6.4　低温介质流量测量

低温介质的流量测量需要注意如下事项：

①低温流体通常是饱和态贮运，任何压力、温度的变化均会引起物态变化，如黏度、密度，会极大地影响流量测量；

②依据测量对象充分考虑测量仪表材质的耐低温性能、耐腐蚀性；

③设计安装严格遵从流量计要求，如焊接、密封、隔热等。

可用于低温下的流量计有节流流量计（文丘里流量计、孔板流量计和喷嘴流量计）、涡轮流量计、涡街流量计、螺翼流量计、超声流量计、角动量式和组合式质量流量计等多种，每种又有很多不同的结构。使用者必须根据不同场合特定的使用要求，综合考虑量程范围、复现性、维护的难易、能否远距离测量以及价格等因素，来选择最适用的低温流量计。

6.4.1　节流式流量计

节流式流量计包含文丘里流量计、孔板流量计和喷嘴流量计。节流式流量测量只能用于充满管道、均匀的单相流体上。由于压差和流量的函数关系，只有在流体是稳定流或可以看作稳定流的缓变流时才是恒定而简单的，所以适用于流态基本稳定的空间环境模拟设备的低温流程和液氦、液氮等低温介质的流量测量中。

文丘里流量计是节流式流量测量装置中应用最广泛的，也是最成熟的一种流量计，其压力损失很小，应用温区极广，简单，可靠。其结构由文丘里管、外接差压变送器、绝对压力变送器和温度变送器组成，核心部件文丘里管的结构如图6-26所示。通过测量低温介质流经节流喉管的压降dp，便可通过公式（6-1）来计算出质量流量。

（6-1）

式中　q——质量流量；

        C——流量系数；

        F0——喉部面积；

        ρ——进口介质密度；

        dp——进口和喉部之间的压力差；

        β——孔径比。

标准（经典）文丘里管可以根据使用要求参考GB/T 2624—2006进行设计制造，按标准JJG 640—94进行检定。只要符合有关标准，甚至不必经过标定就可用于低温介质的流量测量。

标准孔板流量计在低温流量测量中也经常用到，其基本原理、具体结构、设计方法以及安装使用的有关技术要求可参考相关文献。

6.4.2　涡轮流量计

涡轮流量计是一种常用流量计。其主要特点是：精度高、量程范围大、响应速度快，其复现性可达到±0.2%～±0.5%，可测的最大流量和最小流量之比高达10∶1，响应时间常数一般只有几毫秒到几十毫秒，能很好地适应流动状态脉动的复杂工况，即使在流量大幅度变化的情况下也不会降低累积测量的精度，同时还耐高压、体积小，输出信号为与流量成正比的脉冲信号，便于远距离监测和自控，所以它是实验室和发射基地皆宜的低温流量计。为满足运载火箭的需要，我国航天部门也成功地研制并使用了液氢、液氧涡轮流量计。

涡轮流量计的基本结构是支承于管道中心的以高磁导率材料制作的涡轮，在管道外装有一永久磁铁，磁铁外缠绕一闭合线圈。涡轮靠流体的动力推动使其沿轴芯旋转，由涡轮旋转的角速度可求得流体的流速，由于旋转涡轮周期地改变线圈中的磁通量，在线圈中产生相应的脉冲信号，该信号经前置放大器放大后被送入显示仪表计数和显示，即可由单位时间脉冲数和累计脉冲数得出流体的瞬时流量和累积流量。除显示仪表外，涡轮流量计其余部分都装成一体，也叫做涡轮流量变送器。

涡轮的叶片数根据流量计直径不同而异，一般有2～8片。为了使其对流速变化的响应性好和便于预冷，涡轮的质量应尽可能小。叶片通常采用铁氧体或马氏体不锈钢等高磁导率材料。轴承是涡轮流量计最重要也是最容易出故障的部件，流量计的特性系数和低温下的工作寿命都主要取决于轴承，除在材料方面严加选择外，还必须在结构上做精细的设计。尤其是在液氢中使用的流量计，由于介质密度低、黏度小，轴承摩擦力的大小对起始流量和运行稳定性的影响就更大。

低温涡轮流量计常用如图6-27所示的套筒轴承，其材质为添加石墨的聚四氟乙烯。为了进一步减少摩擦力，可将滑动摩擦的套筒轴承改成图6-28所示的滚动轴承，有的将轴承设计成无轴向应力的浮动轴承，都有在不同的低温介质中成功使用的实例。

1—入口侧；2—转子；3—止动环；4—轴；5—轴瓦式轴承

1—入口侧；2—导向衬套；3—转子，4一止动环；5—导向衬套；6—轴；7—滚珠轴承

我国航天部门对滑动和滚动两类轴承都做过试验，滑动轴承分别用过聚四氟乙烯和聚酰亚胺两种材质。试验结果表明：它们在液氮中都可应用，聚酰亚胺轴承性能好，但在液氢中试验的效果都不够理想，主要问题是起始流量太大，或者是运行不稳定。滚动轴承选用高铬钢材质的仪表轴承，在液氢及液氮中都收到较好效果。这是因为滑动轴承的静摩擦力大，材质又易于磨损，尤其是聚四氟乙烯的温度系数较大，滑配精度很难控制。液氮的黏度及密度较大，相对影响小些，液氢的密度小，黏度低，相对影响就大。

图6-29是我国研制的涡轮流量计的结构示意图。图中6是涡轮，5是高铬钢制作的定型仪表轴承，穿过涡轮紧配在滚动轴承内孔的4是蒙乃尔合金制作的涡轮轴，涡轮靠该轴支承在前后导流架3和7之间，悬空于传感器流道中心。2是起固定作用的背帽，1是奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti制作的传感器本体，10是线圈，匝数为10000。8是用5⋕铝镍钴磁钢加工的永久磁铁，9是线圈轴，11是线圈盒。为防止接线松动，接线后线圈盒内空间注满石蜡。该流量计的测量精度为1.5%。

1—传感器本体；2—背帽；3—前导流架；4—涡轮轴；5—轴承；6—涡轮；7—后导流架；8—永久磁铁；9—线圈轴；10—线圈；11—线圈盒

用涡轮流量计测低温介质时，最容易发生的故障是，低温液体急剧蒸发时，转子以比通常转速快数十倍的速度旋转，使轴承在很短时间内就损坏，或造成叶轮破损或破碎。尤其在测定液氧流量时，因高速旋转而产生的热量有点燃涡轮零件的可能性。通常在开始输液体时，管路和流量计部分的隔热性能不好时，流量计的压力损失较大时，都容易引起低温液体急剧蒸发。为了防止此类故障的发生，除了强化隔热措施和充分预冷外，最好的办法是适当加大流量计的量程上限。目前各种量程涡轮流量计的额定压力损失是大致相当的，而对于同一台流量计来说，其实际压力损失与流量的平方成正比。因此，如能将被测最大流量限制在仪表容量的1/2时，压力损失即可下降到额定值的1/4。间断使用时，如能将被测最大流量控制在仪表容量的70%以下，就基本上不会产生因仪表本身的压力损失蒸发而出现故障。如需连续使用一年才检验轴承，则要将常用流量限制在仪表容量的50%以下。

为了防止在预冷和初始测量阶段出现故障，如图6-30所示，在低温涡轮流量计的前后都要设置闸阀，同时配置旁路管，以保证预冷降温时，不因低温气体的流量过多而使转子超速旋转。涡轮流量计的校准曲线都是实际标定（实标）给出的。实际测量时，如果管路内的流速分布与校准情况不一致，就会引进很大偏差。因此，必须调整流速分布至校准时的分布。调整流速分布的手段，往往是在流量计上下游安装长的直管段。但在现场实际布管时，往往取不到足以调整流速分布的充分长的直管段，此时，弥补的方法就是加设整流装置。对于低温涡轮流量计，如图6-30所示，前后的直管段长度应分别大于20D和5D，否则就必须安装整流装置。为了减少对轴承的磨损，并防止涡轮被卡住，被测低温介质中应不含有固状物。因此，涡轮流量计的上游侧应安装如图6-30所示的过滤器。航天技术中根据工作情况，若有发生急剧蒸发的可能性时，在下游侧也应安装过滤器。这样，即使叶轮破碎，也不会流向后方造成更大的事故。

1—流向；2—空气分离器；3—过滤器；4—仪表试验段；5—涡轮流量计；6—旁路阀

6.4.3　涡街流量计

涡街流量计属于流体振动流量计，如图6-31所示。在流动的流体中插入柱形物时，就会引起旋涡。这种旋涡是从柱形物的两侧交替发出，这种旋涡称为卡门涡街，在其下游形成两列锯齿排列的旋涡。通常将柱形物叫做旋涡发生体。旋涡的生成和发出是有规律的。伴随其发出，在物体和下游处发生周期性举力和相应的流体振动，振动频率或释放频率与介质流速以及柱状物的宽度有一定的关系，可表示如下：

（6-2）

式中　f——卡门涡街的释放频率；

        Sr——斯特劳哈尔数；

        v——介质流速；

        d——柱状物迎流面宽度。

1—涡街发生器；2—隔板；3—铂电阻丝；4—主导压孔；5—副导压孔

通过测量频率即可算出瞬时流量。

涡街流量计的输出信号是仅仅与被测介质流速有关的脉冲频率。几乎不受流体的组成、密度、温度、压力等参数的影响。用于低温介质流量测量时，具有以下特点：首先是压力损失小，所以即使极低温液体，蒸发量也可以做得很小，这有利于提高测量的精度，量程范围也比较大；由于被测流体本身就是振动体，没有机械的运动部件，所以运行时安全可靠；由于是检测流速，所以流量和输出的关系为简单的线性关系；又因为是脉冲输出，所以容易累积计算和实现远距离检测。

与测稳态流的节流装置相比，它的结构要复杂一些，由于它的发展历史还比较短，使用实绩还不如前两种。20世纪70年代、80年代迅速发展的低温流量计是以涡街流量计为代表的。

振动频率或释放频率检测方法很多，按基本原理可大致分成两类：第一类是把流体振动转变为电阻变化的检测方式；第二类是检测作用在物体上的周期性交替举力的频率。被检测的区域通常在旋涡发生体四周、内部以及它的下游。图6-31属于第一类检测方法。被检测的电阻丝装在圆柱形旋涡发生体内。当流体静止时，只要加热电流恒定，则热线（通常是铂丝或热敏电阻）的温度和电阻值就一定，当旋涡交替产生和消失时，就会在圆柱体的两侧交替形成压差。此压差通过导压孔使圆柱体孔腔内流体来回流动，从而周期地冲刷热线，使热线的温度（即电阻）值周期变化。再用图6-32所示的线路即可检测其电阻的变化频率。

HW—检测电阻；RC—相移电路；DA—差动放大器；PA—功率放大器；A—电压放大器；PS—波整形回路FV—频率电压变换器；FD—分频器

图6-33所示属于第二类检测方法。在流体中设置的三角柱内部安装一个磁性小球，产生旋涡时的周期性交替举力使小球穿梭运动，图中（b）所示的电磁传感器即可检测出该磁性小球的振动频率。

第一类检测方法的灵敏度较高，能较好地适应频率范围宽，即流速范围宽的气体和液体。但是，热线的结构很精细，容易受流体穿梭式涡街流量计中混入物的接触和附着的影响。耐冲击振动性能也较差。第二类检测方法结构坚固，但是由于交替举力与流速的平方成正比，因此，想要同时达到高的灵敏度和宽的量程范围是困难的。所以，能承受高流速下强力作用的结构，很难得到低流速、小作用力下的灵敏度。另外，测量对象也多为液体。

图6-34所示为穿梭式涡街流量计的结构。为了减少由于安装结构上和冷收缩等原因引起的漏液，主体一般采用法兰连接而不用螺纹接头。为了避免冷热的影响，前置放大器部分通过长管引到室温环境。除穿梭小球出于磁检测的需要而采用强磁性材料镍外，本体、三角柱、法兰盘都采用奥氏体不锈钢。

1—接线箱；2—螺钉；3—“O”形圈；4—流向；5—仪器本体；6—三角柱；7—垫圈；8—拾波器；9—安装管；10—导线

当流体的流动是旋流或涡流，流速分布不均匀时，旋涡发生体就不能产生稳定的涡街，因此也就不能准确地测出流速。同时，也不希望产生的旋涡直接流入后方。因此，涡街流量计同样也有调整流速分布的问题，配管必须是水平安装的，同时在流量计的前后设置一定的直管段和整流器。涡街流量计只能测单相流体的流量，对于检测流体周期性交替举力的穿梭式涡街流量计，更是只能测定低温液体的流量。小球位置处哪怕只有少量蒸气混入就会造成检测失败。因此，要强化隔热，不使热量漏入管内。如果不得不将流量计装在进入热量较多的长管道上或不得不装在调节阀的下游侧引起急剧蒸发的地方，就要采取消气措施。前置放大器中的电子器件通常不能经受低温和高温。

涡街流量计有如下特点：传感器不接触流体，性能稳定，可靠性高；无运动部件，构造简单可长期运行，寿命长，测量精度高，精度优于0.5级，范围广，量程比1∶15，重复性±0.2%；气、液通用，安装、维护方便。

6.4.4　螺翼式流量计

螺翼式流量计广泛用于各种低温液体流量的精密测量。由于在原理上是使低温液体充满具有一定容积的空间，然后由转子的转动把这部分液体送到流出口流出，通过测量转子的转动次数来求出流量。所以它跟用翻斗测量液体体积的方法一样，是典型的容积流量计。图6-35所示为螺翼式流量计的结构。用电磁或机械方法检测转子的转动次数。

1—磁铁；2—减速器；3—出口；4—入口；5—螺翼；6—预冷管；7—密封；8—检测器；9—电开关

这种流量计的精度是较高的。液氮试验表明，对于最大瞬时流量为9m3/h，累积值为1249m3的螺翼式流量计，测量的复现性达到±0.66%～±0.51%，不确定度为+1.17%～+0.55%。

设计时，应重视材料的冷收缩和由此引起的密封问题。除了对测量容积作温度影响的修正和采用低温密封垫外，还必须从选材和结构上防止间隙变化引起的“漏液”问题，即应当排出的液体未能完全排出的问题。转子的润滑也只能通过自润滑材料解决。螺翼式流量计常常装在运输槽车或贮罐上，每次测量流量计都要从室温冷却到低温液体温度，所以流量计的热容要控制得越小越好。设计时要采用能满足强度要求的尽量小的截面，接触外界的材料应具有尽量低的热导率。

螺翼式流量计只有充分预冷后才能通低温液体。测低温液体的螺翼流量计，一般都设置了专门的预冷管路。预冷的低温流体不是由出口而是由预冷管路流出，在此过程中螺翼不转，一方面避免了超速旋转可能引起的故障，同时也避免了误读累积流量。

6.4.5　超声流量计

超声流量计是利用声波在介质中的传播速度是一个合成矢量的原理来测量介质流速的。其原理如图6-36所示。声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间，利用传播时间差（t2-t1）的测量求取流速v，从而可以得到流量值，这种方法称为传播时间法，流速v和时间t2、t1之间的换算关系为：

传播时间法是最为低温介质如液氮、液氧以及液化天然气常用的一种流量测试方法，除此外根据对信号检测的原理，超声流量计还有波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。

超声流量计主要由安装在测量管道上的超声换能器（或由换能器和测量管组成的超声流量传感器）和转换器组成。原理上从常温到低温，只要是单相流，不管气体或液体都可以使用超声波流量计，但用于低温流体测量时须考虑：低温环境下超声波收发器的选材；采取适当的缓冲方法有效消除振动及噪声对测量的影响。

超声流量计的主要技术参数如下：管径14mm；距离L=300mm；流速范围0～0.9m/s；温度范围70～80K；流速测量精度<2%；压力损失<0.04MPa。

6.4.6　热式和角动量式流量计（质量流量计）

从流量测量的目的来考虑，多数场合下希望知道质量流量.特别是对温度和压力都在变化的气体或者混入大量气泡的液体，即使测得容积流量也说明不了多大问题。因此，也研制了各种各样的质量流量计，有些已经成功地用于氢氧发动机的试车和发射基地的燃料加注系统。

质量流量计分为组合式和直接式两种。组合式质量流量计由流速感测零件（即容积流量计）和密度感测元件两部分组合而成。用计算积分装置将上述两部分元件测得的参数相乘后输出，即得瞬时质量流量；将乘积对时间积分后输出，即得累积质量流量。这种流量计实际上是要解决低温密度计的问题。组合式质量流量计属于间接式质量流量计，一般复现性不低于±1%。直接式质量流量计是直接检测与质量流量成比例的量，其种类较多，用于低温介质的有热式流量计和角动量式流量计，后者也称为轴式流量计。

热式流量计可用于流动不够稳定、温度和压力有变动的低温气体的流量测量，如图6-37所示。这种流量计由热源（加热丝）、热源前后两个测温元件以及连续累积的装置组成。在流动的气体中安装加热丝，气体通过电加热终而被加热，利用上游和下游侧两个温度计，即可测出相应的温升，根据气体的定压比热容、加热丝的电加热动率，便可求出质量流量。

角动量式质量流量计是根据角动量守恒原理研制的。基本结构如图6-38所示。流量计壳体内有一个推进叶轮和一个力矩敏感涡轮，两轮分装在两个转轴上。叶轮电动机以恒定角速度驱动，流体通过叶轮后，就具有和叶轮相同的角速度，于是流体除具有轴向动量外，还具有一个与叶轮转速和流体质量流量成比例的角动量。在上述流束作用下，涡轮开始转动，弹簧产生一个与旋转流束方向相反的扭转力矩作用在涡轮上，当弹簧作用在涡轮上的反向转矩和流束作用在涡轮上的扭矩相等时，涡轮就在和初始位置成一定转角的位置上稳定下来。涡轮的转角由一个与涡轮磁性耦合的角位敏感装置来测量，输出信号代表流束的瞬时角动量，并和流体的真正质量流量成比例。在叶轮和涡轮之间还装有静定盘，以减小黏性耦合影响。输出信号可以直接指示，也可远距离传输。这种流量计可用于各种低温液体质量流量的精确测量，对液氢、液氧、液氮和液氩均有大量成功的使用实例，测液氢时的精确度可达±1%。

1—弹簧；2—涡轮；3—角位检测器；4—出口；5—磁传动件；6—静定盘；7—叶轮；8—电机；9—入口

6.4.7　低温流量计的标定

（1）低温标定装置

低温下使用的流量计，原则上都应该用低温介质实际标定。对于精确的低温介质的流量测量，需要考察低温流量计内部结构和外部安装条件对测试性能的影响，探讨如何改进才能达到所需的精度等问题，也需要进行大量的试验。这些试验只有在低温标定装置上进行才能得出精确的结果。我国也建立了相应的标定设备，从标定原理来看，可分为两大类。

①容积-时间法　使已经精确知晓其容积的低温介质均匀地流过待标流量计，并在流过这一容积流体所耗的时间内，将流量计的输出信号积分，对照分度流量和输出信号，两者的比例系数即为待标流量计的仪表系数。我国航天部门的低温流量计标定设备，就是按容积-时间法建立起来的，其流程概要如图6-39所示。设备的主体是标定容器（标定瓶），具体结构如图6-40所示，它是真空多层隔热的金属杜瓦瓶，真空层内壳体就是回收瓶（回收容器）。为消除外热对标定瓶的影响，保证试验时液面稳定，设计了同轴的回收瓶与标定瓶，标定瓶置于回收瓶之内，其容积为40L，冋收瓶容积为标定瓶的1.5倍。

1—贮气瓶；2—稳压罐；3—预冷器；4—贮液瓶；5—标定容器；6—升温器；7—真空泵；8—压力表；9—安全阀；10—防爆膜；11—放空管；12—液面计；13—信号器

1—支承；2—浮子；3—碳电阻；4—质量-位移浮子；5—密度传感器；6—底座；7—扩压器；8—真空夹层；9—液氢容器；10—液氧容器；11—液氢压力容器；12—氦气出入口；13—防辐射屏；14—弹簧

标定瓶由预调段、标定段和缓冲段构成。标定段提供定容试验介质；预调段可保证试验一开始就达到稳定流量；缓冲段的作用是保证完成试验后，留有足够液体，供截止液流，以防止气体进入流量传感器，造成涡轮超速旋转，引起仪器损坏。

为提高标定精度，标定瓶的标定段与上、下段之间均以细脖相连，细脖内径仅为标定段内径的1/3，自控信号器就装在这两个细脖里。该信号器是电容式元件，信号值和被测介质高度变化成正比，采用这种结构可使测量精度提高一个数量级。

标定试验时，把被分度的流量传感器接入试验管道，安装好标定瓶上盖，检查无漏泄后，即可向标定瓶注入实标介质，介质注入量从液面计判断。之后调整好电气测量系统及流量调节阀，再将背压气源迅速调到预先确定的试验压力，通入标定瓶。于是标定介质便以稳定的流速通过传感器进入回收瓶。当介质液面离开上信号器时，电测仪表会自动记数；当离开下信号器时，仪表便连续显示此时的读数。

该装置对液氢标定的不确定度达到了0.4%。

②质量-时间法　这是直接以质量流量对流量计进行分度的方法，该装置的系统流程示于图6-41，虚线为真空夹套。总的工作过程是，标定容器内的液氢在冷氦气的加压下，流过试验管道上的待标流量计而进入回收容器。通过的液氢质量由装在标定容器内的质量位移计确定。该装置的特点是标定容器置于回收容器之内，两容器容积相同，彼此同轴，材质是奥氏体不锈钢，回收容器外有高真空夹套和液氮保护屏。实验时标定容器内的液氢处于回收容器液氢和外面液氮屏的双重保护之下，液面可以高度稳定，从而确保质量位移计精确读数。

标定容器与回收容器之间有真空隔热试验管道相连，待标流量计安装在试验管道中间，浸泡在液氢浴中。试验管道的入口置于标定容器底部，并被设计成扩散器，以避免液氢液面产生振荡或旋涡，影响质量位移计的精确读数，如图6-41所示，标定容器内设有测量液氢质量位移、温度和密度的传感器。

1—调压阀；2—防爆膜；3—旁通阀；4—热传导规；5—流量阀；6—待测流量计；7—真空夹层；8—液氢区；9—热传导规；10—接液氢杜瓦瓶；11—机械泵；12—真空泵；13—氦气罐；14—过滤器；15—压力计；16—氦流量控制阀；17—液氦管路；18—液氮注入阀；19—粗真空阀；20—电离规

质量位移是靠测一个局部沉浸在液体中的空心圆筒的浮力得到的，温度元件是碳电阻，密度则是靠连续测量一个完全沉浸在液体中的已知质量和体积的圆筒质量得出。

（2）常温水标与低温实标的关系

通过对液氢、液氧及水等介质进行流量标定和互校工作的研究，到目前为止只得到以下结论：

①对于节流装置，在液氢、液氧等低温介质中运行，如同在水中运行一样，流量系数与雷诺数、节流孔径比有基本相同的相互关系。所以对于标准节流装置，只要节流件的设计加工、取压装置和外部管道都符合要求，测低温介质时和常温介质一样，不需要标定就可直接使用。对于非标准节流装置，也只需要通过水标。实验表明，用水标数据通过节流理论公式求得的流量值和实际结果是非常接近的。

②对涡轮流量计，从水标值换到低温介质时，仪表系数会引进偏差。这种偏差是水与低温介质在温度、黏度、密度等方面的差异所引起的，对不同的涡轮流量计，偏差也不尽相同。对涡轮流量计的试验表明，从水换到液氧时，其校正系数都有不同程度的增大，范围0.2%～1.0%，平均增大0.5%。在液氢中和水中的试验表明，平均偏差是1%。在液氢情况下，仪表工作的线性范围大大减小。对一般要求不太高的低温涡轮流量计，用水标替代实标还是可以的，但对重要场合，尤其是液氢，仍应当实标，以免由于仪表线性工作范围不一致而造成重大偏差。

③对涡街流量计，由于其仪表系数仅仅取决于管径和旋涡发生体的特征尺寸，与介质的组成、密度、温度、压力等参数无关。因此，原理上应当可以用水标代替低温实标。但是目前尚未见到替代成功与否的报道。

④对螺翼流量计、角动量型流量计都有以水标替代实标未获成功的报道。