浅谈流量计的分类与选型

浅谈流量计的分类与选型

李雪

中海石油技术检测有限公司天津300452

一、概述

流量计量是计量科学技术的重要组成部分之一，流量仪表是过程自动化仪表与装置中的重要的仪表之一，作为能源计量器具的重要组成部分，被广泛应用于石油化工、电力等多个领域，在国民经济中占有重要的地位和作用。

二、流量计分类

随着工业自动化生产的发展，对流量测量的准确度和测量范围要求越来越高，为了适应各种各样的用途，各种类型的流量计应运而生，目前已投入使用的流量计已超过上百种。从不同的角度考虑，流量计亦有不同的分类方法。常用分类方法有两种，一是按流量计采用的测量原理进行归纳分类，二是按流量计的结构原理进行分类。

2.1按照测量原理分类

1）力学原理：属于此类原理的流量仪表有采用伯努利定理的差压流量计、转子流量计；采用动量定理的冲量流量计；采用牛顿第二定律的直接质量式流量计；采用流体动量原理的靶式流量计；采用角动量定理的涡轮流量计；采用流体振荡原理的旋进漩涡流量计和涡街流量计；采用总静压力差的皮托管流量计以及容积流量计和堰/槽式流量计等。

2）电学原理：用于此类原理的仪表有电感式、电磁式、应变电阻式和差动电容式等。

3）声学原理：采用声学原理进行流量测量的有超声波式和声学式等。

4）热学原理：采用热学原理测量流量的有直接量热式和间接量热式等。

5）光学原理：采用光学原理测量流量的有激光式与光电式等。

6）原子物理原理：采用此类原理的测量流量的有核磁共振式与核幅射式等。

2.2按流量计结构原理分类

1）容积式流量计

容积式流量计相当于使用一个标准体积的容器，它连续对流动介质进行度量。流量越大、度量的次数越多，输出的频率越高。容积式流量计的原理相对简单，适于测量低雷诺数、高粘度的流体。根据回转体形状不同，有适于测量液体流量的刮板式流量计、椭圆齿轮流量计和腰轮流量计(又名罗茨流量计)等；适于测量气体流量的伺服式容积流量计、皮膜式和转简流量计等。

2）差压式流量计

差压式流量计由流量测量元件和显示仪表组成。流量测量元件安装在被测流体的管道内，产生与流量成比例的压力差，供显示仪表进行流量显示。显示仪表接收测量元件产生的差压信号，并将其转换为相应的流量进行显示。差压流量计的测量元件为节流装置（标准孔板、偏心孔板、文丘里管等）或动压测定装置(皮托管、均速管等)。显示仪表为各种机械式、电子式、组合式差压计配以流量显示仪表．差压计的差压敏感元件多为弹性元件。由于差压和流量呈平方根关系，故流量显示仪表都配有开平方装置，以使流量刻度线性化。多数仪表还设有流量积算装置，以显示累积流量，以便经济核算。这种利用差压测量流量的方法历史悠久，比较成熟，世界各国一般都用在比较重要的场合，约占各种流量测量方式的70％。

3）叶轮式流量计

叶轮式流量计的工作原理是将叶轮置于被测流体中，受流体流动的冲击而旋转，以叶轮旋转的快慢来反映流量的大小。典型的叶轮式流量计是水表和涡轮流量计，其结构可以是机械传动输出式或电脉冲输出式。一般机械式传动输出的水表准确度较低，误差约±2%，但结构简单，造价低，国内已批量生产，并标准化、通用化和系列化。电脉冲信号输出的涡轮流量计的准确度较高，一般能达到±0.1%。

4）变面积式流量计

放在上大下小的锥形流道中的浮子受到自下而上流动的流体的作用力而移动。当此作用力与浮子的“显示重量”(浮子本身的重量减去它所受流体的浮力)相平衡时，浮子即静止。浮子静止的高度可作为流量大小的量度。由于流量计的通流截面积随浮子高度不同而异，而浮子稳定不动时上下部分的压力差相等，因此该型流量计称变面积式流量计或等压降式流量计。该式流量计的典型仪表是浮子流量计。

5）动量式流量计

利用测量流体的动量来反映流量大小的流量计称动量式流量计。由于流动流体的动量P与流体的密度及流速v的平方成正比，当通流截面确定时，v与容积流量Q成正比。因此，测得P，即可反映流量Q。这种型式的流量计，大多利用检测元件把动量转换为压力、位移或力等，然后测量流量。这种流量计的典型仪表是靶式和转动翼板式流量计。

6）冲量式流量计

利用冲量定理测量流量的流量计称冲量式流量计，多用于测量颗粒状固体介质的流量，还用来测泥浆、结晶型液体和研磨料等的流量。流量测量范围从每小时几公斤到近万吨。典型的仪表是水平分力式冲量流量计，其测量原理是当被测介质从一定高度h自由下落到有倾斜角的检测板上产生一个冲力，冲力的水平分力与质量流量成正比，故测量这个水平分力即可反映质量流量的大小。按信号的检测方式，该型流量计分位移检测型和直接测力型。

7）电磁流量计

电磁流量计是应用导电体在磁场中运动产生感应电动势，而感应电动势又和流量大小成正比，通过测电动势来反映管道流量的原理而制成的。其测量精度和灵敏度都较高。工业上多用以测量水、矿浆等介质的流量。可测最大管径达2m，而且压损极小。但导电率低的介质，如气体、蒸汽等则不能应用。但电磁流量计造价较高，且信号易受外磁场干扰，影响了在工业管流测量中的广泛应用。

8）超声波流量计

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，所以很受欢迎，是一种很有发展前途的流量计。超声波流量计按测量原理又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。

9）流体振荡式流量计

流体振荡式流量计是利用流体在特定流道条件下流动时将产生振荡，且振荡的频率与流速成比例这一原理设计的．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。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。目前典型的产品有涡街流量计、旋进旋涡流量计。

10）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。

三、流量计的选型规则

流量是一个变化的动态量，受粘性、摩擦作用和二次流、不稳定旋涡等现象的影响，流量指标的测量会受到诸多复杂因素的影响。在具体的选型工作中应遵循以下标准：

?满足工艺对压力损失的要求：计算通过流量仪表后的压力损失值是否在生产工艺要求的范围内。当然压力损失值越小，系统能量损失越小，越有利于系统节能；

?考虑测量的流体特征参数：除了流体类别以外，通常要考虑流体的温度、压力、密度、粘度和润滑性、腐蚀性和磨蚀性等，有些应用场所还有卫生要求。某些测量方法还要考虑流体物性中特殊参量，例如采用电磁流量计要了解液体的电导率。各类流量仪表总会受到流体物性中某一种或几种参量的影响，所以流体的物性很大程度上支配着待选仪表的型式。所选择测量方法和仪表不仅要适应被测流体的性质，还要考虑在测量过程中流体物性某一参量变化的影响量；

?考虑仪表的准确度：根据工艺要求确定仪表的准确度等级，合理配置测量元件、一次仪表和二次仪表，满足测量准确度等级的要求即可，最大可能节约成本；

?考虑仪表能否满足现场的安装要求：不同原理的测量方法对安装要求差异很大,例如有些仪表（如差压式、涡轮式）需要较长的前直管段，以保证仪表进口端前流动必须达到充分发展，而另一些仪表（如容积式、浮子式）则无此要求或要求较低。追溯流量仪表应用误差较大的原因，有很大部分是安装错误或有缺陷所致，主要考虑仪表的安装方向、流动方向、上下游管道状况、阀门位置、防护性配件、脉动流影响、振动等方面；

?考虑仪表工作环境条件：在选型时，要考虑流量仪表的日常检修是否方便，环境温度、湿度、电磁场的干扰问题，以及年度大修和更换是否方便等。

参考文献:

[1]王池，王自和，张莹珠，孙淮清，流量测量技术全书化学工业出版社2012.06

[2]苏彦勋，杨有涛，流量检测技术中国质检出版社2012.08