常见的流量计及原理

　　常见流量计

　　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。

　　此外，按测量原理可分为如下几个大类：

　　1、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；利用牛顿第二定律的直接质量式；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。

　　2、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。

　　3、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。

　　4、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。

　　5、光学原理：激光式、光电式等是属于此类原理的仪表。

　　6、原子物理原理：核磁共振式、核辐射式等是属于此类原理的仪表．

　　7、其它原理：有标记原理（示踪原理、核磁共振原理）、相关原理等。

　 按照目前最流行、最广泛的分类法分别来阐述各种流量计的原理、特点、应用概况及国内外的发挥在那情况：

　　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与流体相互作用产生的差压，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（差压转换器和流量显示仪表）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、皮托管原理式-毕托巴流量计等。

　　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）。

　　注：一种新型产品：引进美国航天航空局而开发的平衡流量计，这种流量计的测量精度是传统节流装置的5-10倍，永久压力损失1/3。压力恢复快2倍，最小直管段可以小至1.5D，安装和使用方便，大大减少流体运行的能力消耗。

　　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、常用标准节流装置（孔板）、（喷嘴）、（文丘利管）。

　　2、常用非标准节流装置有（双重孔板）、（圆缺孔板）、（1/4圆喷嘴）和（文丘利喷嘴）。

　　3、孔板常用取压方法有（角接取压）、（法兰取压），其它方法有（理论取压）、（径距取压）和（管接取压）。

　　4、标准孔板法兰取压法，上下游取压孔中心距孔板前后端面的间距均为（25.4±0.8）mm，也叫1英寸法兰取压。

　　5、1151变送器的工作电源范围（12）vdc到（45）vdc，负载从（0）欧姆到（1650）欧姆。

　　6、1151dp4e变送器的测量范围是（0～6.2）到（0～37.4）kpa。

　　7、1151差压变送器的最大正迁移量为（500%），最大负迁移量为（600%）。

　　8、管道内的流体速度，一般情况下，在（管道中心线）处的流速最大，在（管壁）处的流速等于零。

　　9、若（雷诺数）相同，流体的运动就是相似的。

　　10、当充满管道的流体流经节流装置时，流束将在（缩口）处发生（局部收缩），从而使（流速）增加，而（静压力）降低。

　　11、1151差压变送器采用可变电容作为敏感元件，当差压增加时，测量膜片发生位移，于是低压侧的电容量（增加），高压侧的电容量（减少）

　　12、1151差压变送器的最小调校量程使用时，则最大负荷迁移为量程的（600%），最大正迁移为（500%），如果在1151的最大调校量程使用时，则最大负迁移为（100%），正迁移为（0%）。

　　13、1151差压变送器的精度为（±0.2%）和（±0.25%）。　注：大差压变送器为±0.25%

　　14、常用的流量单位、体积流量为（m3/h）、（t/h），质量流量为（kg/h）、（t/h），标准状态下气体体积流量为（nm3/h）。

　　15、用孔板流量计测量蒸汽流量，设计时，蒸汽的密度为4.0kg/m3，而实际工作时的密度为3kg/m3，则实际指示流量是设计流量的（0.866）倍。

　　16、用孔板流量计测量气氨流量，设计压力为0.2mpa（表压），温度为20℃，而实际压力为0.15mpa（表压），温度为30℃，则实际指示流量是设计流量的（0.897）倍。

　　17、节流孔板前的直管段一般要求（10）d，孔板后的直管段一般要求（5）d，为了正确测量，孔板前的直管段最好为（30～50）d，特别是孔板前有泵或调节阀时更是如此。

　　18、为了使孔板流量计的流量系数α趋向定值，流体的雷诺数应大于（界限雷诺数）。

　　19、在孔板加工的技术要求中，上游平面应和孔板中心线（垂直），不应有（可见伤痕），上游面和下游面应（平行），上游入口边缘应（锐利无毛刺和伤痕）。

　　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%。中国产量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。

　　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最高的一类。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。

　　应用概况：

　　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%；中国约占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%。

　　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。

　　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；中小口径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；小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。

　　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。

　　涡街流量计安装点的上游较近处若装有阀门，不断地开关阀门，对流量计的使用寿命影响极大，非常容易对流量计造成永久性损坏。流量计尽量避免在架空的非常长的管道上安装，这样时间一长后，由于流量计的下垂非常容易造成流量计于法兰的密封泄露，若不得已安装时，必须在流量计的上下游2D处分别设置管道紧固装置。安装方面的问题。主要是传感器前面的直管段长度不够，影响测量精度。比如：传感器前面直管段明显不足，由于FIC203不用于计量，仅仅用于控制，目前使用相当于精度降级的使用。

　　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。

　　7、超声波流量计

　　超声波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。

　　8、热式流量计

　　热式流量计传感器包含两个传感元件，一个速度传感器和一个温度传感器。它们自动地补偿和校正气体温度变化。仪表的电加热部分将速度传感器加热到高于工况温度的某一个定值，使速度传感器和测量工况温度的传感器之间形成恒定温差。当保持温差不变时，电加热消耗的能量，也可以说热消散值，与流过气体的质量流量成正比。

　　热式气体质量流量计即Mass Flow Meter（缩写为MFM），它是气体流量计量中新型仪表，区别于其它气体流量计不需要进行压力和温度修正，直接测量气体的质量流量，一支传感器可以做到量程从极低到高量程。它适合单一气体和固定比例多组份气体的测量。

　　热式气体质量流量计是用于测量和控制气体质量流量的新型仪表。可用于石油、化工、钢铁、冶金、电力、轻工、医药、环保等工业部门的空气、烃类气体、可燃性气体、烟道气体的监测。

　　特点：

　　1、可靠性高 重复性好 测量精度高 压损小；

　　2、无活动部件 量程比宽 响应速度快 无须温压补偿。

　　应用：

　　1、工业管道中气体质量流量测量

　　2、烟囱排出的烟气流速测量

　　3、、煅烧炉烟道气流量测量

　　4、燃气过程中空气流量测量

　　5、、压缩空气流量测量

　　6、半道体芯片制造过程中气体流量测量

　　7、、污水处理中气体流量测量

　　8、加热通风和空调系统中的气体流量测量

　　9、、熔剂回收系统气体流量测量

　　10、燃烧锅炉中燃烧气体流量测量

　　11、、天然气、火炬气、氢气等气体流量测量

　　12、、啤酒生产过程中二氧化碳气体流量测量

　　13、、水泥、卷烟、玻璃厂生产过程中气体质量流量测量

　　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。

　　10、靶式流量计

　　靶式流量计是基于力学原理的一种流量计，它在工业上的开发应用已有数十年的历史。中国于20世纪70年代开发电动、气动靶式流量变送器它是电动、气动单元组合仪表的检测仪表。由于当时力转换器直接采用差压变送器的力平衡机构，这种流量计使用时不免带来力平衡机构本身所造成的诸多缺陷，如零位易漂移，测量精确度低，杠杆机构可靠性差等。由于力平衡机构性能不佳的拖累，靶式流量计本身的许多优点亦未能得到有效的发挥，至今用户对旧靶式流量计的不良印象仍未消除。新型靶式流量计的力转换器采用应变式力转换器，它完全消除了上述力平衡机构的缺点，新型靶式流量计还把微电子技术和计算机技术应用到信号转换器和显示部分，流量计具有一系列优点，相信今后在众多流量计中发挥重要的作用。

　　二、 原理和结构

　　1、 工作原理 靶式流量计的原理简图如图1所示。在测量管（仪表表体）中心同轴放置一块园形靶板，当流体冲击靶板时，靶板上受到一个力F，它与流速V，介质密度ρ和靶板受力面积A之间关系式如式（1）所示。（1）式中 F ——靶板上受的力，N；CD ——阻力系数；ρ——流体密度，kg/m3；V——流体流速，m/s；A——靶板受力面积，m2。经推导与换算，得流量计算式如下：式中 qm，qv——分别为质量流量和体积流量，kg/h，m3/h；α——流量系数；D ——测量管内径，mm；β ——直径比，β=d/D；d——靶板直径，mm。其余符号同上。靶板受力经力转换器转换成电信号，经前置放大，AD转换及计算机处理后，可得到相应的流量和总量。如图1所示。图2 靶式流量计结构简图

　　2、 结构形式 靶式流量计结构简图如图2所示它由检测装置，力转换器，信号处理和显示仪几部分组成。检测装置包括测量管和靶板，力转换器为应变计式传感器，信号处理和显示仪可以就地直读显示或远距标准信号传输等。靶式流量计的结构形式可分为管道式，夹装式和插入式等，各类结构形式还可分为一体式和分离式二种。一体式为现场直读显示，而分离式则把数码显示仪与检测装置分离（一般不超过100m）。

　　三、 流量计主要特点

　　1、 感测件为无可动部件，结构简单牢固；

　　2、 应用范围和适应性很广泛，一般工业过程中的流体介质，包括液、气和蒸汽，口径范围（DN15以上），各种工作状态（高、低温，常压、高压）皆可应用，可以说其应用范围可与孔板流量计相比美。

　　3、 准确度高，总量测量可达0.2%R；

　　4、 范围度宽，4：1～15：1至30：1；

　　5、 可解决困难的流量测量问题，如测量含有杂质（微粒）之类的脏污流体；原油、污水、高温渣油、浆液、烧碱液，沥青等；

　　6、 灵敏度高，能测量微小流量，流速可低至0.08m/s；

　　7、 用于小口径（DN15～DN50），低雷诺数（Red=103～5×103）的流体，它可以弥补标准节流装置难以应用的场合，如小口径蒸汽流量测量等；

　　8、 可适应高参数流体的测量，压力高达数十MPa，温度达450℃；

　　9、 可用于双向流动流体的测量；

　　10、 压力损失较低，约为标准孔板的一半；

　　11、 抗上游阻流件干扰能力强，上游侧直管段长度一般5～10D即可；

　　12、 可采取干式（挂重法）校验，给用户周期校验带来方便；

　　13、 直读式仪表无需外能源，清晰明了，操作简便，亦可输出标准信号（脉冲频率或电流信号）；

　　14、 仪表性能价格比高，为经济实惠的流量计；

　　15、 安装简单方便，易维护。