科里奥利力实验报告（科氏力（科里奥利力）是一个怎样的惯**）

本文目录

• 科氏力(科里奥利力)是一个怎样的惯**
• 制造永动机的想法先出现还是能量守恒先被提出
• 流体测量的基本原理和方法

科氏力(科里奥利力)是一个怎样的惯**

人类的视野是广阔的。他们不仅看到了天空和海洋，看到了眼前的物质，看到了各种力的作用，也看到了赖以生存的地球所蕴含的深刻运动现象。法国的一位工程师和物理学家科里奥利发现，当物体在作为参考系的转动物体上运动时，会受到另一种惯**（即科里奥利力）的作用。由于地球是一个转动参考系，所以地面上运动物体一般都受到科里奥利力的作用。1851年2月3日，物理学家傅科，向法国科学院报告了他用单摆证明地球自转的发现，宣布了摆动平面所描绘的圆与纬度的正弦成正比。这个成功的发现，促使傅科把单摆按比例放大，并搬到巴黎的伟人祠去做。消息一传出，立即成了轰动巴黎的一件奇闻。第二天，巴黎街头人声鼎沸，对科学发现有兴趣的人们，纷纷拥入伟人祠门内，而从里面出来的人都啧啧称赞着：“真是奇迹，我竟能看见地球的自转！”在伟人祠的高大建筑物里，高高的圆屋顶上悬挂着一个巨大的单摆。这个单摆摆长67米，相当于一座20层楼房的高度，下面悬着一个28千克的重球，正在缓慢而单调地摆动着。“这有什么稀奇，这不过是一个巨大的单摆而已！”刚挤进伟人祠的人群中有人不禁有些失望。“请注意单摆的摆动方向！”站在旁边的傅科提醒大家。人们顺着傅科的手指望去，只见台面上撒了一层细沙，巨摆紧贴着台面摆动，细沙上清晰地留下一条摆动的痕迹。几分钟过去了，人们不由得惊奇起来。原来，单摆的每一次摆动，它的方向都有一点微小的变动。一个小时以后，单摆的方向移动了十几度。“是什么力使巨摆转动呢？”观看的人们迷惘地四下张望着，“怎么找不到这个力啊？”这时，傅科又站在圆台前大声对大家说：“女士们、先生们，单摆摆动的方向并没有变动，而是我们脚下的地球在时刻不停地转动！”经过几分钟的安静之后，人们又一次沸腾起来，他们完全被这个出色的实验表现征服了。在巨摆下面，地球自转竟然表现得如此清楚，如此分明！大家不由自主地拥上前去，紧紧地和博科拥抱，向他表示祝贺。在以后的两年中，世界许多地方多次重复了傅科的实验，研究摆的科学论文也成倍地增长。话再说回来，傅科又是怎样作出这一发现呢？原来，他对摆和地球自转问题的兴趣，缘于天文观察。当时他只有26岁，因要拍摄天空中星体的照片，就需要长时间曝光，望远镜系统在拍摄过程中也就得连续保持指向天空中的目标。为了控制望远镜系统的运动，使它能跟踪目标，傅科仿照惠更斯未曾实现的圆锥摆钟方案，做了一台特殊的钟，并用一根钢棒支撑摆锤。就在加工钢棒的过程中，细心的傅科注意到，当把一根钢棒夹在车床的卡子上，用手转动车床时，钢棒振动总是要维持它原来的振动平面，不随车床转动。这一不期而遇的力学现象，立即引起傅科的重视，使他联想到是不是可以用类似的方法，做一个表演来证明地球的自转。这个想法一直在他的脑海中萦绕了多年。1851年1月8日，傅科正在家里观察一个2米长的单摆，想进一步研究单摆的运动规律，几小时过去了。他突然发现，摆动平面不断缓慢旋转，逐渐转向“天球昼夜运动的方向”。惊喜若狂的傅科又在巴黎天文台大厅里，用8米长的单摆重复这一试验，取得成功。接着，便是本文开头的一幕，傅科向法国科学院报告了他的发现。单摆做得很长，摆锤做得很重，便可使摆动持续较长时间，并使摆本身的惯性加大，抵抗空气阻力的本领也增大。这样就可使人们把摆动方向的变化看得更清楚。为了表彰傅科的功绩，各国科学家一致决定，把巨摆命名为“傅科摆”。轰动巴黎的傅科摆表演，生动而形象地证明因地球自转而引起科里奥利力的理论，并且告诉人们地面上的这种偏转力是沿水平方向的，从而使长期以来对河流、海洋这一类因地球自转有明显影响的现象研究，获得坚实的力学基础。

制造永动机的想法先出现还是能量守恒先被提出

永动机的想法的提出比能量守恒与转化定律的成熟要早发现过程　　19世纪中叶发现的能量守恒定律是自然科学中十分重要的定律。它的发现是人类对自然科学规律认识逐步积累到一定程度的必然事件。尽管如此，它的发现仍然是曲折艰苦的和激动人心的。了解能量守恒定律的发现过程，对于理解自然科学发展中理论的积累和形成是有益的。本文简要叙述能量守恒定律的发现过程。1. 能量守恒定律发现的准备　　能量守恒定律是联系机械能和热能的定律。不言而喻，在它发现之前人们必须对机械能和热能有较深入的研究。我们现在就这两方面来叙述。活力与死力的论战　　1644年笛卡尔（Rene Descartes,1596－1650）在他所著的《哲学原理》中讨论碰撞问题时引进了动量的概念，用以度量运动。1687年牛顿(Isac Newton,1642－1727)在他的《自然哲学的数学原理》中把动量的改变来度量力。与此不同的是莱布尼兹（Gottfried Wilhelm Leibniz,1646－1716）在1686年的一篇论文中抨击笛卡尔，主张用质量乘速度的平方来度量运动，莱布尼兹称之为活力。把牛顿由动量所度量的力也称为死力。莱布尼兹的主张正好和1669年惠更斯关于碰撞问题研究的结论一致，该结论说“两个物体相互碰撞时，它们的质量与速度平方乘积之和在碰撞前后保持不变。”　　从莱布尼兹挑起争论起，形成了以笛卡尔和莱布尼兹两大派的论争。这场论战延续了近半个世纪，许多学者都参加了论战，并且各有实验佐证。一直到1743年法国学者达朗贝尔（Jean le Rond d’Alembert,1717－1783）在他的《论动力学》中说：“对于量度一个力来说，用它给予一个受它作用而通过一定距离的物体的活力，或者用它给予受它作用一定时间的物体的动量同样都是合理的。”在这里，达朗贝尔揭示了活力是按作用距离力的量度，而动量是按作用时间力的量度。这场争论终于尘埃落定了。活力才作为一个正式的力学名词为力学家们普遍接受。　　活力虽然为力学家接受了，但是它与力的关系并没有弄清楚。一直到1807年英国学者托马斯·杨（Thomas Young,1773,5,10－1829,5,10）引进了能量的概念，1831年法国学者科里奥利（Gustave Gaspard Coriolis,1792－1843）又引进了力做功的概念，并且在活力前加了1/2系数称为动能，通过积分给出了功与动能的联系，即　　F=1/2mv2这个式子表示力做功转化为物体的动能。也就是说自然界的机械能是守恒的。温度计的发明与潜热的发现　　关于热的精确理论应当从制造温度计开始。从17世纪开始，在意大利有伽利略（Galilei Galileo,1564－1642）等人开始制做温度计。但是由于采用的温标比较不方便，所以后人使用的很少。　　比较早的实用温标是德国物理学家华伦海（Daniel Gabriel Fahrenheit ，1686-1736)从1714年开始使用水银做温度计，并且不断改进，直到1717年大致确定了现在所称的华氏温标。直到华伦海去世后，科学家才正式确定华氏温标为：以水的沸点为212度，把32度定为水的冰点。所以这样规定，是要尽量使通常的温度避免取负值。　　摄耳修斯像瑞典天文学家摄耳修斯（Anders Celsius ，1701-1744) 于1742年到1743年发明了摄氏温标，以标准状态下水的结冰温度为零度水的沸点为100度。摄氏温标在1948年被国际度量衡会议定为国际标准。　　温度计的发明给热学的精确化准备了必要的条件，人们可以用它来测量各种不同条件下物质的温度变化。最早人们并没有把温度和热量区分开来，认为温度就是热量。　　18世纪50年代，英国科学家布莱克(Joseph.Black，1728—1799)把32°F的冰块与相等重量的172°F的水相混合，结果发现，平均温度不是102°F，而是32°F，其效果只是冰块全部融化为水。　　布莱克由此作出结论：冰在熔解时，需要吸收大量的热量，这些热量使冰变成水，但并不能引起温度的升高。他还猜想到，冰熔解时吸收的热量是一定的。为了弄清楚这个问题，他把实验反过来作，即观测水在凝固时是否也会放出一定的热量。他把摄氏零下4°的过冷却的水不停地振荡，使一部分过冷却水凝固为冰，结果温度上升了；当过冷却水完全凝固时， 温度上升到摄氏零度，表明水在凝固时确实放出了热量。进一步的大量实验使布莱克发现，各种物质在发生物态变化（熔解、凝固、汽化、凝结）时，都有这种效应。他曾经用玻璃罩将盛有酒精的器皿罩住，把玻璃罩内的空气抽走，器皿中的酒精就迅速蒸发，结果在玻璃罩外壁上凝结了许多小水珠。这说明液体（酒精）蒸发 时要吸收大量的热，因而使玻璃罩冷却了，外壁上才凝结了水珠。　　布莱克用一个很简单直观的办法来测定水汽化时所需要的热量。他用一个稳定的火来烧一千克零摄氏度的水，使水沸腾，然后继续烧火，直至水完全蒸发掉。他测出使沸腾的水完全蒸发所烧的时间，为使水由0℃升温到沸腾所烧的时间的4.5倍，表明所供热量之比为100∶450。这个实验当然是很粗糙的，所测的数值也有很大的误差；现在的测定表明这个比值为100∶539。布莱克还用类似的方法测出，熔解一定量的冰所需要的热量，和把相同重量的水加热140°F所需要的热量相等（相当于加热77.8℃所需要的热量），这个数值也偏小了一点，正确的数值为143°F（相当于80℃），但在当时，这种测量结果也是很难得的。　　布莱克基于这些实验事实于1760年开始认识到热量与温度是两个不同的概念，进而在1761年他引入了“潜热”概念。　　其后，法国科学家拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier，1743－1794）与拉普拉斯（Pierre Simom Laplace,1749－1827）合作在1780年提出了正确测量物质热容量的方法。由于热的精确度量的成熟，1822年法国学者傅里叶（Jean Baptiste Joseph Fourier， 1768～1830）出版了他多年关于热学研究的总结著作《热的解析理论》。热力机械的发明　　从远古开始人类就认识到由机械运动可以产生热。无论东方和西方，古代都有钻木取火纪录，这就是把机械运动转变为热的早期实践。不过几千年中一直没有人想到机械能和热能的定量转换问题。直到美国人朗福德(Rumford,Benjamin Thompson,Count，1753-1814) 1798年在慕尼黑注意到，当用镗具钻削制造炮筒的青铜坯料时,金属坯料象火一样发烫，必须不断用水来冷却。朗福德注意到，只要镗钻不停止,金属就不停地发热；如果把这些热都传给原金属，则足可以把它熔化。朗福德的结论是,镗具的机械运动转化为热，因此热则是一种运动形式，而不是以前人们认为的是一种物质。朗福德还试图计算一定量的机械能所产生的热量。这样朗福德首次给出一个我们现在称为热功当量的数值。不过他的数值太高。半个世纪以后,焦耳提供了正确值。　　提到热能转变为机械能，最早应当提到的是亚力山大的希罗（Hero of Alexandria,约公元62年前后）发明的蒸汽机。这项发明是一个空心球体上面连上两段弯管，当球内的水沸腾时，蒸汽通过管子喷出，这个球就迅速旋转，这是最早的蒸汽机。不过那时只是用于祭神与玩耍而没有实际应用。　　1712年，英国人托马斯·纽可曼（Thomas Newcomen,1663－1729）发明了大气压蒸汽机。这种机器具有汽缸与活塞， 在工作时, 先把蒸汽导入汽缸， 这时汽缸停止供汽而汽缸内进水, 蒸汽便遇冷凝结为水使汽缸内气压迅速降低，就可以使水吸上来。之后再把蒸汽导入汽缸，进行下一个循环。最初的这种蒸汽机大约每分钟往返十次，而且可以自动工作，使矿井的抽水工作大为便利，所以不仅英国人使用，在德国与法国也在使用。　　瓦特（James Watt,1736－1819）在18世纪后半叶对蒸汽机进行了改进。其中最重要的改进有两项，一项是发明了冷凝器大大提高了蒸汽机的效率，另一项是发明了离心调速器使蒸汽机速度可自由控制。在瓦特的改进之后蒸汽机才真正在工业上被普遍使用。永动机的不可能　　据说永动机的概念发端于印度，在公元12世纪传入欧洲。　　据记载欧洲最早、最著名的一个永动机设计方案是十三世纪时一个叫亨内考（Villand de Honnecourt）的法国人提出来的。如图所示：轮子中央有一个转动轴，轮子边缘安装着12个可活动的短杆，每个短杆的一端装有一个铁球。　　随后，研究和发明永动机的人不断涌现。尽管有不少学者研究指出永动机是不可能的，研究永动机的人还是前赴后继。　　文艺复兴时期意大利伟大学者达 芬奇（Leonardo da vinc，1452－1519）曾经用不少精力研究永动机。可贵的是他最后得到了永动机不可能的结论。　　与达 芬奇同时代还有一位名叫卡丹的意大利人（Jerome Cardan ，1501-1576），他以最早给出求解三次方程的根而出名，也认为永动机是不可能的。　　关于永动机的不可能，还应当提到荷兰物理学家司提芬（Simon Stevin，1548 1620）。16世纪之前，在静力学中，人们只会处理求平行力系的合力和它们的平衡问题，以及把一个力分解为平行力系的问题，还不会处理汇交力系的平衡问题。为了解决这类问题，人们把他归结于解决三个汇交力的平衡问题。通过巧妙的论证解决了这个问题。假如你把一根均匀的链条A**放置在一个非对称的直立（无摩檫）的楔形体上，如图所示。这时链条上受两个接触面上的反力和自身的重力。恰好是三个汇交力。链条会不会向这边或那边滑动？如果会，往哪一边？司提芬想象把楔形体停在空中，在底部由CDA把链条连起来使之闭合，如图，最后解决了 这个问题。在底部悬挂的链条自己是平衡的，把悬挂的部分和上部的链条连起来，斯提芬说：“假如你认为楔形体上的链条不平衡，我就可以造出永动机。”事实上如果链条会滑动，那么你就必然会推出封闭的链条会永远滑下去；这显然是荒谬的，回答必然是链条不动。并且他由此得到了汇交三力平衡的条件。他觉得这一证明很妙，就把图2放在他的著作《数学备忘录（Hypomnemata Mathematica）》的扉页上，他的同辈又把它刻在他的墓碑上以表达敬仰之意。汇交力系的平衡问题解决，也标志着静力学的成熟。　　随着对永动机不可能的认识，一些国家对永动机给出了限制。如早在1775年法国科学院就决定不再刊载有关永动机的通讯。1917年美国专利局决定不再受理永动机专利的申请。　　据英国专利局的助理评审员F. Charlesworth称：英国的第一个永动机专利是1635年，在1617年到1903年之间英国专利局就收到约600项永动机的专利申请。这还不包含利用重力原理之外的永动机专利申请。而美国在1917年之后还是有不少一时看不出奥妙的永动机方案被专利局接受。2. 迈尔的发现与遭遇　　在前面这些科学研究的基础上，机械能的度量和守恒的提出、热能的度量、机械能和热能的相互转化、永动机的大量实践宣布为不可能。能量守恒定律的发现条件是逐渐成熟了。于是这项发现最早就由迈尔来开头。　　迈尔（Julius Robert Mayer,1814－1878）是德国的物理学家。大学时学医，但他并不喜欢当医生，他当过随船医生，工作比较清闲。　　在西方大约从公元4世纪开始有一种大量放血的治疗方法。一次大约要放掉12到13盎司（约合340－370克，有一杯之多）的血，有的则一直放血放到病人感觉头晕为止。这种疗法的根据是，在古代的西方有一种所谓“液体病理”的理论，说人体含有多种液体，如血、痰、胆汁等。这些液体的过多或不足都会致病。放血的作用就是排除多余液体一种措施。中世纪西方的有钱人，特别是那些贵族上层人物、绅士们，还要在一年中定期放血，一般要在春秋各放血一次。放血另一种作用是使女人看上去更好看，这和西方当时的审美观有关，使她们既显得白皙，又不会因为害羞而满脸通红。所以西方的贵妇人也经常放血。迈尔作为一名医生，不用说也是经常使用放血疗法给人治病的。　　大约是在1840年去爪哇的航行中，由于考虑动物体温问题而对物理学发生了兴趣。在泗水，当他为一些患病的水手放血时，他发现静脉的血比较鲜亮，起初他还误以为是切错了动脉。于是他思考，血液比较红是在热带身体不像在温带那样需要更多的氧来燃烧以保持体温。这一现象促使迈尔思考身体内食物转化为热量以及身体能够做功这个事实。从而得出结论，热和功是能够相互转化的。　　他又注意到当时许多人进行永动机的实验都以失败而告终，从童年时期就给他留下了深刻的影响。这些使他猜想“机械功根本不可能产生于无”。　　在1841年9月12**给友人的信中最早提及了热功当量。他说：“对于我的能用数学的可靠性来阐述的理论来说，极为重要的仍然是解决以下这个问题：某一重物（例如100磅）必须举到地面上多高的地方，才能使得与这一高度相应的运动量和将该重物放下来所获得的运动量正好等于将一磅0℃的冰转化为0℃的水所必要的热量。”　　1842年3月，迈尔写了一篇短文《关于无机界的力的看法》寄给了《药剂学和化学编年史》的主编、德国化学家李比希（Justus von Liebig,1803－1873），李比希立即答应使用这篇文章。机械的热功当量在这篇文章中得到第一次说明。文中说：“人们发现，一重物从大约365米高处下落所做的功，相当于把同重量的水从0℃升到1℃所需的热量。”他的文章发表于1842年5月。　　迈尔是最早进行热功当量实验的学者，在1842年，他用一匹马拉机械装置去搅拌锅中的纸浆，比较了马所做的功与纸浆的温升，给出了热功当量的数值。他的实验比起后来焦耳的实验来，显得粗糙，但是他深深认识到这个问题的重大意义，并且最早表述了能量守恒定律。他在1842年底给友人的信中说：“我主观认为，表明我的定律的绝对真理性的是这种相反的证明：即一个在科学上得到普遍公认的定理：永动机的设计在理论上是绝对不可能的（这就是说，即使人们不考虑力学上的困难，比方说摩擦等等，人们也不可能成功地由思想上设计出来）。而我的断言可以全部被视为从这种不能原则中得出的纯结论。要是有人否认我的这个定理，那么我就能立即建造一部永动机。”　　迈尔的论文没有引起社会重视，为了补足第一篇论文没有计算、过于简要的缺点，他写了第二篇论文，结果如石沉大海，没有被采用。他论证了太阳是地球上所有有生命能与非生命能的最终源泉。　　后来亥姆霍兹与焦耳的论文相继发表，人们将能量守恒定理的发明人归于亥姆霍兹与焦耳。而他的论文既早又系统，却不仅得不到承认，而且还招来了一些攻击文章。再加1848年，他祸不单行，两个孩子夭折、弟弟又因参加革命活动受牵连。1849年，迈尔从三楼跳下，从此成为重残，而后又被诊断为精神分裂，送入精神病院，医生们认为他经常谈论的那种新发现，是一种自大狂的精神病症状。　　1858年亥姆霍兹阅读了迈尔1852年的论文，并且承认迈尔早于自己影响很广的论文。克劳修斯也认为迈尔是守恒定律的发现者。克劳修斯把这一事实告诉了英国声学家丁铎尔（John Tyndall，1820-1893），一直到1862年由于丁铎尔在伦敦皇家学会上系统介绍了他的工作，他的成就才得到社会公认。1860年迈尔的早期论文翻译成英文出版，1870年之迈尔被选为巴黎科学院的通讯成员，并且获得了彭赛列奖（Prix Poncelet）。之后迈尔的命运有很大的改善。3. 亥姆霍兹与焦耳的工作亥姆霍兹与他的的《论力的守恒》　　亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz,1821－1894）出生在一个德国的穷教员家里，中学毕业后在军队服役8年，取得公费进入在柏林的王家医学科学院。1842年亥姆霍兹获得了博士学位。1845年他参加了由年轻的学者组织的柏林物理学协会，之后他经常参加协会活动，除作军医之外他还研究一切他感兴趣的问题。　　1847年7月23**向物理学协会作了题为《论力的守恒》的著名报告。报告后，他将文章交给《物理学编年史》的，不料又和6年前迈尔的稿件一样的命运，以没有实验事实而拒绝刊登。后来他将这篇论文作为小册子在另一家有名的出版社出版了。文章的结论与1843年焦耳的实验完全一致，很快就被人们称为“自然界最高又最重要的原理”。时间仅差数年，又由于有有名的出版社出版，他与迈尔的命运完全不同。后来英国学者开尔文采用了杨所提出的能量的概念，采用“势能”代替“弹力”，以“动能”代替“活力”，使在力学中延续了近200年的概念上含混不清的情况得到改变。　　关于亥姆霍兹值得介绍的是他在德国科学家发展中所起的组织作用。1870年，他的老师马格努斯（Heinrich Gustav Magnus,1802－1870），德国最早的物理研究所所长，逝世了。当时还是副教授的亥姆霍兹继任为所长。那时，德国的科学研究水平，比起英国与法国要落后得多。不久普法战争结束，德国从法国得到一大笔赔款，德国的经济状况有所改善，亥姆霍兹得到了300万马克的经费去筹建新的研究所，经过5年的努力新研究所建成。这个研究所后来吸引了大批优秀的年轻学者，而且它的研究课题同工业的发展紧密联系，后来形成德国科学研究的一个十分好的传统。在研究所的支持者中有德国的大企业家、大发明家西门子（Sir William Siemens,1823－1883）他与亥姆霍兹是柏林物理协会的第一批会员，是老朋友。亥姆霍兹担任德国物理协会会长达数十年之久。被人称为“德国物理的宰相”。焦耳的热功当量实验　　焦耳（James Prescott Joule,1818－1889）是一位英国富有的酿造商之子，他的经济条件可以提供他终生做研究工作。焦耳自幼身体虚弱，脊柱曾受过伤，因此他一心读书研究，他父亲为他提供了一个家庭实验室。1835年他认识了曼彻斯特大学的教授道尔顿，受到过后者的指导，焦耳的成功主要是靠自学的。焦耳对数学的知识很少，他的研究主要是靠测量。 1840年他经过多次测量通电的导体，发现电能可以转化为热能，并且得出一条定律：电导体所产生的热量与电流强度的平方、导体的电阻和通过的时间成正比。他将这一定律写成一篇论文《论伏打电生热》。　　后来焦耳继续探讨各种运动形式之间的能量守恒与转化关系，1843年他发表了论文《论水电解时产生的热》与《论电磁的热效应和热的机械值》。特别在后一篇论文中，焦耳在英国学术会议上宣称：“自然界的能是不能毁灭的，那里消耗了机械能，总能得到相当的热，热只是能的一种形式。”　　此后焦耳不断改进测量方法，提高测量精度，最后得到了一个被称为“热功当量”的物理常数，焦耳当时测得的值是423.9 千克米/千卡。现在这个常数的值是418.4。后人为纪念他，在国际单位制中采用焦耳为热量的单位，取1卡=4.184焦耳。4. 小结　　只有在功与能的概念变得清晰、热量于温度能够区分，同时对它们能够精确量度，也只有热力机械的走向实用为人们所熟悉，并且在大量永动机的失败条件下，能量守恒定律发现的条件才趋于成熟。　　即使这样，人们对先知先觉者的理解也是相对缓慢的。迈尔的遭遇就说明这一点。能量守恒定律的重要性　　能量守恒定律至今仍然是力学乃至整个自然科学的重要定律。不过它仍然会发展。1905年爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）发表了阐述狭义相对论的著名论文《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》中揭示了质能守恒定律，即在一个孤立系统内，所有粒子的相对论动能与静能之和在相互作用过程中保持不变，称为质能守恒定律。

流体测量的基本原理和方法

流量测量方法名词与术语瞬时流量：单位时间内流过管道横截面的流体量（m3/h、t/h）。累计流量：在一段时间内流过管道横截面的流体总量（m3、t）。流量计：用于测量管道中流量的计量器具称为流量计。主要的质量指标流量范围：最大与最小可测范围，该范围内误差不超过容许值。量程和量程比：量程是最大流量与最小流量之差；量程比是最大流量与最小流量之比，又称范围度。测量误差基本误差：准确度：流量计示值接近被测流量真值的能力，称为流量计的准确度。准确度等级有：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0级。重复性：流量计在同一工作条件下，多次重复测量，其示值一致性的程度，反映仪表随机性误差的大小。按测量对象划分就有封闭管道和明渠两大类;按测量目的又可分为总量测量和流量测量,其仪表分别称作总量表和流量计。 按测量原理分有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。 流量计简介 流量测量方法和仪表的种类繁多。工业用的流量仪表种类达100多种。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。 本文按照目前最流行、最广泛的分类法,分别介绍各种流量计的原理、特点、应用概况及国内外的发展情况。序号流量计种类全球产量百分比1差压式流量计（孔板、文丘里）45～55％2浮子流量计（又称玻璃转子流量计）13～16％3容积式流量计（椭圆、腰轮、螺旋）12～14％4涡轮流量计9～11％5电磁流量计5～6％6流体振荡流量计（涡街、旋进）2.2～3％7超声流量计（时差式、多普勒）1.6～2.2％8热式流量计2～2.5％9科里奥利质量流量计0.9～1.2％10其他流量计（插入式流量计1.6～2.2％　　1.1差压式流量计 　　差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压,已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。差压式流量计由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。通常以检测件形式对差压式流量计分类,如孔板流量计、文丘里流量计、均速管流量计等。 二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计,差压变送器及流量显示仪表。它已发展为三化(系列化、通用化及标准化)程度很高的、种类规格庞杂的一大类仪表,它既可测量流量参数,也可测量其它参数(如压力、物位、密度等)。 　　差压式流量计的检测件按其作用原理可分为:节流装置、水力阻力式、离心式、动压头式、动压头增益式及射流式几大类。 　　检测件又可按其标准化程度分为二大类:标准的和非标准的。 　　所谓标准检测件是只要按照标准文件设计、制造、安装和使用,无须经实流标定即可确定其流量值和估算测量误差。 　　非标准检测件是成熟程度较差的,尚未列入国际标准中的检测件。 　　差压式流量计是一类应用最广泛的流量计,在各类流量仪表中其使用量占居首位。近年来,由于各种新型流量计的问世,它的使用量百分数逐渐下降,但目前仍是最重要的一类流量计。 　　优点: 　　(1)应用最多的孔板式流量计结构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长; 　　(2)应用范围广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比拟; 　　(3)检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产,便于规模经济生产。 　　缺点: 　　(1)测量精度普遍偏低; 　　(2)范围度窄,一般仅3:1~4:1; 　　(3)现场安装条件要求高; 　　(4)压损大(指孔板、喷嘴等)。 　　应用概况: 　　差压式流量计应用范围特别广泛,在封闭管道的流量测量中各种对象都有应用,如流体方面:单相、混相、洁净、脏污、粘性流等;工作状态方面:常压、高压、真空、常温、高温、低温等;管径方面:从几mm到几m;流动条件方面:亚音速、音速、脉动流等。它在各工业部门的用量约占流量计全部用量的1/4~1/3。 　　1.2 浮子流量计 　　浮子流量计,又称转子流量计,是变面积式流量计的一种,在一根由下向上扩大的垂直锥管中,圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的,从而使浮子可以在锥管内自由地上升和下降。 　　浮子流量计是仅次于差压式流量计应用范围最宽广的一类流量计,特别在小、微流量方面有举足轻重的作用。 　　80年代中期,日本、西欧、美国的销售金额占流量仪表的15%~20%。我国产量1990年估计在12~14万台,其中95%以上为玻璃锥管浮子流量计。 　　特点: 　　(1)玻璃锥管浮子流量计结构简单,使用方便,缺点是耐压力低,有玻璃管易碎的较大风险; 　　(2)适用于小管径和低流速; 　　(3)压力损失较低。 　　1.3容积式流量计 原理结构容积式流量计按其测量元件分类,可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。 特点(1)计量精度高; (2)安装管道条件对计量精度没有影响; (3)可用于高粘度液体的测量; (4)范围度宽; (5)直读式仪表无需外部能源可直接获得累计,总量,清晰明了,操作简便。 缺点: (1)结果复杂,体积庞大; (2)被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大; (3)不适用于高、低温场合; (4)大部分仪表只适用于洁净单相流体; (5)产生噪声及振动。 应用　　容积式流量计与差压式流量计、浮子流量计并列为三类使用量最大的流量计,常应用于昂贵介质(油品、天然气等)的总量测量。 　　工业发达国家近年PD流量计(不包括家用煤气表和家用水表)的销售金额占流量仪表的13%~23%;我国约占20%,1990年产量(不包括家用煤气表)估计为34万台,其中椭圆齿轮式和腰轮式分别约占70%和20%。 　　　　　　优点: 　　应用概况: 　　1.4 涡轮流量计 　　涡轮流量计,是速度式流量计中的主要种类,它采用多叶片的转子(涡轮)感受流体平均流速,从而且推导出流量或总量的仪表。 　　一般它由传感器和显示仪两部分组成,也可做成整体式。 　　涡轮流量计和容积式流量计、科里奥利质量流量计称为流量计中三类重复性、精度最佳的产品,作为十大类型流量计之一,其产品已发展为多品种、多系列批量生产的规模。 　　优点: 　　　(1)高精度,在所有流量计中,属于最精确的流量计; 　　　(2)重复性好; 　　　(3)元零点漂移,抗干扰能力好; 　　　(4)范围度宽; 　　　(5)结构紧凑。 　　缺点: 　　　(1)不能长期保持校准特性; 　　　(2)流体物性对流量特性有较大影响。 　　应用概况: 　　涡轮流量计在以下一些测量对象获得广泛应用:石油、有机液体、无机液、液化气、天然气和低温流体统在欧洲和美国,涡轮流量计在用量上是仅次于孔板流量计的天然计量仪表,仅荷兰在天然气管线上就采用了2600多台各种尺寸,压力从0.8~6.5MPa的气体涡轮流量计,它们已成为优良的天然气计量仪表。 　　1.5电磁流量计 　　电磁流量计是根据法拉弟电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。 　　电磁流量计有一系列优良特性,可以解决其它流量计不易应用的问题,如脏污流、腐蚀流的测量。 　　70、80年代电磁流量在技术上有重大突破,使它成为应用广泛的一类流量计,在流量仪表中其使用量百分数不断上升。 　　优点: 　　(1)测量通道是段光滑直管,不会阻塞,适用于测量含固体颗粒的液固二相流体,如纸浆、泥浆、污水等; 　　(2)不产生流量检测所造成的压力损失,节能效果好; 　　(3)所测得体积流量实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的明显影响; 　　(4)流量范围大,口径范围宽; 　　(5)可应用腐蚀性流体。 　　缺点: 　　(1)不能测量电导率很低的液体,如石油制品; 　　(2)不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体; 　　(3)不能用于较高温度。 　　应用概况: 　　电磁流量计应用领域广泛,大口径仪表较多应用于给排水工程;中***常用于高要求或难测场合,如钢铁工业高炉风口冷却水控制,造纸工业测量纸浆液和黑液,化学工业的强腐蚀液,有色冶金工业的矿浆;***、微***常用于医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。 　　1.6 涡街流量计 　　涡街流量计是在流体中安放一根非流线型游涡发生体,流体在发生体两侧交替地分离释放出两串规则地交错排列的游涡的仪表。 　　涡街流量计按频率检出方式可分为:应力式、应变式、电容式、热敏式、振动体式、光电式及超声式等。 　　涡街流量计是属于最年轻的一类流量计,但其发展迅速,目前已成为通用的一类流量计。 　　优点: 　　(1)结构简单牢固; 　　(2)适用流体种类多; 　　(3)精度较高; 　　(4)范围度宽; 　　(5)压损小。 　　缺点: 　　(1)不适用于低雷诺数测量; 　　(2)需较长直管段; 　　(3)仪表系数较低(与涡轮流量计相比); 　　(4)仪表在脉动流、多相流中尚缺乏应用经验。 　　1.7 超声流量计 　　超声流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。 　　根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。 　　超声流量计和电磁流量计一样,因仪表流通通道未设置任何阻碍件,均属无阻碍流量计,是适于解决流量测量困难问题的一类流量计,特别在大口径流量测量方面有较突出的优点,近年来它是发展迅速的一类流量计之一。 　　优点: 　　(1)可做非接触式测量; 　　(2)为无流动阻挠测量,无压力损失; 　　(3)可测量非导电性液体,对无阻挠测量的电磁流量计是一种补充。 　　缺点: 　　(1)传播时间法只能用于清洁液体和气体;而多普勒法只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体; 　　(2)多普勒法测量精度不高。 　　应用概况: 　　(1)传播时间法应用于清洁、单相液体和气体。典型应用有工厂排放液、:怪液、液化天然气等; 　　(2)气体应用方面在高压天然气领域已有使用良好的经验; 　　(3)多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体,例如:未处理污水、工厂排放液、脏流程液;通常不适用于非常清洁的液体。 　　1.8 科里奥利质量流量计 　　科里奥利质量流量计(以下简称CMF)是利用流体在振动管中流动时,产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。 　　我国CMF的应用起步较晚,近年已有几家制造厂(如太行仪表厂)自行开发供应市场;还有几家制造厂组建合资企业或引用国外技术生产系列仪表。 　　1.9明渠流量计 　　与前述几种不同,它是在非满管状敞开渠道测量自由表面自然流的流量仪表。 　　非满管态流动的水路称作明渠,测量明渠中水流流量的称作明渠流量计(open channel flowmeter)。 　　明渠流量计除圆形外,还有U字形、梯形、矩形等多种形状。 　　明渠流量计应用场所有城市供水引水渠;火电厂引水和排水渠、污水治理流入和排放渠;工矿企业水排放以及水利工程和农业灌溉用渠道。有人估计1995台,约占流量仪表整体的1.6%,但是国内应用尚无估计数据。 2 新工作原理流量仪表的研究和开发 　　2.1 静电流量计(electrostatic flowmeter) 　　日本东京技术学院研制适用于石油输送管线低导电液体流量测量的静电流量计。 　　静电流量计的金属测量管绝缘地与管系连接,测量电容器上静电荷便可知道测量管内的电荷。他们分别作了内径4~8mm铜、不锈钢等金属和塑料测量管仪表的实流试验,试验表明流量与电荷之间接近于线性。 　　2.2 复合效应流量仪表(combined effects meter) 　　该仪表的工作原理是基于流体的动量和压力作用于仪表腔体产生的变形,测量复合效应的变形求取流量。本仪表由美国GMI工程和管理学院开发,已申请两项专利。 　　2.3 转速表式流量传感器(tachmetric flowrate sensor) 　　它是由俄罗斯科学工程中心工业仪表公司开发，是基于悬浮效应理论研制的。该仪表已在若干现场成功的应用(例如在核电站安装2000余台测量热水流量，连续使用8年),且还在改进以扩大应用领域。 3 几种流量仪表应用和发展动向 　　3.1 科里奥利质量流量计(CMF) 　　国外CMF已发展30余系列，各系列开发在技术上着眼点在于:流量检测测量管结构上设计创新;提高仪表零点稳定性和精确度等性能;增加测量管挠度,提高灵敏度;改善测量管应力分布,降低疲劳损坏,加强抗振动干扰能力等。 　　3.2 电磁流量计(EMF) 　　EMF从50年代初进入工业应用以来,使用领域日益扩展,80年代后期起在各国流量仪表销售金额中已占16%~20%。 　　我国近年发展迅速,1994年销售估计为6500~7500台。国内已生产最大口径为2~6m的ENF,并有实流校验口径3m的设备能力。 　　3.3 涡街流量计(USF) 　　USF在60年代后期进入工业应用,80年代后期起在各国流量仪表销售金额中已占4%~6%。1992年世界范围估计销售量为3.54.8万台,同期国内产品估计在8000~9000台。 4 结论 　　由上述可知,流量计发展到今天虽然已日趋成熟,但其种类仍然极其繁多,至今尚无一种对于任何场合都适用的流量计。 　　每种流量计都有其适用范围,也都有局限性。这就要求我们: 　　(1)在选择仪表时,一定要熟悉仪表和被测对象两方面的情况,并要兼顾考虑其它因素,这样测量才会准确; 　　(2)努力研制新型仪表,使其在现有的基础上更加完善。流量相关的物性参数在流量测量和计算中，要使用到一些流体的物理性质（流体物性），它们对流量测量的准确度及流量计的选用都有很大影响。我们对这些物性参数只作基本概念及一些简单计算式的介绍，详细数据资料需到有关手册去查询。1．流体的密度流体的密度由下式定义 ρ—流体密度，kg/m3；m—流体的质量，kg；V—流体的体积，m3。（1） 液体的密度压力不变时，液体密度计算式为： ρ—温度t时液体的密度，kg/m3；ρ20—20℃时液体的密度，kg/m3；μ—液体的体积膨胀系数，1/℃；t—液体的温度，℃。温度不变时，液体密度计算式为： ρ1—压力P1时液体的密度，kg/m3；ρ0—压力P0时液体的密度，；kg/m3；β—液体的体积压缩系数1/Mpa；P0、P1——液体的压力，Mpa。通常压力的变化对液体密度的影响很小，在5Mpa以下可以忽略不计，但是对于碳氢化合物，即使在较低压力下，亦应进行压力修正。（2） 气体的密度工作状态下干气体的密度计算式为： ρ—工作状态下干气体的密度，kg/m3；ρn—标准状态下（293.15k，101.325kPa）干气体的密度，kg/m3；p—工作状态下气体的绝对压力，kPa；pn—标准状态下绝对压力，101.325kPa；T—工作状态下气体的绝对温度，K； Tn—标准状态下绝对温度，293.15K；Zn—标准状态下气体的压缩系数；Z—工作状态下气体的压缩系数。2．流体的粘度流体本身阻滞其质点相对滑动的性质称为流体的粘性。流体粘性的大小用粘度来度量。同一流体的粘度随流体的温度和压力而变化。通常温度上升，液体的粘度下降，而气体粘度上升。液体粘度只在很高压力下才需进行压力修正，而气体的粘度与压力、温度的关系十分密切。表征流体粘度常用有如下二种：（1）动力粘度 η——流体动力粘度，Pa•s； τ—单位面积上的内摩擦力，Pa； —速度梯度，1/s； u —流体流速，m/s； h —两流体层间距离，m。 （3）运动粘度 流体的动力粘度与其密度的比值称为运动粘度。 v——运动粘度m2/s。 3．热膨胀率 热膨胀率是指流体温度变化1ºC时其体积的相对变化率，即： β—流体的热膨胀率，1/℃； V —流体原有体积，m3； ∆V—流体因温度变化膨胀的体积，m3；∆T—流体温度变化值，℃。4．压缩系数压缩系数是指当流体温度不变，所受压力变化时，其体积的变化率，即： k—流体的压缩系数，1/Pa；∆V—压力为p时的流体体积m3； ∆p—压力增加∆p时流体体积的变化量，m3。 5．雷诺数雷诺数是一个表征流体惯**与粘**之比的无量纲量，其定义为： V—流体的平均速度，m/s；L—流速的特征长度，如在圆管中取管内径值，m； ν—流体的运动粘度，m2/s。雷诺数的大小可以判断流动的状态，一般管道雷诺数Re＜2300为层流状态，Re＝2000～4000为过渡状态，Re＞4000为湍流（紊流）状态。希望能用上。