常见流量计的应用

田 野，王 岳，郭士欢，刘勇峰，胡宗柳

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

常见流量计的应用

田 野，王 岳，郭士欢，刘勇峰，胡宗柳

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

简要介绍了一些目前工业上常用的流量计，并将其分类差压式流量计、涡街流量计、涡轮流量计、浮子流量计、数字靶式流量计、电磁流量计、超声波流量计等。每种流量计都各自的特点和适用范围，差压式流量计具有结构简单、结构稳定、使用年限长的优点，但也有测量进度低、受环境限制等缺点。涡街、涡轮流量计可以测量多种介质，不受参数影响，但涡轮流量计易被卡住。浮子流量计有压损小且稳定，可测低流速介质，但不适用于测量有微粒的液体。数字把式流量计具有耐高温的特点，但对介质要求很高。电磁流量计与把式流量计互补。超声波流量计可以测量各种介质，但技术有待于提高。

流量计；分类；适用的范围；优点；缺点

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，它被广泛适用于冶金、电力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、轻纺、食品、医药、农业、环境保护及人民日常生活等国民经济各个领域，是发展工农业生产，节约能源，改进产品质量，提高经济效益和管理水平的重要工具，在国民经济中占有重要的地位。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60多种。按照目前最流行、最广泛的分类法，即分为：差压式流量计、涡街流量计、涡轮流量计、浮子流量计、数字靶式流量计、电磁流量计、超声波流量计。

1 差压式流量计

1.1 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。差压式流量计是工业上使用最多的流量计之一，其测量精度是由其测量原理、结构、制造工艺水平、被测流体的性质和使用条件等决定的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、V锥流量计等。

1.1.1 孔板流量计

孔板流量计的工作原理：在流体的流动管道上装有一个节流装置，其内装有一个孔板，中心开有一个圆孔，其孔径比管道内径小，在孔板前流体稳定的向前流动，流体流过孔板时由于孔径变小，截面积收缩，使稳定流动状态被打乱，因而流速将发生变化，速度加快，气体的静压随之降低，于是在孔板前后产生压力降落，即差压（孔板前截面大的地方压力大，通过孔板截面小的地方压力小）。差压的大小和流体流量有确定的数值关系，即流量大时，差压就大，流量小时，差压就小。流量与差压的平方根成正比

1.1.2 V锥流量计

V形锥流量计源于美国MCROMETER，是一种极具优势的新型差压式流量仪表。从二十几年前诞生开始，就以其常规差压仪表无法相比的的诸多优点，迅速在流量测量领域得到了广泛的应用和好评。V锥流量计是一种全新的差压式流量计量装置，它以独特的边壁逐步收缩节流方式，一改传统节流装置的几乎所有的缺点，是差压流量计革命性成果。其原理与其他差压式流量计一样，是经典的密闭管道中能量守恒原理和流动连续性原理，并具有自整流、自清洗、自保护功能；直管段要求极短，无积污、堵塞，可保持长期稳定性。

V锥流量计其工作原理和孔板流量计相同。介质通过V锥时,由于阻流件V锥的存在,使得流体的流过面积发生变化,流速发生变化,根据伯努利方程,流速变化引起了压力的变化,该压力的变化与流速之间有一定的关系。通过测量该压力差达到测量流量的目的。虽然与孔板原理一样,但是最本质的区别在于孔板为中心收缩型节流装置,而V锥为边壁收缩型节流装置[2]。

V锥和孔板比较,V锥的信噪比要小的多。由于信噪比小,V锥在小流量测量时,即使测量的差压在较小的工况下也可以精确地进行测量。

V锥流量计也有一些缺点，例如：需要标定、售价较高等。

2 涡街流量计

2.1 涡街流量计特点

涡街流量计主要用于工业管道介质流体的流量测量,如气体、液体、蒸气等多种介质。其特点是压力损失小,量程范围大,精度高,重复性好，在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。无可动机械零件，因此可靠性高,维护量小。仪表参数能长期稳定。

涡街流量计是应用流体振荡原理来测量流量的,流体在管道中经过涡街流量变送器时,在三角柱的旋涡发生体后上下交替产生正比于流速的两列旋涡,旋涡的释放频率与流过旋涡发生体的流体平均速度及旋涡发生体特征宽度有关,可用下式表示:

式中:f—旋涡的释放频率,Hz;

v—流过旋涡发生体的流体平均速度,m/s;

d—旋涡发生体特征宽度,m;

St—斯特罗哈数,无量纲,它的数值范围为0114～0127。

St是雷诺数的函数,St=f(1/Re)。当雷诺数Re在102～105范围内,St值约为012,因此,在测量中,要尽量满足流体的雷诺数在102～105,旋涡频率f=0.12v/d。由此可知,通过测量旋涡频率就可以计算出流过旋涡发生体的流体平均速度v,再由式q=vA可以求出流量q,其中,A为流体流过旋涡发生体的截面积[3]。

涡街流量计便是依据卡门旋涡原理进行封闭管道流体流量测量的新型流量计。因其具有良好的介质适应能力，无需温度压力补偿即可直接测量蒸汽、空气、气体、水、液体的工况体积流量，配备温度、压力传感器可测量标况体积流量和质量流量等优点。缺点是安装管道一般要求是直管道，要求前后直管段要满足涡街流量计的要求，所配管道内径也必须和涡街流量变送器内径一致，并且远离振动源和电磁干扰较强的地方。

3 涡轮流量计

涡轮流量计由涡轮、轴承、前置放大器、显示仪表组成。被测流体冲击涡轮叶片,使涡轮旋转,涡轮的转速随流量的变化而变化,即流量大,涡轮的转速也大,再经磁电转换装置把涡轮的转速转换为相应频率的电脉冲,经前置放大器放大后,送入显示仪表进行计数和显示,根据单位时间内的脉冲数和累计脉冲数即可求瞬时流量和累积流量[4]。涡轮变送器的工作原理是当流体沿着管道的轴线方向流动并冲击涡轮叶片时,便有

其中:Q—流经变送器的流量，L/s;

f—电脉冲频率;

k—仪表系数,次/升。

管道内流体的力作用在叶片上,推动涡轮旋转。在涡轮旋转的同时,叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线,改变线圈的磁通量。根据电磁感应原理,在线圈内将感应出脉动的电势信号,此脉动信号的频率与被测流体的流量成正比,k是涡轮变送器的重要特性参数,它是代表每立方米流量有几个脉冲,或者每升流量有几个脉冲。不同的仪表有不同的k,并随仪表长期使用的磨损情况而变化。尽管涡量计的设计尺寸相同,但实际加工出来的涡轮几何参数却不会完全一样,因而每台涡轮变送器的仪表常数k也不完全一样,它通常是制造厂在常温下用洁净的水标定出来的。涡轮变送器输出的脉冲信号,经前置放大器放大后,送入显示仪表,就可以实现流量的测量[5]。

涡轮流量计特点具有精度高、重复性好、无零点漂移、高量程比等优点。涡轮流量计拥有高质量轴承、特别设计的导流片，因此极大降低了磨损，对峰值不敏感，甚者恶劣的条件下也可以给出可靠的测量变量。缺点:（1）测量气、液混相或粘度较大的流体会产生很大的误差；（2）测量的含有颗粒的流体需要提前过滤以免涡轮被卡。

4 浮子流量计

浮子流量计又称(转子流量计)是以浮子在垂直锥形管内随着流量变化而升降而改变它们之间形成的流通环隙面积作流量测量的体积流量仪表[6]。

浮子流量计按其制造材料的不同可分为玻璃管浮子流量计、塑料管浮子流量计和金属管浮子流量计3种。

玻璃管浮子流量计和塑料管浮子流量计结构简单，浮子位置清晰可见、易读、成本低廉、常用于测量常温、常压、透明和腐蚀性介质。如空气、煤气、氨气等。便于现场目测，多用于工业原料的配比计量。玻璃管浮子流量计虽然有很多优点，但只适用于就地指示，信号不能远传，玻璃管强度不够而不能用于测量高温高压及不透明的流体，所以工业生产中采用金属管浮子流量计的较多。

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。工作原理是被测流体从下向上经过锥管和浮子形成的环隙时，浮子上下端产生差压形成浮子上升的力，当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量时，浮子便上升，环隙面积随之增大，环隙处流体流速立即下降，浮子上下端差压降低，作用于浮子的上升力亦随着减少，直到上升力等于浸在流体中浮子重量时，浮子便稳定在某一高度。浮子在锥管中高度和通过的流量有对应关系。

浮子流量计具有结构简单、工作可靠、压损小且稳定、可测低流速介质等诸多优点。浮子流量计有较宽的流量范围度，一般为10︰1，最低为5︰1，最高为25︰1。流量检测元件的输出接近于线性。压力损失较低。但是测量液体中含有微粒固体或气体中含有液滴通常不适用，使用前要作流量示值修正。

5 数字靶式流量计

靶式流量计于20世纪60年代开始应用于工业流量测量，主要用于解决高粘度、低雷诺数流体的流量测量，先后经历了气动表和电动表两大发展阶段。

数字靶式流量计结构组成及工作原理：

其主要由测量管、受力元件（靶片）、感应元件（电容式力传感器，压力传感器，温度传感器）、传递部件、积算器及其显示和输出部分组成。 当介质在测量管中流动时，因其自身的动能和因阻流件而产生的压差，产生一个对阻流件的作用力，其作用的大小与介质流速的平方成正比。优点有: 整台仪表结构坚固无可动部件，插入式结构,拆卸方便; 仪表内设自检程序,精度高、重复性好、耐高温等；缺点有：对流体的要求较高，例如：所测流体必须是牛顿流体、流体必须充满流量计的测量管等。

6 电磁流量计

电磁流量计有一体型和分体型两种组合形式，输出级皆采取电隔离，可方便地与后位仪表配套，实现对流量的记录、控制和调节等功能。同时，流量计配备RS-485通讯接口，可与计算机互联。电磁流量计的工作原理为法拉第电磁感应定律。导电液体在磁场中流动切割磁力线，产生感应电势。表达式：E=KBLv,式中，B为磁感应强度；L为测量电极之间的距离；v为被测流体在磁场中运动的平均速度；K为比例常数。电磁流量计主要由流量传感器和信号转换器两部分组成。传感器把流过的被测液体的流量转换为相应的感应电势。信号转换器的作用是把电磁流量传感器输出的和流量成比例的毫伏级电压信号放大并转换成为可被工业仪表接收的标准直流电流、电压或脉冲信号输出，以便与仪表及调节器配合，实现流量的指示、记录和运算。电磁流量计的优点有：

（1）可测含有固体颗粒、悬浮物或酸、碱、盐溶液等具有一定电导率的液体体积流量；也可进行双向测量。（2）测量导管内没有可动部件和阻流体，因而无压损，无机械惯性，反应十分灵敏。（3）测量范围度大。（4）电磁,流量计所测得的体积流量,实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率(只要在某阈值以上)变化明显的影响。

缺点有:（1） 电磁流量计不能测量电导率很低的液体。（2）不能测量气体、蒸气和含有较多较大气泡的液体。（3）不能用于较高温度的液体。

7 超声波流量计

超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成，是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算，这样就实现了流量的检测和显示[7]。超声波流量计大体分为：插入式超声流量计，管段式超声流量计，外夹式超声流量计等。超声波流量计的优点：（1）超声波流量计是非接触测量，适用于大管径、大流量测量，并且不受流体的温度、粘度、密度等参数的影响。（2）超声波流量计可以测水、气或油各种介质。（3）超声波流量计运行能耗极小，可方便地实现长年电池供电，加之先进的智能化主机可方便地进行网络无线通信，其应用前景更加广阔。缺点：超声波流量计目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能器及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。

8 结束语

综上所述，流量测量方法和仪表的种类繁多,分类方法也很多。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。这60多种流量仪表,每种产品都有它特定的适用性,也都有它的局限性。希望在流量计今后发展道路上研制出更方便、经济、实用并且适用测量各种条件流体的流量计，更好的满足工业的要求，造福人类。

[1] 卢晓刚，张鹏，张红兵.孔板流量计计量存在的问题及措施[J].仪表与计量技术,2005,1:39-41.

[2] 武雅芝. V锥流量计与孔板流量计的比较[J].工业仪表与自动化装置,2009(4):79-81.

[3] 鲁学军. 涡街流量计在饱和蒸汽测量中的应用[J].自动化仪表,2001,22(2):78-81.

[4] 康建华.涡轮流量计的应用[J].机械与电子,2007(2):61.

[5] 史登跃，侯芬，闫丽瑾.涡轮流量计的原理及应用[J].仪器仪表与分析检测,2004(2):21-22.

[6] 孙仁伟.浮子流量计的发展介绍[J].仪器仪表装置,2005(5):29-31.

[7] 崔玉峰,杜志强.浅谈超声波流量计的选型[J].黑龙江科技信息，2010(13)：16.

Application of Common Flowmeters

TIAN Ye，WANG Yue，GUO Shi-huan, LIU Yong-feng，HU Zong-liu
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Common industrial flowmeters were introduced and classified, such as differential pressure flowmeter, vortex flowmeter, turbine flowmeter, float flow meter, digital target type flowmeter, electromagnetic flowmeter, ultrasonic flowmeter. Characteristics and application scope of different flowmeters were discussed. The differential pressure type flow meter has advantages of simple and stable structure, long life, but has disadvantages of low measuring progress, environmental restriction. Vortex, turbine flowmeter can measure some varieties of media without the parameter influence, but the turbine flowmeter is easily blocked. Float flow meter has the advantages of low pressure loss and stable, can measure low flow medium, but it is not suitable for the measurement of fluid with particle. Digital fluid flowmeter has high temperature resistance characteristic, but has high requirement for medium. Electromagnetic flow meter and target type flowmeter are complementary. Ultrasonic flowmeter can measure various media, but the technology remains to be improved.

Flowmeter; Classification; Applicable scope; Advantages; Disadvantages

TQ 056.1+5

A

1671-0460（2011）12-1294-03

2011-00-00

田 野（1983-），男，河北廊坊人，在读研究生，硕士学位，研究方向：管道优化。E-mail：wwwyunai@126.com。