常見流量計的應用與選型

測量流體流量的儀表統(tǒng)稱為流量計或流量表，流量計是工業(yè)測量中重要的儀表之一，它被廣泛適用于冶金、電力、煤炭、化工、石油、 交通、建筑、輕紡、食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護及人民日常生活等國民經(jīng)濟各個領域，是發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，節(jié)約能源，改進產(chǎn)品質(zhì)量，提高經(jīng)濟效益和管理水平的重要工具，在國民經(jīng)濟中占有重要的地位。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60多種。按照目前最流行、最廣泛的分類法，即分為：差壓式流量計、渦街流量計、渦輪流量計、浮子流量計、數(shù)字靶式流量計、電磁流量計、超聲波流量計。

1 差壓式流量計

    1.1 差壓式流量計

    差壓式流量計是根據(jù)安裝于管道中流量檢測件產(chǎn)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。差壓式流量計是工業(yè)上使用最多的流量計之一，其測量精度是由其測量原理、結(jié)構(gòu)、制造工藝水平、被測流體的性質(zhì)和使用條件等決定的差壓式流量計由一次裝置（檢測件）和二次裝置（差壓轉(zhuǎn)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、V錐流量計等。

   1.1.1 孔板流量計

    孔板流量計的工作原理：在流體的流動管道上裝有一個節(jié)流裝置，其內(nèi)裝有一個孔板，中心開有一個圓孔，其孔徑比管道內(nèi)徑小，在孔板前流體穩(wěn)定的向前流動，流體流過孔板時由于孔徑變小，截面積收縮，使穩(wěn)定流動狀態(tài)被打亂，因而流速將發(fā)生變化，速度加快，氣體的靜壓隨之降低，于是在孔板前后產(chǎn)生壓力降落，即差壓（孔板前截面大的地方壓力大，通過孔板截面小的地方壓力?。?。差壓的大小和流體流量有確定的數(shù)值關系，即流量大時，差壓就大，流量小時，差壓就小。流量與差壓的平方根成正比

 1.1.2 V錐流量計

    V形錐流量計源于美國MCROMETER，是一種極具優(yōu)勢的新型差壓式流量儀表。從二十幾年前誕生開始，就以其常規(guī)差壓儀表無法相比的的諸多優(yōu)點，迅速在流量測量領域得到了廣泛的應用和好評。V錐流量計是一種全新的差壓式流量計量裝置，它以獨特的邊壁逐步收縮節(jié)流方式，一改傳統(tǒng)節(jié)流裝置的幾乎所有的缺點，是差壓流量計革命性成果。其原理與其他差壓式流量計一樣，是經(jīng)典的密閉管道中能量守恒原理和流動連續(xù)性原理，并具有自整流、自清洗、自保護功能；直管段要求極短，無積污、堵塞，可保持長期穩(wěn)定性。

    V錐流量計其工作原理和孔板流量計相同。介質(zhì)通過V錐時，由于阻流件V錐的存在，使得流體的流過面積發(fā)生變化，流速發(fā)生變化，根據(jù)伯努利方程，流速變化引起了壓力的變化，該壓力的變化與流速之間有一定的關系。通過測量該壓力差達到測量流量的目的。雖然與孔板原理一樣，但是最本質(zhì)的區(qū)別在于孔板為中心收縮型節(jié)流裝置，而V錐為邊壁收縮型節(jié)流裝置[2]。

    V錐和孔板比較，V錐的信噪比要小的多。由于信噪比小，V錐在小流量測量時，即使測量的差壓在較小的工況下也可以精確地進行測量。

    V錐流量計也有一些缺點，例如：需要標定、售價較高等。

2 渦街流量計

    2.1 渦街流量計特點

    渦街流量計主要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測量，如氣體、液體、蒸氣等多種介質(zhì)。其特點是壓力損失小，量程范圍大，精度高，重復性好，在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響。無可動機械零件，因此可靠性高，維護量小。儀表參數(shù)能長期穩(wěn)定。

    渦街流量計是應用流體振蕩原理來測量流量的，流體在管道中經(jīng)過渦街流量變送器時，在三角柱的旋渦發(fā)生體后上下交替產(chǎn)生正比于流速的兩列旋渦，旋渦的釋放頻率與流過旋渦發(fā)生體的流體平均速度及旋渦發(fā)生體特征寬度有關，可用下式表示：

    式中：f—旋渦的釋放頻率，Hz；    

    v—流過旋渦發(fā)生體的流體平均速度，m/s；    

    d—旋渦發(fā)生體特征寬度，m；

    St—斯特羅哈數(shù)，無量綱，它的數(shù)值范圍為0114～0127。

    St是雷諾數(shù)的函數(shù)，St=f（1/Re）。當雷諾數(shù)Re在102～105范圍內(nèi)，St值約為012，因此，在測量中，要盡量滿足流體的雷諾數(shù)在102～105，旋渦頻率f=0.12v/d。由此可知，通過測量旋渦頻率就可以計算出流過旋渦發(fā)生體的流體平均速度v，再由式q=vA可以求出流量q，其中，A為流體流過旋渦發(fā)生體的截面積[3]。

    渦街流量計便是依據(jù)卡門旋渦原理進行封閉管道流體流量測量的新型流量計。因其具有良好的介質(zhì)適應能力，無需溫度壓力補償即可直接測量蒸汽、空氣、氣體、水、液體的工況體積流量，配備溫度、壓力傳感器可測量標況體積流量和質(zhì)量流量等優(yōu)點。缺點是安裝管道一般要求是直管道，要求前后直管段要滿足渦街流量計的要求，所配管道內(nèi)徑也必須和渦街流量變送器內(nèi)徑一致，并且遠離振動源和電磁干擾較強的地方。

3 渦輪流量計

    渦輪流量計由渦輪、軸承、前置放大器、顯示儀表組成。被測流體沖擊渦輪葉片，使渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，即流量大，渦輪的轉(zhuǎn)速也大，再經(jīng)磁電轉(zhuǎn)換裝置把渦輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為相應頻率的電脈沖，經(jīng)前置放大器放大后，送入顯示儀表進行計數(shù)和顯示，根據(jù)單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)和累計脈沖數(shù)即可求瞬時流量和累積流量[4]。渦輪變送器的工作原理是當流體沿著管道的軸線方向流動并沖擊渦輪葉片時，便有

    Q=fk

    其中：Q—流經(jīng)變送器的流量，L/s；

    f—電脈沖頻率；

    k—儀表系數(shù)，次/升。

    管道內(nèi)流體的力作用在葉片上，推動渦輪旋轉(zhuǎn)。在渦輪旋轉(zhuǎn)的同時，葉片周期性地切割電磁鐵產(chǎn)生的磁力線，改變線圈的磁通量。根據(jù)電磁感應原理，在線圈內(nèi)將感應出脈動的電勢信號，此脈動信號的頻率與被測流體的流量成正比，k是渦輪變送器的重要特性參數(shù)，它是代表每立方米流量有幾個脈沖，或者每升流量有幾個脈沖。不同的儀表有不同的k，并隨儀表長期使用的磨損情況而變化。盡管渦量計的設計尺寸相同，但實際加工出來的渦輪幾何參數(shù)卻不會完全一樣，因而每臺渦輪變送器的儀表常數(shù)k也不完全一樣，它通常是制造廠在常溫下用潔凈的水標定出來的。渦輪變送器輸出的脈沖信號，經(jīng)前置放大器放大后，送入顯示儀表，就可以實現(xiàn)流量的測量[5]。渦輪流量計特點具有精度高、重復性好、無零點漂移、高量程比等優(yōu)點。渦輪流量計擁有高質(zhì)量軸承、特別設計的導流片，因此極大降低了磨損，對峰值不敏感，甚者惡劣的條件下也可以給出可靠的測量變量。缺點：（1）測量氣、液混相或粘度較大的流體會產(chǎn)生很大的誤差；（2）測量的含有顆粒的流體需要提前過濾以免渦輪被卡。

 4 浮子流量計

    浮子流量計又稱（轉(zhuǎn)子流量計）是以浮子在垂直錐形管內(nèi)隨著流量變化而升降而改變它們之間形成的流通環(huán)隙面積作流量測量的體積流量儀表[6]。

    浮子流量計按其制造材料的不同可分為玻璃管浮子流量計、塑料管浮子流量計和金屬管浮子流量計3種。玻璃管浮子流量計和塑料管浮子流量計結(jié)構(gòu)簡單，浮子位置清晰可見、易讀、成本低廉、常用于測量常溫、常壓、透明和腐蝕性介質(zhì)。如空氣、煤氣、氨氣等。便于現(xiàn)場目測，多用于工業(yè)原料的配比計量。玻璃管浮子流量計雖然有很多優(yōu)點，但只適用于就地指示，信號不能遠傳，玻璃管強度不夠而不能用于測量高溫高壓及不透明的流體，所以工業(yè)生產(chǎn)中采用金屬管浮子流量計的較多。浮子流量計的流量檢測元件是由一根自下向上擴大的垂直錐形管和一個沿著錐管軸上下移動的浮子組所組成。工作原理是被測流體從下向上經(jīng)過錐管和浮子形成的環(huán)隙時，浮子上下端產(chǎn)生差壓形成浮子上升的力，當浮子所受上升力大于浸在流體中浮子重量時，浮子便上升，環(huán)隙面積隨之增大，環(huán)隙處流體流速立即下降，浮子上下端差壓降低，作用于浮子的上升力亦隨著減少，直到上升力等于浸在流體中浮子重量時，浮子便穩(wěn)定在某一高度。浮子在錐管中高度和通過的流量有對應關系。

    浮子流量計具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、壓損小且穩(wěn)定、可測低流速介質(zhì)等諸多優(yōu)點。浮子流量計有較寬的流量范圍度，一般為10︰1，最低為5︰1，最高為25︰1。流量檢測元件的輸出接近于線性。壓力損失較低。但是測量液體中含有微粒固體或氣體中含有液滴通常不適用，使用前要作流量示值修正。

  5 數(shù)字靶式流量計

    靶式流量計于20世紀60年代開始應用于工業(yè)流量測量，主要用于解決高粘度、低雷諾數(shù)流體的流量測量，先后經(jīng)歷了氣動表和電動表兩大發(fā)展階段。

    數(shù)字靶式流量計結(jié)構(gòu)組成及工作原理：其主要由測量管、受力元件（靶片）、感應元件（電容式力傳感器，壓力傳感器，溫度傳感器）、傳遞部件、積算器及其顯示和輸出部分組成。當介質(zhì)在測量管中流動時，因其自身的動能和因阻流件而產(chǎn)生的壓差，產(chǎn)生一個對阻流件的作用力，其作用的大小與介質(zhì)流速的平方成正比。優(yōu)點有：整臺儀表結(jié)構(gòu)堅固無可動部件，插入式結(jié)構(gòu)，拆卸方便；儀表內(nèi)設自檢程序，精度高、重復性好、耐高溫等；缺點有：對流體的要求較高，例如：所測流體必須是牛頓流體、流體必須充滿流量計的測量管等。

 6 電磁流量計

    電磁流量計有一體型和分體型兩種組合形式，輸出級皆采取電隔離，可方便地與后位儀表配套，實現(xiàn)對流量的記錄、控制和調(diào)節(jié)等功能。同時，流量計配備RS-485通訊接口，可與計算機互聯(lián)。電磁流量計的工作原理為法拉第電磁感應定律。導電液體在磁場中流動切割磁力線，產(chǎn)生感應電勢。表達式：E=KBLv，式中，B為磁感應強度；L為測量電極之間的距離；v為被測流體在磁場中運動的平均速度；K為比例常數(shù)。電磁流量計主要由流量傳感器和信號轉(zhuǎn)換器兩部分組成。傳感器把流過的被測液體的流量轉(zhuǎn)換為相應的感應電勢。信號轉(zhuǎn)換器的作用是把電磁流量傳感器輸出的和流量成比例的毫伏級電壓信號放大并轉(zhuǎn)換成為可被工業(yè)儀表接收的標準直流電流、電壓或脈沖信號輸出，以便與儀表及調(diào)節(jié)器配合，實現(xiàn)流量的指示、記錄和運算。電磁流量計的優(yōu)點有：

    （1）可測含有固體顆粒、懸浮物或酸、堿、鹽溶液等具有一定電導率的液體體積流量；也可進行雙向測量。（2）測量導管內(nèi)沒有可動部件和阻流體，因而無壓損，無機械慣性，反應十分靈敏。（3）測量范圍度大。（4）電磁，流量計所測得的體積流量，實際上不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導率（只要在某閾值以上）變化明顯的影響。

    缺點有：（1）電磁流量計不能測量電導率很低的液體。（2）不能測量氣體、蒸氣和含有較多較大氣泡的液體。（3）不能用于較高溫度的液體。

   7 超聲波流量計

    超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成，是一種利用超聲波脈沖來測量流體流量的速度式流量儀表。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號供給顯示和積算儀表進行顯示和積算，這樣就實現(xiàn)了流量的檢測和顯示[7]。超聲波流量計大體分為：插入式超聲流量計，管段式超聲流量計，外夾式超聲流量計等。超聲波流量計的優(yōu)點：（1）超聲波流量計是非接觸測量，適用于大管徑、大流量測量，并且不受流體的溫度、粘度、密度等參數(shù)的影響。（2）超聲波流量計可以測水、氣或油各種介質(zhì)。（3）超聲波流量計運行能耗極小，可方便地實現(xiàn)長年電池供電，加之先進的智能化主機可方便地進行網(wǎng)絡無線通信，其應用前景更加廣闊。缺點：超聲波流量計目前所存在的缺點主要是可測流體的溫度范圍受超聲波換能器及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全。    

   8 結(jié)束語

    綜上所述，流量測量方法和儀表的種類繁多，分類方法也很多。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(tài)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(chǎn)品都有它特定的適用性，也都有它的局限性。希望在流量計今后發(fā)展道路上研制出更方便、經(jīng)濟、實用并且適用測量各種條件流體的流量計，更好的滿足工業(yè)的要求，造福人類。