新型流量计综述汇总

新型流量计概述XXX摘要： 流量测量是研究物质量变的科学，质和量的互变规律是事物联系与发展的基本规律，因此，其测量对象已不限于传统意义上的管道流体，凡是需要掌握流体流动的地方都有流量测量的问题。 工业生产过程是流量测量与仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。在整个过程检测仪表中，流量仪表的产值约占1/51/4。在流量测量中，测量流速是测定流量的一个常用方法，流体在管道中流动时，在一个截面上的各点流速情况与流体的流动状态有密切的关系，选择适当的流动状态进行流速测量对于保证测量精度有重要的意义。 用来检测管内流速的方法或仪器主要有： 1）节流式检测方法：利用节流件前后的差压与流速之间的关系，通过差压值获得流体的流速； 2）变面积式检测方法：它是基于力平衡原理，通过在锥形管内的转子把流体的流速转换成转子的位移，相应的流量检测仪表称为转子流量计； 3）电磁式检测方法：导电流体在磁场中运动产生感应电势，感应电势的大小正比于流体的平均流速； 4）旋涡式检测方法：流体在流动中遇到一定形状的物体会在其周围产生有规则的旋涡，旋涡释放的频率正比于流速。 5）涡轮式检测方法：流体对置于管内涡轮的作用力，使涡轮转动，其转动速度在一定流速范围内与管内流体的流速成正比； 6）声学式检测方法：根据声波在流体中传播速度的变化可获得流体的流速； 7）热学式检测方法：利用加热体被流体的冷却程度与流速的关系来检测流速，基于此方法的流量仪表主要有热线风速仪等。关键词：新型流量计 速度式流量计 容积式流量计 质量流量计正文：1.前言 随着科学技术的进步，越来越多的流量计被设计与制造出来，用以测定被测流体。 流量计是指示被测流量在选定的时间间隔内流体总量的仪表。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 。 体积流量计分为: （1）速度式流量计，包括：转子流量计、涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计、堰式流量计等 （2）容积式流量计，包括：椭圆齿轮流量计、活塞式流量计、腰轮流量计、皮膜式流量计等21 （3）差压式流量计，包括：节流式流量计、均速管流量计、弯管流量计、靶式流量计，浮子式流量计等。质量流量计分为： （1）推导式质量流量计：体积流量经密度补偿或温度、压力补偿求得质量流量等。 （2）直接式质量流量计：科里奥利流量计、热式流量计、冲量式流量计等。 此文章就此来分别阐述各种流量计的原理、特点、应用概况、改进及国内外的发展情况。2. 主体2.1 速度式流量计 这是一种以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的仪表。a. 涡轮流量计 流量测量在工业生产中的重要性不言而喻 ,现在市场上的流量表型号繁多 ,而每一种流量计的使用方法和注意事项都不尽相同。如果使用不当 ,将会测量不准 ,给计量工作带来很大的麻烦 ,甚至会造成非常严重的后果。 而涡轮流量计又是应用量相当大的一种流量计。涡轮变送器有精度高、线性范围宽等优点1。 涡轮流量计是一种速度式流量计 , 主要用于测量液体流量 。 它采用多叶片的转子(涡轮)感受流体平均流速, 从而推导出流量或总量的仪表.它由传感器和智能显示仪两部分组成 , 也可做成整体式 . 因为其具有精度高、重复性好、 抗干扰能力强 、测量范围度宽、 结构紧凑等优点 , 不仅被广泛地应用于源水和供水系统净水流量的测量中 , 而且在石油 、 有机液体、 无机液、 液化气 、 天然气和低 温流体等测量对象中也获得广泛应用2 。 叶轮式风流速流量计优点: (1)高精度,在所有流量计中,属于最精确的流量计; (2)重复性好; (3)元零点漂移,抗干扰能力好; (4)范围度宽; (5)结构紧凑。 缺点: (1)不能长期保持校准特性; (2)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42力从 0.86.5MPa 的气体涡轮流量计, 它们已成为优良的天然气计量仪表。发展前景： 随着科学的不断发展 ,当今涡轮变送器已发展成小型化、高集成度的模块设计 ,有强大的功能软件 ,并设有 RS232标准计算机通信接口 ,对维护检修提供了方便。可与DCS连接通信 , DCS替代了显示仪表。另外,插入式切向涡轮流量计还可以自动排除被测介质中的悬浮物。 总之,涡轮流量计是一种速度式流量仪表 ,由于具有测量精度高、反应速度快、测量范围广、价格低廉、安装方便等优点 ,被广泛应用于工业生产中。b.电磁流量计 电磁流量计是 20 世纪 5060 年代随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表。电磁流量计是根据法拉第电磁感应 定律制成的，用来测量导电液体体积流量的仪表。由于其独特的优 点，电磁流量计目前已广泛地被应用于工业过程中各种导电液体的 流量测量，如各种酸、碱、盐等腐蚀性介质；电磁流量计各种浆液流 量测量，形成了独特的应用领域。 在结构上，电磁流量计由电磁流量传感器和转换器两部分组 成。传感器安装在工业过程管道上，它的作用是将流进管道内的液 体体积流量值线性地变换成感生电势信号，并通过传输线将此信号 送到转换器。转换器安装在离传感器不太远的地方，它将传感器送 来的流量信号进行放大，并转换成流量信号成正比的标准电信号输出，以进行显示，累积和调节控制3。 优点: (1)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; (2)不产生流量检测所造成的压力损失,节能效果好; (3)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; (4)流量范围大,口径范围宽; (5)可应用腐蚀性流体。 缺点: (1)不能测量电导率很低的液体,如石油制品; (2)不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体; (3)不能用于较高温度。53 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。发展：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 65007500 台。国内已生产最大口径为 26m 的 ENF,并有实流校验口径 3m 的设备能力。 由于电磁流量计可检测腐蚀性或含有颗粒、悬 浮物液体流量且压力损失小的特点，被化工行业广 泛应用于物料流量的计量和生产过程控制中，掌握 电磁流量计正确的安装和使用方法可延长其使用寿 命，为化工生产提供计量保证4。 c. 涡街流量计 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。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。涡街流量计是属于最年轻的一类流量计,但其发展迅速,目前已成为通用的一类流量计。 图选自5优点: (1)结构简单牢固; (2)适用流体种类多; (3)精度较高; (4)范围度宽; (5)压损小。 缺点: (1)不适用于低雷诺数测量; 74 (2)需较长直管段; (3)仪表系数较低(与涡轮流量计相比); (4)仪表在脉动流、多相流中尚缺乏应用经验。研究的难点和趋势 （1）涡街流量计的理论基础还很薄弱，对旋涡脱落的研究大多是在气体风洞即均匀流 场中进行的,而涡街流量计应用于封闭管道,流场具 有三维不均匀性,其旋涡分离规律与均匀流场中的 旋涡分离不完全相同,J. J. Miau 在文献 5 中,对 涡街流量计的测量不确定度进行了分析,证实斯特 罗哈尔数St 和雷诺数 Re 在很大范围内是非线性关 系,与管道内流场的三维不均匀性有关,这对涡街流 量计的测量精度产生很大影响。因此需要流体力学 工作者从流量计应用角度对旋涡脱落的流体振动规 律进行深入研究,为涡街流量计设计提供理论依据。 (2)涡街流量计应用范围的扩展 涡街流量计的应用由于雷诺数的限制,在高粘 度、低流速和小口径情况下难以正确测量,量程受 限。这需要在旋涡发生体形状,传感器结构方面作 优化设计,以适应不同的测量要求。目前由于涡街频率测量元件的限制,涡街流量计可正常测量的温 度、压力和管道口径有一定要求。发展： 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80009000台。d. 超声流量计 超声流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法 和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。 超声流量计和电磁流量计一样,因仪表流通通道未设置任何阻碍件,均属无阻碍流量计, 是适于解决流量测量困难问题的一类流量计,特别在大口径流量测量方面有较突出的优点, 近年来它是发展迅速的一类流量计之一。 优点: (1)可做非接触式测量; (2)为无流动阻挠测量,无压力损失; (3)可测量非导电性液体,对无阻挠测量的电磁流量计是一种补充。 缺点: (1)传播时间法只能用于清洁液体和气体;而多普勒法只能用于测量含有一定量悬浮颗 粒和气泡的液体; (2)多普勒法测量精度不高。 应用概况: (1)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; (2)气体应用方面在高压天然气领域已有使用良好的经验; (3)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。 2.2 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。 95 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。 优点: (1)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; (2)应用范围广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比拟; (3)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: (1)测量精度普遍偏低; (2)范围度窄,一般仅 3:14:1; (3)现场安装条件要求高; (4)压损大(指孔板、喷嘴等)。 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 1/41/3。a. 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。 特点: (1)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106较大风险; (2)适用于小管径和低流速; (3)压力损失较低。发展： *金属转子流量计 金属浮子流量计的流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成。要求介质透明不粘附表面。主要特点为成本低,易于安装和维护,纯机械操作,不需要电源, 直接监视流体,可测量液体、气体,但不可测量蒸汽。 * 玻璃转子流量计金属管转子流量计适用于透明和不透明及于净和比较干净的介质,甚至可以选用测量泥浆转子流量计对不干净的液体完成测量控制,但介质不宜含磁性的物质(必要时,另装磁过滤器)。 金属转子流量计 玻璃转子流量计 C.塑料转子流量计 要求介质透明不粘附表面。主要特点为性价比高 , 易于安装和维护, 全塑料材质 , 可用于超纯水的测量 , 还可附加报警接点输出,只适用于测量液体。b.节流式流量计特点： 测量范围为3：1，精度可达1%，适用直径501000mm。仪表刻度为非线性，可加开方器可转为线性。2.3 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。椭圆齿轮流量计型腔内有一对互相啮合的椭圆齿轮作为转子，两个齿轮与外壳体之间构成标准容积空间，此空间 体积被称之为标准容积，记为 a。在进液口与出液口之间流 体的压差作用下，两转子转动，标准容积空间内流体按照图 1a， b， c 所示顺序，被循环排出。两齿轮运转一周，共有四个标准容积空间流体被排出6。 117 优点: (1)计量精度高; (2)安装管道条件对计量精度没有影响; (3)可用于高粘度液体的测量; (4)范围度宽; (5)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: (1)结果复杂,体积庞大; (2)被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大; (3)不适用于高、低温场合; (4)大部分仪表只适用于洁净单相流体; (5)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%。 容积式流量计的发展： 三齿轮流量计 发明原因： 市场上普通容积式流量变送 器一般流量的脉动很大很难应用到高精度的场合，且 很难检测系统压力较高的动态流量，计量的波动比较 大很难实现实时测量，在以下几种场合中很难得到应用:( 1) 流量范围大;( 2) 需准确测量液压系统中某点流 量的瞬时特性;( 3) 液压系统中要求能两测测量高压侧 的流量，及测量流量的方向。我国现行主流的容积式 流量计是椭圆容积式流量计，它具有造价小，结构简 单，可是它仍不能满足准确测量瞬时流量的要求，流量 脉动很大，所以仅仅在低端、中低压产品中使用7。结构原理 ： 测量介质可从两侧任意一个油口流入， 当有介质流入时在密封的工作室推动三个齿轮转动， 通过齿轮流量计的转速传感器测量齿轮转动的信号， 并将该信号转化成齿轮的转速或者频率 f，通过流量计 算公式很容易得到介质的流量 Q。Q =f k其中 Q 为齿轮流量计的瞬时流量， f 为传感器测的被测信号的频率， k 为仪表系数。 本文介绍的三齿轮流量计具有较小的流量脉动， 测量介质的范围大、结构简单( 降低产品成本) 、量程测 量范围广、流量的瞬时特性好的优点。138 基于三齿轮流量计具有耐高压、精度高、动态性能 好等诸多的优点，该类型的齿轮流量计发展前景很好， 该齿轮流量计仍需要进行大量的研究。2.4质量流量计 质量流量计可直接测量流体的质量流量，测量结果受介质密度、温度、压力、流速分布等特性的影响较小，具有测量精度高、稳定性好、使用方便、维护量小、通讯功能强、 可实现多参数测量等特点，目前已被广泛应用于生产过程控制等领域中8。 这是一种以测量流体流过的质量M为依据的流量计。质量流量计可以分为直接式和间接式两种。直接式质量流量计直接测量质量流量。间接式质量流量计是用密度与容积流量经过运算求得质量流量的。质量流量计具有测量精度不受流体的温度、压力、黏度等变化影响的优点，是一种发展中的流量测量仪表9。 直接式质量流量计有多种类型，如量热式、角动量式、陀螺式和双叶轮式等。这种仪表适于测量小流量气体，缺点是惰性大，测量值与气体的定压比热有关，测量元件与介质接触，易被沾污和腐蚀。 为双孔板差压式质量流量计。在管道A、B处安装两个相同的孔板。在分流管道中装有两个相同的可产生方向相反的恒定体积流量q的定流量泵。两孔板前后压力差P=P1-P3=4KQq，与、Q成正比。式中K为常系数，为密度，Q为管道体积流量，Q即为质量流量。双叶轮式质量流量计是在同一直线上前后安装两个倾角分别为x1和x2的叶轮，两叶轮之间利用扭簧连接，流体通过时，两叶轮之间产生一个偏移角x，那么两叶轮间力矩差M与质量流量Qm，流速u，倾角x1，x2存在M=Qm*u*(k1*tgx1-k2*tgx2)的关系（k1和k2为叶片结构尺寸常数），M=k3*u*Qm，(k3=k1*tgx1-k2*tgx2).偏移角x=k4*M=k4*k3*Qm*u;而叶轮组旋转速度U与流体的流速成正比，U=k6*u，则整个叶轮组转过两叶轮偏角x所需的时间t=x/U=k7*Qm.通过专用计数器测量出t便能得出质量流量Qm。 间接式质量流量计有3种主要型式:速度式流量计与密度计的组合，节流式（或靶式）流量计与容积式流量计的组合，节流式（或靶式）流量计与密度计组合。 还有一种根据流体的工作压力、温度将容积流量计的测量值换算成标准状态下的容积流量。但是，当介质的种类或成分改变时，它不能给出准确的质量流量。严格说来，它不属于质量流量计。 输出密度、比重、体积流量、质量流量、质量能量流量等，兼有指示、模拟量输出、打印、越限报警、仪器故障报警等多种功能。特点： 1. 适用多种介质159 2. 测量准确度高 3. 安装直管段要求低 4. 可靠性好 5. 维修率低 6. 具有核心处理器 a. 直接式质量流量计直接式质量流量计的输出信号直接反映质量流量，其测量不受流体的温度、压力和密度变化的影响。 （1）热式质量流量计 热式质量流量计的基本原理是利用外部热源对管道内的被测流体加热，热能随流体一起流动，通过测量因流体流动而造成的热量（温度）变化来反应出流体的质量流量。 （2）差压式质量流量计差压式质量流量计的利用孔板和定量泵组合实现流量测量。 (3)直接式质量流量传感器科里奥利质量流量 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。 发展及应用 因为质量流量计具有比较明显的优势，所以在我国工业领域中得到大量的应用。目前，在我国进口仪表中，直接质量流 量计占有着不小的比重。具体来说，小口径气体质量流量计的 安装数量相对较多，一般是在石化、化工的试验装置中应用，同 时在医药、食品等生产部门中也有着不小的应用量。与此相对 应，口径较大的气体质量流量计主要在天然气以及煤气的剂量 过程中得到应用，虽然数量不多，但是具有良好的前景。 近年来，中小口径的气体质量流量计在我国保持着较快的 发展速度。以2000年为例，我国就总共安装了大约3000台，其 中，超过2000台气体质量流量计是国内生产的，而进口的产品 主要集中在Brooks、EPI等公司的产品。因为存在标校装置上 的束缚，我国生产大口径气体质量流量计的厂家相对较少，造 成该类产品的进口比重较大，不过近几年呈现出下降的趋势。 对于液体质量流量计，因为技术复杂，效益周期较长，而且进展 比较缓慢。虽然不少科研部分进行了该产品的研制的工作，但 是生产厂家还没有规模化，并且产量有限。但是，随着该项产 品需用量的不断增加，国内厂家的生产能力也有所提高，国产 数量也明显提升。目前，我国在石化、建材等领域的测量以及 控制中广泛应用着液体质量流量计。 对于液体质量流量计，由于应用前景比较广阔，所以必须 加强国产液体质量流量计的开发研制工作。虽然该项生产技 术存在比较大的难度，但是近年来，我国在液体质量流量计的 生产上取得了非常大技术突破，国产产品在性能和技术指标上 已经追赶上国外先进产品。同时，在批量产品的综合性能上， 国内相对于国外的差距主要体现在以下几点：首先就是原材料 性能缺乏一致性，比如在科式力流量计上，国内原材料在性能 要求上存在差异；其次就是国内在生产自动化水平上相对较 低；最后，对于150mm以上口径的测量工，在加工技术上相对落 后，不能提供优质的产品。 b. 间接式质量流量计 间接式质量流量测量方法，一般采用体积流量计和密度流量计或两个不同类型的体积流量计的组合，实现质量流量的测量。常见的组合方式主要有三种。1710 节流式流量计与密度计的结合 体积流量计与密度计的组合体积 流量计与体积流量计的组合 2.5明渠流量计 明渠是一种具有自由表面（表面上各点受大气压强的作用）水 流的渠道。根据它的形成可分为天然明渠和人工明渠。前者如天然 河道；后者如人工输水渠道、运河及未充满水流的管道等。明渠导流 广泛应用于污水治理流入和排放渠、工矿企业废水排放和农田灌溉 用渠道、火电厂冷却水引水和排放渠等。 明渠流量测量的方法很多，针对不同的工况和介质可以采用不 同测量方法。常用的流量监测方法有：水力学法、物理法、流速面积 法等几种，其中水力学法是根据流体力学中“水位-流量”的关系，将 测得的水位代入水力学公式测量水流量的方法。基于水力学法原理 的测流方案，在自动化测量仪器中多选择超声波明渠流量计，具有非接触测量、免维护的特点，在明渠测流中得到了日益广泛的应用。 超声波明渠流量计是由超声波探头和量水堰槽配合测量得出 明渠流量信息的计量仪表，具有安装维护方便，使用寿命长，环境适应性强，工作稳定，测量范围广等优点。目前广泛应用与石油、化工、 制