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流量計原理和指南 
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流量計分類    
 
   
容積式流量計原理和使用指南
 
第一節 原理 第二節 結構 第三節 優點 第四節 缺點
第五節 分類 第六節 選用考慮要點 第七節 安裝注意事項 第八節 使用注意事項
 
   
前 言
 
   容積式流量計又稱排量流量計(Positive Displacement Flowmeter),簡稱PD流量計或PDF,在流量儀表中是精度最高的一類。它利用機械測量元件把流體連續不斷地分割成單個已知的體積部分,根據計量室逐次、重複地充滿和排放該體積部分流體的次數來測量流量體積總量。PD流量計一般不具有時間基準,為得到瞬時流量值需要另外附加測量時間的裝置。定排量測量方法可追溯到18世紀,20世紀30年代進入普遍商業應用。  
 
第一節  原理
 

   容積式流量計從原理上講是一台從流體中吸收少量能量的水力發動機,這個能量用來克服流量檢測元件和附件轉動的摩擦力,同時在儀表流入與流出兩端形成壓力降。

   典型的容積式流量計(橢圓齒輪式流量計)的工作原理如圖1所示。兩個橢圓齒輪具有相互滾動進行接觸旋轉的特殊形狀。P1和p2分別表示入口壓力和出口壓力,顯然p1>p2,圖1(a)下方齒輪在兩側壓力差的作用下,產生逆時針方向旋轉,為主動輪;上方齒輪因兩側壓力相等,不產生旋轉力矩,是從動輪,由下方齒輪帶動,順時針方向旋轉。在圖1(b)位置時,兩個齒輪均在差壓作用下產生旋轉力矩,繼續旋轉。選裝到圖1(c)位置時,上方齒輪變為主動輪,下方齒輪則成為從動輪,繼續旋轉到與圖1(a)相同位置,完成一個循環。一次循環動作排出四個由齒輪與殼壁間圍成的新月形空腔的流體體積,該體積稱作流量計的"循環體積"。

 
Oval Gear Flowmeter principle
 
 

   設流量計"循環體積"為υ,一定時間內齒輪轉動次數為N,則在該時間內流過流量計的流體體積為V,則 V=Nυ (1)

   橢圓齒輪的轉動通過磁性密封聯軸器及傳動減速機構傳遞給計數器直接指示出流經流量計的總量。若附加發信裝置后,再配以電顯示儀表可實現遠傳只是瞬時流量或累積流量。

   雖然有許多分割方法形成各種形式的容積式流量計,但大部分都有相似的基本特征。容積式流量計產生誤差的主要原因是分割單個流體體積的活動測量件和靜止測量室之間的縫隙洩漏量所形成。產生洩漏的原因之一是為克服活動件摩阻力;之二是受儀表水力學阻力形成壓力降的作用。

 
 
第二節 結構
 

   容積式流量計品種繁多,結構形式亦多種多樣,但其主要部件組成大同小異,現舉腰輪流量計作為範例說明。

   腰輪流量計的構造框圖如圖2所示。流量由測量部和積算部兩大部分組成,必要時可附加自動溫度補償器、自動壓力補償器、發信器和高溫延伸(散熱)件等。

1)計量室 腰輪流量計由一對腰輪和殼體構成,兩腰輪是有互為共軛曲線的轉子,即羅茨(Rotors)輪,與腰輪同軸裝有驅動齒輪,被測流量推動轉子旋轉,轉子間由驅動齒輪相互驅動。腰輪、計量室殼體一般由鑄鐵、鑄鋼或不鏽鋼製成,要根據流體腐蝕性及其工作壓力、溫度選用。計量室也有單獨製成,與儀表外殼分離,這樣計量室就不承受靜壓,沒有靜壓引起變形的附加誤差。

 
   
PDF configuration
 
 

2) 傳動機構 傳動機構包括磁性聯軸器(或機械密封裝置)和減速變速機構。變速調整機構由"齒輪對"組合而成。

3) 積算器和指示表頭 類型較多,有指針式指示和數字式指示;有不帶復位計數器和帶復位計數器;也由帶瞬時流量指示,帶打印機,帶設定部,等等。

4) 自動溫度補償器 對被測介質溫度變化影響進行連續自動補償,有機械式、也有電子式。

5) 自動壓力補償器 對被測介質靜壓變化影響作自動修正。

6) 發信器 發信器有多種形式,有接觸式和非接觸式。

旋转活塞流量计
LC-11型椭圆齿轮流量计
ELZ液晶显示型椭圆齿轮流量计
LC-T高温系列椭圆齿轮流量计
LC-12型椭圆齿轮流量计
LC回零型椭圆齿轮流量计
PS-406定值控制仪
數碼盤顯示
指針+數碼顯示
電子顯示
帶高溫散熱
帶發信裝置
帶復位計數器
積算器
 
 
第三節 優點
 

   容積式流量計計量精度高,基本誤差一般為±0.5%R,特殊的可達±0.2%R或更高。通常在昂貴介質或需要精確計量的場合使用。

   容積式流量計在旋轉流和管道阻流件流速場畸變時對計量精確度沒有影響,沒有前置直管段要求。這一點在現場使用中有重要的意義。

   容積式流量計可用於高粘度流體的測量。範圍度寬,一般為10:1到5:1,特殊的可達30:1或更大。

   容積式流量計是直讀式儀表,無需外部能源,可直接獲得累計總量,清晰明瞭,操作簡便。

   在以體積流量計組合的間接法質量流量測量中,容積式流量計與速度式等推導體積流量計相比,所的體積是直接幾何量,體積量的影響因素要單純些。在不適合採取密度計測量的高壓天然氣測量中,不易處理的氣體壓縮係數,用容積式流量計可間接求得。

 
 
第四節 缺點
 

   容積式流量計結構複雜,體積大,笨重,尤其較大口徑容積式流量計體積龐大,故一般只適用於中小口徑。與其他几類通用流量計(如浮子式、電磁式)相比,容積式流量計的被測介質種類、介質工況(溫度、壓力)、口徑侷限性較大,適應範圍窄。

   由於高溫下零件熱膨脹、變形,低溫下材質變脆等問題,容積式流量計一般不適用於高低溫場合。目前可使用溫度範圍大致在-30~+160℃,壓力最高為10MPa。

   大部分容積式流量計儀表只適用潔淨單相流體,含有顆粒、臟污物時上游需裝過濾器,如測量含有氣體的液體必須裝設氣體分離器

   容積式流量計如檢測活動件卡死,流體就無法通過,斷流管系就不能應用。但有些結構設計在殼體內置一旁路,當檢測活動元件卡死,流體可從旁路通過,這個問題可以通過外置旁路管道解決。

 
 
第五節  分類
 

容積式流量計品種繁多,可按不同原則分類。按測量元件結構分類有如下型式:

 
旋转活塞流量计
LL型腰轮流量计
LC-11型椭圆齿轮流量计
LLU型双转子流量计,或称螺旋转子流量计
 
Rotary Piston Flowmeter Principle
 
1-液體入口;2-隔板;3-液體出口;4-活塞軸;5-計量室軸;6-計量室;7-旋轉活塞
 
 
第六節 選用考慮要點
 

6.1 應用概況

   容積式流量計由於具有精確的計量特性,在石油、化工、塗料、醫藥、食品以及能源等工業部門計量昂貴介質的總量或流量

  • 在這些流程工業中進藥液注入、抽出或混合配比控制;
  • 化學液中觸媒、硬化劑、聚合防止劑等添加劑的定量注入;
  • 向食品流體和化妝品添加香料,塗裝線塗料的定量供給等;
  • 容積式流量計最大用途是石油制品等的儲運交接和分發等計量;
  • 這些應用領域可作為財務核算的依據或作為納稅和買賣雙方執行合同的法定計量。

   具有高精度、長期性能保持性和良好重複性的高品質容積式流量計,在比較法流量標準裝置中用作標準流量計(又稱校準用流量計,reference flowmeter或master flowmeter)作流量量值傳遞

   容積式流量計相對龐大笨重,尤其是大流量、大口徑儀表,逐漸被渦輪式流量計、電磁式流量計和渦街式流量計替代一部分。然而其優良的重複性和精度長期保持性等性能優勢,仍能保持著許多應用領域,在可預見的未來不會全被其它儀表所替代。容積式流量計在國外還廣氾應用於液化石油氣,在我國則尚處於起動初始階段。

6.2 選用考慮因素

根據容積式流量計的特點,應著重考慮以下因素。

1) 使用目的是流程控制/工程管理還是儲運交接/財貿核算?

2) 操作是連續測量還是間歇測量?使用的最高流量、常用流量、最小流量各位多少?

3) 最高、常用、最小工作溫度和壓力,允許的壓損各位多少?

4) 被測介質的種類和特點,包括粘度、腐蝕性、夾帶物的量和粒度尺寸。

5) 對流量計進行校準方法,離線校準還是現場校準?

6) 管線泵送種類,能力,有無脈動?

7) 安裝場所可用空間情況。


6.3 流量範圍、範圍度、精確度、重複性

   製造廠通常按被測介質種類(主要區別是粘度)、使用特點(連續使用或間歇使用)及測量精度規定流量範圍。為了保持儀表良好的性能和較長的使用壽命,連續使用時的最大流量建議選在儀表最高(上限)流量的80%為宜。若製造廠未按介質類別和使用特點明確規定適宜的流量範圍,則可參照下述原則選定:以用於中等粘度、有潤滑性油品的儀表上限流量為100%,用於無潤滑性低粘度液體(如汽油、液化石油氣)時上限流量降為70%-80%,用於100℃左右水時則為40%-60%,高粘度液體為75%-85%;間歇使用時的最大流量可為上限流量的100%;連續使用時的最大流量、中等粘度液體為上限流量的80%,低粘度液體為50%-60%,高粘度液體亦為50%~60%。

   大部分結構型號的液體儀表基本誤差為±0.5%R;較高精度儀表的基本誤差為±0.2%R,橢圓齒輪式流量計等。氣體儀表的精度略低些,大部分結構型號為±(1~1.5)%R(如腰輪式流量計),較低者為±(2~2.5)%R。

   重複性誤差一般為基本誤差的1/5~1/2。


   在全部流量儀表中容積式流量計是精度最高的一類。製造廠所列規範書中的是在實驗室參比條件下校驗所得的基本誤差。實際使用現場條件往往偏離參比條件,必然帶來附加誤差。實際誤差應是基本誤差和附加誤差的合成。在選型及使用中要針對現場可能出現的問題採取措施,以保持良好的測量精度。


   流量範圍度在(5:1)~(100:1)之間,大部分(10:1)~(20:1)。同一台儀表額定較高精度等級時所得範圍度較低,欲得較大範圍度則要降低精度等級,例如各類轉子式液體儀表範圍度為5:1時,基本誤差為±0.2%R;範圍度為10:1時,則降為±0.5%R。


6.5 壓力損失

   容積式流量計要靠流體能量推動測量元件,因此帶來相當高的壓力損失。容積式流量計的壓力損失要比同樣口徑和流量的渦輪式或其它又阻礙流量計大。液體用儀表在最大流量時粘度為1~5mPa.s,液體的壓力損失在20~100kPa之間;低氣壓用儀表,腰輪式為200~500Pa,膜式為130~400Pa。

   要正確選擇儀表勿使其達到不能接受的壓力損失,尤其在測量高蒸氣壓的液體,過度的壓降會導致氣蝕。若氣蝕持續存在會損坏元件,某些允許短時超流到測量上限120%的儀表更應注意這一問題。


6.6 流體腐蝕性

   流體腐蝕性是確定儀表材質的主要因素。

  • 對於各種石油制品,採用鑄鋼或鑄鐵製造;
  • 對於腐蝕性輕微的化學液體以及冷溫水,用銅合金製造;
  • 對於純水、高溫水、原油、瀝青、高溫液體、化學液體、食品或食品原料,用不鏽鋼製造。

食品和生物製藥業由於衛生要求,流量計需經常清洗消毒滅菌,與流體接觸的零件必須用不鏽鋼及其它符合衛生要求的材料(如添加鈦鍍層)製成,結構上要易於拆卸,無瀦液部位等。橢圓齒輪式流量計、旋轉活塞式流量計等在我國已有食品專用產品投放市場。


6.7 液體粘度對儀表性能影響

   各種氣體的粘度相接近,變化不大,對儀表性能可以說沒有影響;若液體粘度相差較多,則對儀表性能帶來一定影響。有些容積式流量計為適應粘度高達500mPa.s的液體,生產具有較大間隙等設計措施的專用品種,容積式流量計在流量儀表中具有交多應用於高粘度液體的經驗。容積式流量計雖然受一些液體粘度影響,但與浮子式、渦輪式等流量計相比,影響量要小得多。粘度對容積式流量計性能有三個方面影響,即測量誤差、壓力損失和流量範圍。

(1) 測量誤差影響
   容積式流量計有一個與許多其它流量計流量受粘度增加而測量誤差增加的不同特性,因粘度增加間隙洩漏量減少而改善性能。

(2) 壓力損失影響
   若液體粘度增加,容積式流量計的壓力損失隨著增加。壓力損失Δp與流量q之間的關係式可用Δp=kqn表示(其中k為係數,n為指數)。粘度在0.005Pa.s(=5mPa.s)以下時n=2;在0.5Pa.s(=500mPa.s)以上n=1;在二者之間n=1.9~1.1。
   活動測量元件用於高粘度液體時負荷增加,壓力損失增加。高粘度專用儀表通常採用增加間隙的辦法,有增加到0.5mm者。橢圓齒輪流量計為減少液體在齒隙間擠壓負荷,還在齒輪上開若干溝槽卸荷(≥150mPa.s時),大於500mPa.s時,則採用欠齒的橢圓齒輪。
High Viscosity Gear

(3) 流量範圍影響
   壓力損失因粘度增加而增加,對於使用壓力損失有限制的場所,則必須降低流量上限值,即縮小流量範圍。流量下限隨著粘度增加而下降,是擴大了流量範圍;作為一個粗略估計,粘度增加10倍,流量下限值降到原值的1/10~1/3。


6.8 壓力與溫度

   有儀表均規定了工作溫度範圍和最大工作壓力。最大工作壓力是指常溫和衝擊壓力下承受的壓力。當用於較高溫度時必須降低最大工作壓力等級,有些產品使用說明書對此未作說明。急劇關閉或急劇開啟閥門會產生水錘效應等沖壓力,衝擊壓力可能超過工作壓力,衝擊壓力還有可能引起許家讀數,必要時裝緩衝罐減少這類缺陷影響。

   溫度影響儀表受壓強度外,還因儀表測量元件受熱膨脹改變測量室和間隙尺寸,影響測量精度,間隙減小甚至使運動件卡住。因此用於較高溫度時要預留特殊尺寸間隙來補償,特別是不同材料組合使用時更要注意熱脹係數的差異。溫度變化還會改變液體粘度而引起流量示值變化。溫度引起的測量元件尺寸變動改變測量室腔體積,例如橢圓齒輪流量計計量室和齒輪均為鑄鐵時,測量值變化+0.33%10℃;計量室為鑄鐵,齒輪為鑄鋁時則為+0.14%10℃。亦有採用自動溫度補償把計量室體積變化修正到一個認定的標準溫度(如20℃),例如用一個輸出傳動比可作調整的裝置來修正。

   高溫流體進入冷的流量計,在未達到熱平衡前就啟動,可能因間隙大而增加測量誤差;溫度超過規定值則運動測量元件可能被卡住。因此使用前要有適合的預熱時間,並觀察是否能正常運轉。


6.9 壓縮性

   通常液體的壓縮性可勿略不計,然而在高精度測量油品時則不應忽視。API標準1101所列油品壓縮係數在(5~20)×10-4/Mpa之間,例如重油壓力從0.5Mpa升高到6Mpa時體積壓縮0.45%。液化石油氣的壓縮性更大。


   氣體有很大的壓縮性,在低壓下其體積縮小與壓力增高成比率關係,大部分容積式流量計應用於低壓狀態,可直接換算,但在高壓條件下體積縮小與壓力增高不成比例,變化率減小,則應考慮使用氣體的壓縮係數。

 
 
第七節 安裝注意事項
 

7.1 安裝場所


流量計安裝應選擇合適的場所,需注意以下各點。


1) 週圍溫度和濕度應符合製造廠規定,一般溫度為-10~50℃,濕度為10%~90%。

2) 日光直射在夏季會使溫度升高,接近輻射熱的場所,亦會使溫度升高 。這種場所應採取遮陽或隔熱措施。

3) 非防塵、防浸水型儀表應避開有腐蝕性氣氛或潮濕場所,因為積算器減速齒輪等零部件會被腐蝕氣體和晝夜溫差結露所損坏 。如無法避免,可採取內腔用潔淨空氣吹氣(air purge)方式保持微正壓。

4) 避開振動和衝擊的場所。

5) 要有足夠空間便於安裝和日常維護。


7.2 儀表姿勢 、流動方向、與管道連接

   容積式流量計的安裝姿勢必須做到橫平豎直,轉子型心意量做到其轉子軸與地面平行(垂直結構轉子軸設計例外)其他型號按使用說明書規定要求,一般為水平安裝。垂直安裝為防止垢屑等從管道上方落入流量計,將其裝在旁路管。

   實際流動方向應與儀錶殼體一表明方向一致。容積式流量計一般只能作單方向測量,必要時在其下游裝止回閥,以免損坏儀表。

   要使流量計不承受管線膨脹、收縮、變形和振動;防止系統因閥門及管道設計不合理產生振動,特別要避免諧振。安裝時不要例儀表受應力,例如上下游管道兩法蘭平面不平行,法蘭面間距離過大,管道不同心等不良管道佈置的不合理安裝。特別是對無分離測量室,受壓殼體和測量室一體的容積式流量計更應注意,因為受較大安裝應力會引起變形,影響測量精度,甚至卡死活動測量元件。


7.3 防止異相流體進入儀表

   容積式流量計計量室與活動檢測件的間隙很小,流體中顆粒雜質影響儀表正常運行,造成卡死或過早磨損。儀表上游必須安裝過濾器,並定期清洗;測量氣體在必要時應考慮加裝沉渣器或水吸收器等保護性設備。用於測量液體管道必須避免氣體進入管道系統,必要時設置氣體分離器


7.4 減小脈動流、衝擊流或過載流的危害

   雖然有某些裝在泵吸入端使用成功的實例,但儀表應裝在的出口端。脈動流和衝擊流會損害容積式流量計,理想的流源是離心泵或高位槽。若必須要用往復泵,或管道易產生過載衝擊,或水捶衝擊等衝擊流的場所,應裝緩衝罐、膨脹室或安全閥等 保護設備。容積式流量計過載超速運行可能帶來無法彌補的危害,如管系有可能發生過量超載流,應在下游安裝限流孔板、定流量閥或流量控制器等保護設施。


7.5 不斷流安裝

   由於容積式流量計測量元件損坏后會產生管道斷流的缺點,在連續生產或不准斷流的場所,應配備有自動切換設備的並聯系統冗余;也可採取流量常用的並聯運行方式,一台出故障另一台仍可流通。


7.6 現場校準

   若需在現場用車裝標準體積管、標準表等流量標準裝置校準容積式流量計者,應在現場適當位置預置支管、連接管件和截止閥等。

Installation

Oil gas separator
U type Filter
Y type filter
油氣分離器
U型過濾器
Y型過濾器
 
 
第八節 使用注意事項
 

1) 清洗管線 新投管線運行前要清掃,往往隨後還要用實流沖洗,以去除殘留焊屑垢皮等。此時先應關閉儀表前後截止閥,讓液流從旁路管流過;若無旁路管,儀表位置應裝短管代替。

2) 排盡氣體 通常實液掃線后,管道內還殘留較多空氣,隨著加壓運行,空氣以較高流速流過容積式流量計,活動測量元件可能過速運轉,損傷軸和軸承。因此開始時要緩慢增加流量,使空氣漸漸外逸。

3) 旁路管切換順序 液流從旁路管轉入儀表時,啟閉要緩慢,特別在高溫高壓管線上更應注意。啟用時第1步徐徐開啟A閥,液體先在旁路管流動一段時間;第2步徐徐開啟B閥;第3步徐徐開啟C閥;第4步徐徐關閉A閥。關閉時按上述逆順序動作操作。

啟動后通過最低位指針或字輪和秒錶,確認未達過度流動,最佳流量應控制在(70~80)%最大流量,以保証儀表使用壽命。

4) 監查過濾器 新線啟動過濾器網最易被打破,試運行后要及時檢查網是否完好。同時過濾網清潔無污物時記錄下常用流量下的壓力損失這兩個參數,今後不必卸下檢查網堵塞狀況,即以壓力損失增加程度判斷是是否要清洗。

5) 測量高粘度液體 用於高粘度液體,一般均加熱后使之流動。當儀表停用后,其內部液體冷卻而變稠,再啟用時必須先加熱待液體粘度降低后才讓液體流過儀表,否則會咬住活動測量元件使儀表損坏。

6) 加潤滑油 氣體用等容積式流量計啟用前必須加潤滑油,日常運行也經常檢查潤滑油存量的液位計。

7) 避免急劇流量變化 使用氣體腰輪流量計時,應注意不能有急劇的流量變化(如使用快開閥),因腰輪的慣性作用,急劇流量變化將產生較大附加慣性力,使轉子損坏。用作控制系統的檢測儀表時,若下游控制突然截止流動,轉子一時停不下來,產生壓氣機效應,下游壓力升高,然後倒流,發出錯誤信號。

8) 沖洗管道用蒸汽禁止通過容積式流量計。

 
 
 
浮子流量計(玻璃轉子流量計)
 
第一節  原理和結構 第二節 優點和缺點 第三節 分 類
第四節  選用考慮要點 第五節  安裝使用注意事項  
 
前 言
   浮子流量計是以浮子在垂直錐形管中隨著流量變化而昇降,改變它們之間的流通面積來進行測量的體積流量儀表,又稱轉子流量計。在美國、日本常稱作變面積流量計(Variable Area Flowmeter)或面積流量計。
   浮子流量計原理設想發軔于19世紀60年代,20實際初出現商品。從應用台數所占比例來看,1985年英國抽樣調查72家企業17000台流量儀表中浮子流量計占19.2%。我國浮子流量計產量1996年估計在15萬-17萬台之間,其中95%左右為玻璃管浮子流量計。
 
第一節  原理和結構

   浮子流量計的流量檢測元件是由一根自下向上擴大的垂直錐形管和一個沿著錐管軸上下移動的浮子組所組成。工作原理如圖1所示,被測流體從下向上經過錐管1和浮子2形成的環隙3時,浮子上下端產生差壓形成浮子上升的力,當浮子所受上升力大於浸在流體中浮子重量時,浮子便上升,環隙面積隨之增大,環隙處流體流速立即下降,浮子上下端差壓降低,作用於浮子的上升力亦隨著減少,直到上升力等於浸在流體中浮子重量時,浮子便穩定在某一高度。浮子在錐管中高度和通過的流量有對應關係。
體積流量Q的基本方程式為

(1)
工作原理
當浮子為非實芯中空結構(放負重調整量)時,則
 
(2)
式中 α——儀表的流量係數,因浮子形狀而異;
ε——被測流體為氣體時氣體膨脹係數,通常由於此係數校正量很小而被忽略,且通過校驗已將它包括在流量係數內,如為液體則ε=1;
△F——流通環形面積,m2
g——當地重力加速度,m/s2;
Vf——浮子體積,如有延伸體亦應包括,m3
ρf——浮子材料密度,kg/m3;
ρ——被測流體密度,如為氣體是在浮子上游橫截面上的密度,kg/m3
Ff——浮子工作直徑(最大直徑)處的橫截面積,m2
Gf——浮子質量,kg。
流通環形面積與浮子高度之間的關係如式(3)所示,當結構設計已定,則d、 β為常量。式中有h的二次項,一般不能忽略此非線性關係,只有在圓錐角很小時,才可視為近似線性。
 
m2 (3)

式中 d——浮子最大直徑(即工作直徑),m;
h——浮子從錐管內徑等於浮子最大直徑處上升高度,m;
β——錐管的圓錐角;
a、b——常數。
口徑15-40mm透明錐形管浮子流量計典型結構如圖2所示。透明錐形管4用得最普遍是由硼硅玻璃製成,習慣簡稱玻璃管浮子流量計。流量分度直接刻在錐管4外壁上,也有在錐管旁另裝分度標尺。錐管內腔有圓錐體平滑面和帶導向稜觔(或平面)兩種。浮子在錐管內自由移動,或在錐管稜觔導向下移動,較大口平滑面內壁儀表還有採用導杆導向。

圖3是直角型安裝方式金屬管浮子流量計典型結構,通常適用於口徑15-40mm以上儀表。錐管5和浮子4組成流量檢測元件。套管(圖3未表示)內有導杆3的延伸部分,通過磁鋼耦合等方式,將浮子的位移傳給套管外的轉換部分。轉換部分有就地指示和遠傳信號輸出兩大類型。除直角安裝方式結構外還有進出口中線與錐管同心的直通型結構,通常用於口徑小於10-15mm的儀表。
第二節 優點和缺點

   浮子流量計使用於小管徑和低流速。常用儀表口徑40-50mm以下,最小口徑做到1.5-4mm。適用於測量低流速小流量,以液體為例,口徑10mm以下玻璃管浮子流量計滿度流量的名義管徑,流速只在0.2-0.6m/s之間,甚至低於0.1m/s;金屬管浮子流量計和口徑大於15mm的玻璃管浮子流量計稍高些,流速在0.5-1.5m/s之間。
   浮子流量計可用於較低雷諾數,選用粘度不敏感形狀的浮子,流通環隙處雷諾數只要大於40或500,雷諾數變化流量係數即保持常數,亦即流體粘度變化不影響流量係數。這數值遠低於標準孔板等節流差壓式儀表最低雷諾數104-105的要求。
大部分浮子流量計沒有上游直管段要求,或者說對上游直管段要求不高。
浮子流量計有較寬的流量範圍度,一般為10:1,最低為5:1,最高為25:1。流量檢測元件的輸出接近於線性。壓力損失較低。
   玻璃管浮子流量計結構簡單,價格低廉。只要在現場指示流量者使用方便,缺點是有玻璃管易碎的風險,尤其是無導向結構浮子用於氣體。
金屬管浮子流量計無錐管破裂的風險。與玻璃管浮子流量計相比,使用溫度和壓力範圍寬。
大部分結構浮子流量計只能用於自下向上垂直流的管道安裝。
   浮子流量計應用侷限于中小管徑,普通全流型浮子流量計不能用於大管徑,玻璃管浮子流量計最大口徑100mm,金屬管浮子流量計為150mm,更大管徑只能用分流型儀表。
   使用流體和出廠標定流體不同時,要作流量示值修正。液體用浮子流量計通常以水標定,氣體用空氣標定,如實際使用流體密度、粘度與之不同,流量要偏離原分度值,要作換算修正。

第三節 分 類

時常上定型產品和特殊型儀表從不同角度可作不同分類,如:
            按錐形管材料分為透明錐形管和金屬錐形管。
            按有否遠傳信號輸出分為就地指示型和遠傳信號輸出型,後者又分為電遠傳和氣遠傳兩種。
            按被測流體分為液體用、氣體用和蒸汽。
            按被測流體通過浮子流量計的量分為全流型和分流型。

3.1 按錐形管材料分類類型
(1)透明錐形管浮子流量計
    透明錐形管材料用得最多的是玻璃,無導向結構儀表測量氣體時操作不慎,玻璃管易被擊碎;還有用透明工程塑料如聚苯乙烯、聚碳酸酯、有機玻璃等製成,具有不易擊碎之優點。
(2)金屬管錐形管浮子流量計
    與透明錐形管浮子流量計相比,可用於較高的介質溫度和壓力,且無玻璃管浮子流量計錐管被擊碎的潛在危險。圖3所示典型結構是錐形管與殼體製成一體結構,也有錐管套入殼體的分離結構,改變流量規格只要調換不同圓錐角的錐管,使用較為靈便。

3.2 按有否遠傳信號輸出分類類型
(1)就地指示型浮子流量計
    有些透明管浮子流量計以就地指示為主,裝有接近開關,作流量上下限報警信號輸出。
有些就地指示型金屬管浮子流量計外形與遠傳信號輸出相同,只是將浮子位移通過磁耦合傳出,經連杆凸輪等線性化機構處理后就地指示。
(2)遠傳信號輸出型浮子流量計
    遠傳信號輸出型儀表的轉換部分將浮子位移量轉換成電流或氣壓模擬量信號輸出,分別成為電遠傳浮子流量計和氣遠傳浮子流量計。


3.3 按被測流體分類類型
    分為液體用、氣體用2種。
    實際上大部分浮子流量計同一儀表可用於液體也可用於氣體,結構上是通用的。只是我國浮子流量計行業標準等(如JB/T 6844-93)規定流量上限Qmax必須符合(1,1.6,2.5,4或6)×10nL/h的要求(n為正負整數或零),為液體(以水為代表)設計的儀表用於氣體(以空氣為代表)時,不符合上述要求,只能為氣體另行設計浮子和錐管,就分成液體和氣體兩種系列。國外有些製造廠同一儀表併列液、氣兩種流體的流量範圍,當然流量值就不可能都是圓整值;國內有些型號儀表也採用本辦法。但是液體用和氣體用設計還是有區別的,例如氣體儀表浮子設計得較輕,防浮子振盪跳動的阻尼件結構各異等。


3.4 按被測流體通過浮子流量計的量分類類型
1)全流型 即被測流體全部流過浮子流量計的儀表
2)分流型 相對於全流型只有部分被測流體流過浮子等流量檢測部分。分流型浮子流量計由裝載主管道上標準孔板(或均速管)和較小口徑浮子流量計組合而成,應用與管徑大於50mm的較大流量和只要就地指示的場所,價格低廉。分流型浮子流量計結構上分為分離型和一體型兩種。
    一體型儀表將孔板和浮子流量計組裝在短管段上,直接裝到待測管道,原理與結構示意圖如圖4所示,安裝方便。有適用於水平和垂直管道兩種結構,但均只能安裝在便於讀取儀表示值的場所。主管道管徑通常為50-300mm,孔板的孔徑比(β)在0.3-0.7之間,差壓在0.6-100KPa之間,浮子流量計口徑為10-25mm。
    分流型浮子流量計的選用流速可比全流型高,液體流速可達2.5-3m/s,甚至高達4-5m/s。由於分流管中置有限流小孔板,起到補償主孔板流量和差壓間平方根非線性關係,流量示值基本是線性的,有較寬的範圍度,一般為10:1。精確度為2.5%-4%FS。

face plate flowmeter
Pipe flowmeter
Varable Area flowmeter
金属管浮子流量计
面板式流量計
管道(塑管)式流量計
玻璃轉子流量計
金屬管浮子流量計
第四節  選用考慮要點

4.1 應用概況
    浮子流量計作為直觀流動指示或測量精確度要求不高的現場指示儀表,占浮子流量計應用的90%以上,被廣氾地用在電力、石化、化工、冶金、醫藥等流程工業和污水處理等公用事業。有些應用場所只要監測流量不超過或不低於某值即可,例如電纜惰性保護氣流量增加說明產生了新的洩漏點。循環冷卻和培養槽等水或空氣減流斷流報警等場所可選用有上限或下限流量報警的玻璃管浮子流量計。
    環境保護大氣采樣和流程工業在線監測的分析儀器連續取樣,采樣的流量監控也是浮子流量計的大宗服務對象。
    作為流程工業液位、密度等其他參量的測量中,定流量測量和控制的輔助儀表,應用得非常普遍,亦佔有相當份額。
    帶信號輸出的遠傳金屬浮子流量計在流程工業常用作流量控制檢測儀表或管線混合配比,如給水處理過程控制原水加藥液的配比量。

4.2 類型和結構選擇
浮子流量計主要測量對象是單相液體或氣體,液體中含有微粒固體或氣體中含有液滴通常不適用。因為浮子在液流中附著微粒或微小氣泡均會影響測量值,例如微流量儀表使用一段時期后浮子附著肉眼不出的附著層,也會改變流量示值百分之几。
    如只要現場指示,首先考慮價廉的玻璃管浮子流量計,如溫度、壓力不能勝任則選用就地指示金屬管浮子流量計。玻璃管浮子流量計應選帶有透明防護罩,一旦玻璃錐管破裂,可擋住流體正向散濺,以作緊急處理。用於氣體時應選用導杆或帶稜觔導向的儀表,以避免操作不慎浮子擊碎錐管。如需要遠傳輸出信號作總量積算或流量控制,一般選用電信號輸出的金屬管浮子流量計。如環境氣氛有防爆要求而現場又有控制儀表用氣源,則優先考慮氣遠傳金屬浮子流量計,若選用電遠傳儀表則必須是防爆型。
    測量不透明液體時選擇金屬管浮子流量計較為普遍,但也可選擇帶稜觔錐形管的玻璃管浮子流量計,借助浮子最大直徑與稜觔接觸的痕跡,以判讀浮子的位置。
    測量溫度高于環境溫度的高粘度液體和降溫易析出結晶或易凝固的液體,應選用帶夾套的金屬管浮子流量計。

4.3 按實際使用介質密度選擇儀表流量範圍
    這裡所謂實際使用狀態介質密度,液體是指使用時的密度,氣體指使用狀態下的密度,或標準狀態下密度進行使用壓力和溫度的修正。通常儀表刻度的流量範圍,液體是常溫水標定值,氣體是空氣標定換算到工程標準狀態(20℃,0.10133MPa)的值。將實際使用密度按式(4)或式(5)換算后再選擇合適的流量範圍和口徑,但必須是使用介質粘度與標定介質粘度相接近,亦即認為α不變的前提下使用。


液體

(4)

 

式中 Q水-待選定用水實流標定儀表的最大流量,L/h;
    Q-被測液體的最大流量,L/h;
    ρf-浮子密度,g/cm3,對於空心的浮子ρf=Gf/V,Gf為浮子質量(g),V為浮子體積,cm3
    ρ,ρ水-被測液體和水的密度,g/cm3

氣體

(5)

 

式中 Q空-待選定用空氣實流標定儀表的最大流量,m3/h;
Q-被測氣體的最大流量,m3/h;
ρ-被測氣體的密度,kg/m3
P-被測氣體使用狀態下絕對壓力,MPa;
T-被測氣體使用狀態下熱力學溫度,K。

4.4 浮子形狀和粘度影響
    浮子形狀不屬於使用者選擇的範疇,製造廠是按儀表結構和流量範圍選擇合適形狀而設計的,。但是使用者應瞭解所使用浮子的特點和流量示值受流體粘度影響的程度。
    流量基本方程式(1)未包含流體粘度參數,但流量係數α在環形通道雷諾數Re(環)低於某值時不是常數而隨Re(環)而變,而Re(環)與流體粘度成反比。圖5所示是三種形狀浮子Re(環)-α的關係曲線。Re(環)取決于流體粘度、浮子最大直徑和其所在位置錐管內直徑比、環形通道中的流速,對於設計已定在運行中的儀表,影響Re(環)的因素是流體粘度。不隨Re(環)而變的α值,A型浮子為0.96,B型為0.76,C型為0.61。此外,還有常用的球形浮子,α約為0.99。流量係數因浮子形狀而有較大差異。A型、B型和C型三種浮子α為常數的下限Re(環)分別約為6000,300和40。
    對設計已定某乙口徑和流量範圍的儀表,亦即有一個粘度上限值,小於粘度上限值流量示值將不受流體粘度影響,選用時要考慮流體粘度是否超過上限值。有些型號浮子流量計同一口徑不同流量範圍的浮子形狀是相同(重量不同,粘度上限值相近);而還有一些型號則浮子形狀不同,就有不同粘度上限值。

4.5 示值分度、精確度和範圍度
    直讀型儀表的流量示值分度有Dt/d比分度、百分比分度、直接流量分度和毫米分度四種。Dt/d比分度是以浮子直徑d與相應錐管內徑Dt的比值表示,國內產品甚少採用;百分率分度是以滿度流量作為100%,其優點是流體物性或工況變化,流量讀書轉換方便;直接流量分度是以指定流體的工況條件或以標定條件(通常液體為水、氣體為空氣)的流量分度,優點是直觀,但若使用條件和指定條件不一致須換算時,反而不及百分率分度方便。毫米分度是讀取浮子高度后查所附曲線或數據表,求的流量,通常應用於操作時只要知道浮子達到預定位置,毋需知道確切流量的場所。有些型號儀表同時設有毫米分度和直接流量分度兩種標尺。
    浮子流量計為低中等精確度儀表。通用型玻璃浮子流量計的基本誤差,口徑小於6mm為2.5%-5%FS,10-15mm為2.5%FS,25mm以上為1-%-2.5%FS;金屬管浮子流量計就地指示型為1%-2.5%FS,遠傳型為1%-4%FS。耐腐型儀表的精確度還要低些。有些特殊結構儀表,例如表尺長度只有2-3倍浮子直徑的短型玻璃管浮子流量計和高壓型吹流型金屬管浮子流量計精確度低至5-10級。
玻璃管浮子流量計範圍度大部分為10:1,短管型儀表口徑100mm則為5:1;金屬管浮子流量計為(5:1)-(10:1)。

4.6 液體的壓力溫度和儀表的壓力損失
    被測流體的工作壓力和溫度應低於儀表的額定值。流體溫度較高時,有些製造廠要降低額定壓力,通常樣本和使用說明書均作說明。用於較高壓力的氣體和溫度超過沸點的高壓液體,不應選用玻璃管浮子流量計,應選用金屬浮子流量計。
    玻璃管浮子流量計的壓力損失較小,小口徑為0.2-2KPa,10-100mm為2-8KPa;金屬管浮子流量計則稍高些,一般為2-8KPa,較高者為18-25KPa。壓力損失應在樣本和使用說明書列出,但往往闕如。
    流體的最低工作壓力應高于壓力損失若干倍,用於氣體時壓力過低容易產生浮子跳動。有些型號儀表的使用說明書規定流體壓力最低值,有些建議液體的最低工作壓力應大於2倍壓力損失,氣體則為5倍。

第五節  安裝使用注意事項

5.1 儀表安裝方向
絕大部分浮子流量計必須垂直安裝在無振動的管道上,不應有明顯的傾斜,流體自下而上流過儀表。圖6說是為管道連接示例,裝有旁路管系以便不斷流進行維護。浮子流量計中心線與鉛垂線間夾角一般不超過5度,高精度(1.5級以上)儀表θ≤20°。如果θ=12°則會產生1%附加誤差。儀表無嚴格上游直管段長度要求,但也有製造廠要求(2-5)D長度的,實際上必要性不大。

5.2 用於污臟流體的安裝
應在儀表上游裝過濾器。帶有磁性耦合的金屬管浮子流量計用於可能含鐵磁性雜質流體時,應在儀表前裝磁過濾器。
    要保持浮子和錐管的清潔,特別是小口徑儀表,浮子潔淨程度明顯影響測量值。例如6mm口徑玻璃浮子流量計,在實驗室測量看似清潔水,流量為2.5L/h,運行24h后,流量示值增加百分之几,浮子表面沾附肉眼觀察不出的異物,取出浮子用紗布擦拭,即恢復原來的流量示值。必要時可示如圖7所示設置沖洗配管,定時沖洗。

5.3 脈動流的安裝
    流動本身的脈動,如擬裝儀表位置的上游有往復泵或調節閥,或下游有大負荷變化等,應改換測量位置或在管道系統予以補救改進,如加裝緩衝罐;若是儀表自身的振盪,如測量時氣體壓力過低,儀表上游閥門未全開,調節閥未裝在儀表下游等原因,應針對性改進克服,或改選用有阻尼裝置的儀表。

5.4 擴大範圍度的安裝
    如果測量要求的流量範圍度寬,範圍度超過10時,經常採用2台以上不同流量範圍的玻璃管浮子流量計並聯,按所測量擇其一台或多台儀表串聯,小流量時讀取下流量範圍儀表示值,大流量時讀取大流量儀表示值,串聯法比並聯法操作簡便,毋需頻繁啟閉閥門,但壓力損失大。也可以在一台儀表內放兩隻不同形狀和重量的浮子,小流量時取輕浮子讀數,浮子到頂部后取重浮子讀數,範圍度可擴大到50-100。

5.5 要排盡液體用儀表內氣體
    進出口不在直線的角型金屬浮子流量計,用於液體時注意外傳浮子位移的引申套管內是否殘留空氣,必須排盡;若液體含有微小氣泡流動時極易積聚在套管內,更應定時排氣。這點對小口徑儀表更為重要,否則影響流量示值明顯。

5.6 流量值作必要換算
若非按使用密度、粘度等介質參數向製造廠專門定製的儀表,液體用儀表通常以水標定流量,氣體儀表用空氣標定,定值在工程標準狀態。使用條件的流體密度、氣體壓力溫度與標定不一致時,要做必要換算。換算公式和方法各製造廠使用說明書都有詳述。

5.7 浮子流量計的校驗和標定
    浮子流量計的校驗和標定液體常用標準表法、容積法和稱量法;氣體常用鐘罩法,小流量用皂膜法。
    國外有些製造廠的大宗產品已做到干法標定,即控制錐形管尺寸和浮子重量尺寸,間接地確定流量值,以降低成本,只對高精度儀表才坐實流標定。國內也有些製造廠嚴格控制錐形管起始點內徑和錐度以及浮子尺寸,實流校驗只起到檢查錐形管內表面質量。這類製造廠生產的儀表、錐形管和浮子已做成互換,毋需成套更換。
    浮子流量計採用標準表法校驗是一種高效率方法,各製造廠了與應用。有些製造廠將某一流量範圍的標準表製成數段錐度較小的玻璃管浮子流量計,擴展標準表表尺長度,提高標準表精度,使校驗標定工作做到高精度高效率。

 

推測式流量計
電磁流量計 渦輪流量計 渦街流量計
 
 
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