流量计

1 概述
液体气体流量测量方法和仪表的种类繁多,分类方法也很多。至今为止,可供工业用的流量仪表种类达60种之多。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。
这60多种流量仪表,每种产品都有它特定的适用性,也都有它的局限性。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。
本文按照目前*流行、*广泛的分类法,即分为:容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计等来分别简单介绍各种流量计的原理、特点。
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*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*重要的一类流量计。
优点:
(1)应用*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)。
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*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。
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
容积式流量计,又称定排量流量计,简称PD流量计,在流量仪表中是精度*高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分,根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。
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。
优点:
(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。
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*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***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。
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。
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*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。
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。
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。
10 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。
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。

 

 

(1)    电学原理：用于此类原理的仪表有电磁式、差动电容式、电感式、应变电阻式等。

(2)    声学原理：利用声学原理进行流量测量的有超声波式．声学式(冲击波式)等。

(3)    热学原理：利用热学原理测量流量的有热量式、直接量热式、间接量热式等。

(4)    光学原理：激光式、光电式等是属于此类原理的仪表。

(5)    原于物理原理：核磁共振式、核幅射式等是属于此类原理的仪表．

(6)    其它原理：有标记原理(示踪原理、核磁共振原理)、相关原理等。

二、按流量计结构原理分类

按当前流量计产品的实际情况，根据流量计的结构原理，大致上可归纳为以下几种类型：

力学原理：属于此类原理的仪表有利用伯努利定理的差压式、转子式；利用动量定理的冲量式、可动管式；利用牛顿**定律的直接质量式；利用流体动量原理的靶式；利用角动量定理的涡轮式；利用流体振荡原理的旋涡式、涡街式；利用总静压力差的皮托管式以及容积式和堰、槽式等等。

    差压式流量计由一次装置和二次装置组成．一次装置称流量测量元件，它安装在被测流体的管道中，产生与流量(流速)成比例的压力差，供二次装置进行流量显示。二次装置称显示仪表。它接收测量元件产生的差压信号，并将其转换为相应的流量进行显示．差压流量计的一次装置常为节流装置或动压测定装置(皮托管、均速管等)。二次装置为各种机械式、电子式、组合式差压计配以流量显示仪表．差压计的差压敏感元件多为弹性元件。由于差压和流量呈平方根关系，故流量显示仪表都配有开平方装置，以使流量刻度线性化。多数仪表还设有流量积算装置，以显示累积流量，以便经济核算。这种利用差压测量流量的方法历史悠久，比较成熟，世界各国一般都用在比较重要的场合，约占各种流量测量方式的70％。发电厂主蒸汽、给水、凝结水等的流量测量都采用这种表计。

    放在上大下小的锥形流道中的浮子受到自下而上流动的流体的作用力而移动。当此作用力与浮子的“显示重量”(浮子本身的重量减去它所受流体的浮力)相平衡时，俘子即静止。浮子静止的高度可作为流量大小的量度。由于流量计的通流截面积随浮子高度不同而异，而浮子稳定不动时上下部分的压力差相等，因此该型流量计称变面积式流量计或等压降式流量计。该式流量计的典型仪表是转子(浮子)流量计。

    利用测量流体的动量来反映流量大小的流量计称动量式流量计．由于流动流体的动量P与流体的密度及流速v的平方成正比，即p v²，当通流截面确定时，v与容积流量Q成正比，故p Q²。设比例系数为A，则Q＝A因此，测得P，即可反映流量Q．这种型式的流量计，大多利用检测元件把动量转换为压力、位移或力等，然后测量流量。这种流量计的典型仪表是靶式和转动翼板式流量计。

    利用冲量定理测量流量的流量计称冲量式流量计，多用于测量颗粒状固体介质的流量，还用来测泥浆、结晶型液体和研磨料等的流量。流量测量范围从每小时几公斤到近万吨。典型的仪表是水平分力式冲量流量计，其测量原理是当被测介质从一定高度h自由下落到有倾斜角的检测板上产生一个冲力，冲力的水平分力马质量流量成正比，故测量这个水平分力即可反映质量流量的大小。按信号(九)的检测方式，该型流量计分位移检测型和直接测力型。

    电磁流量计是应用导电体在磁场中运动产生感应电动势，而感应电动势又和流量大小成正比，通过测电动势来反映管道流量的原理而制成的。其测量精度和灵敏度都较高。工业上多用以测量水、矿浆等介质的流量。可测*大管径达2m，而且压损极小。但导电率低的介质，如气体、蒸汽等则不能应用。

    电磁流量计造价较高，且信号易受外磁场干扰，影响了在工业管流测量中的广泛应用。为此，产品在不断改进更新，向微机化发展．

    利用多普勒效应制造的超声多普勒流量计近年来得到广泛的关注，被认为是非接触测量双相流的理想仪表。

    流体振荡式流量计是利用流体在特定流道条件下流动时将产生振荡，且振荡的频率与流速成比例这一原理设计的．当通流截面一定时，流速与导容积流量成正比。因此，测量振荡频率即可测得流量．这种流量计是70年代开发和发展起来的．由于它兼有无转动部件和脉冲数字输出的优点，很有发展前途。目前典型的产品有涡街流量计、旋进旋涡流量计。

    由于流体的容积受温度、压力等参数的影响，用容积流量表示流量大小时需给出介质的参数。在介质参数不断变化的情况下，往往难以达到这一要求，而造成仪表显示值失真。因此，质量流量计就得到广泛的应用和重视。质量流量计分直接式和间接式两种。直接式质量流量计利用与质量流量直接有关的原理进行测量，目前常用的有量热式、角动量式、振动陀螺式、马格努斯效应式和科里奥利力式等质量流量计。间接式质量流量计是用密度计与容积流量直接相乘求得质量流量的。

    在现代工业生产中，流动工质的温度、压力等运行参数不断提高，在高温高压的情况下， 由于材质和结构等方面的原因，直接式质量流量计的应用遇到困难，而间接式质量流量计由于密度计受湿度和压力适用范围的限制，往往也不好实际应用。因此，在工业生产中广泛采用的是温度压力补偿式质量流量计。可把它看作一种间接式质量流量计，不是配用密度计，而是利用温度、压力与密度间的关系，用温度、压力信号经函数运算为密度信号，与容积流量相乘而得到质量流量．目前温度、压力补偿式质量流量计虽已实用化，但当被测介质参数变化范围很大或很迅速时，正确地补偿将很困难或不可能，因此进一步研究在实际生产中适用的质量流量计和密度计还是一个课题。

    陈上述常用结构原理的流量计比各种结构的流量计很多，如适用于明渠测流的各种堰式流量计、槽式流量计；适于大口径测流的插入式流量计；测量层流流量的层流流量计；适于二相流测量的相关法流量计；以及激光法、核磁共振法流量计和多种示踪法、稀释法测流等。随着科技的发展和实际应用需要，新型流量计将不断涌现流量计的类型将更为齐全。

 

 

    各种流体流量计选型是指按照生产要求，从仪表产品供应的实际情况出发，综合地考虑测量的**、准确和经济性，并根据被测流体的性质及流动情况确定流量取样装置的方式和测量仪表的型式和规格。

    流量测量的**可靠，首先是测量方式可靠，即取样装置在运行中不会发生机械强度或电气回路故障而引起事故；二是测量仪表无论在正常生产或故障情况下都不致影响生产系统的**。例如，对发电厂高温高压主蒸汽流量的测量，其安装于管道中的一次测量元件必须牢固，以确保在高速汽流冲刷下不发生机构损坏。因此，一般都优先选用标准节流装置，而不选用悬臂梁式双重喇叭管或插入式流量计等非标准测速装置，以及结构强度低的靶式、涡轮流量计等。燃油电厂和有可燃性气体的场合，应选用防爆型仪表。

    在保证仪表**运行的基础上，力求提高仪表的准确性和节能性。为此，不仅要选用满足准确度要求的显示仪表，而且要根据被测介质的特点选择合理的测量方式。发电厂主蒸汽流量测量，由于其对电厂**和经济性至关重要，一般都采用成熟的标准节流装量配差压流量计，化学水处理的污水和燃油分别属脏污流和低雷诺数粘性流，都不适用标准节流件。对脏污流一般选用圆缺孔板等非标准节流件配差压计或超声多普勒式流量计，而粘性流可分别采用容积式、靶式或楔形流量计等。水轮机人口水量、凝汽器循环水量及回热机组的回热蒸汽等都是大管径(400mm以上)的流量测量参数，由于加工创造困难和压损大，一般都不选用标准节流装置。根据被测介质特件及测量准确度要求，分别采用插入式流量计、测速元件配差压计、超声波流量计，或采用标记法、模拟法等无能损方式测流量．

    为保证流量计使用寿命及准确性，选型时还要注意仪表的防振要求。在湿热地区要选择湿热式仪表。

    正确地选择仪表的规格，也是保证仪表使用寿命和准确度的重要一环。应特别注意静压及耐温的选择。仪表的静压即耐压程度，它应稍大于被测介质的工作压力，一般取1．25倍，以保证不发生泄漏或意外。量程范围的选择，主要是仪表刻度上限的选择。选小了，易过载，损坏仪表；选大了，有碍于测量的准确性。一般选为实际运行中*大流量值的1．2一1．3倍。

    安装在生产管道上长期运行的接触式仪表，还应考虑流量测量元件所造成的能量损失。一般情况下，在同一生产管道中不应选用多个压损较大的测量元件，如节流元件等。

    总之，没有一种测量方式或流量计对各种流体及流动情况都能适应的．不同的测量方式和结构，要求不同的测量操作、使用方法和使用条件．每种型式都有它特有的优缺点。因此，应在对各种测量方式和仪表特性作**比较的基础上选择适于生产要求的，既安生可靠又经济耐用的*佳型式