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工程中常用流量计的有关基础知识 1-1 概述 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60 种。 1-2 流量计分类 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 a. 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。 b. 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。 c. 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。 d. 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。 e. 光学原理：激光式、光电式等是属于此类原理的仪表。 f. 原子物理原理：核磁共振式、核幅射式等是属于此类原理的仪表。 g. 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） 按流量计结构原理分类 按当前流量计产品的实际情况，根据流量计的结构原理，大致上可归 纳为以下几种类型： a. 变面积式流量计 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，浮子即静止。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，因此该型流量计 称变面积式流量计。该式流量计的典型仪表是转子(浮子)流量计。 b. 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％。 c. 差压式流量计 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。 d. 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、 纯水等则不能应用。 e. 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。 f. 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。 g. 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。 除上述常用结构原理的流量计外，其它各种结构的流量计还很多，如 动量式流量计、冲量式流量计和质量流量计等，还有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。 1-3 雷诺数 测量管内流体流量时往往必须了解其流动状态、流速分布等。雷诺数 就是表征流体流动特性的一个重要参数。 流体流动时的惯性力Fg 和粘性力(内摩擦力)Fm 之比称为雷诺数。用 符号Re 表示。Re 是一个无因次量。 式中的动力粘度η 用运动粘度υ 来代替，因η＝ρυ，则 式中： v： 流体的平均速度； l： 流束的定型尺寸； υ、η： 在工作状态；流体的运动粘度和动力粘度 ρ： 被测流体密度； 由上式可知，雷诺数Re 的大小取决于三个参数，即流体的速度、流 束的定型尺寸以及工作状态下的粘度。 用圆管传输流体，计算雷诺数时，定型尺寸一般取管道直径(D)，则 用方形管传输流体，管道定型尺寸取当量直径(Dd)。当量直径等于水 力半径的四倍。对于任意截面形状的管道，其水力半径等于管道戳面积与 周长之比。所以长和宽分别为A 和B 的矩形管道，其当量直径对于任意截 面形状管道 的当量直径，都可按截面积的四倍和截面周长之比计算，因此，雷诺 数的计算公式为 雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各 质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着 惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数Re＜2000 为 层流状态，Re＞4000 为紊流状态，Re＝2000～4000 为过渡状态。在不同 的流动状态下，流体的运动规律。流速的分布等都是不同的，因而管道内 流体的平均流速V 与最大流速Vmax 的比值也是不同的。因此雷诺数的大 小决定了粘性流体的流动特性。下图表示光滑管道的雷诺数ReD 与速度比 V/Vmax 的关系。 光滑管的管道雷诺数Rep 与速度比V/Vmax 的关系 1-4 常用流量计介绍 1-4-1 变面积式流量计（转子流量计，Variable Area Flowmeter） 转子流量计是最为常见的瞬间流量计，它经济、安装简便、对前后直 管段的要求不高。 转子流量计是根据浮标原理设计的，由一根玻璃或塑料制成的垂直锥 型测量管，和一个可以在测量管中上下自由浮动的浮标构成。其中锥型测 量管上大下小。如图10 所示 1） 测量原理 被测介质自下而上流经测量管时，浮标所受的力主要有三个： a. 重力，固定值； b. 浮力，根据阿基米德定理，浮力与被测介质的密度和浮标的体积有关， 当被测介质一定时，浮力也是一定值； c. 上升力，被测介质流经浮标时，由于流道面积的改变，从而在浮标上 下端产生压差，形成上升力。 当浮标所受上升力大于重力和浮力之差时，浮标上升，浮标与测量管 之间的环隙面积随之增大，环隙处介质流速下降，从而产生的压差随之减 小，作用在浮标的上升力也随之减小。直至浮标所受的上升力与重力和浮 力之差达到平衡时，浮标便固定在某一位置，浮标位置的高低即对应了被 测介质流量的大小。 2） 选型时的注意事项 a. 根据被测介质的化学性质，选择流量计合适的接液材质； b. 根据被测介质的密度，从而选择合适的标尺；这一点在选择树脂再生 系统的流量计时要格外小心。 c. 选型时考虑被测介质的操作压力和温度； d. 接口尺寸、标准要尽量和管道一致； e. 需要安装流量开关时，浮标一定要选磁性的；EDI、CDI 主机设备上 经常会遇到。 f. 量程要合适，通常运行值在满量程的70~80%为佳。 g. 适用于小管径和低流速； 1-4-2 孔板式差压流量计（Orifice Flowmeter） 差压流量计是早期大量使用的一种测量流量的计量装置，其历史最 长，用量最多。 1） 测量原理 我公司现在通常使用的为孔板式差压流量计，其工作原理是在流体管 道中加入一孔板节流件，使得孔板前后产生一定的压差，该压差与管道中 的流量成正比，一定比例的介质通过导压管引入小型变面积式流量计，从 而显示流量的瞬时值。详见图1 所示。 差压式流量计由一次装置(检测件)和二次装置(流量显示仪表)组成。 二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计、差压变送器或流量显示 仪表。如果选用差压变送器作为二次装置，则孔板式差压流量计可以输出 4~20 mA 的信号,将流量信号远传。有时现场安装位置有限，安装一体式 的孔板式差压流量计不利于读数时，可以通过导压管将二次装置分体安 装。详见图11 所示。 图表 1 2） 选型时的注意事项： a. 孔板式差压流量计测量精度普遍偏低，通常安装在大流量的砂、炭滤 入口、罗茨风机出口、热交换器冷热水管等处，检测运行瞬间流量。 b. 孔板式差压流量计测量范围度窄,一般仅3:1~7:1，因此量程要合适。 c. 流量计可以任意方向安装，但须保证前10D 后5D 的直管段距离，以 便准确测量。 d. 其它选型注意事项参见变面积式流量计相关条款。 1-4-3 Signet 叶轮式流量计（Rotor-X Paddlewheel Flowmeter） Signet 叶轮式流量计由流量探头（如P51530-P0）、探头安装件和控 制器（如3-8550-1P）组成。 1） 测量原理 叶轮式流量探头安装固定在管道上，只露出管壁一个叶片，当被测介 质流动时，推动叶轮旋转，使检出装置中的磁路磁阻产生周期性的变化， 因而在检出线圈两端就感应出频率与介质流速成一定比例的脉冲信号。该 信号被放大后传输给显示器，再经处理换算后显示为流量。 2） 选型时的注意事项： a. 探头的型号是否合适；探头有P0、P1 和P2 三种型号，分别适用于 不同管径，选型时要注意区分。 b. 流体物性对流量特性有较大影响，探头安装位置是否合理，在很大程 度上影响了流量计的精确度；详见图2 中说明。 c. 流量探头的K 系数，调试时必须根据说明书上的表格，对应管道的制 式和口径，合理选择K 系数并输入控制器。 d. 测量介质如果含有纤维性的杂质，则可能妨碍叶轮的正常转动。 图表 2 1-4-4 超声波式流量计（Ultrasonic Flowmeter） 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。根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法 (直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互 相关法及噪声法等。目前我公司主要使用的是FUJI 生产的时差型超声波。 1） 测量原理 时差型超声波是利用声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与 流体流速成正比这一原理来测量流体流量的。如图3 所示。 探头安装不合理是超声波流量计不能正常工作的主要原因。安装探头 需要考虑位置的确定和方式的选择两个问题。确定位置时除保证足够的 上、下游直管段外，尤其要注意探头尽量避开有变频调速器、电焊机等污 染电源的场合。在安装方式上，FUJI 时差型超声波主要有V 方式和Z 方 式两种，如图4 所示。通常情况下，管径小于300mm 时，采用V 方式安装， 管径大于300mm 时，采用Z 方式安装。 图表 3 图表 4 2） 选型时的注意事项： a. 由于时差式超声波流量计的探头安装采用外贴式，为非接触式测量， 对被测介质没有任何挠动，无压力损失，可测量非导电性液体，因此 被广泛应用在超纯水终端送回水管路中。 b. 应根据管径和管道材质选择合适的探头，对传送超声波信号差的管道 采用FLSE31 或FLSE41 型探头。 c. 为确保探头和管道之间接触良好，在安装中应使用声耦合剂完全填充 两者之间的缝隙，应根据使用的温度选择合适的声耦合剂（硅脂或硅 橡胶）。 d. 应根据现场安装情况，选择合适长度的配套专用信号电缆。 e. 安装时所要求的前后直管段的长度。 f. 在使用前应输入正确的管道信息（材质、管径及壁厚等）和被测介质 信息，并根据仪表所提供的探头之间的间距，正确固定探头。 1-4-5 电磁式流量计（Magnetic Flowmeter） 电磁流量计是60 年代随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流 量测量仪表。它根据法拉第电磁感应定律制成，用来测量导电流体的体积 流量。由于其独特的优点，目前已广泛地应用于工业上各种导电液体的测 量。例如，测量各种酸、碱、盐等腐蚀液体；各种易燃，易爆介质；各种 工业污水，纸浆，泥浆等。 1） 测量原理 电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律—即当导体在磁 场中移动时将产生感应电势。 法拉第定律：E=k BDV 感应电势E 的大小直接正比于导体的运动速度V、导体宽度D 以及磁 场强度B。至于管道上下两侧的电磁线圈通电后产生一个电磁场，当导电 的被测介质以平均流速V 通过磁场时，电极传感出感应电势，两电极间的 距离代表了导体的宽度。示意图参见图5。 因为磁场强度B 是被控制的常量，而电极间的距离D 是固定的，因此 上面等式中唯一变量是导电介质的流速V，输出电压E 直接正比于介质流 速V。 图表 5 2） 选型时的注意事项： a. 电磁流量计不能用于测量气体、蒸气以及含有大量气体的液体。 b. 电磁流量计目前还不能用来测量电导率很低的液体介质，每个厂家都 有其建议最低电导率，例如Rosemount 要求被测液体介质的电导率 不能低于5μS／cm（8705 型）或50μS／cm（8707 型），选型时 需要注意。 c. 由于测量管绝缘衬里材料受温度的限制，目前工业电磁流量计还不能 测量高温高压流体。 d. 电磁流量计受流速分布影响，在轴对称分布的条件下，流量信号与平 均流速成正比。所以，电磁流量计前后也必须有一定长度的前后直管 段，通常为前10D 后5D。 e. 电磁流量计易受外界电磁干扰的影响，要求被测介质有一个可靠的接 地通路，应根据被测介质的电导率、管道材质等选择合适的接地电极 或接地环。 f. 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； g. 不产生流量检测所造成的压力损失，节能效果好； h. 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； i. 流量范围大,口径范围宽； j. 可应用腐蚀性流体； 1-4-6 涡街式流量计（Vortex Flowmeter） 涡街流量计是属于最年轻的一类流量计,但其发展迅速,目前已成为 通用的一类流量计。涡街流量计按频率检出方式可分为:应力式、应变式、 电容式、热敏式、振动体式、光电式及超声式等。 1） 测量原理 涡街流量计的原理是在流量计管道中，设置一滞流件，当流体流经滞 流件时，由于滞流件表面的滞流作用等原因，在其下游会产生两列不对称 的旋涡，这些旋涡在滞流件的侧后方分开，形成旋转方向相反的所谓卡门 （Karman）旋涡列（如图6 所示），这些漩涡产生的局部压力变化被一个 传感器检测到，涡街频率直接与介质的流速成正比，从而通过检测到的涡 街频率计算出介质的流速。 图 2） 选型时的注意事项： a. 涡街流量计的测量范围较大，一般约30：1，但不适用于低雷诺数测 量，选型时必须核算是否符合厂家建议的流速和雷诺数的要求。 b. 流量计的精度会受到前直管段中的扰流影响，因此安装时要需要满足 其对前后直管段长度的要求，以Rosemount 8800 C 系列涡接流量计 的要求为例，如图7 所示。 c. 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。 d. 选型时须注明是一体式还是分体式，安装方式是夹持型还是法兰式。 图表 7 图8：涡街式流量计 图9：电磁式流量计 图10：转 子流量计 图11：差压 式流量计 图12：超声波流量计 |
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