1 概述
液體氣體流量測量方法和儀表的種類繁多,分類方法也很多。至今為止,可供工業用的流量儀表種類達60種之多。品種如此之多的原因就在于至今還沒找到一種對任何流體、任何量程、任何流動狀態以及任何使用條件都適用的流量儀表。
這60多種流量儀表,每種產品都有它特定的適用性,也都有它的局限性。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。
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。
本文按照目前*流行、*廣泛的分類法,即分為: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、質量流量計等來分別簡單介紹各種流量計的原理、特點。
1.1差壓式流量計
差壓式流量計是根據安裝于管道中流量檢測件產生的差壓,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。它已發展為三化(系列化、通用化及標準化)程度很高的、種類規格龐雜的一大類儀表,它既可測量流量參數,也可測量其它參數(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計、制造、安裝和使用,無須經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用*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,它的使用量百分數逐漸下降,但目前仍是*重要的一類流量計。
優點:
(1)應用*多的孔板式流量計結構牢固,性能穩定可靠,使用壽命長;
(2)應用范圍廣泛,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,便于規模經濟生產。
缺點:
(1)測量精度普遍偏低;
(2)范圍度窄,一般僅3:1~4:1;
(3)現場安裝條件要求高;
(4)壓損大(指孔板、噴嘴等)。
1.2 浮子流量計
浮子流量計,又稱轉子流量計,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自由地上升和下降。
浮子流量計是僅次于差壓式流量計應用范圍*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。
特點:
(1)玻璃錐管浮子流量計結構簡單,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。
1.3容積式流量計
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*高的一類。它利用機械測量元件把流體連續不斷地分割成單個已知的體積部分,根據測量室逐次重復地充滿和排放該體積部分流體的次數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、雙轉子流量計、旋轉活塞流量計、往復活塞流量計、圓盤流量計、液封轉筒式流量計、濕式氣量計及膜式氣量計等。
優點:
(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)結果復雜,體積龐大;
(2)被測介質種類、口徑、介質工作狀態局限性較大;
(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)產生噪聲及振動。
1.4 渦輪流量計
渦輪流量計,是速度式流量計中的主要種類,它采用多葉片的轉子(渦輪)感受流體平均流速,從而且推導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、科里奧利質量流量計稱為流量計中三類重復性、精度*佳的產品,作為十大類型流量計之一,其產品已發展為多品種、多系列批量生產的規模。
優點:
(1)高精度,在所有流量計中,屬于***的流量計;
(2)重復性好;
(3)元零點漂移,抗干擾能力好;
(4)范圍度寬;
(5)結構緊湊。
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。
1.5電磁流量計
電磁流量計是根據法拉弟電磁感應定律制成的一種測量導電性液體的儀表。
電磁流量計有一系列優良特性,可以解決其它流量計不易應用的問題,如臟污流、腐蝕流的測量。
70、80年代電磁流量在技術上有重大突破,使它成為應用廣泛的一類流量計,在流量儀表中其使用量百分數不斷上升。
優點:
(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)不產生流量檢測所造成的壓力損失,節能效果好;
(3)所測得體積流量實際上不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導率變化的明顯影響;
(4)流量范圍大,口徑范圍寬;
(5)可應用腐蝕性流體。
缺點:
(1)不能測量電導率很低的液體,如石油制品;
(2)不能測量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體;
(3)不能用于較高溫度。
1.6 渦街流量計
渦街流量計是在流體中安放一根非流線型游渦發生體,流體在發生體兩側交替地分離釋放出兩串規則地交錯排列的游渦的儀表。
渦街流量計按頻率檢出方式可分為:應力式、應變式、電容式、熱敏式、振動體式、光電式及超聲式等。
渦街流量計是屬于*年輕的一類流量計,但其發展迅速,目前已成為通用的一類流量計。
優點:
(1)結構簡單牢固;
(2)適用流體種類多;
(3)精度較高;
(4)范圍度寬;
(5)壓損小。
缺點:
(1)不適用于低雷諾數測量;
(2)需較長直管段;
(3)儀表系數較低(與渦輪流量計相比);
(4)儀表在脈動流、多相流中尚缺乏應用經驗。
1.7 超聲流量計
超聲流量計是通過檢測流體流動對超聲束(或超聲脈沖)的作用以測量流量的儀表。
根據對信號檢測的原理超聲流量計可分為傳播速度差法(直接時差法、時差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、互相關法、空間濾法及噪聲法等。
超聲流量計和電磁流量計一樣,因儀表流通通道未設置任何阻礙件,均屬無阻礙流量計,是適于解決流量測量困難問題的一類流量計,特別在大口徑流量測量方面有較突出的優點,近年來它是發展迅速的一類流量計之一。
優點:
(1)可做非接觸式測量;
(2)為無流動阻撓測量,無壓力損失;
(3)可測量非導電性液體,對無阻撓測量的電磁流量計是一種補充。
缺點:
(1)傳播時間法只能用于清潔液體和氣體;而多普勒法只能用于測量含有一定量懸浮顆粒和氣泡的液體;
(2)多普勒法測量精度不高。
1.8 科里奧利質量流量計
科里奧利質量流量計(以下簡稱CMF)是利用流體在振動管中流動時,產生與質量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質量流量儀表。
1.9明渠流量計
與前述幾種不同,它是在非滿管狀敞開渠道測量自由表面自然流的流量儀表。
非滿管態流動的水路稱作明渠,測量明渠中水流流量的稱作明渠流量計(open channel flowmeter)。
明渠流量計除圓形外,還有U字形、梯形、矩形等多種形狀。
明渠流量計應用場所有城市供水引水渠;火電廠引水和排水渠、污水治理流入和排放渠;工礦企業水排放以及水利工程和農業灌溉用渠道。
10 復合效應流量儀表(combined effects meter)
該儀表的工作原理是基于流體的動量和壓力作用于儀表腔體產生的變形,測量復合效應的變形求取流量。
由上述可知,流量計發展到今天雖然已日趨成熟,但其種類仍然極其繁多,至今尚無一種對于任何場合都適用的流量計。
每種流量計都有其適用范圍,也都有局限性。這就要求我們:
(1)在選擇儀表時,一定要熟悉儀表和被測對象兩方面的情況,并要兼顧考慮其它因素,這樣測量才會準確;
(2)努力研制新型儀表,使其在現有的基礎上更加完善。

 

 

(1)    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、應變電阻式等。

(2)    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。

(3)    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。

(4)    光學原理：激光式、光電式等是屬于此類原理的儀表。

(5)    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．

(6)    其它原理：有標記原理(示蹤原理、核磁共振原理)、相關原理等。

二、按流量計結構原理分類

按當前流量計產品的實際情況，根據流量計的結構原理，大致上可歸納為以下幾種類型：

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、轉子式；利用動量定理的沖量式、可動管式；利用牛頓**定律的直接質量式；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。

    差壓式流量計由一次裝置和二次裝置組成．一次裝置稱流量測量元件，它安裝在被測流體的管道中，產生與流量(流速)成比例的壓力差，供二次裝置進行流量顯示。二次裝置稱顯示儀表。它接收測量元件產生的差壓信號，并將其轉換為相應的流量進行顯示．差壓流量計的一次裝置常為節流裝置或動壓測定裝置(皮托管、均速管等)。二次裝置為各種機械式、電子式、組合式差壓計配以流量顯示儀表．差壓計的差壓敏感元件多為彈性元件。由于差壓和流量呈平方根關系，故流量顯示儀表都配有開平方裝置，以使流量刻度線性化。多數儀表還設有流量積算裝置，以顯示累積流量，以便經濟核算。這種利用差壓測量流量的方法歷史悠久，比較成熟，世界各國一般都用在比較重要的場合，約占各種流量測量方式的70％。發電廠主蒸汽、給水、凝結水等的流量測量都采用這種表計。

    放在上大下小的錐形流道中的浮子受到自下而上流動的流體的作用力而移動。當此作用力與浮子的“顯示重量”(浮子本身的重量減去它所受流體的浮力)相平衡時，俘子即靜止。浮子靜止的高度可作為流量大小的量度。由于流量計的通流截面積隨浮子高度不同而異，而浮子穩定不動時上下部分的壓力差相等，因此該型流量計稱變面積式流量計或等壓降式流量計。該式流量計的典型儀表是轉子(浮子)流量計。

    利用測量流體的動量來反映流量大小的流量計稱動量式流量計．由于流動流體的動量P與流體的密度及流速v的平方成正比，即p v²，當通流截面確定時，v與容積流量Q成正比，故p Q²。設比例系數為A，則Q＝A因此，測得P，即可反映流量Q．這種型式的流量計，大多利用檢測元件把動量轉換為壓力、位移或力等，然后測量流量。這種流量計的典型儀表是靶式和轉動翼板式流量計。

    利用沖量定理測量流量的流量計稱沖量式流量計，多用于測量顆粒狀固體介質的流量，還用來測泥漿、結晶型液體和研磨料等的流量。流量測量范圍從每小時幾公斤到近萬噸。典型的儀表是水平分力式沖量流量計，其測量原理是當被測介質從一定高度h自由下落到有傾斜角的檢測板上產生一個沖力，沖力的水平分力馬質量流量成正比，故測量這個水平分力即可反映質量流量的大小。按信號(九)的檢測方式，該型流量計分位移檢測型和直接測力型。

    電磁流量計是應用導電體在磁場中運動產生感應電動勢，而感應電動勢又和流量大小成正比，通過測電動勢來反映管道流量的原理而制成的。其測量精度和靈敏度都較高。工業上多用以測量水、礦漿等介質的流量。可測*大管徑達2m，而且壓損極小。但導電率低的介質，如氣體、蒸汽等則不能應用。

    電磁流量計造價較高，且信號易受外磁場干擾，影響了在工業管流測量中的廣泛應用。為此，產品在不斷改進更新，向微機化發展．

    利用多普勒效應制造的超聲多普勒流量計近年來得到廣泛的關注，被認為是非接觸測量雙相流的理想儀表。

    流體振蕩式流量計是利用流體在特定流道條件下流動時將產生振蕩，且振蕩的頻率與流速成比例這一原理設計的．當通流截面一定時，流速與導容積流量成正比。因此，測量振蕩頻率即可測得流量．這種流量計是70年代開發和發展起來的．由于它兼有無轉動部件和脈沖數字輸出的優點，很有發展前途。目前典型的產品有渦街流量計、旋進旋渦流量計。

    由于流體的容積受溫度、壓力等參數的影響，用容積流量表示流量大小時需給出介質的參數。在介質參數不斷變化的情況下，往往難以達到這一要求，而造成儀表顯示值失真。因此，質量流量計就得到廣泛的應用和重視。質量流量計分直接式和間接式兩種。直接式質量流量計利用與質量流量直接有關的原理進行測量，目前常用的有量熱式、角動量式、振動陀螺式、馬格努斯效應式和科里奧利力式等質量流量計。間接式質量流量計是用密度計與容積流量直接相乘求得質量流量的。

    在現代工業生產中，流動工質的溫度、壓力等運行參數不斷提高，在高溫高壓的情況下， 由于材質和結構等方面的原因，直接式質量流量計的應用遇到困難，而間接式質量流量計由于密度計受濕度和壓力適用范圍的限制，往往也不好實際應用。因此，在工業生產中廣泛采用的是溫度壓力補償式質量流量計。可把它看作一種間接式質量流量計，不是配用密度計，而是利用溫度、壓力與密度間的關系，用溫度、壓力信號經函數運算為密度信號，與容積流量相乘而得到質量流量．目前溫度、壓力補償式質量流量計雖已實用化，但當被測介質參數變化范圍很大或很迅速時，正確地補償將很困難或不可能，因此進一步研究在實際生產中適用的質量流量計和密度計還是一個課題。

    陳上述常用結構原理的流量計比各種結構的流量計很多，如適用于明渠測流的各種堰式流量計、槽式流量計；適于大口徑測流的插入式流量計；測量層流流量的層流流量計；適于二相流測量的相關法流量計；以及激光法、核磁共振法流量計和多種示蹤法、稀釋法測流等。隨著科技的發展和實際應用需要，新型流量計將不斷涌現流量計的類型將更為齊全。

 

 

    各種流體流量計選型是指按照生產要求，從儀表產品供應的實際情況出發，綜合地考慮測量的**、準確和經濟性，并根據被測流體的性質及流動情況確定流量取樣裝置的方式和測量儀表的型式和規格。

    流量測量的**可靠，首先是測量方式可靠，即取樣裝置在運行中不會發生機械強度或電氣回路故障而引起事故；二是測量儀表無論在正常生產或故障情況下都不致影響生產系統的**。例如，對發電廠高溫高壓主蒸汽流量的測量，其安裝于管道中的一次測量元件必須牢固，以確保在高速汽流沖刷下不發生機構損壞。因此，一般都優先選用標準節流裝置，而不選用懸臂梁式雙重喇叭管或插入式流量計等非標準測速裝置，以及結構強度低的靶式、渦輪流量計等。燃油電廠和有可燃性氣體的場合，應選用防爆型儀表。

    在保證儀表**運行的基礎上，力求提高儀表的準確性和節能性。為此，不僅要選用滿足準確度要求的顯示儀表，而且要根據被測介質的特點選擇合理的測量方式。發電廠主蒸汽流量測量，由于其對電廠**和經濟性至關重要，一般都采用成熟的標準節流裝量配差壓流量計，化學水處理的污水和燃油分別屬臟污流和低雷諾數粘性流，都不適用標準節流件。對臟污流一般選用圓缺孔板等非標準節流件配差壓計或超聲多普勒式流量計，而粘性流可分別采用容積式、靶式或楔形流量計等。水輪機人口水量、凝汽器循環水量及回熱機組的回熱蒸汽等都是大管徑(400mm以上)的流量測量參數，由于加工創造困難和壓損大，一般都不選用標準節流裝置。根據被測介質特件及測量準確度要求，分別采用插入式流量計、測速元件配差壓計、超聲波流量計，或采用標記法、模擬法等無能損方式測流量．

    為保證流量計使用壽命及準確性，選型時還要注意儀表的防振要求。在濕熱地區要選擇濕熱式儀表。

    正確地選擇儀表的規格，也是保證儀表使用壽命和準確度的重要一環。應特別注意靜壓及耐溫的選擇。儀表的靜壓即耐壓程度，它應稍大于被測介質的工作壓力，一般取1．25倍，以保證不發生泄漏或意外。量程范圍的選擇，主要是儀表刻度上限的選擇。選小了，易過載，損壞儀表；選大了，有礙于測量的準確性。一般選為實際運行中*大流量值的1．2一1．3倍。

    安裝在生產管道上長期運行的接觸式儀表，還應考慮流量測量元件所造成的能量損失。一般情況下，在同一生產管道中不應選用多個壓損較大的測量元件，如節流元件等。

    總之，沒有一種測量方式或流量計對各種流體及流動情況都能適應的．不同的測量方式和結構，要求不同的測量操作、使用方法和使用條件．每種型式都有它特有的優缺點。因此，應在對各種測量方式和儀表特性作**比較的基礎上選擇適于生產要求的，既安生可靠又經濟耐用的*佳型式