常見流量計分類及原理簡介
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。
每種產品都有它特定的適用性,也都有它的局限性。按測量原理分有力學原理、熱學原理、聲學原理、電學原理、光學原理、原子物理學原理等。
按流量計的結構原理進行分類：有容積式流量計、差壓式流量計、浮子流量計、渦輪流量計、電磁流量計、流體振蕩流量計中的渦街流量計、質量流量計和插入式流量計。
按測量對象劃分就有封閉管道和明渠兩大類;按測量目的又可分為總量測量和流量測量,其儀表分別稱作總量表和流量計。總量表測量一段時間內流過管道的流量,是以短暫時間內流過的總量除以該時間的商來表示,實際上流量計通常亦備有累積流量裝置,做總量表使用,而總量表亦備有流量發訊裝置。因此,以嚴格意義來分流量計和總量表已無實際意義。
一、按測量原理分類
1.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.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。
3.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。
4.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。
5.光學原理：激光式、光電式等是屬于此類原理的儀表。
6.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．
7.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.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產生的差壓,已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來計算流量的儀表。
差壓式流量計由一次裝置(檢測件)和二次裝置(差壓轉換和流量顯示儀表)組成。通常以檢測件形式對差壓式流量計分類,如孔板流量計、文丘里流量計、均速管流量計等。
二次裝置為各種機械、電子、機電一體式差壓計,差壓變送器及流量顯示儀表。它已發展為三化(系列化、通用化及標準化)程度很高的、種類規格龐雜的一大類儀表,它既可測量流量參數,也可測量其它參數(如壓力、物位、密度等)。
差壓式流量計的檢測件按其作用原理可分為:節流裝置、水力阻力式、離心式、動壓頭式、動壓頭增益式及射流式幾大類。
檢測件又可按其標準化程度分為二大類:標準的和非標準的。
所謂標準檢測件是只要按照標準文件設計、制造、安裝和使用,無須經實流標定即可確定其流量值和估算測量誤差。
非標準檢測件是成熟程度較差的,尚未列入標準中的檢測件。
差壓式流量計是一類應用zui廣泛的流量計,在各類流量儀表中其使用量占居*。近年來,由于各種新型流量計的問世,它的使用量百分數逐漸下降,但目前仍是zui重要的一類流量計。
優點:
(1)應用zui多的孔板式流量計結構牢固,性能穩定可靠,使用壽命長;
(2)應用范圍廣泛,至今尚無任何一類流量計可與之相比擬;
(3)檢測件與變送器、顯示儀表分別由不同廠家生產,便于規模經濟生產。
缺點:
(1)測量精度普遍偏低;
(2)范圍度窄,一般僅3:1~4:1;
(3)現場安裝條件要求高;
(4)壓損大(指孔板、噴嘴等)。
應用概況:
差壓式流量計應用范圍特別廣泛,在封閉管道的流量測量中各種對象都有應用,如流體方面:單相、混相、潔凈、臟污、粘性流等;工作狀態方面:常壓、高壓、真空、常溫、高溫、低溫等;管徑方面:從幾mm到幾m;流動條件方面:亞音速、音速、脈動流等。它在各工業部門的用量約占流量計全部用量的1/4~1/3。
1.1孔板流量計
優點：
(1)標準節流件是*通用的，并得到了標準組織的認可，無需實流校準，即可投用，在流量計中亦是*的。
(2)結構易于復制，簡單、牢固、性能穩定可靠、價格低廉；
(3)應用范圍廣，包括全部單相流體（液、氣、蒸汽）、部分混相流，一般生產過程的管徑、工作狀態(溫度、壓力)皆有產品。
(4)檢測件和差壓顯示儀表可分開不同廠家生產，便與專業化規模生產；
缺點：
(1)測量的重復性、度在流量計中屬于中等水平，由于眾多因素的影響錯綜復雜，度難于提高。
(2)范圍度窄，由于流量系數與雷諾數有關,一般范圍度僅3∶1 ～ 4∶1。
(3)有較長的直管段長度要求，一般難于滿足。尤其對較大管徑，問題更加突出；
(4)壓力損失大；
通常為維持一臺孔板流量計正常運行，水泵需要附加動力克服孔板的壓力損失。該附加耗電量可直接由壓力損失和流量計算確定。一年約需多耗電數萬度，折合人民幣數萬元。下表中列出了孔板在正常壓力損失情況下的能耗計算結果。其中運行天數按三百五十天計算，電價按0.35元/度計算。由表中計算電耗數據可見，孔板的附加運行費用是*的，而采用彎管流量計該運行費用為零！
(5)孔板以內孔銳角線來保證精度，因此對腐蝕、磨損、結垢、臟污敏感，長期使用精度難以保證，需每年拆下強檢一次。
(6)采用法蘭連接，易產生跑、冒、滴、漏問題，大大增加了維護工作量。
2.浮子流量計
浮子流量計,又稱轉子流量計,是變面積式流量計的一種,在一根由下向上擴大的垂直錐管中,圓形橫截面的浮子的重力是由液體動力承受的,從而使浮子可以在錐管內自由地上升和下降。
浮子流量計是僅次于差壓式流量計應用范圍zui寬廣的一類流量計,特別在小、微流量方面有舉足輕重的作用。
80年代中期,日本、西歐、美國的銷售金額占流量儀表的15%~20%。我國產量1990年估計在12~14萬臺,其中95%以上為玻璃錐管浮子流量計。
特點:
(1)玻璃錐管浮子流量計結構簡單,使用方便,缺點是耐壓力低,有玻璃管易碎的較大風險;
(2)適用于小管徑和低流速;
(3)壓力損失較低。
3.容積式流量計
容積式流量計,又稱定排量流量計,簡稱PD流量計,在流量儀表中是精度zui高的一類。它利用機械測量元件把流體連續不斷地分割成單個已知的體積部分,根據測量室逐次重復地充滿和排放該體積部分流體的次數來測量流體體積總量。
容積式流量計按其測量元件分類,可分為橢圓齒輪流量計、刮板流量計、雙轉子流量計、旋轉活塞流量計、往復活塞流量計、圓盤流量計、液封轉筒式流量計、濕式氣量計及膜式氣量計等。
優點:
(1)計量精度高;
(2)安裝管道條件對計量精度沒有影響;
(3)可用于高粘度液體的測量;
(4)范圍度寬;
(5)直讀式儀表無需外部能源可直接獲得累計,總量,清晰明了,操作簡便。
缺點:
(1)結果復雜,體積龐大;
(2)被測介質種類、口徑、介質工作狀態局限性較大;
(3)不適用于高、低溫場合;
(4)大部分儀表只適用于潔凈單相流體;
(5)產生噪聲及振動。
應用概況:
容積式流量計與差壓式流量計、浮子流量計并列為三類使用量zui大的流量計,常應用于昂貴介質(油品、天然氣等)的總量測量。
工業發達國家近年PD流量計(不包括家用煤氣表和家用水表)的銷售金額占流量儀表的13%~23%;我國約占20%,1990年產量(不包括家用煤氣表)估計為34萬臺,其中橢圓齒輪式和腰輪式分別約占70%和20%。
4.渦輪流量計
渦輪流量計,是速度式流量計中的主要種類,它采用多葉片的轉子(渦輪)感受流體平均流速,從而且推導出流量或總量的儀表。
一般它由傳感器和顯示儀兩部分組成,也可做成整體式。
渦輪流量計和容積式流量計、科里奧利質量流量計稱為流量計中三類重復性、精度的產品,作為類型流量計之一,其產品已發展為多品種、多系列批量生產的規模。
優點:
(1)高精度,在所有流量計中,屬于zui的流量計;
(2)重復性好;
(3)元零點漂移,抗干擾能力好;
(4)范圍度寬;
(5)結構緊湊。
缺點:
(1)不能長期保持校準特性;
(2)流體物性對流量特性有較大影響。
應用概況:
渦輪流量計在以下一些測量對象獲得廣泛應用:石油、有機液體、無機液、液化氣、天然氣和低溫流體統在歐洲和美國,渦輪流量計在用量上是僅次于孔板流量計的天然計量儀表,僅荷蘭在天然氣管線上就采用了2600多臺各種尺寸,壓力從0.8~6.5MPa的氣體渦輪流量計,它們已成為優良的天然氣計量儀表。
5.渦街流量計(USF)
渦街流量計是在流體中安放一根非流線型游渦發生體,流體在發生體兩側交替地分離釋放出兩串規則地交錯排列的游渦的儀表。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．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。 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。
優點
（1）渦街流量計無可動部件，測量元件結構簡單，性能可靠，使用壽命長。
（2）渦街流量計測量范圍寬。量程比一般能達到1：10。
（3）渦街流量計的體積流量不受被測流體的溫度、壓力、密度或粘度等熱工參數的影響。一般不需單獨標定。它可以測量液體、氣體或蒸汽的流量。
（4）它造成的壓力損失小。
（5）準確度較高，重復性為0.5％，且維護量小。
缺點
（1）渦街流量計工作狀態下的體積流量不受被測流體溫度、壓力、密度等熱工參數的影響，但液體或蒸汽的zui終測量結果應是質量流量，對于氣體，zui終測量結果應是標準體積流量。質量流量或標準體積流量都必須通過流體密度進行換算，必須考慮流體工況變化引起的流體密度變化。
（2）造成流量測量誤差的因素主要有：管道流速不均造成的測量誤差；不能準確確定流體工況變化時的介質密度；將濕飽和蒸汽假設成干飽和蒸汽進行測量。這些誤差如果不加以限制或消除，渦街流量計的總測量誤差會很大。
（3）抗振性能差。外來振動會使渦街流量計產生測量誤差，甚至不能正常工作。通道流體高流速沖擊會使渦街發生體的懸臂產生附加振動，使測量精度降低。大管徑影響更為明顯。
（4）對測量臟污介質適應性差。渦街流量計的發生體極易被介質臟污或被污物纏繞，改變幾何體尺寸，對測量精度造成極大影響。
（5）直管段要求高。專家指出，渦街流量計直管段一定要保證前40D后20D，才能滿足測量要求。
（6）耐溫性能差。渦街流量計一般只能測量300℃以下介質的流體流量。
USF在60年代后期進入工業應用,80年代后期起在各國流量儀表銷售金額中已占4%~6%。1992年世界范圍估計銷售量為3.54.8萬臺,同期國內產品估計在8000~9000臺。
6.電磁流量計 (EMF)
電磁流量計是根據法拉弟電磁感應定律制成的一種測量導電性液體的儀表。
電磁流量計有一系列優良特性,可以解決其它流量計不易應用的問題,如臟污流、腐蝕流的測量。
70、80年代電磁流量在技術上有重大突破,使它成為應用廣泛的一類流量計,在流量儀表中其使用量百分數不斷上升。
優點:
(1)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;
(2)不產生流量檢測所造成的壓力損失,節能效果好;
(3)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;
(4)流量范圍大,口徑范圍寬;
(5)可應用腐蝕性流體。
缺點:
（1）電磁流量計的應用有一定局限性，它只能測量導電介質的液體流量，不能測量非導電介質的流量，例如氣體和水處理較好的供熱用水。另外在高溫條件下其襯里需考慮。
（２）電磁流量計是通過測量導電液體的速度確定工作狀態下的體積流量。按照計量要求，對于液態介質，應測量質量流量，測量介質流量應涉及到流體的密度，不同流體介質具有不同的密度，而且隨溫度變化。如果電磁流量計轉換器不考慮流體密度，僅給出常溫狀態下的體積流量是不合適的。
（３）電磁流量計的安裝與調試比其它流量計復雜，且要求更嚴格。變送器和轉換器必須配套使用，兩者之間不能用兩種不同型號的儀表配用。在安裝變送器時，從安裝地點的選擇到具體的安裝調試，必須嚴格按照產品說明書要求進行。安裝地點不能有振動，不能有強磁場。在安裝時必須使變送器和管道有良好的接觸及良好的接地。變送器的電位與被測流體等電位。在使用時，必須排盡測量管中存留的氣體，否則會造成較大的測量誤差。
（４）電磁流量計用來測量帶有污垢的粘性液體時，粘性物或沉淀物附著在測量管內壁或電極上，使變送器輸出電勢變化，帶來測量誤差，電極上污垢物達到一定厚度，可能導致儀表無法測量。
（５）供水管道結垢或磨損改變內徑尺寸，將影響原定的流量值，造成測量誤差。如100ｍｍ口徑儀表內徑變化1ｍｍ會帶來約2％附加誤差。
（６）變送器的測量信號為很小的毫伏級電勢信號，除流量信號外，還夾雜一些與流量無關的信號，如同相電壓、正交電壓及共模電壓等。為了準確測量流量，必須消除各種干擾信號，有效放大流量信號。應該提高流量轉換器的性能，采用微處理機型的轉換器，用它來控制勵磁電壓，按被測流體性質選擇勵磁方式和頻率，可以排除同相干擾和正交干擾。但改進的儀表結構復雜，成本較高。
（７）價格較高
應用概況:
電磁流量計應用領域廣泛,大口徑儀表較多應用于給排水工程;中小口徑常用于高要求或難測場合,如鋼鐵工業高爐風口冷卻水控制,造紙工業測量紙漿液和黑液,化學工業的強腐蝕液,有色冶金工業的礦漿;小口徑、微小口徑常用于醫藥工業、食品工業、生物化學等有衛生要求的場所。 EMF從50年代初進入工業應用以來,使用領域日益擴展,80年代后期起在各國流量儀表銷售金額中已占16%~20%。 我國近年發展迅速,1994年銷售估計為6500~7500臺。國內已生產zui大口徑為2~6m的ENF,并有實流校驗口徑3m的設備能力。
7.超聲流量計
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。
超聲波流量計按測量原理分可分為時差式和多普勒式
利用時差式原理制造的時差式超聲流量計近年來得到廣泛的關注和使用，是目前企事業使用zui多的一種超聲波流量計。
利用多普勒效應制造的超聲多普勒流量計多用于測量介質有一定的懸浮顆粒或氣泡介質，使用有一定的局限性，但卻解決了時差式超聲波流量計只能測量單一清澈流體的問題，也被認為是非接觸測量雙相流的理想儀表。
優點:
（1）超聲波流量計是一種非接觸式測量儀表，可用來測量不易接觸、不易觀察的流體流量和大管徑流量。它不會改變流體的流動狀態，不會產生壓力損失，且便于安裝。
（2）可以測量強腐蝕性介質和非導電介質的流量。
（3） 超聲波流量計的測量范圍大，管徑范圍從20mm～５m.
（4） 超聲波流量計可以測量各種液體和污水流量。
（5）超聲波流量計測量的體積流量不受被測流體的溫度、壓力、粘度及密度等熱物性參數的影響。可以做成固定式和便攜式兩種形式。
缺點:
（1）超聲波流量計的溫度測量范圍不高，一般只能測量溫度低于200℃的流體。
（2）抗干擾能力差。易受氣泡、結垢、泵及其它聲源混入的超聲雜音干擾、影響測量精度。
（3）直管段要求嚴格，為前20D,后5D。否則離散性差，測量精度低。
（4）安裝的不確定性，會給流量測量帶來較大誤差。
（5）測量管道因結垢，會嚴重影響測量準確度，帶來顯著的測量誤差，甚至在嚴重時儀表無流量顯示
（6）可靠性、精度等級不高（一般為1.5～2.5級左右），重復性差。
（7）使用壽命短（一般精度只能保證一年）。
（8）超聲波流量計是通過測量流體速度來確定體積流量，對液體應該測量它的質量流量，儀表測量質量流量是通過體積流量乘以人為設定的密度后得到的，當流體溫度變化時，流體密度是變化的，人為設定密度值，不能保證質量流量的準確度。只能在測量流體速度的同時，又測量了流體密度，才能通過運算，得到真實質量流量值。
（9） 價格較高。
應用概況:
(1)傳播時間法應用于清潔、單相液體和氣體。典型應用有工廠排放液、:怪液、液化天然氣等;
(2)氣體應用方面在高壓天然氣領域已有使用良好的經驗;
(3)多普勒法適用于異相含量不太高的雙相流體,例如:未處理污水、工廠排放液、臟流程液;通常不適用于非常清潔的液體。
8.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。
8.1熱式質量流量計（恒溫差TMF）
優點:
（1）球閥安裝，安裝拆卸方便。并可以帶壓安裝。
（2）基于金氏定律，直接測量質量流量。測量值不受壓力和溫度影響。
（3）響應迅速。
（4）量程范圍大，管道式安裝zui小可以測量8.8mm管道的流量，zui大可以測到30’’
（5）插入式類型的流量計，一支流量計可以用于測量多種管徑。
缺點:
（1）精度不及其他類型流量計，一般為3％。
（2）適用范圍窄，只能用于測量干燥的非爆炸性的氣體，如壓縮空氣、氮氣、氬氣及其他中性氣體。
8.2科里奧利質量流量計(CMF)
科里奧利質量流量計(以下簡稱CMF)是利用流體在振動管中流動時,產生與質量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質量流量儀表。
我國CMF的應用起步較晚,近年已有幾家制造廠(如太行儀表廠)自行開發供應市場;還有幾家制造廠組建合資企業或引用國外技術生產系列儀表。
國外CMF已發展30余系列，各系列開發在技術上著眼點在于:流量檢測測量管結構上設計創新;提高儀表零點穩定性和度等性能;增加測量管撓度,提高靈敏度;改善測量管應力分布,降低疲勞損壞,加強抗振動干擾能力等。
9.明渠流量計
與前述幾種不同,它是在非滿管狀敞開渠道測量自由表面自然流的流量儀表。
非滿管態流動的水路稱作明渠,測量明渠中水流流量的稱作明渠流量計(open channel flowmeter)。
明渠流量計除圓形外,還有U字形、梯形、矩形等多種形狀。
明渠流量計應用場所有城市供水引水渠;火電廠引水和排水渠、污水治理流入和排放渠;工礦企業水排放以及水利工程和農業灌溉用渠道。有人估計1995臺,約占流量儀表整體的1.6%,但是國內應用尚無估計數據。
10.靜電流量計(electrostatic flowmeter)
日本東京技術學院研制適用于石油輸送管線低導電液體流量測量的靜電流量計。
靜電流量計的金屬測量管絕緣地與管系連接,測量電容器上靜電荷便可知道測量管內的電荷。他們分別作了內徑4~8mm銅、不銹鋼等金屬和塑料測量管儀表的實流試驗,試驗表明流量與電荷之間接近于線性。
11.復合效應流量儀表(combined effects meter)
該儀表的工作原理是基于流體的動量和壓力作用于儀表腔體產生的變形,測量復合效應的變形求取流量。本儀表由美國GMI工程和管理學院開發,已申請兩項。
12.轉速表式流量傳感器(tachmetric flowrate sensor)
它是由俄羅斯科學工程中心工業儀表公司開發，是基于懸浮效應理論研制的。該儀表已在若干現場成功的應用(例如在核電站安裝2000余臺測量熱水流量，連續使用8年),且還在改進以擴大應用領域。
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