流量仪表的应用

一、流量仪表的分类

测量流体流量的仪表统称为流量计或流量表。流量计是工业测量中重要的仪表之一。随着工业生产的发展，对流量测量的准确度和范围的要求越来越高，流量测量技术日新月异。为了适应各种用途，各种类型的流量计相继问世。目前已投入使用的流量计已超过100种。从不同的角度出发，流量计有不同的分类方法。常用的分类方法有两种：一是按流量计采用的测量原理进行归纳分类；二是按流量计的结构原理进行分类。 
1、 按测量原理分类 
(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)原于物理原理：核磁共振式、核幅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。
2、按流量计结构分类 
1）容积式流量计 
容积式流量计相当于一个标准容积的容器，它接连不断地对流动介质进行度量。流量越大，度量的次数越多，输出的频率越高。容积式流量计的原理比较简单，适于测量高粘度、低雷诺数的流体。根据回转体形状不同，目前生产的产品分：适于测量液体流量的椭圆齿轮流量计、腰轮流量计(罗茨流量计)、旋转活塞和刮板式流量计；适于测量气体流量的伺服式容积流量计、皮膜式和转简流量计等。 
2）叶轮式流量计 
叶轮式流量计的工作原理是将叶轮置于被测流体中，受流体流动的冲击而旋转，以叶轮旋转的快慢来反映流量的大小。典型的叶轮式流量计是水表和涡轮流量计，其结构可以是机械传动输出式或电脉冲输出式。一般机械式传动输出的水表准确度较低，误差约±2%，但结构简单，造价低，国内已批量生产，并标准化、通用化和系列化。电脉冲信号输出的涡轮流量计的准确度较高，一般误差为±0。2%--0。5%。 
3）差压式流量计(变压降式流量计) 
差压式流量计由一次装置和二次装置组成。一次装置称流量测量元件，它安装在被测流体的管道中，产生与流量(流速)成比例的压力差，供二次装置进行流量显示。二次装置称显示仪表。它接收测量元件产生的差压信号，并将其转换为相应的流量进行显示。差压流量计的一次装置常为节流装置或动压测定装置(皮托管、均速管等)。二次装置为各种机械式、电子式、组合式差压计配以流量显示仪表。差压计的差压敏感元件多为弹性元件。由于差压和流量呈平方根关系，故流量显示仪表都配有开平方装置，以使流量刻度线性化。多数仪表还设有流量积算装置，以显示累积流量，以便经济核算。这种利用差压测量流量的方法历史悠久，比较成熟，世界各国一般都用在比较重要的场合，约占各种流量测量方式的70%。发电厂主蒸汽、给水、凝结水等的流量测量都采用这种表计。 
4）变面积式流量计(等压降式流量计) 
放在上大下小的锥形流道中的浮子受到自下而上流动的流体的作用力而移动。当此作用力与浮子的“显示重量”(浮子本身的重量减去它所受流体的浮力)相平衡时，浮子即停止。浮子静止的高度可作为流量大小的量度。由于流量计的通流截面积随浮子高度不同而异，而浮子稳定不动时上下部分的压力差相等，因此该型流量计称变面积式流量计或等压降式流量计。该式流量计的典型仪表是转子(浮子)流量计。 
5）动量式流量计 
利用测量流体的动量来反映流量大小的流量计称动量式流量计。由于流动流体的动量P与流体的密度及流速v的平方成正比，即p v2，当通流截面确定时，v与容积流量Q成正比，故p Q2。设比例系数为A，则Q＝A 因此，测得P，即可反映流量Q。这种型式的流量计，大多利用检测元件把动量转换为压力、位移或力等，然后测量流量。这种流量计的典型仪表是靶式和转动翼板式流量计。 
6）冲量式流量计 
利用冲量定理测量流量的流量计称冲量式流量计，多用于测量颗粒状固体介质的流量，还用来测泥浆、结晶型液体和研磨料等的流量。流量测量范围从每小时几公斤到近万吨。典型的仪表是水平分力式冲量流量计，其测量原理是当被测介质从一定高度h自由下落到有倾斜角的检测板上产生一个冲力，冲力的水平分力马质量流量成正比，故测量这个水平分力即可反映质量流量的大小。按信号(九)的检测方式，该型流量计分位移检测型和直接测力型。 
7）电磁流量计 
电磁流量计是应用导电体在磁场中运动产生感应电动势，而感应电动势又和流量大小成正比，通过测电动势来反映管道流量的原理而制成的。其测量精度和灵敏度都较高。工业上多用以测量水、矿浆等介质的流量。可测最大管径达2m，而且压损极小。但导电率低的介质，如气体、蒸汽等则不能应用。电磁流量计造价较高，且信号易受外磁场干扰，影响了在工业管流测量中的广泛应用。为此，产品在不断改进更新，向微机化发展。 
8）超声波流量计 
超声波流量计是基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测介质的平均流速和声波本身速度的几何和的原理而设计的。它也是由测流速来反映流量大小的。超声波流量计虽然在70年代才出现，但由于它可以制成非接触型式，并可与超声波水位计联动进行开口流量测量，对流体又不产生扰动和阻力，所以很受欢迎，是一种很有发展前途的流量计。 
利用多普勒效应制造的超声多普勒流量计近年来得到广泛的关注，被认为是非接触测量双相流的理想仪表。 
9）流体振荡式流量计 
流体振荡式流量计是利用流体在特定流道条件下流动时将产生振荡，且振荡的频率与流速成比例这一原理设计的。当通流截面一定时，流速与导容积流量成正比。因此，测量振荡频率即可测得流量。这种流量计是70年代开发和发展起来的。由于它兼有无转动部件和脉冲数字输出的优点，很有发展前途。目前典型的产品有涡街流量计、旋进旋涡流量计。 
10）质量流量计 
由于流体的容积受温度、压力等参数的影响，用容积流量表示流量大小时需给出介质的参数。在介质参数不断变化的情况下，往往难以达到这一要求，而造成仪表显示值失真。因此，质量流量计就得到广泛的应用和重视。质量流量计分直接式和间接式两种。直接式质量流量计利用与质量流量直接有关的原理进行测量，目前常用的有量热式、角动量式、振动陀螺式、马格努斯效应式和科里奥利力式等质量流量计。间接式质量流量计是用密度计与容积流量直接相乘求得质量流量的。在现代工业生产中，流动工质的温度、压力等运行参数不断提高，在高温高压的情况下，由于材质和结构等方面的原因，直接式质量流量计的应用遇到困难，而间接式质量流量计由于密度计受湿度和压力适用范围的限制，往往也不好实际应用。因此，在工业生产中广泛采用的是温度压力补偿式质量流量计。可把它看作一种间接式质量流量计，不是配用密度计，而是利用温度、压力与密度间的关系，用温度、压力信号经函数运算为密度信号，与容积流量相乘而得到质量流量。目前温度、压力补偿式质量流量计虽已实用化，但当被测介质参数变化范围很大或很迅速时，正确地补偿将很困难或不可能，因此进一步研究在实际生产中适用的质量流量计和密度计还是一个课题。 
除上述常用结构原理的流量计外，各种结构的流量计还很多，如适用于明渠测流的各种堰式流量计、槽式流量计；适于大口径测流的插入式流量计；测量层流流量的层流流量计；适于二相流测量的相关法流量计；以及激光法、核磁共振法流量计和多种示踪法、稀释法测流等。随着科技的发展和实际应用需要，新型流量计将不断涌现流量计的类型将更为齐全。


二、各类流量计技术特点




差压流量计(DP) 
这是最普通的流量技术，包括孔板、文丘里管和音速喷嘴。DP流量计可用于测量大多数液体、气体和蒸汽的流速。DP流量计没有移动部分，应用广泛，易于使用。但容易堵塞后，流量测量的精确度取决于差压变送器的精确度。由于它产生的压力损失较大，后期维护量大，已逐渐被新型(DP)所取代，如V锥流量计。 
容积流量计(PD) 
PD流量计用于测量液体或气体的体积流速，它将流体引入计量空间内，并计算转动次数。叶轮、齿轮、活塞等用以分流流体。PD流量计的精确度较高，是测量粘性液体的几种方法之一。但是它也会产生不可恢复的压力误差，以及需装有移动部件。 
涡轮流量计 
当流体流经涡轮流量计时，流体使叶轮旋转。叶轮的旋转速度与流体的速度相关。通过叶轮感受到的流体平均流速，推导出流量或总量。涡轮流量计可精确地测量洁净的液体和气体。像PD流量计，涡轮流量计也会产生不可恢复的压力误差，也需要移动部件。 
电磁流量计 
具有传导性的流体在流经电磁场时，通过测量电压可得到流体的速度。电磁流量计没有移动部件，不受流体的影响。在满管时测量导电性液体精确度很高。电磁流量计可用于测量浆状流体的流速。 
因测量精度高，基本不用维护，是理想的计量仪表；但仅适合测量导电的液体，使其应用范围受到限制。 
超声流量计 
传播时间法和多普勒效应法是超声流量计常采用的方法，用以测量流体的平均速度。像其他速度测量计一样，是测量体积流量的仪表。它是无阻碍流量计，如果超声变送器安装在管道外测，就无须插入。它理论上适用于几乎所有的液体，包括浆体。但实际应用中由于生产工艺，技术以及工作环境，管道的污浊等都会影响测量精确度。 
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，游涡的速度与流体的速度成一定比例，从而计算出体积流量。涡街流量计适用与测量液体、气体或蒸汽。它没有移动部件，也没有污垢问题。涡街流量计会产生噪音，而且要求流体具有较高的流速，以产生旋涡。 
热质量流量计 
通过测量流体的温度的升高或热传感器降低来测量流体速度。热式质量流量计没有移动部件或孔，能精确测量气体的流量。热质量流量计是少数能测量质量流量的技术之一，也是少数用于测量大口径气体流量的技术。 
科里奥利流量计 
这种流量计利用振动流体管产生与质量流量相应的偏转来进行测量。科里奥利流量计可用于液体、浆体、气体或蒸汽的质量流量的测量。精确度高。但要对管道壁进行定期的维护，防止腐蚀。




三、各类流量仪表对比


1.1差压式流量计 
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)。
1.2 浮子流量计 
(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；金属管浮子流量计很好的解决了这个问题；
(2)适用于小管径和低流速；
(3)压力损失较低。
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。 
1.3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。 
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。
1.4 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，从而且推导出流量或总量的仪表。 
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。
1.5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 
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。
1.6 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。 
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。
1.7 超声流量计 
超声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。 
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。


四、流量计的应用


1、 污水处理 
污水分为生活污水和工业污水 
污水为固液混合流体，工业污水由于组分复杂，具有腐蚀性，测量难度大，大多数仪表无法进行测量。 
理论上超声波可以应用，时差式超声波流量计因在应用过程中，测量效果差，已很少被使用；多谱勒式超声波仅适合测量无腐蚀性，无大颗粒，大杂质的污水，精度不高，也很少被使用用。 
污水处理主要应用仪表为电磁流量，和少量的明渠流量计。 
2、化工行业 
化工行业是流量仪表应用最广泛的一个行业，各种类型的流量仪表都有自己适用的场合。 
1.测量粘稠的油类介质时，容积式仪表有很好的应用和测量效果；
2.测量空气，蒸汽等气体时，涡街流量计的使用最为普遍，也有采用V锥，孔板等DP仪表的应用；
3.测量各类轻质油，如柴油，汽油，无腐蚀的化学溶剂等，涡轮流量计为首选；
4.氨液，液化气测量使用最多的是孔板和V锥，规模大的企业采用质量流量计；
5.金属转子流量计在化工行业应用也很普遍，主要应用在小流量和过程控制的测量中；
6.化工污水的计量中，电磁流量计是目前唯一的选择。
*防爆是所有化工测量仪表所必须具备的。 
3、食品、医药行业 
1).卫生型电磁流量计 
主要测量洁净水，果汁，乳剂，药液等。 
通常为卡箍式连接，方便拆卸，清洗；材质为不锈钢，内衬为耐高温的FEP，PFA等。由于结构上无死角，便于高温消毒，应用最为广泛。 
2).涡街流量计 
主要测量蒸汽，水，啤酒，食用油等。 
材质为不锈钢，采用法兰夹装，使用方便，缺点是精度与电磁等流量计比较稍差。 
3).涡轮流量计 
目前部分厂家推出卫生型涡轮流量计，多数为法兰夹装，也有卡箍式结构的，测量精度与电磁相当，由于禁油必须采用密封轴承，须定期更换。 
4).质量流量计 
在计量精度要求非常高的场合，质量流量计也有应用，如灌装工序中，对于CO2的计量，很多采用卫生型热式质量流量计。 
食品医药行业流量计特点：1.测量精度要求高；2.表体材质不锈钢，防腐防锈；3.快装式结构方便清洗，维护。 
结论 
由上述可知，流量计发展到今天虽然已日趋成熟，但其种类仍然极其繁多，至今尚无一种对于任何场合都适用的流量计。 
每种流量计都有其适用范围，也都有局限性。这就要求我们： 
(1)在选择仪表时，一定要熟悉仪表和被测对象两方面的情况，并要兼顾考虑其它因素，这样测量才会准确；
(2)努力研制新型仪表，使其在现有的基础上更加完善。