各種流量計(jì)的原理與性能比較

簡要說明:

眾所周知,測量流體流量的儀表統(tǒng)稱為流量計(jì)或流量表流量計(jì)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(duì)流量測量的準(zhǔn)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(jì)相繼問世。目前已投入使用的流量計(jì)已超過100種。從不同的角度出發(fā)，流量計(jì)有不同的分類方法。常用的分類方法有兩種，一是按流量計(jì)采用的測量原理進(jìn)行歸納分類：二是按流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分類。

一、按測量原理分類

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

(2)    聲學(xué)原理：利用聲學(xué)原理進(jìn)行流量測量的有超聲波式．聲學(xué)式(沖擊波式)等。

(3)    熱學(xué)原理：利用熱學(xué)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(xué)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(biāo)記原理(示蹤原理、核磁共振原理)、相關(guān)原理等。

二、按流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理分類

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

1.容積式流量計(jì)

力學(xué)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(dòng)量定理的沖量式、可動(dòng)管式；利用牛頓第二定律的直接質(zhì)量式；利用流體動(dòng)量原理的靶式；利用角動(dòng)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．葉輪式流量計(jì)葉輪式流量計(jì)的工作原理是將葉輪置于被測流體中，受流體流動(dòng)的沖擊而旋轉(zhuǎn)，以葉輪旋轉(zhuǎn)的快慢來反映流量的大小。典型的葉輪式流量計(jì)是水表和渦輪流量計(jì)，其結(jié)構(gòu)可以是機(jī)械傳動(dòng)輸出式或電脈沖輸出式。一般機(jī)械式傳動(dòng)輸出的水表準(zhǔn)確度較低，誤差約±2％，但結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，國內(nèi)已批量生產(chǎn)，并標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化。電脈沖信號(hào)輸出的渦輪流量計(jì)的準(zhǔn)確度較高，一般誤差為±0．2％一0．5％。

3．差壓式流量計(jì) (變壓降式流量計(jì))

    差壓式流量計(jì)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(chǎn)生與流量(流速)成比例的壓力差，供二次裝置進(jìn)行流量顯示。二次裝置稱顯示儀表。它接收測量元件產(chǎn)生的差壓信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的流量進(jìn)行顯示．差壓流量計(jì)的一次裝置常為節(jié)流裝置或動(dòng)壓測定裝置(皮托管、均速管等)。二次裝置為各種機(jī)械式、電子式、組合式差壓計(jì)配以流量顯示儀表．差壓計(jì)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(guān)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(shù)儀表還設(shè)有流量積算裝置，以顯示累積流量，以便經(jīng)濟(jì)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(fā)電廠主蒸汽、給水、凝結(jié)水等的流量測量都采用這種表計(jì)。

4．變面積式流量計(jì)等壓降式流量計(jì))

    放在上大下小的錐形流道中的浮子受到自下而上流動(dòng)的流體的作用力而移動(dòng)。當(dāng)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(shí)，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(jì)的通流截面積隨浮子高度不同而異，而浮子穩(wěn)定不動(dòng)時(shí)上下部分的壓力差相等，因此該型流量計(jì)稱變面積式流量計(jì)或等壓降式流量計(jì)。該式流量計(jì)的典型儀表是轉(zhuǎn)子(浮子)流量計(jì)。

5．動(dòng)量式流量計(jì)

    利用測量流體的動(dòng)量來反映流量大小的流量計(jì)稱動(dòng)量式流量計(jì)．由于流動(dòng)流體的動(dòng)量P與流體的密度

及流速v的平方成正比，即p v²，當(dāng)通流截面確定時(shí)，v與容積流量Q成正比，故p Q²。設(shè)比例系數(shù)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(jì)，大多利用檢測元件把動(dòng)量轉(zhuǎn)換為壓力、位移或力等，然后測量流量。這種流量計(jì)的典型儀表是靶式和轉(zhuǎn)動(dòng)翼板式流量計(jì)。

6．沖量式流量計(jì)

    利用沖量定理測量流量的流量計(jì)稱沖量式流量計(jì)，多用于測量顆粒狀固體介質(zhì)的流量，還用來測泥漿、結(jié)晶型液體和研磨料等的流量。流量測量范圍從每小時(shí)幾公斤到近萬噸。典型的儀表是水平分力式?jīng)_量流量計(jì)，其測量原理是當(dāng)被測介質(zhì)從一定高度h自由下落到有傾斜角

的檢測板上產(chǎn)生一個(gè)沖力，沖力的水平分力馬質(zhì)量流量成正比，故測量這個(gè)水平分力即可反映質(zhì)量流量的大小。按信號(hào)(九)的檢測方式，該型流量計(jì)分位移檢測型和直接測力型。

7．電磁流量計(jì)

   電磁流量計(jì)是應(yīng)用導(dǎo)電體在磁場中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，而感應(yīng)電動(dòng)勢又和流量大小成正比，通過測電動(dòng)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(yè)上多用以測量水、礦漿等介質(zhì)的流量。可測最大管徑達(dá)2m，而且壓損極小。但導(dǎo)電率低的介質(zhì)，如氣體、蒸汽等則不能應(yīng)用。

   電磁流量計(jì)造價(jià)較高，且信號(hào)易受外磁場干擾，影響了在工業(yè)管流測量中的廣泛應(yīng)用。為此，產(chǎn)品在不斷改進(jìn)更新，向微機(jī)化發(fā)展．

8．超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)是基于超聲波在流動(dòng)介質(zhì)中傳播的速度等于被測介質(zhì)的平均流速和聲波本身速度的幾何和的原理而設(shè)計(jì)的。它也是由測流速來反映流量大小的。超聲波流量計(jì)雖然在70年代才出現(xiàn)，但由于它可以制成非接觸型式，并可與超聲波水位計(jì)聯(lián)動(dòng)進(jìn)行開口流量測量，對(duì)流體又不產(chǎn)生擾動(dòng)和阻力，所以很受歡迎，是一種很有發(fā)展前途的流量計(jì)。

    利用多普勒效應(yīng)制造的超聲多普勒流量計(jì)近年來得到廣泛的關(guān)注，被認(rèn)為是非接觸測量雙相流的理想儀表。

9．流體振蕩式流量計(jì)

    流體振蕩式流量計(jì)是利用流體在特定流道條件下流動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生振蕩，且振蕩的頻率與流速成比例這一原理設(shè)計(jì)的．當(dāng)通流截面一定時(shí)，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．這種流量計(jì)是70年代開發(fā)和發(fā)展起來的．由于它兼有無轉(zhuǎn)動(dòng)部件和脈沖數(shù)字輸出的優(yōu)點(diǎn)，很有發(fā)展前途。目前典型的產(chǎn)品有渦街流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)。

10．質(zhì)量流量計(jì)

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

    在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，流動(dòng)工質(zhì)的溫度、壓力等運(yùn)行參數(shù)不斷提高，在高溫高壓的情況下，  由于材質(zhì)和結(jié)構(gòu)等方面的原因，直接式質(zhì)量流量計(jì)的應(yīng)用遇到困難，而間接式質(zhì)量流量計(jì)由于密度計(jì)受濕度和壓力適用范圍的限制，往往也不好實(shí)際應(yīng)用。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用的是溫度壓力補(bǔ)償式質(zhì)量流量計(jì)。可把它看作一種間接式質(zhì)量流量計(jì)，不是配用密度計(jì)，而是利用溫度、壓力與密度間的關(guān)系，用溫度、壓力信號(hào)經(jīng)函數(shù)運(yùn)算為密度信號(hào)，與容積流量相乘而得到質(zhì)量流量．目前溫度、壓力補(bǔ)償式質(zhì)量流量計(jì)雖已實(shí)用化，但當(dāng)被測介質(zhì)參數(shù)變化范圍很大或很迅速時(shí)，正確地補(bǔ)償將很困難或不可能，因此進(jìn)一步研究在實(shí)際生產(chǎn)中適用的質(zhì)量流量計(jì)和密度計(jì)還是一個(gè)課題。

    陳上述常用結(jié)構(gòu)原理的流量計(jì)比各種結(jié)構(gòu)的流量計(jì)很多，如適用于明渠測流的各種堰式流量計(jì)、槽式流量計(jì)；適于大口徑測流的插入式流量計(jì)；測量層流流量的層流流量計(jì)；適于二相流測量的相關(guān)法流量計(jì)；以及激光法、核磁共振法流量計(jì)和多種示蹤法、稀釋法測流等。隨著科技的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用需要，新型流量計(jì)將不斷涌現(xiàn)流量計(jì)的類型將更為齊全。

流量單位的換算

 

體積流量換算表

單位	升/分 (L/min)	米3/時(shí) (m3/h)	英尺3/時(shí) (ft3/h)	英國加侖/分 (Ukgal/min)	美國加侖/分 (Usgal/min)	美國桶/天 (bbl/d)
升/分	1	0.06	2.1189	0.21997	0.264188	9.057
米3/時(shí)	16.667	1	35.314	3.667	4.403	151
英尺3/時(shí)	0.4719	0.028317	1	0.1038	0.1247	4.2746
英國加侖/分	4.546	0.02727	9.6325	1	1.20032	41.1
美國加侖/分	3.785	0.2273	8.0208	0.8326	1	34.28
美國桶/天	0.1104	0.00624	0.23394	0.02428	0.02917	1

質(zhì)量流量換算表

單位	千克/時(shí) (kg/h)	千克/分 (kg/min)	千克/秒 (kg/s)	噸/時(shí) (t/h)	磅/時(shí) (lb/h)	磅/秒 (lb/s)
千克/時(shí)	1	16.7×10－3	278×10－6	0.001	2.205	612×10－6
千克/分	60	1	16.7×10－3	0.06	132.3	36.7×10－3
	3600	60	1	3.6	7.9×103	2.205
噸/時(shí)	1000	16.7	278×10－3	1	2205	612×10－3
磅/時(shí)	0.454	7.56×10－3	126×10－6	0.454×10－3	1	278×10－6
磅/秒	1633	27.2	0.454	1.63	3600	1

 

各種流量計(jì)選型原則

    各種流體流量計(jì)選型是指按照生產(chǎn)要求，從儀表產(chǎn)品供應(yīng)的實(shí)際情況出發(fā)，綜合地考慮測量的安全、準(zhǔn)確和經(jīng)濟(jì)性，并根據(jù)被測流體的性質(zhì)及流動(dòng)情況確定流量取樣裝置的方式和測量儀表的型式和規(guī)格。

    流量測量的安全可靠，首先是測量方式可靠，即取樣裝置在運(yùn)行中不會(huì)發(fā)生機(jī)械強(qiáng)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(chǎn)或故障情況下都不致影響生產(chǎn)系統(tǒng)的安全。例如，對(duì)發(fā)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(fā)生機(jī)構(gòu)損壞。因此，一般都優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，而不選用懸臂梁式雙重喇叭管或插入式流量計(jì)等非標(biāo)準(zhǔn)測速裝置，以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低的靶式、渦輪流量計(jì)等。燃油電廠和有可燃性氣體的場合，應(yīng)選用防爆型儀表。

    在保證儀表安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，力求提高儀表的準(zhǔn)確性和節(jié)能性。為此，不僅要選用滿足準(zhǔn)確度要求的顯示儀表，而且要根據(jù)被測介質(zhì)的特點(diǎn)選擇合理的測量方式。發(fā)電廠主蒸汽流量測量，由于其對(duì)電廠安全和經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要，一般都采用成熟的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝量配差壓流量計(jì)，化學(xué)水處理的污水和燃油分別屬臟污流和低雷諾數(shù)粘性流，都不適用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件。對(duì)臟污流一般選用圓缺孔板等非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件配差壓計(jì)或超聲多普勒式流量計(jì)，而粘性流可分別采用容積式、靶式或楔形流量計(jì)等。水輪機(jī)人口水量、凝汽器循環(huán)水量及回?zé)釞C(jī)組的回?zé)嵴羝榷际谴蠊軓?span>( 400mm以上)的流量測量參數(shù)，由于加工創(chuàng)造困難和壓損大，一般都不選用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置。根據(jù)被測介質(zhì)特件及測量準(zhǔn)確度要求，分別采用插入式流量計(jì)、測速元件配差壓計(jì)、超聲波流量計(jì)，或采用標(biāo)記法、模擬法等無能損方式測流量．

    為保證流量計(jì)使用壽命及準(zhǔn)確性，選型時(shí)還要注意儀表的防振要求。在濕熱地區(qū)要選擇濕熱式儀表。

    正確地選擇儀表的規(guī)格，也是保證儀表使用壽命和準(zhǔn)確度的重要一環(huán)。應(yīng)特別注意靜壓及耐溫的選擇。儀表的靜壓即耐壓程度，它應(yīng)稍大于被測介質(zhì)的工作壓力，一般取1．25倍，以保證不發(fā)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(zhǔn)確性。一般選為實(shí)際運(yùn)行中最大流量值的1．2一1．3倍。

    安裝在生產(chǎn)管道上長期運(yùn)行的接觸式儀表，還應(yīng)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(chǎn)管道中不應(yīng)選用多個(gè)壓損較大的測量元件，如節(jié)流元件等。

    總之，沒有一種測量方式或流量計(jì)對(duì)各種流體及流動(dòng)情況都能適應(yīng)的．不同的測量方式和結(jié)構(gòu)，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(yōu)缺點(diǎn)。因此，應(yīng)在對(duì)各種測量方式和儀表特性作全面比較的基礎(chǔ)上選擇適于生產(chǎn)要求的，既安生可靠又經(jīng)濟(jì)耐用的最佳型式