各種流量計工作原理及優(yōu)缺點講解

測量流體流量的儀表統(tǒng)稱為流量計或流量表．流量計是工業(yè)測量中重要的儀表之一．隨著工業(yè)生 產(chǎn)的發(fā)展，對流量測量的準確度和范圍的要求越來越高，流量測量技術(shù)日新月異．為了適應(yīng)各種用途， 各種類型的流量計相繼問世。目前已投入使用的流量計已超過 100 種。

　　每種產(chǎn)品都有它特定的適用性,也都有它的局限性。按測量原理分有力學原理、熱學原理、聲學原 理、電學原理、光學原理、原子物理學原理等。

　　按流量計的結(jié)構(gòu)原理進行分類。有容積式流量計、差壓式流量計、浮子流量計、渦輪流量計、電磁流量計、流體振蕩流量計中的渦街流量計、質(zhì)量流量計和插入式流量計。

　　按測量對象劃分就有封閉管道和明渠兩大類;按測量目的又可分為總量測量和流量測量,其儀表分別 稱作總量表和流量計?？偭勘頊y量一段時間內(nèi)流過管道的流量,是以短暫時間內(nèi)流過的總量除以該時間的 商來表示,實際上流量計通常亦備有累積流量裝置,做總量表使用,而總量表亦備有流量發(fā)訊裝置。因此, 以嚴格意義來分流量計和總量表已無實際意義。

　　1.力學原理：屬于此類原理的儀表有利用伯努利定理的差壓式、轉(zhuǎn)子式；利用動量定理的沖量式、 可動管式；利用牛頓第二定律的直接質(zhì)量式；利用流體動量原理的靶式；利用角動量定理的渦輪式；利 用流體振蕩原理的旋渦式、渦街式；利用總靜壓力差的皮托管式以及容積式和堰、槽式等等。

　　2.電學原理：用于此類原理的儀表有電磁式、差動電容式、電感式、應(yīng)變電阻式等。

　　3.聲學原理：利用聲學原理進行流量測量的有超聲波式．聲學式(沖擊波式)等。

　　4.熱學原理：利用熱學原理測量流量的有熱量式、直接量熱式、間接量熱式等。

　　5.光學原理：激光式、光電式等是屬于此類原理的儀表。

　　6.原于物理原理：核磁共振式、核幅射式等是屬于此類原理的儀表．

　　7.其它原理：有標記原理(示蹤原理、核磁共振原理)、相關(guān)原理等。

　　按當前流量計產(chǎn)品的實際情況，根據(jù)流量計的結(jié)構(gòu)原理，大致上可歸納為以下幾種類型：

　　差壓式流量計是根據(jù)安裝于管道中流量檢測件產(chǎn)生的差壓,已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺 寸來計算流量的儀表。

　　差壓式流量計由一次裝置(檢測件)和二次裝置(差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表)組成。通常以檢測件形式 對差壓式流量計分類,如孔板流量計、文丘里流量計、均速管流量計等。

　　二次裝置為各種機械、電子、機電一體式差壓計,差壓變送器及流量顯示儀表。它已發(fā)展為三化(系列化、通用化及標準化)程度很高的、種類規(guī)格龐雜的一大類儀表,它既可測量流量參數(shù),也可測量其它參數(shù)(如壓力、物位、密度等)。

　　差壓式流量計的檢測件按其作用原理可分為:節(jié)流裝置、水力阻力式、離心式、動壓頭式、動壓頭增益式及射流式幾大類。

　　檢測件又可按其標準化程度分為二大類:標準的和非標準的。

　　所謂標準檢測件是只要按照標準文件設(shè)計、制造、安裝和使用,無須經(jīng)實流標定即可確定其流量值和 估算測量誤差。

　　非標準檢測件是成熟程度較差的,尚未列入國際標準中的檢測件。

　　差壓式流量計是一類應(yīng)用最廣泛的流量計,在各類流量儀表中其使用量占居首位。近年來,由于各種 新型流量計的問世,它的使用量百分數(shù)逐漸下降,但目前仍是最重要的一類流量計。

　　優(yōu)點:

　　(1)應(yīng)用最多的孔板式流量計結(jié)構(gòu)牢固,性能穩(wěn)定可靠,使用壽命長;

　　(2)應(yīng)用范圍廣泛,至今尚無任何一類流量計可與之相比擬;

　　(3)檢測件與變送器、顯示儀表分別由不同廠家生產(chǎn),便于規(guī)模經(jīng)濟生產(chǎn)。

　　缺點:

　　(1)測量精度普遍偏低;

　　(2)范圍度窄,一般僅 3:1~4:1;

　　(3)現(xiàn)場安裝條件要求高;

　　(4)壓損大(指孔板、噴嘴等)。

　　應(yīng)用概況:

　　差壓式流量計應(yīng)用范圍特別廣泛,在封閉管道的流量測量中各種對象都有應(yīng)用,如流體方面:單相、混 相、潔凈、臟污、粘性流等;工作狀態(tài)方面:常壓、高壓、真空、常溫、高溫、低溫等;管徑方面:從幾 mm 到幾 m;流動條件方面:亞音速、音速、脈動流等。它在各工業(yè)部門的用量約占流量計全部用量的 1/4~1/3。

　　優(yōu)點：

　　標準節(jié)流件是全世界通用的，并得到了國際標準組織的認可，無需實流校準，即可投用，在流量 計中亦是唯一的。結(jié)構(gòu)易于復(fù)制，簡單、牢固、性能穩(wěn)定可靠、價格低廉；

　　應(yīng)用范圍廣，包括全部單相流體（液、氣、蒸汽）、部分混相流，一般生產(chǎn)過程的管徑、工作狀態(tài)(溫度、壓力)皆有產(chǎn)品。

　　檢測件和差壓顯示儀表可分開不同廠家生產(chǎn)，便與專業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)；

　　缺點：

　　測量的重復(fù)性、精確度在流量計中屬于中等水平，由于眾多因素的影響錯綜復(fù)雜，精確度難于提 高。范圍度窄，由于流量系數(shù)與雷諾數(shù)有關(guān),一般范圍度僅 3∶1 ～ 4∶1。有較長的直管段長度要求，一般難于滿足。尤其對較大管徑，問題更加突出；壓力損失大； 通常為維持一臺孔板流量計正常運行，水泵需要附加動力克服孔板的壓力損失。該附加耗電量可直接由

　　壓力損失和流量計算確定。一年約需多耗電數(shù)萬度，折合人民幣數(shù)萬元。下表中列出了孔板在正常壓力

　　損失情況下的能耗計算結(jié)果。其中運行天數(shù)按三百五十天計算，電價按 0.35 元/度計算。由表中計算電耗數(shù)據(jù)可見，孔板的附加運行費用是極高的，而采用彎管流量計該運行費用為零！

　　孔板以內(nèi)孔銳角線來保證精度，因此對腐蝕、磨損、結(jié)垢、臟污敏感，長期使用精度難以保證， 需每年拆下強檢一次。采用法蘭連接，易產(chǎn)生跑、冒、滴、漏問題，大大增加了維護工作量。

　　浮子流量計,又稱轉(zhuǎn)子流量計,是變面積式流量計的一種,在一根由下向上擴大的垂直錐管中,圓形橫截面的浮子的重力是由液體動力承受的,從而使浮子可以在錐管內(nèi)自由地上升和下降。

　　浮子流量計是僅次于差壓式流量計應(yīng)用范圍最寬廣的一類流量計,特別在小、微流量方面有舉足輕重的作用。

　　80 年代中期,日本、西歐、美國的銷售金額占流量儀表的 15%~20%。我國產(chǎn)量 1990 年估計在 12~14 萬臺,其中 95%以上為玻璃錐管浮子流量計。

　　特點:

　　(1)玻璃錐管浮子流量計結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,缺點是耐壓力低,有玻璃管易碎的較大風險; 　　(2)適用于小管徑和低流速;

　　(3)壓力損失較低。

　　容積式流量計,又稱定排量流量計,簡稱 PD流量計,在流量儀表中是精度最高的一類。它利用機械測 量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個已知的體積部分,根據(jù)測量室逐次重復(fù)地充滿和排放該體積部分流體 的次數(shù)來測量流體體積總量。

　　容積式流量計按其測量元件分類,可分為橢圓齒輪流量計、刮板流量計、雙轉(zhuǎn)子流量計、旋轉(zhuǎn)活塞流量計、往復(fù)活塞流量計、圓盤流量計、液封轉(zhuǎn)筒式流量計、濕式氣量計及膜式氣量計等。

　　優(yōu)點:

　　(1)計量精度高;

　　(2)安裝管道條件對計量精度沒有影響;

　　(3)可用于高粘度液體的測量;

　　(4)范圍度寬;

　　(5)直讀式儀表無需外部能源可直接獲得累計,總量,清晰明了,操作簡便。

　　缺點:

　　(1)結(jié)果復(fù)雜,體積龐大;

　　(2)被測介質(zhì)種類、口徑、介質(zhì)工作狀態(tài)局限性較大;

　　(3)不適用于高、低溫場合;

　　(4)大部分儀表只適用于潔凈單相流體;

　　(5)產(chǎn)生噪聲及振動。

　　應(yīng)用概況:

　　容積式流量計與差壓式流量計、浮子流量計并列為三類使用量最大的流量計,常應(yīng)用于昂貴介質(zhì)(油 品、天然氣等)的總量測量。

　　工業(yè)發(fā)達國家近年 PD流量計(不包括家用煤氣表和家用水表)的銷售金額占流量儀表的 13%~23%;我國 約占 20%,1990 年產(chǎn)量(不包括家用煤氣表)估計為 34 萬臺,其中橢圓齒輪式和腰輪式分別約占 70%和 20%。

　　污水流量計按計量原理分類：

　　1、流量計有節(jié)流式流量計、畢托管流量計、均速管流量計、轉(zhuǎn)子流量計、靶式流量計，這些流量計是利用伯努利方程原理，通過測量流體差壓信號反映流量;

　　2、流量計有渦輪流量計、渦街流量計、電磁流量計、多普勒超聲波流量計、熱線測速流量計，上自儀股份有限公司這些是通過測量流體流速來反映流量;

　　3、流量計有齒輪式流量計、刮板式流量計、旋轉(zhuǎn)活塞式流量計，這些是通過測量一個個標準體積的小容積來反映流量;

　　4、流量計有熱式質(zhì)量流量計、差壓式質(zhì)量流量計、葉輪式質(zhì)量流量計、哥力式質(zhì)量流量計、間接式質(zhì)量流量計，這些是通過測量流體質(zhì)量來反映流量;

　　5、流量計有堰槽式流量計，它是通過測量液位來反映流量。

　　污水流量計特點：

　　1、污水流量計結(jié)構(gòu)簡單、牢固可靠、使用壽命長。

　　2、測量管內(nèi)無活動部件和阻力部件，無壓損，不會產(chǎn)生阻塞 測量可靠，抗干擾能力強 體積小、重量輕、安裝方便、維護量小、測量范圍寬，測量不受流體溫度、密度、壓力、粘度、電導(dǎo)率等變化的影響，可在老管道上開孔改造安裝，施工安裝簡單，工程量小。

　　渦輪流量計,是速度式流量計中的主要種類,它采用多葉片的轉(zhuǎn)子(渦輪)感受流體平均流速,從而且推 導(dǎo)出流量或總量的儀表。

　　一般它由傳感器和顯示儀兩部分組成,也可做成整體式。

　　渦輪流量計和容積式流量計、科里奧利質(zhì)量流量計稱為流量計中三類重復(fù)性、精度最佳的產(chǎn)品,作為十大類型流量計之一,其產(chǎn)品已發(fā)展為多品種、多系列批量生產(chǎn)的規(guī)模。

　　優(yōu)點:

　　(1)高精度,在所有流量計中,屬于最精確的流量計;

　　(2)重復(fù)性好;

　　(3)元零點漂移,抗干擾能力好;

　　(4)范圍度寬;

　　(5)結(jié)構(gòu)緊湊。

　　缺點:

　　(1)不能長期保持校準特性;

　　(2)流體物性對流量特性有較大影響。

　　應(yīng)用概況:

　　渦輪流量計在以下一些測量對象獲得廣泛應(yīng)用:石油、有機液體、無機液、液化氣、天然氣和低溫流

　　體統(tǒng)在歐洲和美國,渦輪流量計在用量上是僅次于孔板流量計的天然計量儀表,僅荷蘭在天然氣管線上就采用了 2600 多臺各種尺寸,壓力從 0.8~6.5MPa 的氣體渦輪流量計,它們已成為優(yōu)良的天然氣計量儀表。

　　 渦街流量計是在流體中安放一根非流線型游渦發(fā)生體,流體在發(fā)生體兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則地交 錯排列的游渦的儀表。當通流截面一定時，流速與導(dǎo)容積流量成正比。因此，測量振蕩頻率即可測得流量．渦街流量計按頻率檢出方式可分為:應(yīng)力式、應(yīng)變式、電容式、熱敏式、振動體式、光電式及超聲式 等。 這種流量計是 70 年代開發(fā)和發(fā)展起來的．由于它兼有無轉(zhuǎn)動部件和脈沖數(shù)字輸出的優(yōu)點，很有發(fā) 展前途。

　　優(yōu)點

　?。?）渦街流量計無可動部件，測量元件結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，使用壽命長。

　　（2） 渦街流量計測量范圍寬。量程比一般能達到 1：10。

　　（3） 渦街流量計的體積流量不受被測流體的溫度、壓力、密度或粘度等熱工參數(shù)的影響。一般不需 單獨標定。它可以測量液體、氣體或蒸汽的流量。

　?。?） 它造成的壓力損失小。

　?。?） 準確度較高，重復(fù)性為 0.5％，且維護量小。

　　缺點

　?。?） 渦街流量計工作狀態(tài)下的體積流量不受被測流體溫度、壓力、密度等熱工參數(shù)的影響，但液體或蒸汽的最終測量結(jié)果應(yīng)是質(zhì)量流量，對于氣體，最終測量結(jié)果應(yīng)是標準體積流量。質(zhì)量流量或標準體 積流量都必須通過流體密度進行換算，必須考慮流體工況變化引起的流體密度變化。

　?。?）造成流量測量誤差的因素主要有：管道流速不均造成的測量誤差；不能準確確定流體工況變化時的介質(zhì)密度；將濕飽和蒸汽假設(shè)成干飽和蒸汽進行測量。這些誤差如果不加以限制或消除，渦街流量計 的總測量誤差會很大。

　?。?）抗振性能差。外來振動會使渦街流量計產(chǎn)生測量誤差，甚至不能正常工作。通道流體高流速沖擊會使渦街發(fā)生體的懸臂產(chǎn)生附加振動，使測量精度降低。大管徑影響更為明顯。

　?。?）對測量臟污介質(zhì)適應(yīng)性差。渦街流量計的發(fā)生體極易被介質(zhì)臟污或被污物纏繞，改變幾何體尺寸， 對測量精度造成極大影響。

　　（5）直管段要求高。專家指出，渦街流量計直管段一定要保證前 40D 后 20D，才能滿足測量要求。

　?。?）耐溫性能差。渦街流量計一般只能測量 300℃以下介質(zhì)的流體流量。

　　USF 在 60 年代后期進入工業(yè)應(yīng)用,80 年代后期起在各國流量儀表銷售金額中已占 4%~6%。1992 年世界 范圍估計銷售量為 3.54.8萬臺,同期國內(nèi)產(chǎn)品估計在 8000~9000 臺。

　　電磁流量計是根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律制成的一種測量導(dǎo)電性液體的儀表。

　　電磁流量計有一系列優(yōu)良特性,可以解決其它流量計不易應(yīng)用的問題,如臟污流、腐蝕流的測量。

　　70、80 年代電磁流量在技術(shù)上有重大突破,使它成為應(yīng)用廣泛的一類流量計,在流量儀表中其使用量百分數(shù)不斷上升。

　　優(yōu)點:

　　(1)測量通道是段光滑直管,不會阻塞,適用于測量含固體顆粒的液固二相流體,如紙漿、泥漿、污水等;

　　(2)不產(chǎn)生流量檢測所造成的壓力損失,節(jié)能效果好;

　　(3)所測得體積流量實際上不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的明顯影響;

　　(4)流量范圍大,口徑范圍寬;

　　(5)可應(yīng)用腐蝕性流體。

　　缺點:

　　（1）電磁流量計的應(yīng)用有一定局限性，它只能測量導(dǎo)電介質(zhì)的液體流量，不能測量非導(dǎo)電介質(zhì)的流量，例如氣體和水處理較好的供熱用水。另外在高溫條件下其襯里需考慮。

　?。ǎ玻?strong>電磁流量計是通過測量導(dǎo)電液體的速度確定工作狀態(tài)下的體積流量。按照計量要求，對于液態(tài)介質(zhì)，應(yīng)測量質(zhì)量流量，測量介質(zhì)流量應(yīng)涉及到流體的密度，不同流體介質(zhì)具有不同的密度，而且隨溫度變化。如果電磁流量計轉(zhuǎn)換器不考慮流體密度，僅給出常溫狀態(tài)下的體積流量是不合適的。

　?。ǎ常?a astyle_h="1" _t="103" _i="http://www.shyb9.com" _n="http://www.shyb9.com">電磁流量計的安裝與調(diào)試比其它流量計復(fù)雜，且要求更嚴格。變送器和轉(zhuǎn)換器必須配套使用，兩者之間不能用兩種不同型號的儀表配用。在安裝變送器時，從安裝地點的選擇到具體的安裝調(diào)試，必須嚴格按照產(chǎn)品說明書要求進行。安裝地點不能有振動，不能有強磁場。在安裝時必須使變送器和管道有良好的接觸及良好的接地。變送器的電位與被測流體等電位。在使用時，必須排盡測量管中存留的氣體，否則會造成較大的測量誤差。

　　（４）電磁流量計用來測量帶有污垢的粘性液體時，粘性物或沉淀物附著在測量管內(nèi)壁或電極上，使變送器輸出電勢變化，帶來測量誤差，電極上污垢物達到一定厚度，可能導(dǎo)致儀表無法測量。

　?。ǎ担┕┧艿澜Y(jié)垢或磨損改變內(nèi)徑尺寸，將影響原定的流量值，造成測量誤差。如100ｍｍ口徑儀表內(nèi)徑變化1ｍｍ會帶來約2％附加誤差。

　?。ǎ叮┳兯推鞯臏y量信號為很小的毫伏級電勢信號，除流量信號外，還夾雜一些與流量無關(guān)的信號，如同相電壓、正交電壓及共模電壓等。為了準確測量流量，必須消除各種干擾信號，有效放大流量信號。應(yīng)該提高流量轉(zhuǎn)換器的性能，最好采用微處理機型的轉(zhuǎn)換器，用它來控制勵磁電壓，按被測流體性質(zhì)選擇勵磁方式和頻率，可以排除同相干擾和正交干擾。但改進的儀表結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

　?。ǎ罚﹥r格較高

　　應(yīng)用概況:

　　電磁流量計應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,大口徑儀表較多應(yīng)用于給排水工程;中小口徑常用于高要求或難測場合,如鋼鐵工業(yè)高爐風口冷卻水控制,造紙工業(yè)測量紙漿液和黑液,化學工業(yè)的強腐蝕液,有色冶金工業(yè)的礦漿;小口徑、微小口徑常用于醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、生物化學等有衛(wèi)生要求的場所。?EMF從50年代初進入工業(yè)應(yīng)用以來,使用領(lǐng)域日益擴展,80年代后期起在各國流量儀表銷售金額中已占16%~20%。?我國近年發(fā)展迅速,1994年銷售估計為6500~7500臺。國內(nèi)已生產(chǎn)最大口徑為2~6m的ENF,并有實流校驗口徑3m的設(shè)備能力。上自儀股份有限公司上自儀三廠