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流量計(jì)的選用

閱讀:3發(fā)布時(shí)間:2025-7-2

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    0 前言

    流體就是能流動(dòng)的物質(zhì),空氣、水、油等都屬于流體。無論是日常生活,還是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn),流體和人類息息相關(guān)。因此,流量測量便成了人類了解流體性質(zhì)并利用流體的必要條件。而流量計(jì)正是用來測量流體流量的一類儀表。正在使用的流量計(jì)已經(jīng)超過百種,測量原理、應(yīng)用范圍也各不相同。而且隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,流量測量對象越來越多,精度要求越來越高,新的測量方法和測量儀表也不斷地涌現(xiàn)出來。這雖然擴(kuò)大了人們的選擇范圍,但面對上百種有不同特點(diǎn)和要求,使用方法也不盡相同的流量計(jì),如果不具備專業(yè)知識(shí),很難選出適合自己的高性價(jià)比的產(chǎn)品。有人對美國正在使用的千余臺(tái)流量計(jì)做過調(diào)查,所選擇的測量方法約60%不是最合適的或使用不正確[1]。本文介紹流量計(jì)的分類和選擇。希望能為非流量儀表專業(yè)人員提供一種簡便易行的選用流量計(jì)方案。

    1 流量計(jì)及其分類

    流量計(jì)有體積流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)之分,專門測試體積流量的流量計(jì)稱為體積流量計(jì);測量質(zhì)量流量的流量計(jì)稱為質(zhì)量流量計(jì)[2]。在液壓行業(yè),體積流量直接關(guān)系到執(zhí)行元件的運(yùn)行速度,它與壓力的乘積就是系統(tǒng)功率。因而,體積流量更清楚地表達(dá)了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性,體積流量計(jì)在這個(gè)領(lǐng)域也更受青睞。由于流體的體積受壓力和溫度的影響,在一些工業(yè)生產(chǎn)中,物料平衡、熱平衡以及儲(chǔ)存、買賣、經(jīng)濟(jì)核算等所需要的往往是質(zhì)量或重量[2],因此,就沒有必要用體積流量乘以密度來換算,而是可以直接用質(zhì)量流量計(jì)來測量。

    此外,流量計(jì)所測得的流量又有累積流量和瞬時(shí)流量之分。累積流量是在一定時(shí)間內(nèi)流出流體的總體積(或質(zhì)量)。瞬時(shí)流量是某一時(shí)刻流體通過某橫截面的流量?,F(xiàn)在已經(jīng)有很多流量計(jì)通過改進(jìn)測量算法可以同時(shí)顯示或輸出累積和瞬時(shí)流量。

    現(xiàn)在,流量計(jì)的測量對象已經(jīng)從液體、氣體擴(kuò)展到了雙相、多相流體;測量溫度從高溫到極低溫;壓力有低壓、中壓、高壓甚至超高壓;測量粘度范圍、流量范圍都在不斷地?cái)U(kuò)大;流動(dòng)狀態(tài)也涉及到層流、紊流、脈動(dòng)流等等。因此,不可能用一種流量計(jì)完成所有的流量測量。為適應(yīng)各種測量條件,老式流量計(jì)仍然在完善、使用,新的流量計(jì)則更是層出不窮。到目前為止,國內(nèi)外還沒有一個(gè)統(tǒng)一的分類方法。一般按照用途分為指示型、記錄型、積算型、遠(yuǎn)傳型等;也可以按照測量流體狀態(tài)分為微流量測量型、小流量測量型、脈動(dòng)流測量型、雙向流測量型等;還可以按測量對象分為封閉管道式和明渠式兩大類。但常用的分類方法有兩種,一是按照測量原理來分類,二是按照流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理來分類。

    如圖1所示,按照測量原理可以把流量計(jì)分為七大類[3]。而用得泛、的還是按照測量結(jié)構(gòu)和原理的分類法,見圖2[4],流量計(jì)分為11大類。其中,相同原理的流量計(jì)又可按不同的結(jié)構(gòu)劃分成小類,如差壓式流量計(jì)中的節(jié)流式流量計(jì)按照節(jié)流孔口的不同劃分為20小類;相同測量結(jié)構(gòu)的流量計(jì)也可按不同的測量原理再分類,如渦街流量計(jì)都是在流體中垂直于流向的方向設(shè)置一根柱狀物的結(jié)構(gòu),但按照其測量產(chǎn)生卡門渦街頻率的原理不同又可分為應(yīng)變式、應(yīng)力式等7小類。這樣就可以把眾多的流量計(jì)按人們常用的名稱進(jìn)行歸類,便于人們的選用。

    2 流量計(jì)的選擇

    面對數(shù)百種的流量儀表,針對不同的使用場合,如果沒有一個(gè)清晰的步序,貿(mào)然地做出選擇,很難選出最合適的儀表。在測量精度不高的場合選用高精度而昂貴的測量儀表,測量對象和測量范圍的不合適都是選用流量計(jì)時(shí)常見的錯(cuò)誤。選用不當(dāng)有時(shí)候還可能造成流量儀表損毀,如用螺桿流量計(jì)去測含固體雜質(zhì)的液體,常會(huì)磨損螺桿或使其卡死。

    正確地選用流量儀表,首先要明確使用目的,然后從儀表性能和被測流體性質(zhì)兩方面來考察,再考慮安裝要求、環(huán)境,最后從經(jīng)濟(jì)性的角度選出一種或幾種適合的流量計(jì)。最后從初選出的流量計(jì)中,選出性能、安裝要求、環(huán)境適應(yīng)性的儀表(圖3)。下面按圖3中的各步序分別闡述。

    (1)使用目的

    流量計(jì)的使用目的應(yīng)該很明確。即要知道測的是體積流量,還是質(zhì)量流量;要測瞬時(shí)流量,還是累積流量。如液壓行業(yè)更關(guān)心體積流量和瞬時(shí)流量;物料平衡、交易中需要質(zhì)量流量和累積流量。而流量計(jì)由于結(jié)構(gòu)、原理上的差異往往只適用于一種流量的測量,或者是測量某一種流量精確,測量其他的流量則需要增加轉(zhuǎn)換設(shè)備或精度下降。像容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)等靠計(jì)數(shù)或脈沖數(shù)來獲取累積流量值的儀表,適合計(jì)量總量。如果要用其計(jì)量瞬時(shí)流量,則要加計(jì)時(shí)裝置和相應(yīng)的計(jì)算電路才能轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)值。在轉(zhuǎn)換過程中因有效數(shù)位等因素必將降低其精度。而超聲流量計(jì)、電磁流量計(jì)原理上是靠測流速來換算出流量,更適合計(jì)量瞬時(shí)流量。

    (2)被測流體狀態(tài)和性質(zhì)

    正是因?yàn)榱黧w狀態(tài)和性質(zhì)的多樣性。才有了適用于不同狀態(tài)、不同性質(zhì)流體的測量儀表。所以必須清楚流體是氣態(tài),還是液態(tài);是單相流,還是多相流;流體流量范圍大致是多少;流體中是否含有固體雜質(zhì),濃度是多少;流體流過的是密閉管道,還是明渠或開口槽;還有流體的粘度、密度、雷諾數(shù)、導(dǎo)電性、腐蝕性等。以上因素中的某個(gè)或某幾個(gè)都會(huì)或多或少地影響到流量測量,必須充分予以考慮。

    表1列出了常用流量計(jì)對于一些流體狀態(tài)和性質(zhì)的適用性??梢?,大部分流量計(jì)都是只針對某些狀態(tài)所設(shè)計(jì)的,因此選用時(shí)一定要注意。例如在液壓行業(yè)中,工作液往往是石油基液壓油,它是以石油精煉得到的礦物油為基礎(chǔ)與各類添加劑按適當(dāng)比例調(diào)合而成的,電導(dǎo)率一般都在10-11Ω/cm左右。這樣。用來測導(dǎo)電液體流量的電磁流量計(jì)顯然就不適用了。所以選用流量計(jì)前,被測流體的狀態(tài)和性質(zhì)必須搞清楚。

    (3)儀表性能

    儀表性能主要體現(xiàn)在精確度、重復(fù)性和線性度三個(gè)方面。其中精確度并不是越高越好,因?yàn)楦呔鹊牧髁坑?jì)往往價(jià)格和復(fù)雜程度也很高。一般來說,容積式流量計(jì)、電磁式流量計(jì)、超聲式流量計(jì)、渦輪式流量計(jì)和科氏質(zhì)量流量計(jì)的精度都很高,誤差能達(dá)到0.5%R(測量值的百分率用%R表示,與之相對的%FS,為測量上限或量程的百分率。前者的精確度更具說服力)或更高,有的容積式流量計(jì)甚至可以達(dá)到0.05%。而插入式流量計(jì)一般精度比較低。其他的都比較適中??梢栽诰炔皇呛芨叩臈l件下選用。

    表1 通常情況下流量計(jì)對流體狀態(tài)適應(yīng)性

 清潔液臟污液氣體高粘液液氣混合腐蝕液范圍度明渠液非充滿管
差壓孔板+S××
差壓噴嘴++×S××
差壓文氏管++×S××
浮子式××M××
容積式××M××
漩渦式+×+C××
渦輪式××A××
電磁式××+B×+
超聲波式++×C+×
靶式×+×S××
熱式×××××M××
明渠式×××+H
科氏質(zhì)量式++B××

    注:“√"為適用,“+"為有條件可用,“×"為不適用,“S"為小范圍,“M"為中范圍,“H"為大范圍,“A"為小到中,“B"為中到大,“C"為小到大。①為圓缺孔板,②為渦街式,③為多普勒式,④為膜式,⑥為高壓氣體,⑦為玻璃錐管,⑧為需特殊材料制造。

    重復(fù)性是指環(huán)境條件和介質(zhì)參量等因素不變的情況下,對某量值在短時(shí)間內(nèi)同方向進(jìn)行多次測量的一致性。其常常受流體粘度、密度等參量變化的影響[1]。例如浮子流量計(jì)容易受流體密度影響;渦輪式流量計(jì)測量時(shí)由于粘度的變化需要重新調(diào)校和修正。此外。流量計(jì)輸出有線性和非線性平方根兩種。非線性誤差對于脈沖輸出、流量范圍又很大的總量型流量計(jì)的影響很大。而且非線性會(huì)影響到儀表的重復(fù)性。但現(xiàn)在通過信號(hào)適配技術(shù)已經(jīng)基本上可以修正非線性。

    在眾多的流量儀表中。容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和科氏質(zhì)量流量計(jì)被認(rèn)為是重復(fù)性、精度的產(chǎn)品[5]??梢杂迷谛阅芤筝^高的場合,但價(jià)格也較昂貴。

    (4)安裝條件

    安裝條件往往取決于現(xiàn)場空間、方位的要求。因?yàn)槿莘e式、浮子式和渦輪式等流量計(jì)常常要求傳感器的安裝方向和流動(dòng)方向分別是水平、垂直和水平,且對流體有過濾精度要求,有時(shí)需加過濾裝置;而除容積式、浮子式和科氏質(zhì)量流量計(jì)以外的大部分流量計(jì)由于受流速畸變等因素影響,需要在上游或下游加一定長度的直管,消除對其的干擾,當(dāng)受空間限制時(shí),也有加流動(dòng)調(diào)整器的;除渦輪式、電磁式、超聲式和部分差壓式流量計(jì)外,其余大多數(shù)流量計(jì)不能測雙向流。因此。很多流量計(jì)不能或者不適合安裝在給定的空間和方位上。

    (5)環(huán)境因素

    在儀表使用時(shí),影響它的周圍環(huán)境因素主要是溫度,其次是電磁干擾。容積式流量計(jì)是用定容積容腔來衡量流量的,構(gòu)成容腔的機(jī)械部件的材料一般是用鋼材制成。它在低溫下變脆、高溫時(shí)膨脹,使其低溫下的壓力受到限制,而高溫時(shí)容腔體積的變化又導(dǎo)致精度下降,可見其受溫度影響是很大的。除它之外。熱式流量計(jì)也受溫度影響較大,而科氏質(zhì)量流量計(jì)、電磁式流量計(jì)和流體振動(dòng)式流量計(jì)受的影響很小,其余則比較適中。

    電磁干擾主要是由周圍環(huán)境中的電力、電氣設(shè)備開關(guān)引起的。超聲式流量計(jì)、流體振動(dòng)式流量計(jì)和科氏流量計(jì)會(huì)受到一定的影響,其余的流量計(jì)受的影響不會(huì)太大。

    (6)經(jīng)濟(jì)性

    流量計(jì)的費(fèi)用主要是購置儀器的費(fèi)用,運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也應(yīng)當(dāng)加以考慮。一般來講,容積式流量計(jì)中的轉(zhuǎn)子式由于機(jī)械活動(dòng)部件較多,加工精度高,材料要求也高,從而購買價(jià)格昂貴。比如奧地利KRAL公司的低壓型的低端產(chǎn)品OME系列也需要近兩萬元人民幣。此外,超聲式流量計(jì)中的傳播速度式、科氏質(zhì)量流量計(jì)、電磁式的價(jià)格也都比較高。運(yùn)行和維護(hù)的費(fèi)用主要體現(xiàn)在容積式、渦輪式等流量計(jì)需要加諸如過濾器等附件上。有時(shí)要求經(jīng)常調(diào)校的流量計(jì)的流量校驗(yàn)和調(diào)節(jié)的費(fèi)用也需要考慮。

    實(shí)際上,選用流量計(jì)只靠以上幾點(diǎn)還是不夠的,還要詳細(xì)地閱讀產(chǎn)品樣本,關(guān)注其技術(shù)的革新,并參考其他工程師的經(jīng)驗(yàn)。圖4為Cahners調(diào)查得出的工程師使用的8種流量計(jì)應(yīng)用范圍比較[6]。圖5是工程師所關(guān)注的流量計(jì)各種因素的比較[7]。在綜合這些因素后,選出的流量計(jì)的性價(jià)比定是令人滿意的。

    3 流量計(jì)的使用

    選出一款合適的流量計(jì)只是步,只有正確的使用和維護(hù)才能充分發(fā)揮流量計(jì)的潛力,可靠長久地進(jìn)行準(zhǔn)確的測量工作。

    首先,必須正確地安裝流量計(jì)。本文提到流量計(jì)常有嚴(yán)格的安裝要求,如加設(shè)過濾裝置或流體調(diào)整器?;蛟O(shè)置上游和下游一定長度的直管。所以必須嚴(yán)格按照具體流量計(jì)的說明書的要求進(jìn)行安裝。

    其次,定期檢定和校準(zhǔn)是保證流量計(jì)長期準(zhǔn)確工作的保證。因?yàn)殡S著流體性質(zhì)和狀態(tài)的變化,流量計(jì)的重復(fù)性將受到影響,所以必須進(jìn)行定期的檢定和調(diào)校。

    再次,應(yīng)該定期地檢修和清洗.對易損件要定期地檢查并更換。注意清洗流量計(jì)內(nèi)的污垢,對于保護(hù)流量計(jì)不受損壞和保證精度都是有益的。

    4 結(jié)束語

    按照圖3給定的步序,從各個(gè)角度考慮,初步篩選出幾種流量計(jì),再對初選的流量計(jì)進(jìn)行比較,性能較出色、附加要求較少、費(fèi)用較低的流量計(jì)便是最終所選的。然后再詳細(xì)閱讀選定產(chǎn)品的說明資料,最終確定選定結(jié)果。這是一個(gè)思路明晰、簡便易行的選擇方案,供相關(guān)的工程技術(shù)人員在選用流量計(jì)時(shí)參考。

    參考文獻(xiàn):

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