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摘要:本文阐述了现目前主要使用的十多种流量仪表的应用情况和局限性,以及流量计量的研究和开发。
关键词:流量计量;流体;检测
中图分类号:TM4 文献标识码:A 文章编号:1009-0118(2010)-08-0039,-02
一、概述
流量计量是科学计量的一个重要组成部分,它在各个领域中得到了广泛的应用,在贸易结算、能源计量、过程控制、环境保护等方面起到了重要的作用。特别是近年来随着能源和水资源的全球性匮乏,随着西气东输、南水北调等国家重点工程的完成,全社会对流量计量的要求越来越高。因此对流量计的测量准确度的要求是越来越高。
因为流量计应用在各种不同场合,不同条件。如流体介质有液体、气体之分,流体的粘度、密度、清洁程度、压力、温度等有较大的差异。也因为流量计量的动态特性和流体介质的复杂性,对流量计在工艺上、结构上、电信号处理上都提出了很高的要求,给流量测量仪表留下了无数个技术难题需要不断研究、探索。虽然近几年来流量测量技术有了突飞猛进的发展,但离社会的需要还有很大的距离。而我们所选用的流量计除要适应所使用的条件之外,还要考虑很多其它因素,如价格、准确度等级等等。因此为了适应不同的介质条件、不同的环境条件,不同的使用要求,各种流量计量的仪表应运而生。据不完全统计,流量计的种类达几十种之多。
二、流量计量仪表的应用
下面按照目前最流行、最广泛的分类法: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、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计来分别阐述各种流量计的特点、应用概况及发展情况。
(一)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。
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3:1～4:1
3、眶损大(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。
(二)浮子流量计
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、玻璃锥管浮予流量计结构简单,使用方便,缺点是耐压力低,有玻璃管易碎的较大风险;
2、适用于小管径和低流速:
3、压力损失较低。
(三)容积式流量计
容积式流量计按其测量元件分类,可分为椭圆齿轮流量计、刮扳流量计、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。
优点:
1、计量精度高:
2、可用于高粘度液体的测量;
3、范围度宽:
4、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。
(四)涡轮流量计
涡轮流量计,是速度式流量计中的主要种类。
涡轮流量计和容积式流量计、科里奥利质量流量计称为流量计中重复性、精度最佳的产品,作为十大类型流量计之一,其产品已发展为多品种、多系列批量生产的规模。
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、元零點漂移航干扰能力好;
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、天然气和低温流体中,它们已成为优良的天然气计量仪表。
(五)电磁流量计
电磁流量计有一系列优良特性,可以解决其它流量计不易应用的问题。如脏污流、腐蚀流的测量,在流量仪表中其使用量百分数不断上升。
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、流量范周大,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。
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。
(六)涡街流量计
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。
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;
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。
(七)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、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。
(八)科里奥利质量流量计
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。
我国CMF的应用起步较晚,近年已有儿家制造厂(如太行仪表厂)自行开发供应市场;还有几家制造厂组建合资企业或引用国外技术生产系列仪表。
(九)明渠流量计
与前述几种不同,它是在非满管状敞开渠道测量自由表面自然流的流量仪表。
非满管态流动的水路称作明渠,测量明渠中水流流量的称作明渠流量计(open channel flowmcter)。
明渠流量计除圆形外,还有U字形、梯形、矩形等多种形状。
明渠流量计应用场所有城市供水引水渠:火电厂引水和排水渠、污水治理流入和排放渠:工矿企业水排放以及水利工程和农业灌溉用渠道。
三、小结
经过上述分析,在各种流量计中,差压流量计以其结构简单、价格低廉在大、中流体流量计量中得到广泛的应用。近年来以弯管、内锥为代表的差压流量计克服了差压流量计压力损失大的缺点,解决了传统孔板需直管段长度过长的问题。其中内锥式流量计采用了新结构,使其压力损失系数明显下降。且具有较好的自整流能力;而弯管流量计则无附加误差,对直管段长度要求低,特别是以计算流体力学为基础进行了深入的模拟计算,以理论指导实践;正是这些发展使差压流量计的计量准确度达到0,5%的水平,使这一古老的流量计重现活力。
涡轮流量计、音速喷嘴、容积式流量计等,他们共同的优点是准确度高,稳定性好,因此可以作为标准流量计向工作用流量计传递量值之用。当涡轮流量计和容积式流量计用于清洁流体而无需加装过滤器时,其压力损失是很小的,且分辨率高,重复性好。随替贸易结算准确度的提高,对流量量值一致要求的呼声越来越高,装置比对就成为保证量值统一的有效手段,上述仪表较多用于装置比对用传递标准器,为保证流量量值的准确一致发挥了作用。但是,涡轮流量计的仪表系数受密度、黏度等参数影响,在低压力下标定后在高压下使用,在低黏皮下標定后存高黏皮下使用,其仪表系数都有改变的可能。因此需研究在线检定技术,对仪表进行现场跟踪检测,使其检定准确度进一步提高。
关键词:流量计量;流体;检测
中图分类号:TM4 文献标识码:A 文章编号:1009-0118(2010)-08-0039,-02
一、概述
流量计量是科学计量的一个重要组成部分,它在各个领域中得到了广泛的应用,在贸易结算、能源计量、过程控制、环境保护等方面起到了重要的作用。特别是近年来随着能源和水资源的全球性匮乏,随着西气东输、南水北调等国家重点工程的完成,全社会对流量计量的要求越来越高。因此对流量计的测量准确度的要求是越来越高。
因为流量计应用在各种不同场合,不同条件。如流体介质有液体、气体之分,流体的粘度、密度、清洁程度、压力、温度等有较大的差异。也因为流量计量的动态特性和流体介质的复杂性,对流量计在工艺上、结构上、电信号处理上都提出了很高的要求,给流量测量仪表留下了无数个技术难题需要不断研究、探索。虽然近几年来流量测量技术有了突飞猛进的发展,但离社会的需要还有很大的距离。而我们所选用的流量计除要适应所使用的条件之外,还要考虑很多其它因素,如价格、准确度等级等等。因此为了适应不同的介质条件、不同的环境条件,不同的使用要求,各种流量计量的仪表应运而生。据不完全统计,流量计的种类达几十种之多。
二、流量计量仪表的应用
下面按照目前最流行、最广泛的分类法: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、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计来分别阐述各种流量计的特点、应用概况及发展情况。
(一)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。
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3:1～4:1
3、眶损大(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。
(二)浮子流量计
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、玻璃锥管浮予流量计结构简单,使用方便,缺点是耐压力低,有玻璃管易碎的较大风险;
2、适用于小管径和低流速:
3、压力损失较低。
(三)容积式流量计
容积式流量计按其测量元件分类,可分为椭圆齿轮流量计、刮扳流量计、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。
优点:
1、计量精度高:
2、可用于高粘度液体的测量;
3、范围度宽:
4、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。
(四)涡轮流量计
涡轮流量计,是速度式流量计中的主要种类。
涡轮流量计和容积式流量计、科里奥利质量流量计称为流量计中重复性、精度最佳的产品,作为十大类型流量计之一,其产品已发展为多品种、多系列批量生产的规模。
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、元零點漂移航干扰能力好;
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、天然气和低温流体中,它们已成为优良的天然气计量仪表。
(五)电磁流量计
电磁流量计有一系列优良特性,可以解决其它流量计不易应用的问题。如脏污流、腐蚀流的测量,在流量仪表中其使用量百分数不断上升。
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、流量范周大,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。
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。
(六)涡街流量计
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。
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;
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。
(七)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、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。
(八)科里奥利质量流量计
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。
我国CMF的应用起步较晚,近年已有儿家制造厂(如太行仪表厂)自行开发供应市场;还有几家制造厂组建合资企业或引用国外技术生产系列仪表。
(九)明渠流量计
与前述几种不同,它是在非满管状敞开渠道测量自由表面自然流的流量仪表。
非满管态流动的水路称作明渠,测量明渠中水流流量的称作明渠流量计(open channel flowmcter)。
明渠流量计除圆形外,还有U字形、梯形、矩形等多种形状。
明渠流量计应用场所有城市供水引水渠:火电厂引水和排水渠、污水治理流入和排放渠:工矿企业水排放以及水利工程和农业灌溉用渠道。
三、小结
经过上述分析,在各种流量计中,差压流量计以其结构简单、价格低廉在大、中流体流量计量中得到广泛的应用。近年来以弯管、内锥为代表的差压流量计克服了差压流量计压力损失大的缺点,解决了传统孔板需直管段长度过长的问题。其中内锥式流量计采用了新结构,使其压力损失系数明显下降。且具有较好的自整流能力;而弯管流量计则无附加误差,对直管段长度要求低,特别是以计算流体力学为基础进行了深入的模拟计算,以理论指导实践;正是这些发展使差压流量计的计量准确度达到0,5%的水平,使这一古老的流量计重现活力。
涡轮流量计、音速喷嘴、容积式流量计等,他们共同的优点是准确度高,稳定性好,因此可以作为标准流量计向工作用流量计传递量值之用。当涡轮流量计和容积式流量计用于清洁流体而无需加装过滤器时,其压力损失是很小的,且分辨率高,重复性好。随替贸易结算准确度的提高,对流量量值一致要求的呼声越来越高,装置比对就成为保证量值统一的有效手段,上述仪表较多用于装置比对用传递标准器,为保证流量量值的准确一致发挥了作用。但是,涡轮流量计的仪表系数受密度、黏度等参数影响,在低压力下标定后在高压下使用,在低黏皮下標定后存高黏皮下使用,其仪表系数都有改变的可能。因此需研究在线检定技术,对仪表进行现场跟踪检测,使其检定准确度进一步提高。