常見流量計的(de)應用(yòng)與選型

測量流體流量的(de)儀表統稱爲流量計或流量表，流量計是工業測量中重要的(de)儀表之一，它被廣泛适用(yòng)于冶金、電力、煤炭、化(huà)工、石油、 交通(tōng)、建築、輕紡、食品、醫藥、農業、環境保護及人(rén)民日常生活等國民經濟各個(gè)領域，是發展工農業生産，節約能源，改進産品質量，提高(gāo)經濟效益和(hé)管理(lǐ)水(shuǐ)平的(de)重要工具，在國民經濟中占有重要的(de)地位。爲了(le)适應各種用(yòng)途，各種類型的(de)流量計相繼問世。目前已投入使用(yòng)的(de)流量計已超過60多(duō)種。按照(zhào)目前最流行、最廣泛的(de)分(fēn)類法，即分(fēn)爲：差壓式流量計、渦街(jiē)流量計、渦輪流量計、浮子流量計、數字靶式流量計、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安裝于管道中流量檢測件産生的(de)差壓，已知的(de)流體條件和(hé)檢測件與管道的(de)幾何尺寸來(lái)計算(suàn)流量的(de)儀表。差壓式流量計是工業上使用(yòng)最多(duō)的(de)流量計之一，其測量精度是由其測量原理(lǐ)、結構、制造工藝水(shuǐ)平、被測流體的(de)性質和(hé)使用(yòng)條件等決定的(de)差壓式流量計由一次裝置（檢測件）和(hé)二次裝置（差壓轉換和(hé)流量顯示儀表）組成。通(tōng)常以檢測件形式對(duì)差壓式流量計分(fēn)類，如孔闆流量計、V錐流量計等。

   1.1.1 孔闆流量計

    孔闆流量計的(de)工作原理(lǐ)：在流體的(de)流動管道上裝有一個(gè)節流裝置，其内裝有一個(gè)孔闆，中心開有一個(gè)圓孔，其孔徑比管道内徑小，在孔闆前流體穩定的(de)向前流動，流體流過孔闆時(shí)由于孔徑變小，截面積收縮，使穩定流動狀态被打亂，因而流速将發生變化(huà)，速度加快(kuài)，氣體的(de)靜壓随之降低，于是在孔闆前後産生壓力降落，即差壓（孔闆前截面大(dà)的(de)地方壓力大(dà)，通(tōng)過孔闆截面小的(de)地方壓力小）。差壓的(de)大(dà)小和(hé)流體流量有确定的(de)數值關系，即流量大(dà)時(shí)，差壓就大(dà)，流量小時(shí)，差壓就小。流量與差壓的(de)平方根成正比

 1.1.2 V錐流量計

    V形錐流量計源于美(měi)國MCROMETER，是一種極具優勢的(de)新型差壓式流量儀表。從二十幾年前誕生開始，就以其常規差壓儀表無法相比的(de)的(de)諸多(duō)優點，迅速在流量測量領域得(de)到了(le)廣泛的(de)應用(yòng)和(hé)好評。V錐流量計是一種全新的(de)差壓式流量計量裝置，它以獨特的(de)邊壁逐步收縮節流方式，一改傳統節流裝置的(de)幾乎所有的(de)缺點，是差壓流量計革命性成果。其原理(lǐ)與其他(tā)差壓式流量計一樣，是經典的(de)密閉管道中能量守恒原理(lǐ)和(hé)流動連續性原理(lǐ)，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(kě)保持長(cháng)期穩定性。

    V錐流量計其工作原理(lǐ)和(hé)孔闆流量計相同。介質通(tōng)過V錐時(shí)，由于阻流件V錐的(de)存在，使得(de)流體的(de)流過面積發生變化(huà)，流速發生變化(huà)，根據伯努利方程，流速變化(huà)引起了(le)壓力的(de)變化(huà)，該壓力的(de)變化(huà)與流速之間有一定的(de)關系。通(tōng)過測量該壓力差達到測量流量的(de)目的(de)。雖然與孔闆原理(lǐ)一樣，但是最本質的(de)區(qū)别在于孔闆爲中心收縮型節流裝置，而V錐爲邊壁收縮型節流裝置[2]。

    V錐和(hé)孔闆比較，V錐的(de)信噪比要小的(de)多(duō)。由于信噪比小，V錐在小流量測量時(shí)，即使測量的(de)差壓在較小的(de)工況下(xià)也(yě)可(kě)以精确地進行測量。

    V錐流量計也(yě)有一些缺點，例如：需要标定、售價較高(gāo)等。

2 渦街(jiē)流量計

    2.1 渦街(jiē)流量計特點

    渦街(jiē)流量計主要用(yòng)于工業管道介質流體的(de)流量測量，如氣體、液體、蒸氣等多(duō)種介質。其特點是壓力損失小，量程範圍大(dà)，精度高(gāo)，重複性好，在測量工況體積流量時(shí)幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數的(de)影(yǐng)響。無可(kě)動機械零件，因此可(kě)靠性高(gāo)，維護量小。儀表參數能長(cháng)期穩定。

    渦街(jiē)流量計是應用(yòng)流體振蕩原理(lǐ)來(lái)測量流量的(de)，流體在管道中經過渦街(jiē)流量變送器時(shí)，在三角柱的(de)旋渦發生體後上下(xià)交替産生正比于流速的(de)兩列旋渦，旋渦的(de)釋放頻(pín)率與流過旋渦發生體的(de)流體平均速度及旋渦發生體特征寬度有關，可(kě)用(yòng)下(xià)式表示：

    式中：f—旋渦的(de)釋放頻(pín)率，Hz；    

    v—流過旋渦發生體的(de)流體平均速度，m/s；    

    d—旋渦發生體特征寬度，m；

    St—斯特羅哈數，無量綱，它的(de)數值範圍爲0114～0127。

    St是雷諾數的(de)函數，St=f（1/Re）。當雷諾數Re在102～105範圍内，St值約爲012，因此，在測量中，要盡量滿足流體的(de)雷諾數在102～105，旋渦頻(pín)率f=0.12v/d。由此可(kě)知，通(tōng)過測量旋渦頻(pín)率就可(kě)以計算(suàn)出流過旋渦發生體的(de)流體平均速度v，再由式q=vA可(kě)以求出流量q，其中，A爲流體流過旋渦發生體的(de)截面積[3]。

    渦街(jiē)流量計便是依據卡門旋渦原理(lǐ)進行封閉管道流體流量測量的(de)新型流量計。因其具有良好的(de)介質适應能力，無需溫度壓力補償即可(kě)直接測量蒸汽、空氣、氣體、水(shuǐ)、液體的(de)工況體積流量，配備溫度、壓力傳感器可(kě)測量标況體積流量和(hé)質量流量等優點。缺點是安裝管道一般要求是直管道，要求前後直管段要滿足渦街(jiē)流量計的(de)要求，所配管道内徑也(yě)必須和(hé)渦街(jiē)流量變送器内徑一緻，并且遠(yuǎn)離振動源和(hé)電磁幹擾較強的(de)地方。

3 渦輪流量計

    渦輪流量計由渦輪、軸承、前置放大(dà)器、顯示儀表組成。被測流體沖擊渦輪葉片，使渦輪旋轉，渦輪的(de)轉速随流量的(de)變化(huà)而變化(huà)，即流量大(dà)，渦輪的(de)轉速也(yě)大(dà)，再經磁電轉換裝置把渦輪的(de)轉速轉換爲相應頻(pín)率的(de)電脈沖，經前置放大(dà)器放大(dà)後，送入顯示儀表進行計數和(hé)顯示，根據單位時(shí)間内的(de)脈沖數和(hé)累計脈沖數即可(kě)求瞬時(shí)流量和(hé)累積流量[4]。渦輪變送器的(de)工作原理(lǐ)是當流體沿著(zhe)管道的(de)軸線方向流動并沖擊渦輪葉片時(shí)，便有

    Q=fk

    其中：Q—流經變送器的(de)流量，L/s；

    f—電脈沖頻(pín)率；

    k—儀表系數，次/升。

    管道内流體的(de)力作用(yòng)在葉片上，推動渦輪旋轉。在渦輪旋轉的(de)同時(shí)，葉片周期性地切割電磁鐵産生的(de)磁力線，改變線圈的(de)磁通(tōng)量。根據電磁感應原理(lǐ)，在線圈内将感應出脈動的(de)電勢信号，此脈動信号的(de)頻(pín)率與被測流體的(de)流量成正比，k是渦輪變送器的(de)重要特性參數，它是代表每立方米流量有幾個(gè)脈沖，或者每升流量有幾個(gè)脈沖。不同的(de)儀表有不同的(de)k，并随儀表長(cháng)期使用(yòng)的(de)磨損情況而變化(huà)。盡管渦量計的(de)設計尺寸相同，但實際加工出來(lái)的(de)渦輪幾何參數卻不會完全一樣，因而每台渦輪變送器的(de)儀表常數k也(yě)不完全一樣，它通(tōng)常是制造廠在常溫下(xià)用(yòng)潔淨的(de)水(shuǐ)标定出來(lái)的(de)。渦輪變送器輸出的(de)脈沖信号，經前置放大(dà)器放大(dà)後，送入顯示儀表，就可(kě)以實現流量的(de)測量[5]。渦輪流量計特點具有精度高(gāo)、重複性好、無零點漂移、高(gāo)量程比等優點。渦輪流量計擁有高(gāo)質量軸承、特别設計的(de)導流片，因此極大(dà)降低了(le)磨損，對(duì)峰值不敏感，甚者惡劣的(de)條件下(xià)也(yě)可(kě)以給出可(kě)靠的(de)測量變量。缺點：（1）測量氣、液混相或粘度較大(dà)的(de)流體會産生很大(dà)的(de)誤差；（2）測量的(de)含有顆粒的(de)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（轉子流量計）是以浮子在垂直錐形管内随著(zhe)流量變化(huà)而升降而改變它們之間形成的(de)流通(tōng)環隙面積作流量測量的(de)體積流量儀表[6]。

    浮子流量計按其制造材料的(de)不同可(kě)分(fēn)爲玻璃管浮子流量計、塑料管浮子流量計和(hé)金屬管浮子流量計3種。玻璃管浮子流量計和(hé)塑料管浮子流量計結構簡單，浮子位置清晰可(kě)見、易讀、成本低廉、常用(yòng)于測量常溫、常壓、透明(míng)和(hé)腐蝕性介質。如空氣、煤氣、氨氣等。便于現場(chǎng)目測，多(duō)用(yòng)于工業原料的(de)配比計量。玻璃管浮子流量計雖然有很多(duō)優點，但隻适用(yòng)于就地指示，信号不能遠(yuǎn)傳，玻璃管強度不夠而不能用(yòng)于測量高(gāo)溫高(gāo)壓及不透明(míng)的(de)流體，所以工業生産中采用(yòng)金屬管浮子流量計的(de)較多(duō)。浮子流量計的(de)流量檢測元件是由一根自下(xià)向上擴大(dà)的(de)垂直錐形管和(hé)一個(gè)沿著(zhe)錐管軸上下(xià)移動的(de)浮子組所組成。工作原理(lǐ)是被測流體從下(xià)向上經過錐管和(hé)浮子形成的(de)環隙時(shí)，浮子上下(xià)端産生差壓形成浮子上升的(de)力，當浮子所受上升力大(dà)于浸在流體中浮子重量時(shí)，浮子便上升，環隙面積随之增大(dà)，環隙處流體流速立即下(xià)降，浮子上下(xià)端差壓降低，作用(yòng)于浮子的(de)上升力亦随著(zhe)減少，直到上升力等于浸在流體中浮子重量時(shí)，浮子便穩定在某一高(gāo)度。浮子在錐管中高(gāo)度和(hé)通(tōng)過的(de)流量有對(duì)應關系。

    浮子流量計具有結構簡單、工作可(kě)靠、壓損小且穩定、可(kě)測低流速介質等諸多(duō)優點。浮子流量計有較寬的(de)流量範圍度，一般爲10︰1，最低爲5︰1，最高(gāo)爲25︰1。流量檢測元件的(de)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(tōng)常不适用(yòng)，使用(yòng)前要作流量示值修正。

  5 數字靶式流量計

    靶式流量計于20世紀60年代開始應用(yòng)于工業流量測量，主要用(yòng)于解決高(gāo)粘度、低雷諾數流體的(de)流量測量，先後經曆了(le)氣動表和(hé)電動表兩大(dà)發展階段。

    數字靶式流量計結構組成及工作原理(lǐ)：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(suàn)器及其顯示和(hé)輸出部分(fēn)組成。當介質在測量管中流動時(shí)，因其自身的(de)動能和(hé)因阻流件而産生的(de)壓差，産生一個(gè)對(duì)阻流件的(de)作用(yòng)力，其作用(yòng)的(de)大(dà)小與介質流速的(de)平方成正比。優點有：整台儀表結構堅固無可(kě)動部件，插入式結構，拆卸方便；儀表内設自檢程序，精度高(gāo)、重複性好、耐高(gāo)溫等；缺點有：對(duì)流體的(de)要求較高(gāo)，例如：所測流體必須是牛頓流體、流體必須充滿流量計的(de)測量管等。

 6 電磁流量計

    電磁流量計有一體型和(hé)分(fēn)體型兩種組合形式，輸出級皆采取電隔離，可(kě)方便地與後位儀表配套，實現對(duì)流量的(de)記錄、控制和(hé)調節等功能。同時(shí)，流量計配備RS-485通(tōng)訊接口，可(kě)與計算(suàn)機互聯。電磁流量計的(de)工作原理(lǐ)爲法拉第電磁感應定律。導電液體在磁場(chǎng)中流動切割磁力線，産生感應電勢。表達式：E=KBLv，式中，B爲磁感應強度；L爲測量電極之間的(de)距離；v爲被測流體在磁場(chǎng)中運動的(de)平均速度；K爲比例常數。電磁流量計主要由流量傳感器和(hé)信号轉換器兩部分(fēn)組成。傳感器把流過的(de)被測液體的(de)流量轉換爲相應的(de)感應電勢。信号轉換器的(de)作用(yòng)是把電磁流量傳感器輸出的(de)和(hé)流量成比例的(de)毫伏級電壓信号放大(dà)并轉換成爲可(kě)被工業儀表接收的(de)标準直流電流、電壓或脈沖信号輸出，以便與儀表及調節器配合，實現流量的(de)指示、記錄和(hé)運算(suàn)。電磁流量計的(de)優點有：

    （1）可(kě)測含有固體顆粒、懸浮物(wù)或酸、堿、鹽溶液等具有一定電導率的(de)液體體積流量；也(yě)可(kě)進行雙向測量。（2）測量導管内沒有可(kě)動部件和(hé)阻流體，因而無壓損，無機械慣性，反應十分(fēn)靈敏。（3）測量範圍度大(dà)。（4）電磁，流量計所測得(de)的(de)體積流量，實際上不受流體密度、粘度、溫度、壓力和(hé)電導率（隻要在某阈值以上）變化(huà)明(míng)顯的(de)影(yǐng)響。

    缺點有：（1）電磁流量計不能測量電導率很低的(de)液體。（2）不能測量氣體、蒸氣和(hé)含有較多(duō)較大(dà)氣泡的(de)液體。（3）不能用(yòng)于較高(gāo)溫度的(de)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(hé)累積系統三部分(fēn)組成，是一種利用(yòng)超聲波脈沖來(lái)測量流體流量的(de)速度式流量儀表。超聲波發射換能器将電能轉換爲超聲波能量，并将其發射到被測流體中，接收器接收到的(de)超聲波信号，經電子線路放大(dà)并轉換爲代表流量的(de)電信号供給顯示和(hé)積算(suàn)儀表進行顯示和(hé)積算(suàn)，這(zhè)樣就實現了(le)流量的(de)檢測和(hé)顯示[7]。超聲波流量計大(dà)體分(fēn)爲：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(de)優點：（1）超聲波流量計是非接觸測量，适用(yòng)于大(dà)管徑、大(dà)流量測量，并且不受流體的(de)溫度、粘度、密度等參數的(de)影(yǐng)響。（2）超聲波流量計可(kě)以測水(shuǐ)、氣或油各種介質。（3）超聲波流量計運行能耗極小，可(kě)方便地實現長(cháng)年電池供電，加之先進的(de)智能化(huà)主機可(kě)方便地進行網絡無線通(tōng)信，其應用(yòng)前景更加廣闊。缺點：超聲波流量計目前所存在的(de)缺點主要是可(kě)測流體的(de)溫度範圍受超聲波換能器及換能器與管道之間的(de)耦合材料耐溫程度的(de)限制，以及高(gāo)溫下(xià)被測流體傳聲速度的(de)原始數據不全。    

   8 結束語

    綜上所述，流量測量方法和(hé)儀表的(de)種類繁多(duō)，分(fēn)類方法也(yě)很多(duō)。品種如此之多(duō)的(de)原因就在于至今還(hái)沒找到一種對(duì)任何流體、任何量程、任何流動狀态以及任何使用(yòng)條件都适用(yòng)的(de)流量儀表。這(zhè)60多(duō)種流量儀表，每種産品都有它特定的(de)适用(yòng)性，也(yě)都有它的(de)局限性。希望在流量計今後發展道路上研制出更方便、經濟、實用(yòng)并且适用(yòng)測量各種條件流體的(de)流量計，更好的(de)滿足工業的(de)要求，造福人(rén)類。