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流量计 |
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现行流量计的特点以及选型 |
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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
孔板流量计是最常用的一种流量计，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，选择最合适的仪表。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）.(end)
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(7/3/2013) |
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