3.2 分类
3.2.1 按测量原理分类
(1)按力学原理分类:属于此类原理的仪表有利用伯努利定理的差压式、转子式;利用动量定理的冲量式、可动管式;利用牛顿第二定律的直接质量式;利用流体动量原理的靶式;利用角动量定理的涡轮式;利用流体振荡原理的旋涡式、涡街式;利用总静压力差的皮托管式以及容积式和堰、槽式等。
(2)电学原理:用于此类原理的仪表有电磁式、差动电容式、电感式、应变电阻式等。
(3)声学原理:利用声学原理进行流量测量的有超声波式、声学式(冲击波式)等。
(4)热学原理:利用热学原理测量流量的有热量式、直接量热式、间接量热式等。
(5)光学原理:激光式、光电式等是属于此类原理的仪表。
(6)原子物理原理:核磁共振式、核辐射式等是属于此类原理的仪表。
(7)其他原理:有标记原理(示踪原理、核磁共振原理)、相关原理等。
3.2.2 按流量计结构原理分类及其优缺点
目前最常见的种类主要有容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、涡街流量计、质量流量计等,下面分别简述各种流量计的原理及特点。
1.容积式流量计
容积式流量计相当于一个标准容积的容器,它接连不断地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比较简单,适于测量高黏度、低雷诺数的流体。根据回转体形状不同,目前生产的产品分为:适于测量液体流量的椭圆齿轮流量计、腰轮流量计(罗茨流量计)、旋转活塞和刮板式流量计;适于测量气体流量的伺服式容积流量计、皮膜式和转筒流量计等。
主要优点:①计量精度高;②安装管道条件对计量精度没有影响;③可用于高黏度液体的测量;④范围宽;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。
主要缺点: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。
2.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,一般误差为±(0.2%～0.5%)。
主要优点:①精度高,在所有流量计仪表中属于最精确的流量仪表;②重复性好;③无零点漂移,抗干扰性好;④测量范围度宽;⑤结构紧凑。
主要缺点:①不能长期保持校准特性;②流体物性对流量特性影响较大。
3.差压式流量计(变压降式流量计)
差压式流量计由一次装置和二次装置组成。一次装置称为流量测量元件,它安装在被测流体的管道中,产生与流量(流速)成比例的压力差,供二次装置进行流量显示。二次装置称为显示仪表。它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。差压流量计的一次装置常为节流装置或动压测定装置(皮托管、均速管等)。二次装置为各种机械式、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计算装置,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%。发电厂主蒸汽、给水、凝结水等的流量测量都采用这种表计。
主要缺点:①测量精度普遍偏低:②范围窄,一般仅31～41;③现场安装条件要求高;④压损失(指孔板、喷嘴等)。
4.变面积式流量计(等压降式流量计)
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,因此该型流量计称为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转子(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。浮子流量计是继差压式流量计之后应用较广泛的一类流量计,适用于微小流量监测。
主要优点:①结构简单,使用方便;②适用于小管径和低流速;③压力损失较低。
主要缺点:耐压力低,玻璃管易碎。
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为动量式流量计。由于流体的动量P与流体的密度及流速v的平方成正比,即
,当通流截面确定时,v与容积流量Q成正比,故
。设比例系数为A,则Q=A,因此,测得P,即可反映流量Q。这种形式的流量计,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为冲量式流量计,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。按测量信号的转换原理,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。
电磁流量计由传感器及转换器及显示器等部分组成,电磁流量计根据法拉第电磁感应定律制成的一般测量导电流体的流量仪表。具有其他流量计不能比拟独特优势,特别适用如脏污流体及腐蚀流体的测量。电磁流量计在20世纪70—80年代由于电磁流量在技术上有重大突破,使它成为现代工业领域广泛应用的流量监测仪表。
主要优点:①由于测量通道是段光滑直管,不会阻塞,特别适用于固体颗粒的液固二相流体,如纸浆、污水、泥浆等;②无压损,节能效果好;③不受流体的湿度、密度、黏度、压力和电导率变化影响;④流量范围大,口径范围宽;⑤适用于腐蚀性流体的测量。
主要缺点:①不适用测量电导率很低的石油制品流体;②不适用气体、蒸汽及含有较大气泡的液体;③不适用高温场合。
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原理而设计的。它也是由测流速来反映流量大小的。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)、波速偏移法、多普差法、互相关法、空间滤去法及噪声法等。属于无阻碍流体直流的结构。因此,适用于解决流量测量困难的场合,特别适用于大口径流量测量领域。
主要优点:①可做非接触式流体测量;②属于无阻碍测量,故无压力损失;③它与电磁流量计相比,具有可测非导电性液体。
主要缺点:①在传播时间法时,只能用于清洁液体和气体,而在多普勒法时,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。
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。目前典型的产品有涡街流量计、旋进漩涡流量计。
涡衔流量计是在流体中安放一根非流线型漩涡发生体,当流体在漩涡发生体两侧交替分离释放出两串规则交错排列的漩涡。一般按频率检出方式,划分有应力式、应变式、电容式、热敏式、光电式及超声波式、振动式等。涡衔流量计属于国内外新型流量仪表。
主要优点:①结构简单牢固;②适用于多流体种类的场合流量;③有较高测量精度;④测量范围度宽,且压损小。
主要缺点:①不适应于低雷诺数流体测量;②需较长直管段;③与涡轮流量计相比,仪表系数较低。
10.质量流量计
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。
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。
11.其他流量计
还有适用于明渠测流的各种堰式流量计、槽式流量计;适于大口径测流的插入式流量计;测量层流流量的层流流量计;适于二相流测量的相关法流量计.
另外还有采用激光法、核磁共振法流量计和多种示踪法、稀释法等测流方法。
明渠流量计属于在非满管状敞开渠道测量自由表面自然流动的流量仪表。因此,也称非满管态流动的水沟为明渠。明渠流量计除有圆形外,还有U形、梯形、矩形等多种形状。明渠流量计是广泛应用于城市供水引水渠,火力及水力发电厂引水和排水渠,城市及工矿企业污水治理流入和排放渠,水利工程和农业灌溉用渠道流量计测量流量结构方式。
综上所述,目前流量计测量技术发展至今虽然已日趋成熟,但其种类繁多,至今尚无一种对于任何场合都能适用的流量计,而每种流量计都有其适用范围,具有局限性。因此,在选用流量计时,应熟知仪表的工作原理及特点,根据被测对象的不同,合理正确选择流量计是值得人们讨论的问题。