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工程中常用流量計的有關基礎知識 1-1 概述 測量流體流量的儀表統(tǒng)稱為流量計或流量表，流量計是工業(yè)測量中重 要的儀表之一。隨著工業(yè)生產的發(fā)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60 種。 1-2 流量計分類 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。 1） 按測量原理分類 a. 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。 b. 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。 c. 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。 d. 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。 e. 光學原理：激光式、光電式等是屬于此類原理的儀表。 f. 原子物理原理：核磁共振式、核幅射式等是屬于此類原理的儀表。 g. 其它原理：有標記原理(示蹤原理、核磁共振原理)、相關原理等。 2） 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(jù)流量計的結構原理，大致上可歸 納為以下幾種類型： a. 變面積式流量計 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，浮子即靜止。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，因此該型流量計 稱變面積式流量計。該式流量計的典型儀表是轉子(浮子)流量計。 b. 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％~0.5％。 c. 差壓式流量計 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(jié)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(shù)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(fā)電廠主蒸汽、給水、凝結水等的流量測量都采用這種表計。 d. 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(yè)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、 純水等則不能應用。 e. 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(xiàn)，但由于它可以制 成非接觸型式，并可與超聲波水位計聯(lián)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(fā)展前途的流量計。 f. 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(fā)和發(fā)展起來的。由于它兼有無轉動部件和脈沖數(shù)字輸出的優(yōu) 點，很有發(fā)展前途。目前典型的產品有渦街流量計、旋進旋渦流量計。 g. 容積式流量計 容積式流量計相當于一個標準容積的容器，它接連不斷地對流動介質 進行度量。流量越大，度量的次數(shù)越多，輸出的頻率越高。容積式流量計 的原理比較簡單，適于測量高粘度、低雷諾數(shù)的流體。根據(jù)回轉體形狀不 同，目前生產的產品分：適于測量液體流量的橢圓齒輪流量計、腰輪流量 計(羅茨流量計)、旋轉活塞和刮板式流量計；適于測量氣體流量的伺服式 容積流量計、皮膜式和轉簡流量計等。 除上述常用結構原理的流量計外，其它各種結構的流量計還很多，如 動量式流量計、沖量式流量計和質量流量計等，還有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。 1-3 雷諾數(shù) 測量管內流體流量時往往必須了解其流動狀態(tài)、流速分布等。雷諾數(shù) 就是表征流體流動特性的一個重要參數(shù)。 流體流動時的慣性力Fg 和粘性力(內摩擦力)Fm 之比稱為雷諾數(shù)。用 符號Re 表示。Re 是一個無因次量。 式中的動力粘度η 用運動粘度υ 來代替，因η＝ρυ，則 式中： v： 流體的平均速度； l： 流束的定型尺寸； υ、η： 在工作狀態(tài)；流體的運動粘度和動力粘度 ρ： 被測流體密度； 由上式可知，雷諾數(shù)Re 的大小取決于三個參數(shù)，即流體的速度、流 束的定型尺寸以及工作狀態(tài)下的粘度。 用圓管傳輸流體，計算雷諾數(shù)時，定型尺寸一般取管道直徑(D)，則 用方形管傳輸流體，管道定型尺寸取當量直徑(Dd)。當量直徑等于水 力半徑的四倍。對于任意截面形狀的管道，其水力半徑等于管道戳面積與 周長之比。所以長和寬分別為A 和B 的矩形管道，其當量直徑對于任意截 面形狀管道 的當量直徑，都可按截面積的四倍和截面周長之比計算，因此，雷諾 數(shù)的計算公式為 雷諾數(shù)小，意味著流體流動時各質點間的粘性力占主要地位，流體各 質點平行于管路內壁有規(guī)則地流動，呈層流流動狀態(tài)。雷諾數(shù)大，意味著 慣性力占主要地位，流體呈紊流流動狀態(tài)，一般管道雷諾數(shù)Re＜2000 為 層流狀態(tài)，Re＞4000 為紊流狀態(tài)，Re＝2000～4000 為過渡狀態(tài)。在不同 的流動狀態(tài)下，流體的運動規(guī)律。流速的分布等都是不同的，因而管道內 流體的平均流速V 與最大流速Vmax 的比值也是不同的。因此雷諾數(shù)的大 小決定了粘性流體的流動特性。下圖表示光滑管道的雷諾數(shù)ReD 與速度比 V/Vmax 的關系。 光滑管的管道雷諾數(shù)Rep 與速度比V/Vmax 的關系 1-4 常用流量計介紹 1-4-1 變面積式流量計（轉子流量計，Variable Area Flowmeter） 轉子流量計是最為常見的瞬間流量計，它經濟、安裝簡便、對前后直 管段的要求不高。 轉子流量計是根據(jù)浮標原理設計的，由一根玻璃或塑料制成的垂直錐 型測量管，和一個可以在測量管中上下自由浮動的浮標構成。其中錐型測 量管上大下小。如圖10 所示 1） 測量原理 被測介質自下而上流經測量管時，浮標所受的力主要有三個： a. 重力，固定值； b. 浮力，根據(jù)阿基米德定理，浮力與被測介質的密度和浮標的體積有關， 當被測介質一定時，浮力也是一定值； c. 上升力，被測介質流經浮標時，由于流道面積的改變，從而在浮標上 下端產生壓差，形成上升力。 當浮標所受上升力大于重力和浮力之差時，浮標上升，浮標與測量管 之間的環(huán)隙面積隨之增大，環(huán)隙處介質流速下降，從而產生的壓差隨之減 小，作用在浮標的上升力也隨之減小。直至浮標所受的上升力與重力和浮 力之差達到平衡時，浮標便固定在某一位置，浮標位置的高低即對應了被 測介質流量的大小。 2） 選型時的注意事項 a. 根據(jù)被測介質的化學性質，選擇流量計合適的接液材質； b. 根據(jù)被測介質的密度，從而選擇合適的標尺；這一點在選擇樹脂再生 系統(tǒng)的流量計時要格外小心。 c. 選型時考慮被測介質的操作壓力和溫度； d. 接口尺寸、標準要盡量和管道一致； e. 需要安裝流量開關時，浮標一定要選磁性的；EDI、CDI 主機設備上 經常會遇到。 f. 量程要合適，通常運行值在滿量程的70~80%為佳。 g. 適用于小管徑和低流速； 1-4-2 孔板式差壓流量計（Orifice Flowmeter） 差壓流量計是早期大量使用的一種測量流量的計量裝置，其歷史最 長，用量最多。 1） 測量原理 我公司現(xiàn)在通常使用的為孔板式差壓流量計，其工作原理是在流體管 道中加入一孔板節(jié)流件，使得孔板前后產生一定的壓差，該壓差與管道中 的流量成正比，一定比例的介質通過導壓管引入小型變面積式流量計，從 而顯示流量的瞬時值。詳見圖1 所示。 差壓式流量計由一次裝置(檢測件)和二次裝置(流量顯示儀表)組成。 二次裝置為各種機械、電子、機電一體式差壓計、差壓變送器或流量顯示 儀表。如果選用差壓變送器作為二次裝置，則孔板式差壓流量計可以輸出 4~20 mA 的信號,將流量信號遠傳。有時現(xiàn)場安裝位置有限，安裝一體式 的孔板式差壓流量計不利于讀數(shù)時，可以通過導壓管將二次裝置分體安 裝。詳見圖11 所示。 圖表 1 2） 選型時的注意事項： a. 孔板式差壓流量計測量精度普遍偏低，通常安裝在大流量的砂、炭濾 入口、羅茨風機出口、熱交換器冷熱水管等處，檢測運行瞬間流量。 b. 孔板式差壓流量計測量范圍度窄,一般僅3:1~7:1，因此量程要合適。 c. 流量計可以任意方向安裝，但須保證前10D 后5D 的直管段距離，以 便準確測量。 d. 其它選型注意事項參見變面積式流量計相關條款。 1-4-3 Signet 葉輪式流量計（Rotor-X Paddlewheel Flowmeter） Signet 葉輪式流量計由流量探頭（如P51530-P0）、探頭安裝件和控 制器（如3-8550-1P）組成。 1） 測量原理 葉輪式流量探頭安裝固定在管道上，只露出管壁一個葉片，當被測介 質流動時，推動葉輪旋轉，使檢出裝置中的磁路磁阻產生周期性的變化， 因而在檢出線圈兩端就感應出頻率與介質流速成一定比例的脈沖信號。該 信號被放大后傳輸給顯示器，再經處理換算后顯示為流量。 2） 選型時的注意事項： a. 探頭的型號是否合適；探頭有P0、P1 和P2 三種型號，分別適用于 不同管徑，選型時要注意區(qū)分。 b. 流體物性對流量特性有較大影響，探頭安裝位置是否合理，在很大程 度上影響了流量計的精確度；詳見圖2 中說明。 c. 流量探頭的K 系數(shù)，調試時必須根據(jù)說明書上的表格，對應管道的制 式和口徑，合理選擇K 系數(shù)并輸入控制器。 d. 測量介質如果含有纖維性的雜質，則可能妨礙葉輪的正常轉動。 圖表 2 1-4-4 超聲波式流量計（Ultrasonic Flowmeter） 超聲流量計是通過檢測流體流動對超聲束(或超聲脈沖)的作用以測 量流量的儀表。根據(jù)對信號檢測的原理超聲流量計可分為傳播速度差法 (直接時差法、時差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、互 相關法及噪聲法等。目前我公司主要使用的是FUJI 生產的時差型超聲波。 1） 測量原理 時差型超聲波是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時間差與 流體流速成正比這一原理來測量流體流量的。如圖3 所示。 探頭安裝不合理是超聲波流量計不能正常工作的主要原因。安裝探頭 需要考慮位置的確定和方式的選擇兩個問題。確定位置時除保證足夠的 上、下游直管段外，尤其要注意探頭盡量避開有變頻調速器、電焊機等污 染電源的場合。在安裝方式上，F(xiàn)UJI 時差型超聲波主要有V 方式和Z 方 式兩種，如圖4 所示。通常情況下，管徑小于300mm 時，采用V 方式安裝， 管徑大于300mm 時，采用Z 方式安裝。 圖表 3 圖表 4 2） 選型時的注意事項： a. 由于時差式超聲波流量計的探頭安裝采用外貼式，為非接觸式測量， 對被測介質沒有任何撓動，無壓力損失，可測量非導電性液體，因此 被廣泛應用在超純水終端送回水管路中。 b. 應根據(jù)管徑和管道材質選擇合適的探頭，對傳送超聲波信號差的管道 采用FLSE31 或FLSE41 型探頭。 c. 為確保探頭和管道之間接觸良好，在安裝中應使用聲耦合劑完全填充 兩者之間的縫隙，應根據(jù)使用的溫度選擇合適的聲耦合劑（硅脂或硅 橡膠）。 d. 應根據(jù)現(xiàn)場安裝情況，選擇合適長度的配套專用信號電纜。 e. 安裝時所要求的前后直管段的長度。 f. 在使用前應輸入正確的管道信息（材質、管徑及壁厚等）和被測介質 信息，并根據(jù)儀表所提供的探頭之間的間距，正確固定探頭。 1-4-5 電磁式流量計（Magnetic Flowmeter） 電磁流量計是60 年代隨著電子技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型流 量測量儀表。它根據(jù)法拉第電磁感應定律制成，用來測量導電流體的體積 流量。由于其獨特的優(yōu)點，目前已廣泛地應用于工業(yè)上各種導電液體的測 量。例如，測量各種酸、堿、鹽等腐蝕液體；各種易燃，易爆介質；各種 工業(yè)污水，紙漿，泥漿等。 1） 測量原理 電磁流量計的工作原理是基于法拉第電磁感應定律—即當導體在磁 場中移動時將產生感應電勢。 法拉第定律：E=k BDV 感應電勢E 的大小直接正比于導體的運動速度V、導體寬度D 以及磁 場強度B。至于管道上下兩側的電磁線圈通電后產生一個電磁場，當導電 的被測介質以平均流速V 通過磁場時，電極傳感出感應電勢，兩電極間的 距離代表了導體的寬度。示意圖參見圖5。 因為磁場強度B 是被控制的常量，而電極間的距離D 是固定的，因此 上面等式中唯一變量是導電介質的流速V，輸出電壓E 直接正比于介質流 速V。 圖表 5 2） 選型時的注意事項： a. 電磁流量計不能用于測量氣體、蒸氣以及含有大量氣體的液體。 b. 電磁流量計目前還不能用來測量電導率很低的液體介質，每個廠家都 有其建議最低電導率，例如Rosemount 要求被測液體介質的電導率 不能低于5μS／cm（8705 型）或50μS／cm（8707 型），選型時 需要注意。 c. 由于測量管絕緣襯里材料受溫度的限制，目前工業(yè)電磁流量計還不能 測量高溫高壓流體。 d. 電磁流量計受流速分布影響，在軸對稱分布的條件下，流量信號與平 均流速成正比。所以，電磁流量計前后也必須有一定長度的前后直管 段，通常為前10D 后5D。 e. 電磁流量計易受外界電磁干擾的影響，要求被測介質有一個可靠的接 地通路，應根據(jù)被測介質的電導率、管道材質等選擇合適的接地電極 或接地環(huán)。 f. 測量通道是段光滑直管，不會阻塞，適用于測量含固體顆粒的液固二 相流體，如紙漿、泥漿、污水等； g. 不產生流量檢測所造成的壓力損失，節(jié)能效果好； h. 所測得體積流量實際上不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導率變 化的明顯影響； i. 流量范圍大,口徑范圍寬； j. 可應用腐蝕性流體； 1-4-6 渦街式流量計（Vortex Flowmeter） 渦街流量計是屬于最年輕的一類流量計,但其發(fā)展迅速,目前已成為 通用的一類流量計。渦街流量計按頻率檢出方式可分為:應力式、應變式、 電容式、熱敏式、振動體式、光電式及超聲式等。 1） 測量原理 渦街流量計的原理是在流量計管道中，設置一滯流件，當流體流經滯 流件時，由于滯流件表面的滯流作用等原因，在其下游會產生兩列不對稱 的旋渦，這些旋渦在滯流件的側后方分開，形成旋轉方向相反的所謂卡門 （Karman）旋渦列（如圖6 所示），這些漩渦產生的局部壓力變化被一個 傳感器檢測到，渦街頻率直接與介質的流速成正比，從而通過檢測到的渦 街頻率計算出介質的流速。 圖 2） 選型時的注意事項： a. 渦街流量計的測量范圍較大，一般約30：1，但不適用于低雷諾數(shù)測 量，選型時必須核算是否符合廠家建議的流速和雷諾數(shù)的要求。 b. 流量計的精度會受到前直管段中的擾流影響，因此安裝時要需要滿足 其對前后直管段長度的要求，以Rosemount 8800 C 系列渦接流量計 的要求為例，如圖7 所示。 c. 選型時除注意環(huán)境溫度、濕度、氣氛等條件外，還要考慮電磁干擾。 d. 選型時須注明是一體式還是分體式，安裝方式是夾持型還是法蘭式。 圖表 7 圖8：渦街式流量計 圖9：電磁式流量計 圖10：轉 子流量計 圖11：差壓 式流量計 圖12：超聲波流量計 |
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