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现行流量计的特点以及选型 流量计技术指标

时间：2020-07-29    来源：仪多多仪器网    作者：仪多多商城     
摘 要： 流量是工业生产中一种常见的测量对象，但由于流量计的类型繁多，对设计选型造成了困扰。介绍了工业控制中常用到的几种流量计类型，讨论了其测量原理及主要特。针对工业生产的不同应用要求，总结了流量计的选型方法和要点。
关键字： 流量计 流量测量 选型管道

0 前言

在当前的工业生产应用中，存在着种类繁多的流量计，对设计人员选型造成了一定的难度。流量计按测量原理大致可以分为容积式、速度式、差压式、面积式、质量式等。不同类型的流量计其特点也略有不同，需针对不同的测量领域、不同的测量介质、不同的工作范围，选择不同种类、不同型号的流量计，以取得更好的测量效果。本文以几种常用的流量计为例，介绍流量计的测量原理以及主要选型特点。

1 流量计介绍

1.1 孔板流量计

孔板流量计是常用的一种流量计，属于差压式流量计，以流动连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）为基础。充满管道的流体在经过管道内节流元件时（如标准孔板、标准喷嘴、长径喷嘴等），流体流线在节流元件处形成局部收缩，流速加快，在节流元件前后形成压差。根据压差的大小可以衡量流量的大小，如图1所示。


图1 孔板流量计原理

计算公式为：

式中

qm——质量流量，kg/s；
qv——体积流量，m3/s；
c——流出系数；
ε——可膨胀性系数；
β——直径比，β=d/D
d——工作条件下节流件的孔径，m；
D——工作条件下上游管道内径，m；
Δp——差压，Pa；
ρ1——上游流体密度，kg/m3。

孔板流量计一般由节流装置（节流件、测量管、直管段、流动调整器、取压管路）和差压流量计组成，对工况变化准确度要求高的场合则需配置压力计（传感器或变送器）并进行温压补偿。其主要特点是：

（1）结构易于复制，简单，牢固，性能稳定可靠。
（2）价格低廉。
（3）应用广泛，液、气、蒸汽皆可测量。
（4）准确度不高，压损大。

1.2 涡街流量计

在流体中设置漩涡发生体（阻流体），从漩涡发生体两侧交替地产生两列规则的交替排列的漩涡涡街，漩涡的分离频率与流经涡街流量传感器处流体的体积流量成正比，如图2所示。


图2 涡街流量计原理

漩涡列在漩涡发生体下游非对称地排列，设漩涡的发生频率为f，被测流体平均速度为υ，漩涡发生体迎流面宽度为d，表体通径为D，可得关系式：

式中 St——斯特劳哈尔数，在ReD=2′104-7′108范围内，St可视为常数。

涡街流量计的流量方程为：

式中

qv、qm——分别为体积流量和质量流量；
f——输出频率；
K——流量计仪表系数；
ρ——流体密度。

当测量气体流量时，涡街流量计的流量计算式为：

式中

pn、Tn——分别为标准状态下的压力和温度；
Z、Zn——分别为工作状态下和标准状态下的气体压缩系数；
qvn——标准状态下的体积流量
p、T——分别为工作压力和温度。

主要特点：

（1）结构简单，维护方便。
（2）适用流体种类多，液、气、蒸汽皆可测量。
（3）准确度较高，测量范围宽，压损小。
（4）不适用于低雷诺数测量。
（5）抗干扰能力差。

1.3 电磁流量计

电磁流量计的原理是基于法拉第电磁感应定律，它是一种测量导电性液体的体积流量仪表。根据法拉第电磁感应定律，导体在磁场中运动时切割磁力线，在导体两端产生感应电势，利用右手定则即可确定感应电动势，如图3所示。计算式如下：


图3 电磁流量计原理

式中

E——感应电动热势；
k——补偿系数；
B——磁感应强度；
D——测量管径；
υ——液体平均流速。

式中

主要特点：

（1）没有阻流元件，不会堵塞，适用于带有悬浮物、固体颗粒的液体和污水的测量。
（2）没有附加压力损失，节约能耗。
（3）仪表测量范围大，流速可在0.5～10m/s内选定。
（4）不能用于低导电率液体。
（5）由于内衬材料为绝缘材料的限制，不能用于较高温的场合。

1.4 均速管流量计

均速管流量计（国外称Annbar、Torbar、Probar、Verabar、Itabar……等），是基于皮托管测速原理，以测管道中直线上几个点的流速来推算流量的一种插入式流量仪表，如图4所示。它是一根沿直径插入管道中的中空金属杆，在影响流体流动方向有成对的测压孔，一般有三对，其外形似笛子。迎流面的多点测压孔测量的是总压，与全压管相连通，引出平均全压p1；背流面的中心处有一开孔，与静压管相通，引出静压p2。利用全压与静压之差来计算流速，其计算式为：


图4 均速管流量计原理

式中

Qv——体积流量；
α——流量系数；
ε——可膨胀系数；
D——管道内径；
ρ1——被测流体密度；
Δp——差压，Δp=p1-p2。

主要特点：

（1）结构简单，重量轻。
（2）适应范围宽阔，可适用于多种流体（气、液、蒸汽）。
（3）压损小，节能效果显著。
（4）在直管段长度不足时，准确度难以高于±2%～±3%，不宜作为计量仪表。
（5）易于堵塞，要求流体洁净。

1.5 平衡流量计

平衡流量计（balancedflowmeter，BFM）是一种新型的流量计，是美国国家航空航天局（NASA）下属马歇尔航空飞行中心（NASA-MSFC）针对航天飞机的主发动机液氧测量而设计发明的一种新型流量计，由A+FlowTek公司生产，亦称为A+K平衡流量计，如图5所示。


图5 平衡流量计原理

A+K平衡流量计（BFM）对传统节流装置进行了极大的改进，将节流原理由边缘节流改为平衡节流。平衡流量传感器是一个多孔的圆盘节流整流器，安装在管道的截面上，每个孔的尺寸和分布基于独特的公式和测试数据定制，称为函数孔。当流体穿过圆盘的函数孔时，流体将被平衡调整，涡流被最小化，形成近似理想流体，通过标准取压装置，可获得稳定的差压信号，再根据伯努利方程可计算出体积流量、质量流量。

主要特点：

（1）测量精度高，其测量精度可达±0.5%。
（2）直管段要求低，最小可达0.5D。
（3）压损小，节约能耗。
（4）适用范围广，可以测量气体、液体、蒸汽等各种介质。

2 关于流量计的选型

首先，必须熟悉仪表和被测介质两方面的情况，按照流体的特性及应用范围剔除不适合的方法和仪表，初步选择测量方法和仪表。然后，按照以下几个方面进行分析比较。

首先，根据仪表性能进行选型，需要对精度的高低以及仪表的稳定性等方面进行大概的过滤。例如孔板的测量精度较差，相对来说质量流量计的测量精度较高。因此在选型时需要注意，选择精度符合工艺要求的仪表。其次，根据流体特性，选择不同的流量计。举例来说，孔板等差压流量计对于黏稠液体的测量效果不佳；均速管类仪表一般测量洁净的气体或液体，对于介质的洁净程度有较高要求；电磁流量计用于测量可导电的介质，但是对于介质温度的要求较高，不能高于180℃。然后，从安装条件考虑，仪表处于管道的位置，前后直管段要求是否足够，管道周围空间大小是否便于仪表维护，管道是水平安装还是竖直安装等。从现场环境考虑，要考虑到现场的温度对仪表的影响，是否有电磁干扰，是否存在震动，例如涡街流量计，这种对环境要求比较高的流量计，在周围有干扰和震动的场合就不宜使用。最后，从经济方面考虑，比如平衡流量计，就可以做到取代孔板，减少压损，节约能耗。在大规格的管道上应尽量使用插入式流量计，以节约成本。

3 结语

以上介绍了一些工业控制中常用到的流量计类型以及选型方法。在工厂的实际应用中，仪表的选型比较纷繁，应在众多品种中扬长避短，选择较为合适的仪表。随着科学技术的发展，传感技术、计算机技术、微电子技术、通信技术已在流量计上得到应用，不久的将来各种新型流量计将会应运而生，也将会给工业仪表应用带来新的革命！

参考文献
[1]黄德民.石油化工自动控制设计手册[M].北京：化学工业出版社，2000.
[2]乐嘉谦.仪表工手册[M].北京：化学工业出版社，2003.
[3]贾云飞，张涛，张清鹏.涡街流量计与孔板流量计压力损失的比较研究[J].计量学报，2008，29（2）.
[4]孙延祚.流量仪表的合理选型[J].工业计量，2007，17（4）.
金属管浮子流量计是工业自动化过程控制中常用的一种变面积流量测量仪表。它具有体积小，检测范围大，使用方便等特点。它可用来测量液体、气体以及蒸汽的流量，特别适宜低流速小流量的介质流量测量。
金属管浮子流量计的使用须知
1.金属管浮子流量计是一款精密的流量仪表，在运输、安装的时候一定要轻拿轻放，不要使用蛮力，也不要随便乱放。要保证指示器和传感器的相对位置不能改变，如果相对位置发生改变，必然会影响到测量的精度、
2.流量计需要及时进行清洗。在长期使用过程中，管道不可避免要有铁磁性物质吸附在浮子上，如果杂质过多，会装浮子卡死或影响测量精度，所以要对流量计的传感器进行清洗。如果流量计的入口处装有磁过滤器，也要对磁过滤器定期清洗。清洗时必须将流量计或过滤器从管道上卸下来。
3.对电远传及带报警限位开关的流量计在使用前，打开仪表盖，按接线图正确接线。对于报警型的旋松限位开关处的螺丝，用户根据需要设定限位报警位置，并旋紧螺丝，复原合使用。
4.用户使用时，若被测流体的密度与水不同时，或被测气体的参数和工作状态与制造厂家规定不同时应对流量计示值读数进生换算。
如何正确处理液体流量计均匀混合问题

　　液体流量计物性中有三种因素会使输出晃动。它们是：液体的电导率接近下限值；液体中含有固相颗粒或气泡；双组分液体中二种液体电导率不同而未均匀混合，或管道化学反应尚未完全完成。

　　1.液体电导率若接近下限值会出现晃动现象。

　　因为制造厂仪表规范规定的下限值是在各种使用条件较好状态下可测量的最低值，而实际条件不可能都很理想。有时就会遇到测量低度蒸馏水或去离子水，其电导率接近电磁流量计规范规定的下限值5×10－6S/cm，使用时却出现输出晃动。通常认为能稳定测量的电导率下限值要高1～2个数量级。

　　液体电导率可查阅有关手册，缺少现成数据则可取样用电导率仪测定，但有时候也有从管线上取样去实验室测定认为可用，而实际电磁流量计不能工作的情况。这是由于测电导率时的液体与管线内液体已有差别，譬如液体已吸收了大气中CO2或NOX生产碳酸或硝酸，改变了电导率。对于含有颗粒或纤维液体产生的噪声浆液，采取提高激磁频率能有效地改善输出晃动。

　　2.被测液体含有较多固体颗粒会像气泡一样，使流量信号出现尖峰脉冲状噪声等，造成输出晃动。固相若是粉状通常则不会形成输出晃动。

　　在精细化工业、食品业、医药业和给水处理工程经常在液内加药液，而药液通常是由往复泵或膜片泵按主液流量成比例地注入。注入药液后的主液呈现有药液段和无药液段相间隔的段列，若两种电导率不同的液体没有混合均匀，其下游测量流量的电磁流量计输出就会呈现晃动。出现这种情况应将加液点移至下游，或将电磁流量计移至加液点移至下游，或将电磁流量计移至加液点上游；如果受现场条件限制或嫌改装工程量大，亦可在加液点下游装混合器补救之。但装静态混合器后液流将产生旋转流，有可能造成1％或以上的额外附加误差。然而与输出晃动无法测量相比，是权衡两弊取其轻的措施。

　　3.若混合液在管道内化学反应未结束就进入电磁流量计测量，也有可能出现输出晃动现象。这种情况下只能改变测量点位置，务使测量位置在混合点上游或远离混合段的下游。然而原理混合段的相隔距离需要很长。

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