各種流量計的原理與性能比較

簡要說明:

眾所周知,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。從不同的角度出發，流量計有不同的分類方法。常用的分類方法有兩種，一是按流量計采用的測量原理進行歸納分類：二是按流量計的結構原理進行分類。

一、按測量原理分類

(1)    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。

(2)    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。

(3)    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。

(4)    光學原理：激光式、光電式等是屬于此類原理的儀表。

(5)    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．

(6)    其它原理：有標記原理(示蹤原理、核磁共振原理)、相關原理等。

二、按流量計結構原理分類

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：

1.容積式流量計

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．葉輪式流量計葉輪式流量計的工作原理是將葉輪置于被測流體中，受流體流動的沖擊而旋轉，以葉輪旋轉的快慢來反映流量的大小。典型的葉輪式流量計是水表和渦輪流量計，其結構可以是機械傳動輸出式或電脈沖輸出式。一般機械式傳動輸出的水表準確度較低，誤差約±2％，但結構簡單，造價低，國內已批量生產，并標準化、通用化和系列化。電脈沖信號輸出的渦輪流量計的準確度較高，一般誤差為±0．2％一0．5％。

3．差壓式流量計 (變壓降式流量計)

    差壓式流量計由一次裝置和二次裝置組成．一次裝置稱流量測量元件，它安裝在被測流體的管道中，產生與流量(流速)成比例的壓力差，供二次裝置進行流量顯示。二次裝置稱顯示儀表。它接收測量元件產生的差壓信號，并將其轉換為相應的流量進行顯示．差壓流量計的一次裝置常為節流裝置或動壓測定裝置(皮托管、均速管等)。二次裝置為各種機械式、電子式、組合式差壓計配以流量顯示儀表．差壓計的差壓敏感元件多為彈性元件。由于差壓和流量呈平方根關系，故流量顯示儀表都配有開平方裝置，以使流量刻度線性化。多數儀表還設有流量積算裝置，以顯示累積流量，以便經濟核算。這種利用差壓測量流量的方法歷史悠久，比較成熟，世界各國一般都用在比較重要的場合，約占各種流量測量方式的70％。發電廠主蒸汽、給水、凝結水等的流量測量都采用這種表計。

4．變面積式流量計等壓降式流量計)

    放在上大下小的錐形流道中的浮子受到自下而上流動的流體的作用力而移動。當此作用力與浮子的“顯示重量”(浮子本身的重量減去它所受流體的浮力)相平衡時，俘子即靜止。浮子靜止的高度可作為流量大小的量度。由于流量計的通流截面積隨浮子高度不同而異，而浮子穩定不動時上下部分的壓力差相等，因此該型流量計稱變面積式流量計或等壓降式流量計。該式流量計的典型儀表是轉子(浮子)流量計。

5．動量式流量計

    利用測量流體的動量來反映流量大小的流量計稱動量式流量計．由于流動流體的動量P與流體的密度

及流速v的平方成正比，即p v²，當通流截面確定時，v與容積流量Q成正比，故p Q²。設比例系數為A，則Q＝A 因此，測得P，即可反映流量Q．這種型式的流量計，大多利用檢測元件把動量轉換為壓力、位移或力等，然后測量流量。這種流量計的典型儀表是靶式和轉動翼板式流量計。

6．沖量式流量計

    利用沖量定理測量流量的流量計稱沖量式流量計，多用于測量顆粒狀固體介質的流量，還用來測泥漿、結晶型液體和研磨料等的流量。流量測量范圍從每小時幾公斤到近萬噸。典型的儀表是水平分力式沖量流量計，其測量原理是當被測介質從一定高度h自由下落到有傾斜角

的檢測板上產生一個沖力，沖力的水平分力馬質量流量成正比，故測量這個水平分力即可反映質量流量的大小。按信號(九)的檢測方式，該型流量計分位移檢測型和直接測力型。

7．電磁流量計

   電磁流量計是應用導電體在磁場中運動產生感應電動勢，而感應電動勢又和流量大小成正比，通過測電動勢來反映管道流量的原理而制成的。其測量精度和靈敏度都較高。工業上多用以測量水、礦漿等介質的流量。可測最大管徑達2m，而且壓損極小。但導電率低的介質，如氣體、蒸汽等則不能應用。

   電磁流量計造價較高，且信號易受外磁場干擾，影響了在工業管流測量中的廣泛應用。為此，產品在不斷改進更新，向微機化發展．

8．超聲波流量計

超聲波流量計是基于超聲波在流動介質中傳播的速度等于被測介質的平均流速和聲波本身速度的幾何和的原理而設計的。它也是由測流速來反映流量大小的。超聲波流量計雖然在70年代才出現，但由于它可以制成非接觸型式，并可與超聲波水位計聯動進行開口流量測量，對流體又不產生擾動和阻力，所以很受歡迎，是一種很有發展前途的流量計。

    利用多普勒效應制造的超聲多普勒流量計近年來得到廣泛的關注，被認為是非接觸測量雙相流的理想儀表。

9．流體振蕩式流量計

    流體振蕩式流量計是利用流體在特定流道條件下流動時將產生振蕩，且振蕩的頻率與流速成比例這一原理設計的．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．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。目前典型的產品有渦街流量計、旋進旋渦流量計。

10．質量流量計

    由于流體的容積受溫度、壓力等參數的影響，用容積流量表示流量大小時需給出介質的參數。在介質參數不斷變化的情況下，往往難以達到這一要求，而造成儀表顯示值失真。因此，質量流量計就得到廣泛的應用和重視。質量流量計分直接式和間接式兩種。直接式質量流量計利用與質量流量直接有關的原理進行測量，目前常用的有量熱式、角動量式、振動陀螺式、馬格努斯效應式和科里奧利力式等質量流量計。間接式質量流量計是用密度計與容積流量直接相乘求得質量流量的。

    在現代工業生產中，流動工質的溫度、壓力等運行參數不斷提高，在高溫高壓的情況下，  由于材質和結構等方面的原因，直接式質量流量計的應用遇到困難，而間接式質量流量計由于密度計受濕度和壓力適用范圍的限制，往往也不好實際應用。因此，在工業生產中廣泛采用的是溫度壓力補償式質量流量計。可把它看作一種間接式質量流量計，不是配用密度計，而是利用溫度、壓力與密度間的關系，用溫度、壓力信號經函數運算為密度信號，與容積流量相乘而得到質量流量．目前溫度、壓力補償式質量流量計雖已實用化，但當被測介質參數變化范圍很大或很迅速時，正確地補償將很困難或不可能，因此進一步研究在實際生產中適用的質量流量計和密度計還是一個課題。

    陳上述常用結構原理的流量計比各種結構的流量計很多，如適用于明渠測流的各種堰式流量計、槽式流量計；適于大口徑測流的插入式流量計；測量層流流量的層流流量計；適于二相流測量的相關法流量計；以及激光法、核磁共振法流量計和多種示蹤法、稀釋法測流等。隨著科技的發展和實際應用需要，新型流量計將不斷涌現流量計的類型將更為齊全。

流量單位的換算

 

體積流量換算表

單位	升/分 (L/min)	米3/時 (m3/h)	英尺3/時 (ft3/h)	英國加侖/分 (Ukgal/min)	美國加侖/分 (Usgal/min)	美國桶/天 (bbl/d)
升/分	1	0.06	2.1189	0.21997	0.264188	9.057
米3/時	16.667	1	35.314	3.667	4.403	151
英尺3/時	0.4719	0.028317	1	0.1038	0.1247	4.2746
英國加侖/分	4.546	0.02727	9.6325	1	1.20032	41.1
美國加侖/分	3.785	0.2273	8.0208	0.8326	1	34.28
美國桶/天	0.1104	0.00624	0.23394	0.02428	0.02917	1

質量流量換算表

單位	千克/時 (kg/h)	千克/分 (kg/min)	千克/秒 (kg/s)	噸/時 (t/h)	磅/時 (lb/h)	磅/秒 (lb/s)
千克/時	1	16.7×10－3	278×10－6	0.001	2.205	612×10－6
千克/分	60	1	16.7×10－3	0.06	132.3	36.7×10－3
	3600	60	1	3.6	7.9×103	2.205
噸/時	1000	16.7	278×10－3	1	2205	612×10－3
磅/時	0.454	7.56×10－3	126×10－6	0.454×10－3	1	278×10－6
磅/秒	1633	27.2	0.454	1.63	3600	1

 

各種流量計選型原則

    各種流體流量計選型是指按照生產要求，從儀表產品供應的實際情況出發，綜合地考慮測量的安全、準確和經濟性，并根據被測流體的性質及流動情況確定流量取樣裝置的方式和測量儀表的型式和規格。

    流量測量的安全可靠，首先是測量方式可靠，即取樣裝置在運行中不會發生機械強度或電氣回路故障而引起事故；二是測量儀表無論在正常生產或故障情況下都不致影響生產系統的安全。例如，對發電廠高溫高壓主蒸汽流量的測量，其安裝于管道中的一次測量元件必須牢固，以確保在高速汽流沖刷下不發生機構損壞。因此，一般都優先選用標準節流裝置，而不選用懸臂梁式雙重喇叭管或插入式流量計等非標準測速裝置，以及結構強度低的靶式、渦輪流量計等。燃油電廠和有可燃性氣體的場合，應選用防爆型儀表。

    在保證儀表安全運行的基礎上，力求提高儀表的準確性和節能性。為此，不僅要選用滿足準確度要求的顯示儀表，而且要根據被測介質的特點選擇合理的測量方式。發電廠主蒸汽流量測量，由于其對電廠安全和經濟性至關重要，一般都采用成熟的標準節流裝量配差壓流量計，化學水處理的污水和燃油分別屬臟污流和低雷諾數粘性流，都不適用標準節流件。對臟污流一般選用圓缺孔板等非標準節流件配差壓計或超聲多普勒式流量計，而粘性流可分別采用容積式、靶式或楔形流量計等。水輪機人口水量、凝汽器循環水量及回熱機組的回熱蒸汽等都是大管徑( 400mm以上)的流量測量參數，由于加工創造困難和壓損大，一般都不選用標準節流裝置。根據被測介質特件及測量準確度要求，分別采用插入式流量計、測速元件配差壓計、超聲波流量計，或采用標記法、模擬法等無能損方式測流量．

    為保證流量計使用壽命及準確性，選型時還要注意儀表的防振要求。在濕熱地區要選擇濕熱式儀表。

    正確地選擇儀表的規格，也是保證儀表使用壽命和準確度的重要一環。應特別注意靜壓及耐溫的選擇。儀表的靜壓即耐壓程度，它應稍大于被測介質的工作壓力，一般取1．25倍，以保證不發生泄漏或意外。量程范圍的選擇，主要是儀表刻度上限的選擇。選小了，易過載，損壞儀表；選大了，有礙于測量的準確性。一般選為實際運行中最大流量值的1．2一1．3倍。

    安裝在生產管道上長期運行的接觸式儀表，還應考慮流量測量元件所造成的能量損失。一般情況下，在同一生產管道中不應選用多個壓損較大的測量元件，如節流元件等。

    總之，沒有一種測量方式或流量計對各種流體及流動情況都能適應的．不同的測量方式和結構，要求不同的測量操作、使用方法和使用條件．每種型式都有它特有的優缺點。因此，應在對各種測量方式和儀表特性作全面比較的基礎上選擇適于生產要求的，既安生可靠又經濟耐用的最佳型式