各種流量計工作原理及優缺點講解

測量流體流量的儀表統稱為流量計或流量表．流量計是工業測量中重要的儀表之一．隨著工業生 產的發展，對流量測量的準確度和范圍的要求越來越高，流量測量技術日新月異．為了適應各種用途， 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。

　　按流量計的結構原理進行分類。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。總量表測量一段時間內流過管道的流量,是以短暫時間內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)、相關原理等。

　　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：

　　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,它的使用量百分數逐漸下降,但目前仍是最重要的一類流量計。

　　優點:

　　(1)應用最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)。

　　應用概況:

　　差壓式流量計應用范圍特別廣泛,在封閉管道的流量測量中各種對象都有應用,如流體方面:單相、混 相、潔凈、臟污、粘性流等;工作狀態方面: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。它在各工業部門的用量約占流量計全部用量的 1/4~1/3。

　　優點：

　　標準節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。結構易于復制，簡單、牢固、性能穩定可靠、價格低廉；

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

　　檢測件和差壓顯示儀表可分開不同廠家生產，便與專業化規模生產；

　　缺點：

　　測量的重復性、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雜，精確度難于提 高。范圍度窄，由于流量系數與雷諾數有關,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。一年約需多耗電數萬度，折合人民幣數萬元。下表中列出了孔板在正常壓力

　　損失情況下的能耗計算結果。其中運行天數按三百五十天計算，電價按 0.35 元/度計算。由表中計算電耗數據可見，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！

　　孔板以內孔銳角線來保證精度，因此對腐蝕、磨損、結垢、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。

　　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。

　　應用概況:

　　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,常應用于昂貴介質(油 品、天然氣等)的總量測量。

　　工業發達國家近年 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、流量計有節流式流量計、畢托管流量計、均速管流量計、轉子流量計、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、流量計有熱式質量流量計、差壓式質量流量計、葉輪式質量流量計、哥力式質量流量計、間接式質量流量計，這些是通過測量流體質量來反映流量;

　　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、污水流量計結構簡單、牢固可靠、使用壽命長。

　　2、測量管內無活動部件和阻力部件，無壓損，不會產生阻塞 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、精度最佳的產品,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,屬于最精確的流量計;

　　(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。

　　應用概況:

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

　　體統在歐洲和美國,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。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．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。 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。

　　優點

　　（1）渦街流量計無可動部件，測量元件結構簡單，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。

　　（4） 它造成的壓力損失小。

　　（5） 準確度較高，重復性為 0.5％，且維護量小。

　　缺點

　　（1） 渦街流量計工作狀態下的體積流量不受被測流體溫度、壓力、密度等熱工參數的影響，但液體或蒸汽的最終測量結果應是質量流量，對于氣體，最終測量結果應是標準體積流量。質量流量或標準體 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。

　　（2）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密度；將濕飽和蒸汽假設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。

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

　　（4）對測量臟污介質適應性差。渦街流量計的發生體極易被介質臟污或被污物纏繞，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。

　　（6）耐溫性能差。渦街流量計一般只能測量 300℃以下介質的流體流量。

　　USF 在 60 年代后期進入工業應用,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,同期國內產品估計在 8000~9000 臺。

　　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）電磁流量計的應用有一定局限性，它只能測量導電介質的液體流量，不能測量非導電介質的流量，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。

　　（２）電磁流量計是通過測量導電液體的速度確定工作狀態下的體積流量。按照計量要求，對于液態介質，應測量質量流量，測量介質流量應涉及到流體的密度，不同流體介質具有不同的密度，而且隨溫度變化。如果電磁流量計轉換器不考慮流體密度，僅給出常溫狀態下的體積流量是不合適的。

　　（３）電磁流量計的安裝與調試比其它流量計復雜，且要求更嚴格。變送器和轉換器必須配套使用，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試，必須嚴格按照產品說明書要求進行。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，可能導致儀表無法測量。

　　（５）供水管道結垢或磨損改變內徑尺寸，將影響原定的流量值，造成測量誤差。如100ｍｍ口徑儀表內徑變化1ｍｍ會帶來約2％附加誤差。

　　（６）變送器的測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。應該提高流量轉換器的性能，最好采用微處理機型的轉換器，用它來控制勵磁電壓，按被測流體性質選擇勵磁方式和頻率，可以排除同相干擾和正交干擾。但改進的儀表結構復雜，成本較高。

　　（７）價格較高

　　應用概況:

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