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【知识盘点】各种流量计的工作原理及优缺点

文章出处：网责任编辑：作者：人气：-发表时间：2017-02-15 15:15:00

　　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 100 种。

　　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，每种产品都有它特定的适用性,也都有它的局限性。按测量原理分有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。

　　1、按流量计的结构原理,分类为：

　　a、容积式流量计

　　b、差压式流量计

　　c、浮子流量计

　　d、涡轮流量计

　　e、电磁流量计

　　f、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计。

　　2、按测量对象，分类为：

　　a、封闭管道

　　b、明渠

　　共两大类;

　　3、按测量目的，分类为：

　　a、总量测量

　　b、流量测量,其仪表分别称作总量表和流量计。

　　总量表测量一段时间内流过管道的流量,是以短暂时间内流过的总量除以该时间的商来表示,实际上流量计通常亦备有累积流量装置,做总量表使用,而总量表亦备有流量发讯装置。因此, 以严格意义来分流量计和总量表已无实际意义。

　　4、按测量原理分类

　　a、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。

　　b、光学原理：激光式、光电式等是属于此类原理的仪表。

　　c、原于物理原理：核磁共振式、核幅射式等是属于此类原理的仪表.

　　d、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。

　　e、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。

　　f、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。

　　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。

　　5、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：

　　1)、差压式流量计

　　差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压,已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。

　　差压式流量计由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。通常以检测件形式对差压式流量计分类,如孔板流量计、文丘里流量计、均速管流量计等。

　　二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计,差压变送器及流量显示仪表。它已发展为三化(系列化、通用化及标准化)程度很高的、种类规格庞杂的一大类仪表,它既可测量流量参数,也可测量其它参数(如压力、物位、密度等)。

　　差压式流量计的检测件按其作用原理可分为:节流装置、水力阻力式、离心式、动压头式、动压头增益式及射流式几大类。

　　检测件又可按其标准化程度分为二大类:标准的和非标准的。

　　所谓标准检测件是只要按照标准文件设计、制造、安装和使用,无须经实流标定即可确定其流量值和估算测量误差。

　　非标准检测件是成熟程度较差的,尚未列入国际标准中的检测件。

　　差压式流量计是一类应用最广泛的流量计,在各类流量仪表中其使用量占居首位。近年来,由于各种新型流量计的问世,它的使用量百分数逐渐下降,但目前仍是最重要的一类流量计。

　　应用概况:

　　差压式流量计应用范围特别广泛,在封闭管道的流量测量中各种对象都有应用,如流体方面:单相、混相、洁净、脏污、粘性流等;工作状态方面:常压、高压、真空、常温、高温、低温等;管径方面:从几 mm 到几 m;流动条件方面:亚音速、音速、脉动流等。它在各工业部门的用量约占流量计全部用量的 1/4~1/3。

　　优点:

　　a、应用最多的孔板式流量计结构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长;

　　b、应用范围广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比拟;

　　c、检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产,便于规模经济生产。

　　缺点:

　　a、测量精度普遍偏低;

　　b、范围度窄,一般仅 3:1~4:1;

　　c现场安装条件要求高;

　　d、压损大(指孔板、喷嘴等)。

　　2)、孔板流量计

　　优点：

　　标准节流件是全世界通用的，并得到了国际标准组织的认可，无需实流校准，即可投用，在流量计中亦是唯一的。结构易于复制，简单、牢固、性能稳定可靠、价格低廉;

　　应用范围广，包括全部单相流体(液、气、蒸汽)、部分混相流，一般生产过程的管径、工作状态(温度、压力)皆有产品。

　　检测件和差压显示仪表可分开不同厂家生产，便与专业化规模生产;

　　缺点：

　　测量的重复性、精确度在流量计中属于中等水平，由于众多因素的影响错综复杂，精确度难于提高。范围度窄，由于流量系数与雷诺数有关,一般范围度仅 3∶1 ～ 4∶1。有较长的直管段长度要求，一般难于满足。尤其对较大管径，问题更加突出;压力损失大; 通常为维持一台孔板流量计正常运行，水泵需要附加动力克服孔板的压力损失。该附加耗电量可直接由

　　压力损失和流量计算确定。一年约需多耗电数万度，折合人民币数万元。下表中列出了孔板在正常压力

　　损失情况下的能耗计算结果。其中运行天数按三百五十天计算，电价按 0.35 元/度计算。由表中计算电耗数据可见，孔板的附加运行费用是极高的，而采用弯管流量计该运行费用为零!

　　孔板以内孔锐角线来保证精度，因此对腐蚀、磨损、结垢、脏污敏感，长期使用精度难以保证，需每年拆下强检一次。采用法兰连接，易产生跑、冒、滴、漏问题，大大增加了维护工作量。

　　3)、浮子流量计

　　浮子流量计,又称转子流量计,是变面积式流量计的一种,在一根由下向上扩大的垂直锥管中,圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的,从而使浮子可以在锥管内自由地上升和下降。

　　浮子流量计是仅次于差压式流量计应用范围最宽广的一类流量计,特别在小、微流量方面有举足轻重的作用。

　　80 年代中期,日本、西欧、美国的销售金额占流量仪表的 15%~20%。我国产量 1990 年估计在 12~14 万台,其中 95%以上为玻璃锥管浮子流量计。

　　特点:

　　a、玻璃锥管浮子流量计结构简单,使用方便,缺点是耐压力低,有玻璃管易碎的较大风险;

　　b、适用于小管径和低流速;

　　c、压力损失较低。+

　　4)、容积式流量计

　　容积式流量计,又称定排量流量计,简称 PD流量计,在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分,根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。

　　容积式流量计按其测量元件分类,可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。

　　优点:

　　a、计量精度高;

　　b、安装管道条件对计量精度没有影响;

　　c、可用于高粘度液体的测量;

　　d、范围度宽;

　　e、直读式仪表无需外部能源可直接获得累计,总量,清晰明了,操作简便。

　　缺点:

　　a、结果复杂,体积庞大;

　　b、被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大;

　　c　、不适用于高、低温场合;

　　d、大部分仪表只适用于洁净单相流体;

　　e、产生噪声及振动。

　　应用概况:

　　容积式流量计与差压式流量计、浮子流量计并列为三类使用量最大的流量计,常应用于昂贵介质(油品、天然气等)的总量测量。

　　工业发达国家近年 PD流量计(不包括家用煤气表和家用水表)的销售金额占流量仪表的 13%~23%;我国约占 20%,1990 年产量(不包括家用煤气表)估计为 34 万台,其中椭圆齿轮式和腰轮式分别约占 70%和 20%。

　　5)、污水流量计种类

　　污水流量计按计量原理分类：

　　a、流量计有节流式流量计、毕托管流量计、均速管流量计、转子流量计、靶式流量计，这些流量计是利用伯努利方程原理，通过测量流体差压信号反映流量;

　　b、流量计有涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、多普勒超声波流量计、热线测速流量计，这些是通过测量流体流速来反映流量;

　　c、流量计有齿轮式流量计、刮板式流量计、旋转活塞式流量计，这些是通过测量一个个标准体积的小容积来反映流量;

　　d、流量计有热式质量流量计、差压式质量流量计、叶轮式质量流量计、哥力式质量流量计、间接式质量流量计，这些是通过测量流体质量来反映流量;

　　e、流量计有堰槽式流量计，它是通过测量液位来反映流量。

　　污水流量计特点：

　　a、污水流量计结构简单、牢固可靠、使用寿命长。

　　b、测量管内无活动部件和阻力部件，无压损，不会产生阻塞测量可靠，抗干扰能力强体积小、重量轻、安装方便、维护量小、测量范围宽，测量不受流体温度、密度、压力、粘度、电导率等变化的影响，可在老管道上开孔改造安装，施工安装简单，工程量小。

　　6)、涡轮流量计

　　涡轮流量计,是速度式流量计中的主要种类,它采用多叶片的转子(涡轮)感受流体平均流速,从而且推导出流量或总量的仪表。

　　一般它由传感器和显示仪两部分组成,也可做成整体式。

　　涡轮流量计和容积式流量计、科里奥利质量流量计称为流量计中三类重复性、精度最佳的产品,作为十大类型流量计之一,其产品已发展为多品种、多系列批量生产的规模。

　　优点:

　　a、高精度,在所有流量计中,属于最精确的流量计;

　　b、重复性好;

　　c、元零点漂移,抗干扰能力好;

　　d、范围度宽;

　　e、结构紧凑。

　　缺点:

　　a、不能长期保持校准特性;

　　b、流体物性对流量特性有较大影响。

　　应用概况:

　　涡轮流量计在以下一些测量对象获得广泛应用:石油、有机液体、无机液、液化气、天然气和低温流

　　体统在欧洲和美国,涡轮流量计在用量上是仅次于孔板流量计的天然计量仪表,仅荷兰在天然气管线上就采用了 2600 多台各种尺寸,压力从 0.8~6.5MPa 的气体涡轮流量计,它们已成为优良的天然气计量仪表。

　　7)、涡街流量计(USF)

　　涡街流量计是在流体中安放一根非流线型游涡发生体,流体在发生体两侧交替地分离释放出两串规则地交错排列的游涡的仪表。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.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。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。

　　优点

　　a、涡街流量计无可动部件，测量元件结构简单，性能可靠，使用寿命长。

　　b、涡街流量计测量范围宽。量程比一般能达到 1：10。

　　c、涡街流量计的体积流量不受被测流体的温度、压力、密度或粘度等热工参数的影响。一般不需单独标定。它可以测量液体、气体或蒸汽的流量。

　　d、它造成的压力损失小。

　　e、准确度较高，重复性为 0.5%，且维护量小。

　　缺点

　　a、涡街流量计工作状态下的体积流量不受被测流体温度、压力、密度等热工参数的影响，但液体或蒸汽的最终测量结果应是质量流量，对于气体，最终测量结果应是标准体积流量。质量流量或标准体积流量都必须通过流体密度进行换算，必须考虑流体工况变化引起的流体密度变化。

　　b、造成流量测量误差的因素主要有：管道流速不均造成的测量误差;不能准确确定流体工况变化时的介质密度;将湿饱和蒸汽假设成干饱和蒸汽进行测量。这些误差如果不加以限制或消除，涡街流量计的总测量误差会很大。

　　c、抗振性能差。外来振动会使涡街流量计产生测量误差，甚至不能正常工作。通道流体高流速冲击会使涡街发生体的悬臂产生附加振动，使测量精度降低。大管径影响更为明显。

　　d、对测量脏污介质适应性差。涡街流量计的发生体极易被介质脏污或被污物缠绕，改变几何体尺寸，对测量精度造成极大影响。

　　e、直管段要求高。专家指出，涡街流量计直管段一定要保证前 40D 后 20D，才能满足测量要求。

　　f、耐温性能差。涡街流量计一般只能测量 300℃以下介质的流体流量。

　　USF 在 60 年代后期进入工业应用,80 年代后期起在各国流量仪表销售金额中已占 4%~6%。1992 年世界范围估计销售量为 3.54.8万台,同期国内产品估计在 8000~9000 台。

　　8)、电磁流量计 (EMF)

　　电磁流量计是根据法拉弟电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。

　　电磁流量计有一系列优良特性,可以解决其它流量计不易应用的问题,如脏污流、腐蚀流的测量。

　　70、80 年代电磁流量在技术上有重大突破,使它成为应用广泛的一类流量计,在流量仪表中其使用量百分数不断上升。

　　优点:

　　a、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;

　　b、不产生流量检测所造成的压力损失,节能效果好;

　　c、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;

　　d、流量范围大,口径范围宽;

　　e、可应用腐蚀性流体。

　　缺点:

　　a、电磁流量计的应用有一定局限性，它只能测量导电介质的液体流量，不能测量非导电介质的流量，例如气体和水处理较好的供热用水。另外在高温条件下其衬里需考虑。

　　b、电磁流量计是通过测量导电液体的速度确定工作状态下的体积流量。按照计量要求，对于液态介质，应测量质量流量，测量介质流量应涉及到流体的密度，不同流体介质具有不同的密度，而且随温度变化。如果电磁流量计转换器不考虑流体密度，仅给出常温状态下的体积流量是不合适的。

　　c、电磁流量计的安装与调试比其它流量计复杂，且要求更严格。变送器和转换器必须配套使用，两者之间不能用两种不同型号的仪表配用。在安装变送器时，从安装地点的选择到具体的安装调试，必须严格按照产品说明书要求进行。安装地点不能有振动，不能有强磁场。

　　在安装时必须使变送器和管道有良好的接触及良好的接地。变送器的电位与被测流体等电位。在使用时，必须排尽测量管中存留的气体，否则会造成较大的测量误差。

　　d、电磁流量计用来测量带有污垢的粘性液体时，粘性物或沉淀物附着在测量管内壁或电极上，使变送器输出电势变化，带来测量误差，电极上污垢物达到一定厚度，可能导致仪表无法测量。

　　e、供水管道结垢或磨损改变内径尺寸，将影响原定的流量值，造成测量误差。如100mm口径仪表内径变化1mm会带来约2%附加误差。

　　f、变送器的测量信号为很小的毫伏级电势信号，除流量信号外，还夹杂一些与流量无关的信号，如同相电压、正交电压及共模电压等。为了准确测量流量，必须消除各种干扰信号，有效放大流量信号。应该提高流量转换器的性能，最好采用微处理机型的转换器，用它来控制励磁电压，按被测流体性质选择励磁方式和频率，可以排除同相干扰和正交干扰。但改进的仪表结构复杂，成本较高。

　　g、价格较高

　　应用概况:

　　电磁流量计应用领域广泛,大口径仪表较多应用于给排水工程;中小口径常用于高要求或难测场合,如钢铁工业高炉风口冷却水控制,造纸工业测量纸浆液和黑液,化学工业的强腐蚀液,有色冶金工业的矿浆;小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。

　　?EMF从50年代初进入工业应用以来,使用领域日益扩展,80年代后期起在各国流量仪表销售金额中已占16%~20%。?我国近年发展迅速,1994年销售估计为6500~7500台。国内已生产最大口径为2~6m的ENF,并有实流校验口径3m的设备能力。

　　9)、超声流量计

　　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。

　　超声波流量计按测量原理分可分为时差式和多普勒式

　　利用时差式原理制造的时差式超声流量计近年来得到广泛的关注和使用，是目前企事业使用最多的一种超声波流量计。

　　利用多普勒效应制造的超声多普勒流量计多用于测量介质有一定的悬浮颗粒或气泡介质，使用有一定的局限性，但却解决了时差式超声波流量计只能测量单一清澈流体的问题，也被认为是非接触测量双相流的理想仪表。

　　优点:

　　a、超声波流量计是一种非接触式测量仪表，可用来测量不易接触、不易观察的流体流量和大管径流量。它不会改变流体的流动状态，不会产生压力损失，且便于安装。

　　b、可以测量强腐蚀性介质和非导电介质的流量。

　　c、超声波流量计的测量范围大，管径范围从20mm～5m.

　　d、超声波流量计可以测量各种液体和污水流量。

　　e、超声波流量计测量的体积流量不受被测流体的温度、压力、粘度及密度等热物性参数的影响。可以做成固定式和便携式两种形式。

　　缺点:

　　a、超声波流量计的温度测量范围不高，一般只能测量温度低于200℃的流体。

　　b、抗干扰能力差。易受气泡、结垢、泵及其它声源混入的超声杂音干扰、影响测量精度。

　　c、直管段要求严格，为前20D,后5D。否则离散性差，测量精度低。

　　d、安装的不确定性，会给流量测量带来较大误差。

　　e、测量管道因结垢，会严重影响测量准确度，带来显著的测量误差，甚至在严重时仪表无流量显示

　　f、可靠性、精度等级不高(一般为1.5～2.5级左右)，重复性差。

　　g、使用寿命短(一般精度只能保证一年)。

　　h、超声波流量计是通过测量流体速度来确定体积流量，对液体应该测量它的质量流量，仪表测量质量流量是通过体积流量乘以人为设定的密度后得到的，当流体温度变化时，流体密度是变化的，人为设定密度值，不能保证质量流量的准确度。只能在测量流体速度的同时，又测量了流体密度，才能通过运算，得到真实质量流量值。

　　应用概况:

　　传播时间法应用于清洁、单相液体和气体。典型应用有工厂排放液、:怪液、液化天然气等;气体应用方面在高压天然气领域已有使用良好的经验;

　　多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体,例如:未处理污水、工厂排放液、脏流程液;通常不适用于非常清洁的液体。

　　10)、明渠流量计

　　与前述几种不同,它是在非满管状敞开渠道测量自由表面自然流的流量仪表。

　　非满管态流动的水路称作明渠,测量明渠中水流流量的称作明渠流量计(open channel flowmeter)。

　　明渠流量计除圆形外,还有U字形、梯形、矩形等多种形状。

　　明渠流量计应用场所有城市供水引水渠;火电厂引水和排水渠、污水治理流入和排放渠;工矿企业水排放以及水利工程和农业灌溉用渠道。有人估计1995台,约占流量仪表整体的1.6%,但是国内应用尚无估计数据。

　　11)、静电流量计(electrostatic flowmeter)

　　日本东京技术学院研制适用于石油输送管线低导电液体流量测量的静电流量计。

　　静电流量计的金属测量管绝缘地与管系连接,测量电容器上静电荷便可知道测量管内的电荷。他们分别作了内径4~8mm铜、不锈钢等金属和塑料测量管仪表的实流试验,试验表明流量与电荷之间接近于线性。

　　12)、复合效应流量仪表(combined effects meter)

　　该仪表的工作原理是基于流体的动量和压力作用于仪表腔体产生的变形,测量复合效应的变形求取流量。本仪表由美国GMI工程和管理学院开发,已申请两项专利。

　　13)、转速表式流量传感器(tachmetric flowrate sensor)

　　它是由俄罗斯科学工程中心工业仪表公司开发，是基于悬浮效应理论研制的。该仪表已在若干现场成功的应用(例如在核电站安装2000余台测量热水流量，连续使用8年),且还在改进以扩大应用领域。

　　14)、质量流量计

　　由于流体的容积受温度、压力等参数的影响，用容积流量表示流量大小时需给出介质的参数。在介质参数不断变化的情况下，往往难以达到这一要求，而造成仪表显示值失真。

　　因此，质量流量计就得到广泛的应用和重视。质量流量计分直接式和间接式两种。直接式质量流量计利用与质量流量直接有关的原理进行测量，目前常用的有量热式、角动量式、振动陀螺式、马格努斯效应式和科里奥利力式等质量流量计。间接式质量流量计是用密度计与容积流量直接相乘求得质量流量的。

　　在现代工业生产中，流动工质的温度、压力等运行参数不断提高，在高温高压的情况下，由于材质和结构等方面的原因，直接式质量流量计的应用遇到困难，而间接式质量流量计由于密度计受湿度和压力适用范围的限制，往往也不好实际应用。因此，在工业生产中广泛采用的是温度压力补偿式质量流量计。

　　可把它看作一种间接式质量流量计，不是配用密度计，而是利用温度、压力与密度间的关系，用温度、压力信号经函数运算为密度信号，与容积流量相乘而得到质量流量.目前温度、压力补偿式质量流量计虽已实用化，但当被测介质参数变化范围很大或很迅速时，正确地补偿将很困难或不可能，因此进一步研究在实际生产中适用的质量流量计和密度计还是一个课题。

　　15)、热式质量流量计(恒温差TMF)

　　优点:

　　a、球阀安装，安装拆卸方便。并可以带压安装。

　　b、基于金氏定律，直接测量质量流量。测量值不受压力和温度影响。

　　c、响应迅速。

　　d、量程范围大，管道式安装最小可以测量8.8mm管道的流量，最大可以测到30’’

　　e、插入式类型的流量计，一支流量计可以用于测量多种管径。

　　缺点:

　　a、精度不及其他类型流量计，一般为3%。

　　b、适用范围窄，只能用于测量干燥的非爆炸性的气体，如压缩空气、氮气、氩气及其他中性气体。

　　16)、科里奥利质量流量计(CMF)

　　科里奥利质量流量计(以下简称CMF)是利用流体在振动管中流动时,产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。