流量计的分类与选型

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　　【摘要】没有一种流量计是完美的，对任何流体、工况都完全适应的，每种流量计都有自己的特点，有着其适应的条件，因此在对各种测量方法和仪表特性作比较全面了解的前提下，选择出最适合、最稳定可靠的最佳形式。本文介绍了几种流量计的特点和适用环境。
　　【关键词】电磁式；节流式流量计；孔板
　　
　　流量计是少数几种使用比制造艰难的仪表之一。这是因为流量是一个动态量，处于运动状态的液体内部不仅存在着粘性摩擦作用，还会产生不稳定的旋涡和二次流等复杂流动现象。测量仪表本身受到众多因素，如：管道、口径大小、形状（圆形、矩形）、边界条件、介质的物性（温度、压力、密度、粘度、脏污性、腐蚀性等）、流体的流动状态（紊流状态、速度分布等）以及安装条件与水平的影响。面对国内外十几类、上百个品种的流量仪表（先后发展起来的容积式、差压式、涡轮式、面积式、电磁式、超声波式和热式流量计等类型），如何根据流量、流态、安装要求与环境条件、经济性等因素合理选型，是应用好流量仪表的前提和基础。除了仪表自身质量要得到保证，工艺数据的提供和仪表的安装、使用、维护是否合理也相当重要。
　　1 电磁流量计
　　电磁流量计自20世纪50年代末国内首次工业应用以来，七八十年代在流量测量中运用和发展很快。电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律，即被测介质垂直于磁力线方向流动，因而在与介质流动和磁力线都垂直的方向上产生一感应电动势EX，当磁场强度B与两极间距离d一定时，则感应电动势EX与被测介质流量（流速）成正比。电磁流量计不受温度、压力、粘度、重度等外界因素的影响，测量管内部无收缩或凸出部分的压力损失，另外，流量元件检测出的最初信号，是一个与流体平均流速成精确线性变化的电压，它与流体的其他性质无关，具有很大的优越性。根据污水具有流量变化大、含杂质、腐蚀性小、有一定的导电能力等特性，测量污水的流量，电磁流量计是一个很好的选择。它结构紧凑、体积小，安装、操作、维护方便，如测量系统采用智能化设计，整体密封加强，能在较恶劣的环境下正常工作。选型时要注意以下几点：
　　1.1 被测量液体必须是导电的液体或浆液；
　　1.2 口径与量程，最好是正常量程超过满量程的一半（一般为正常流量的4～8倍），流速在2-4 m/s之间；
　　1.3 使用压力必须小于流量计耐压；
　　1.4 不同温度及腐蚀性介质选用不同内衬材料和电极材料。
　　电磁流量计的优点：无节流部件，因此压力损失小。不受流体的温度、压力、密度和粘度的影响；只与被测流体的平均速度有关，测量范围宽；只需经水标定后即可测量其他介质，无须修正，最适合作为结算用计量设备使用。由于技术及工艺材料的不断改进，稳定性、线性度、精度和寿命的不断提高和管径的不断扩大，对于固液两相的介质的测量采用了可更换电极以及刮刀电极的方式，解决了高压（32MPa）、耐腐蚀（防强酸、碱衬里）介质的测量问题，以及口径的不断扩大（最大作到3200mm口径），寿命的不断增长（一般大于10年），电磁流量计得到越来越广泛的应用，其成本也得到了降低，但整体价格特别是大管径的价格仍较高，因此在流量仪表的采购中有重要的地位。
　　缺点：电磁流量计不能用于测量气体、蒸汽以及含有大量气体的液体，不能用来测量电解率很低的液体介质，不能测量高温高压流体；电磁流量计的安装与调试比其它流量计复杂，且要求更严格；用来测量带有污垢的粘性液体时，粘性物或沉淀物附着在测量管内壁或电极上，使变送器输出电势变化，带来测量误差，电极上污垢物达到一定厚度，可能导致仪表无法测量。
　　2 超声波流量计
　　超声波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。在封闭管道用超声波流量计按测量原理分类有：时间传播法、多普勒效应法、波束偏移法、相关法、噪声法。
　　对管道流量进行测试时，为提高水流量测量精度，选择测量点时要求选择流体流场均匀的部分，一般应遵循下列原则：
　　2.1 被测管道内流体必须是满管。
　　2.2 选择被测管道的材质应均匀质密，易于超声波传播，如垂直管段(流体由下向上）或水平管段（整个管路中最低处为好）。
　　2.3 安装距离应选择上游大于10倍直管径，下游大于5倍直管径(注：不同仪器要求的距离会有所不同,具体距离以使用的仪器说明书为准)以内无任何阀门、弯头、变径等均匀的直管段，测量点应充分远离阀门、泵、高压电、变频器等干扰源。
　　2.4 充分考虑管内结垢状况，尽量选择无结垢的管段进行测量。
　　优点：是一种非接触式测量仪表，可用来测量不易接触、不易观察的流体流量和大管径流量，它不会改变流体的流动状态，不会产生压力损失，且便于安装；可以测量强腐蚀性介质和非导电介质的流量；超声波流量计的测量范围大，管径范围从20mm～５m，不受被测流体的温度、压力、粘度及密度等热物性参数的影响；可以做成捆绑式、管道式和便携式两种形式。
　　缺点：温度测量范围不高，一般只能测量温度低于200℃的流体；抗干扰能力差；易受气泡、结垢、泵及其它声源混入的超声杂音干扰、影响测量精度；直管段要求严格，为前20D，后5D否则离散性差，测量精度低；测量管道因结垢，会严重影响测量准确度，带来显著的测量误差，甚至在严重时仪表无流量显示；可靠性、精度等级不高（一般为1.5～2.5级左右），重复性差。
　　3 涡街流量计
　　涡街流量计作为一种新型流量计，80年代中期以来发展较快，它在流量测量方面有着诸多的优点和长处，在现代流量测量中应用越来越广泛。在国内使用涡街流量计进行流量测量也愈来愈得到重视，目前我国已有性能优良并有自主知识产权的产品系列。涡街流量计是基于流体振动发展起来的，根据旋涡的不同，检测方式从热丝式、热敏式逐渐发展了应力式、磁敏式及差动开关电容式、超声波式等。
　　涡街流量计的原理是在流量计管道中，设置一阻流件，当流体流经阻流件时，由于阻流件表面的阻流作用等原因，在其下游会产生两列不对称的旋涡，这些旋涡在阻流件的侧后方分开，形成所谓的卡门旋涡列，两列旋涡的旋转方向是相反的，当旋涡列是稳定时，产生旋涡的频率f与流量计管道中流体流速υ呈线性关系。
　　涡街流量计优点：几乎可用于一切可形成旋涡列的场合，不仅可用于封闭的管道，还可用于开放的沟槽。与涡轮流量计相比，涡街流量计没有可动的机械部件，维护工作量小，仪表常数稳定；与孔板式流量计相比，涡街流量计测量范围大，压力损失小，准确度高，安装与维护简单。
　　缺点：（1）涡街流量计的测量范围较大，一般10：1，但测量下限受许多因素限制：Re＞10000是涡街流量计工作的最基本条件，除此以外，它还受旋涡能量的限制，介质流速较低，则旋涡的强度、旋转速度也低，难以引起传感元件产生响应信号，旋涡频率f也小，还会使信号处理发生困难。测量上限则受传感器的频率响应（如磁敏式一般不超过400Hz）和电路的频率限制，因此设计时一定要对流速范围进行计算、核算，根据流体的流速进行选择。使用现场环境条件复杂，选型时除注意环境温度、湿度、气氛等条件外，还要考虑电磁干扰。在强干扰如高压输电电站、大型整流所等场合，磁敏式、压电应力式等仪表不能正常工作或不能准确测量。
　　（2）振动也是该类仪表的一大劲敌。因此在使用时注意避免机械振动，尤其是管道的横向振动（垂直于管道轴线又垂直旋涡发生体轴线的振动），这种影响在流量计结构设计上是无法抑制和消除的。由于涡街信号对流场影响同样敏感，故直管段长度不能保证稳定涡街所必要的流动条件时，是不宜直接选用的（要加装整流器）。即使是抗振性较强的电容式、超声波式，保证流体为充分发展的单向流，也是不可忽略的。

　　（3）介质温度对涡街流量计的使用性能也有很大的影响。如压电应力式涡街流量计不能长期使用在300℃状态下，因其绝缘阻抗会由常温下的10 MΩ～100 MΩ急降至1 MΩ～10 KΩ，输出信号也变小，导致测量特性恶化，对此宜选用磁敏式或电容式结构。在测量系统中，传感器与转换器宜采用分离安装方式，以免长期高温影响仪表可靠性和使用寿命。
　　涡街流量计是一种比较新型的流量计，如果选择不当，性能也不能很好发挥。只有经过合理选型、正确安装后，还需要在使用过程中认真定期维护，不断积累经验，提高对系统故障的预见性以及判断、处理问题的能力，从而达到令人满意的效果。
　　4 节流式流量计
　　节流式流量计是一种使用历史悠久，实验数据较完善的测量装置。它是以测量流体流经节流装置所产生的静压差来显示流量大小的一种流量计。最基本的配置是由节流装置、差压信号管路和差压变送器组成。工业上最常用的是节流装置是已经标准化了的“标准节流装置”。如，标准孔板、喷嘴、文丘利喷嘴、文丘利管。现在节流装置特别是喷嘴流量测量朝一体化方向，将高精度的差压变送器和温度补偿与喷嘴做成一体化，大大提高了精度。采用皮托管技术可对节流装置进行在线标定。现今在工业测量中也采用一些非标准节流装置，如双重孔板，圆缺孔板，环形孔板等，这些仪表一般需要实流标定。标准节流装置结构比较简单，但由于它尺寸公差、形状和位置公差的要求比较高，加工的技术难度较高。以标准孔板为例，它属于超薄板状零件，加工易产生变形，较大的孔板在使用过程中也易产生变形而影响精度。节流装置的取压孔一般不会开得太大，在使用过程中也会产生变形而影响测量精度。标准孔板由于在使用过程中经过流体对它的摩擦，也会使其与测量有关的结构要素（如锐角）产生磨损而降低测量精度。
　　尽管差压流量计发展较早，但随着其他各种形式的流量仪表的不断完善和开发，随着工业发展对流量计量要求的不断提高，差压流量计在工业测量中的地位已逐步地被先进的、高精度的、便利的流量仪表所取代。
　　5 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,从而推导出流量或总量的仪表。涡轮流量计首先将流速转换为涡轮的转速，再将转速转换成与流量成正比的电信号。一般它由传感器和显示仪两部分组成,也可做成整体式。它在一些测量对象上得到了广泛的应用，例如：石油、有机液体、无机液、液化气、天然气和低温流体等。
　　涡轮流量计和容积式流量计、科里奥利质量流量计称为流量计中三类重复性、精度最佳的产品,作为十大类型流量计之一,其产品已发展为多品种、多系列批量生产的规模。
　　优点：涡街流量计精度高，重复性高，无零点漂移，抗干扰能力强，量程范围宽，结构紧凑。压力损失小，叶轮能具有防腐功能；容易维修，有自整流的结构，小型轻巧，结构简单，可在短时间内将其组合拆开。现阶段生产的涡轮流量计还采用全硬质合金(碳化钨)屏蔽式悬臂梁结构轴承，集转动轴承与压力轴承于一体，大大提高了轴承寿命，并可在有少量泥沙与污物的介质中工作。而且具有非线性精度补偿功能的智能流量显示器，修正公式精度优于±0.02%。
　　缺点：不适合长期使用，它不能长期保持校准状态，流体物性对流量特性有较大影响。；要求上游管道长度应有不小于2D的等径直管段；不适合脏污介质。
　　除了以上几个类型的流量计外，还有浮子流量计、科氏力质量流量计、热式（气体）质量流量计、容积式流量计等。
　　综上所述，流量计选型是指按照生产要求，从仪表产品供应的实际情况出发，综合地考虑测量的安全、准确和经济性，并根据被测流体的性质及流动情况确定流量取样装置的方式和测量仪表的型式和规格。在保证仪表安全运行的基础上，力求提高仪表的准确性和节能性。为此，不仅要选用满足准确度要求的显示仪表，而且要根据被测介质的特点选择合理的测量方式。为保证流量计使用寿命及准确性，选型时还要注意仪表的防振要求。在湿热地区要选择湿热式仪表。正确地选择仪表的规格，也是保证仪表使用寿命和准确度的重要一环。应特别注意静压及耐温的选择。
　　总之，没有一种测量方式或流量计对各种流体及流动情况都能适应的．不同的测量方式和结构，要求不同的测量操作、使用方法和使用条件．每种型式都有它特有的优缺点。因此，应在对各种测量方式和仪表特性作全面比较的基础上选择适于生产要求的，既安生可靠又经济耐用的最佳型式．
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