現(xiàn)行流量計的特點以及選型

祝晉

（北京航天萬源煤化工工程技術有限公司)

現(xiàn)行流量計的特點以及選型

祝晉*

（北京航天萬源煤化工工程技術有限公司)

流量是工業(yè)生產(chǎn)中一種常見的測量對象，但由于流量計的類型繁多，對設計選型造成了困擾。介紹了工業(yè)控制中常用到的幾種流量計類型，討論了其測量原理及主要特點。針對工業(yè)生產(chǎn)的不同應用要求，總結了流量計的選型方法和要點。

流量計 流量測量 選型 管道

0 前言

在當前的工業(yè)生產(chǎn)應用中，存在著種類繁多的流量計，對設計人員選型造成了一定的難度。流量計按測量原理大致可以分為容積式、速度式、差壓式、面積式、質量式等。不同類型的流量計其特點也略有不同，需針對不同的測量領域、不同的測量介質、不同的工作范圍，選擇不同種類、不同型號的流量計，以取得更好的測量效果。本文以幾種常用的流量計為例，介紹流量計的測量原理以及主要選型特點。

1 流量計介紹

1.1 孔板流量計

孔板流量計是最常用的一種流量計，屬于差壓式流量計，以流動連續(xù)性方程 (質量守恒定律)和伯努利方程 (能量守恒定律)為基礎。充滿管道的流體在經(jīng)過管道內節(jié)流元件時 （如標準孔板、標準噴嘴、長徑噴嘴等），流體流線在節(jié)流元件處形成局部收縮，流速加快，在節(jié)流元件前后形成壓差。根據(jù)壓差的大小可以衡量流量的大小，如圖1所示。計算公式為：

圖1 孔板流量計原理

式中qm——質量流量，kg/s;

qv——體積流量，m3/s;

c——流出系數(shù)；

ε——可膨脹性系數(shù)；

β——直徑比，β=d/D;

d——工作條件下節(jié)流件的孔徑，m；

D——工作條件下上游管道內徑，m；

Δp——差壓，Pa；

ρl——上游流體密度，kg/m3。

孔板流量計一般由節(jié)流裝置 （節(jié)流件、測量管、直管段、流動調整器、取壓管路）和差壓流量計組成，對工況變化準確度要求高的場合則需配置壓力計 （傳感器或變送器）并進行溫壓補償。其主要特點是：

（1）結構易于復制，簡單，牢固，性能穩(wěn)定可靠。

（2）價格低廉。

（3）應用廣泛，液、氣、蒸汽皆可測量。

（4）準確度不高，壓損大。

1.2 渦街流量計

在流體中設置漩渦發(fā)生體 （阻流體），從漩渦發(fā)生體兩側交替地產(chǎn)生兩列規(guī)則的交替排列的漩渦渦街，漩渦的分離頻率與流經(jīng)渦街流量傳感器處流體的體積流量成正比，如圖2所示。

圖2 渦街流量計原理

漩渦列在漩渦發(fā)生體下游非對稱地排列，設漩渦的發(fā)生頻率為f，被測流體平均速度為v，漩渦發(fā)生體迎流面寬度為d，表體通徑為D，可得關系式：式中St——斯特勞哈爾數(shù)，在ReD=2×104～7×108范圍內，St可視為常數(shù)。

渦街流量計的流量方程為：

qv=f/K

qm=qvp

式中qv、qm——分別為體積流量和質量流量；

f——輸出頻率；

K——流量計儀表系數(shù)；

ρ——流體密度。

當測量氣體流量時，渦街流量計的流量計算式為：

式中pn、Tn——分別為標準狀態(tài)下的壓力和溫度；

Z、Zn——分別為工作狀態(tài)下和標準狀態(tài)下的氣體壓縮系數(shù)；

qvn——標準狀態(tài)下的體積流量；

p、T——分別為工作壓力和溫度。主要特點：

（1）結構簡單，維護方便。

（2）適用流體種類多，液、氣、蒸汽皆可測量。

（3）準確度較高，測量范圍寬，壓損小。

（4）不適用于低雷諾數(shù)測量。

（5）抗干擾能力差。

1.3 電磁流量計

電磁流量計的原理是基于法拉第電磁感應定律，它是一種測量導電性液體的體積流量儀表。根據(jù)法拉第電磁感應定律，導體在磁場中運動時切割磁力線，在導體兩端產(chǎn)生感應電勢，利用右手定則即可確定感應電動勢，如圖3所示。計算式如下：

圖3 電磁流量計原理

式中E——感應電動勢；

k——補償系數(shù)；

B——磁感應強度；

D——測量管徑；

v——液體平均流速。

主要特點：

（1）沒有阻流元件，不會堵塞，適用于帶有懸浮物、固體顆粒的液體和污水的測量。

（2）沒有附加壓力損失，節(jié)約能耗。

（3）儀表測量范圍大，流速可在0.5～10 m/s內選定。

（4）不能用于低導電率液體。

（5）由于內襯材料為絕緣材料的限制，不能用于較高溫的場合。

1.4 均速管流量計

均 速 管 流 量 計 （國 外 稱 Annbar、Torbar、Probar、Verabar、Itabar……等），是基于皮托管測速原理，以測管道中直線上幾個點的流速來推算流量的一種插入式流量儀表，如圖4所示。它是一根沿直徑插入管道中的中空金屬桿，在影響流體流動方向有成對的測壓孔，一般有三對，其外形似笛子。迎流面的多點測壓孔測量的是總壓，與全壓管相連通，引出平均全壓p1；背流面的中心處有一開孔，與靜壓管相通，引出靜壓p2。利用全壓與靜壓之差來計算流速，其計算式為：

圖4 均速管流量計原理

式中Qv——體積流量；

α——流量系數(shù)；

ε——可膨脹系數(shù)；

D——管道內徑；

ρl——被測流體密度；

Δp——差壓， Δp=p1-p2。主要特點：

（1）結構簡單，重量輕。

（2）適應范圍寬闊，可適用于多種流體 （氣、液、蒸汽）。

（3）壓損小，節(jié)能效果顯著。

（4）在直管段長度不足時，準確度難以高于±2%～±3%，不宜作為計量儀表。

（5）易于堵塞，要求流體潔凈。1.5 平衡流量計

平衡流量計 （balanced flow meter，BFM）是一種新型的流量計，是美國國家航空航天局 (NASA)下屬馬歇爾航空飛行中心 （NASA-MSFC）針對航天飛機的主發(fā)動機液氧測量而設計發(fā)明的一種新型流量計，由A+FlowTek公司生產(chǎn)，亦稱為A+K平衡流量計，如圖5所示。

圖5 平衡流量計原理

A+K平衡流量計 (BFM)對傳統(tǒng)節(jié)流裝置進行了極大的改進，將節(jié)流原理由邊緣節(jié)流改為平衡節(jié)流。平衡流量傳感器是一個多孔的圓盤節(jié)流整流器，安裝在管道的截面上，每個孔的尺寸和分布基于獨特的公式和測試數(shù)據(jù)定制，稱為函數(shù)孔。當流體穿過圓盤的函數(shù)孔時，流體將被平衡調整，渦流被最小化，形成近似理想流體，通過標準取壓裝置，可獲得穩(wěn)定的差壓信號，再根據(jù)伯努利方程可計算出體積流量、質量流量。

主要特點：

（1）測量精度高，其測量精度可達±0.5%。

（2）直管段要求低，最小可達0.5D。

（3）壓損小，節(jié)約能耗。

（4）適用范圍廣，可以測量氣體、液體、蒸汽等各種介質。

2 關于流量計的選型

首先，必須熟悉儀表和被測介質兩方面的情況，按照流體的特性及應用范圍剔除不適合的方法和儀表，初步選擇測量方法和儀表。然后，按照以下幾個方面進行分析比較。

首先，根據(jù)儀表性能進行選型，需要對精度的高低以及儀表的穩(wěn)定性等方面進行大概的過濾。例如孔板的測量精度較差，相對來說質量流量計的測量精度較高。因此在選型時需要注意，選擇精度符合工藝要求的儀表。其次，根據(jù)流體特性，選擇不同的流量計。舉例來說，孔板等差壓流量計對于黏稠液體的測量效果不佳；均速管類儀表一般測量潔凈的氣體或液體，對于介質的潔凈程度有較高要求；電磁流量計用于測量可導電的介質，但是對于介質溫度的要求較高，不能高于180℃。然后，從安裝條件考慮，儀表處于管道的位置，前后直管段要求是否足夠，管道周圍空間大小是否便于儀表維護，管道是水平安裝還是豎直安裝等。從現(xiàn)場環(huán)境考慮，要考慮到現(xiàn)場的溫度對儀表的影響，是否有電磁干擾，是否存在震動，例如渦街流量計，這種對環(huán)境要求比較高的流量計，在周圍有干擾和震動的場合就不宜使用。最后，從經(jīng)濟方面考慮，比如平衡流量計，就可以做到取代孔板，減少壓損，節(jié)約能耗。在大規(guī)格的管道上應盡量使用插入式流量計，以節(jié)約成本。

3 結語

以上介紹了一些工業(yè)控制中常用到的流量計類型以及選型方法。在工廠的實際應用中，儀表的選型比較紛繁，應在眾多品種中揚長避短，選擇最合適的儀表。隨著科學技術的發(fā)展，傳感技術、計算機技術、微電子技術、通信技術已在流量計上得到應用，不久的將來各種新型流量計將會應運而生，也將會給工業(yè)儀表應用帶來新的革命！

[1]黃德民.石油化工自動控制設計手冊 [M].北京：化學工業(yè)出版社，2000.

[2]樂嘉謙.儀表工手冊 [M].北京：化學工業(yè)出版社，2003.

[3]賈云飛，張濤，張清鵬.渦街流量計與孔板流量計壓力損失的比較研究 [J].計量學報，2008，29（2）.

[4]孫延祚.流量儀表的合理選型 [J].工業(yè)計量，2007， 17 （4） .

Characteristics and Selection Method of Current Flow Meter

Zhu Jin

Flow measurement is very common in industry process.But the variety types of flow meters cause difficulties in the design selection.This article describes some flow meters commonly used in industrial control,presents their measuring principle and main features.For different application requirements in industrial process,the paper summarizes the methods and main points of flow meter selection.

Flow meter； Flow measurement； Selection； Pipeline

TQ 056.1

*祝晉，男，1985年11月生，助理工程師。北京市，100176。

2011-06-20）