程的原理，通过空气流动过程中产生的差压信号来测量出风量；

（2）速度式流量测量法：通过直接测量空气流动速度来得出风量；

（3）容积式测量：利用标准容积连续测量得出风量；

（4）质量流量测量法：以测量空气的质量流量为目的从而得出风量。

4 风量测量仪器

电机试验，风量要求一般在40～120m3/min，适合使用压差流量计，现场一般使用毕托管、文丘里管、孔板流量计等。

4.1 毕托管

毕托管（pitot tube）流量计属差压式流量计的一种。它的工作原理是伯努利方程，即通过测量流体流动过程中产生所的差压值从而测量流速或流量。因此与其配套的显示仪表通常为U型管压力计、差压变送器、手持式压力计等差压式仪表。毕托管能测量管道中温度小于450摄氏度的各种气体或液体的流速和流量，以及全压、静压和动压等技术参数，在试验现场使用毕托管附带U型管流量计进行风量测量较为方便的方法。

4.2 孔板流量计

标准孔板是以能量守恒定律和流动连续性方程为原理，它的结构是一块具有与管道同心的圆形开孔的圆板，迎流一侧是有锐利直角入口边缘的圆筒形孔，顺流的出口呈扩散的锥形。 其结构简单，加工方便，价格便宜 。缺点是压力损失较大，测量精度比较低，只适用于洁净流体介质，在测量大管径高温高压介质时，孔板易变形，不适合使用。

4.3 文丘里管测量

文丘里管测量方法是以能量守恒定律和流动连续性方程为原理，将测量管段制成渐缩渐扩管，具有圆锥形的入口收缩段和喇叭形的出口扩散段，避免了突然缩小和突然扩大，它的压力损失最低，具有较高的测量精度，对流体中的悬浮物不敏感，可用于污脏流体介质的流量测量，在大管径流量测量方面应用的较多。

体积流量公式：

式中：Qv——气体流量，m3/min；

V1——气体流动的速度，m/min；

A1、A2——管道截面积，m2；

Δp——压差（P2-P1），Pa；

ρ——气体密度，kg/m3；

由于粘滞性等因素的影响，上式需要乘一个小于1的修正常数。

5 文丘里流量计测量装置在试验现场的应用

将测量管段制成渐缩渐扩管，避免了管道的突然缩小和突然扩大，从而使阻力损失大大降低。这种管称为文丘里管。在距文丘里管开始收缩处之前至少1/2管径处设置上游取压口，下游取压口通常设在文氏喉（最小截面）附近，两取压口使用U压差计连接，就构成文丘里流量计。文丘里管收缩角通常为15—25°，扩大角一般为5—7° 。由于它的渐缩渐扩结构使流体流速改变时不形成旋涡，故阻力小，永久压力降仅占压差读数的10%左右。

试验检测的主要目的是确定试验风道系统的实际流量，为保证电机试验风量的准确性，需使用测量直观，精度高的测量设备。

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而且试验中使用的冷却风中含有一定的杂质，故选用文丘里流量计进行风量测量。

试验现场采用55Kw变频调速异步电动机带动55Kw离心通风机运行从而产生最大21465 m3/h的风量，进而满足牵引电动机试验的需求。

6 结束语

试验检测的主要目的是确定试验风道系统的实际流量，为保证电机试验风量的准确性，需使用测量直观，精度高的测量设备。文丘里流量计具备测量直观，精度高，使用方便，所以在试验现场作为主要的风量测量设备使用。但文丘里流量计的测量部分加工困难，成本高，安装复杂，而且校核需要专业机构进行，使其使用具有一定的局限性。现场日常工作中一般使用毕托管对文丘里流量计进行校核，定期送专业机构进行校准，从而保证试验结果的准确性和严密性。

参考文献：

[1]GB/T 2624-93，流量测量节流装置用孔板、噴嘴和文丘里管测量充满圆管的流体流量[S].

[2]盛森芝，沈熊，舒炜编著.流速测量技术[M].北京大学出版社1987.

作者简介：张晓霞（1984—），女，山西永济人，职称：工程师，毕业于武汉理工大学、电子信息科学与技术专业，研究方向：电机试验检测。