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流量计原理和指南 
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流量计分类    
 
   
容积式流量计原理和使用指南
 
第一节 原理 第二节 结构 第三节 优点 第四节 缺点
第五节 分类 第六节 选用考虑要点 第七节 安装注意事项 第八节 使用注意事项
 
   
前 言
 
   容积式流量计又称排量流量计(Positive Displacement Flowmeter),简称PD流量计或PDF,在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分,根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量体积总量。PD流量计一般不具有时间基准,为得到瞬时流量值需要另外附加测量时间的装置。定排量测量方法可追溯到18世纪,20世纪30年代进入普遍商业应用。  
 
第一节  原理
 

   容积式流量计从原理上讲是一台从流体中吸收少量能量的水力发动机,这个能量用来克服流量检测元件和附件转动的摩擦力,同时在仪表流入与流出两端形成压力降。

   典型的容积式流量计(椭圆齿轮式流量计)的工作原理如图1所示。两个椭圆齿轮具有相互滚动进行接触旋转的特殊形状。P1和p2分别表示入口压力和出口压力,显然p1>p2,图1(a)下方齿轮在两侧压力差的作用下,产生逆时针方向旋转,为主动轮;上方齿轮因两侧压力相等,不产生旋转力矩,是从动轮,由下方齿轮带动,顺时针方向旋转。在图1(b)位置时,两个齿轮均在差压作用下产生旋转力矩,继续旋转。选装到图1(c)位置时,上方齿轮变为主动轮,下方齿轮则成为从动轮,继续旋转到与图1(a)相同位置,完成一个循环。一次循环动作排出四个由齿轮与壳壁间围成的新月形空腔的流体体积,该体积称作流量计的"循环体积"。

 
Oval Gear Flowmeter principle
 
 

   设流量计"循环体积"为υ,一定时间内齿轮转动次数为N,则在该时间内流过流量计的流体体积为V,则 V=Nυ (1)

   椭圆齿轮的转动通过磁性密封联轴器及传动减速机构传递给计数器直接指示出流经流量计的总量。若附加发信装置后,再配以电显示仪表可实现远传只是瞬时流量或累积流量。

   虽然有许多分割方法形成各种形式的容积式流量计,但大部分都有相似的基本特征。容积式流量计产生误差的主要原因是分割单个流体体积的活动测量件和静止测量室之间的缝隙泄漏量所形成。产生泄漏的原因之一是为克服活动件摩阻力;之二是受仪表水力学阻力形成压力降的作用。

 
 
第二节 结构
 

   容积式流量计品种繁多,结构形式亦多种多样,但其主要部件组成大同小异,现举腰轮流量计作为范例说明。

   腰轮流量计的构造框图如图2所示。流量由测量部和积算部两大部分组成,必要时可附加自动温度补偿器、自动压力补偿器、发信器和高温延伸(散热)件等。

1)计量室 腰轮流量计由一对腰轮和壳体构成,两腰轮是有互为共轭曲线的转子,即罗茨(Rotors)轮,与腰轮同轴装有驱动齿轮,被测流量推动转子旋转,转子间由驱动齿轮相互驱动。腰轮、计量室壳体一般由铸铁、铸钢或不锈钢制成,要根据流体腐蚀性及其工作压力、温度选用。计量室也有单独制成,与仪表外壳分离,这样计量室就不承受静压,没有静压引起变形的附加误差。

 
   
PDF configuration
 
 

2) 传动机构 传动机构包括磁性联轴器(或机械密封装置)和减速变速机构。变速调整机构由"齿轮对"组合而成。

3) 积算器和指示表头 类型较多,有指针式指示和数字式指示;有不带复位计数器和带复位计数器;也由带瞬时流量指示,带打印机,带设定部,等等。

4) 自动温度补偿器 对被测介质温度变化影响进行连续自动补偿,有机械式、也有电子式。

5) 自动压力补偿器 对被测介质静压变化影响作自动修正。

6) 发信器 发信器有多种形式,有接触式和非接触式。

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
数码盘显示
指针+数码显示
电子显示
带高温散热
带发信装置
带复位计数器
积算器
 
 
第三节 优点
 

   容积式流量计计量精度高,基本误差一般为±0.5%R,特殊的可达±0.2%R或更高。通常在昂贵介质或需要精确计量的场合使用。

   容积式流量计在旋转流和管道阻流件流速场畸变时对计量精确度没有影响,没有前置直管段要求。这一点在现场使用中有重要的意义。

   容积式流量计可用于高粘度流体的测量。范围度宽,一般为10:1到5:1,特殊的可达30:1或更大。

   容积式流量计是直读式仪表,无需外部能源,可直接获得累计总量,清晰明了,操作简便。

   在以体积流量计组合的间接法质量流量测量中,容积式流量计与速度式等推导体积流量计相比,所的体积是直接几何量,体积量的影响因素要单纯些。在不适合采取密度计测量的高压天然气测量中,不易处理的气体压缩系数,用容积式流量计可间接求得。

 
 
第四节 缺点
 

   容积式流量计结构复杂,体积大,笨重,尤其较大口径容积式流量计体积庞大,故一般只适用于中小口径。与其他几类通用流量计(如浮子式、电磁式)相比,容积式流量计的被测介质种类、介质工况(温度、压力)、口径局限性较大,适应范围窄。

   由于高温下零件热膨胀、变形,低温下材质变脆等问题,容积式流量计一般不适用于高低温场合。目前可使用温度范围大致在-30~+160℃,压力最高为10MPa。

   大部分容积式流量计仪表只适用洁净单相流体,含有颗粒、脏污物时上游需装过滤器,如测量含有气体的液体必须装设气体分离器

   容积式流量计如检测活动件卡死,流体就无法通过,断流管系就不能应用。但有些结构设计在壳体内置一旁路,当检测活动元件卡死,流体可从旁路通过,这个问题可以通过外置旁路管道解决。

 
 
第五节  分类
 

容积式流量计品种繁多,可按不同原则分类。按测量元件结构分类有如下型式:

 
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-液体入口;2-隔板;3-液体出口;4-活塞轴;5-计量室轴;6-计量室;7-旋转活塞
 
 
第六节 选用考虑要点
 

6.1 应用概况

   容积式流量计由于具有精确的计量特性,在石油、化工、涂料、医药、食品以及能源等工业部门计量昂贵介质的总量或流量

  • 在这些流程工业中进药液注入、抽出或混合配比控制;
  • 化学液中触媒、硬化剂、聚合防止剂等添加剂的定量注入;
  • 向食品流体和化妆品添加香料,涂装线涂料的定量供给等;
  • 容积式流量计最大用途是石油制品等的储运交接和分发等计量;
  • 这些应用领域可作为财务核算的依据或作为纳税和买卖双方执行合同的法定计量。

   具有高精度、长期性能保持性和良好重复性的高品质容积式流量计,在比较法流量标准装置中用作标准流量计(又称校准用流量计,reference flowmeter或master flowmeter)作流量量值传递

   容积式流量计相对庞大笨重,尤其是大流量、大口径仪表,逐渐被涡轮式流量计、电磁式流量计和涡街式流量计替代一部分。然而其优良的重复性和精度长期保持性等性能优势,仍能保持着许多应用领域,在可预见的未来不会全被其它仪表所替代。容积式流量计在国外还广泛应用于液化石油气,在我国则尚处于起动初始阶段。

6.2 选用考虑因素

根据容积式流量计的特点,应着重考虑以下因素。

1) 使用目的是流程控制/工程管理还是储运交接/财贸核算?

2) 操作是连续测量还是间歇测量?使用的最高流量、常用流量、最小流量各位多少?

3) 最高、常用、最小工作温度和压力,允许的压损各位多少?

4) 被测介质的种类和特点,包括粘度、腐蚀性、夹带物的量和粒度尺寸。

5) 对流量计进行校准方法,离线校准还是现场校准?

6) 管线泵送种类,能力,有无脉动?

7) 安装场所可用空间情况。


6.3 流量范围、范围度、精确度、重复性

   制造厂通常按被测介质种类(主要区别是粘度)、使用特点(连续使用或间歇使用)及测量精度规定流量范围。为了保持仪表良好的性能和较长的使用寿命,连续使用时的最大流量建议选在仪表最高(上限)流量的80%为宜。若制造厂未按介质类别和使用特点明确规定适宜的流量范围,则可参照下述原则选定:以用于中等粘度、有润滑性油品的仪表上限流量为100%,用于无润滑性低粘度液体(如汽油、液化石油气)时上限流量降为70%-80%,用于100℃左右水时则为40%-60%,高粘度液体为75%-85%;间歇使用时的最大流量可为上限流量的100%;连续使用时的最大流量、中等粘度液体为上限流量的80%,低粘度液体为50%-60%,高粘度液体亦为50%~60%。

   大部分结构型号的液体仪表基本误差为±0.5%R;较高精度仪表的基本误差为±0.2%R,椭圆齿轮式流量计等。气体仪表的精度略低些,大部分结构型号为±(1~1.5)%R(如腰轮式流量计),较低者为±(2~2.5)%R。

   重复性误差一般为基本误差的1/5~1/2。


   在全部流量仪表中容积式流量计是精度最高的一类。制造厂所列规范书中的是在实验室参比条件下校验所得的基本误差。实际使用现场条件往往偏离参比条件,必然带来附加误差。实际误差应是基本误差和附加误差的合成。在选型及使用中要针对现场可能出现的问题采取措施,以保持良好的测量精度。


   流量范围度在(5:1)~(100:1)之间,大部分(10:1)~(20:1)。同一台仪表额定较高精度等级时所得范围度较低,欲得较大范围度则要降低精度等级,例如各类转子式液体仪表范围度为5:1时,基本误差为±0.2%R;范围度为10:1时,则降为±0.5%R。


6.5 压力损失

   容积式流量计要靠流体能量推动测量元件,因此带来相当高的压力损失。容积式流量计的压力损失要比同样口径和流量的涡轮式或其它又阻碍流量计大。液体用仪表在最大流量时粘度为1~5mPa.s,液体的压力损失在20~100kPa之间;低气压用仪表,腰轮式为200~500Pa,膜式为130~400Pa。

   要正确选择仪表勿使其达到不能接受的压力损失,尤其在测量高蒸气压的液体,过度的压降会导致气蚀。若气蚀持续存在会损坏元件,某些允许短时超流到测量上限120%的仪表更应注意这一问题。


6.6 流体腐蚀性

   流体腐蚀性是确定仪表材质的主要因素。

  • 对于各种石油制品,采用铸钢或铸铁制造;
  • 对于腐蚀性轻微的化学液体以及冷温水,用铜合金制造;
  • 对于纯水、高温水、原油、沥青、高温液体、化学液体、食品或食品原料,用不锈钢制造。

食品和生物制药业由于卫生要求,流量计需经常清洗消毒灭菌,与流体接触的零件必须用不锈钢及其它符合卫生要求的材料(如添加钛镀层)制成,结构上要易于拆卸,无潴液部位等。椭圆齿轮式流量计、旋转活塞式流量计等在我国已有食品专用产品投放市场。


6.7 液体粘度对仪表性能影响

   各种气体的粘度相接近,变化不大,对仪表性能可以说没有影响;若液体粘度相差较多,则对仪表性能带来一定影响。有些容积式流量计为适应粘度高达500mPa.s的液体,生产具有较大间隙等设计措施的专用品种,容积式流量计在流量仪表中具有交多应用于高粘度液体的经验。容积式流量计虽然受一些液体粘度影响,但与浮子式、涡轮式等流量计相比,影响量要小得多。粘度对容积式流量计性能有三个方面影响,即测量误差、压力损失和流量范围。

(1) 测量误差影响
   容积式流量计有一个与许多其它流量计流量受粘度增加而测量误差增加的不同特性,因粘度增加间隙泄漏量减少而改善性能。

(2) 压力损失影响
   若液体粘度增加,容积式流量计的压力损失随着增加。压力损失Δp与流量q之间的关系式可用Δp=kqn表示(其中k为系数,n为指数)。粘度在0.005Pa.s(=5mPa.s)以下时n=2;在0.5Pa.s(=500mPa.s)以上n=1;在二者之间n=1.9~1.1。
   活动测量元件用于高粘度液体时负荷增加,压力损失增加。高粘度专用仪表通常采用增加间隙的办法,有增加到0.5mm者。椭圆齿轮流量计为减少液体在齿隙间挤压负荷,还在齿轮上开若干沟槽卸荷(≥150mPa.s时),大于500mPa.s时,则采用欠齿的椭圆齿轮。
High Viscosity Gear

(3) 流量范围影响
   压力损失因粘度增加而增加,对于使用压力损失有限制的场所,则必须降低流量上限值,即缩小流量范围。流量下限随着粘度增加而下降,是扩大了流量范围;作为一个粗略估计,粘度增加10倍,流量下限值降到原值的1/10~1/3。


6.8 压力与温度

   有仪表均规定了工作温度范围和最大工作压力。最大工作压力是指常温和冲击压力下承受的压力。当用于较高温度时必须降低最大工作压力等级,有些产品使用说明书对此未作说明。急剧关闭或急剧开启阀门会产生水锤效应等冲压力,冲击压力可能超过工作压力,冲击压力还有可能引起许家读数,必要时装缓冲罐减少这类缺陷影响。

   温度影响仪表受压强度外,还因仪表测量元件受热膨胀改变测量室和间隙尺寸,影响测量精度,间隙减小甚至使运动件卡住。因此用于较高温度时要预留特殊尺寸间隙来补偿,特别是不同材料组合使用时更要注意热胀系数的差异。温度变化还会改变液体粘度而引起流量示值变化。温度引起的测量元件尺寸变动改变测量室腔体积,例如椭圆齿轮流量计计量室和齿轮均为铸铁时,测量值变化+0.33%10℃;计量室为铸铁,齿轮为铸铝时则为+0.14%10℃。亦有采用自动温度补偿把计量室体积变化修正到一个认定的标准温度(如20℃),例如用一个输出传动比可作调整的装置来修正。

   高温流体进入冷的流量计,在未达到热平衡前就启动,可能因间隙大而增加测量误差;温度超过规定值则运动测量元件可能被卡住。因此使用前要有适合的预热时间,并观察是否能正常运转。


6.9 压缩性

   通常液体的压缩性可勿略不计,然而在高精度测量油品时则不应忽视。API标准1101所列油品压缩系数在(5~20)×10-4/Mpa之间,例如重油压力从0.5Mpa升高到6Mpa时体积压缩0.45%。液化石油气的压缩性更大。


   气体有很大的压缩性,在低压下其体积缩小与压力增高成比率关系,大部分容积式流量计应用于低压状态,可直接换算,但在高压条件下体积缩小与压力增高不成比例,变化率减小,则应考虑使用气体的压缩系数。

 
 
第七节 安装注意事项
 

7.1 安装场所


流量计安装应选择合适的场所,需注意以下各点。


1) 周围温度和湿度应符合制造厂规定,一般温度为-10~50℃,湿度为10%~90%。

2) 日光直射在夏季会使温度升高,接近辐射热的场所,亦会使温度升高 。这种场所应采取遮阳或隔热措施。

3) 非防尘、防浸水型仪表应避开有腐蚀性气氛或潮湿场所,因为积算器减速齿轮等零部件会被腐蚀气体和昼夜温差结露所损坏 。如无法避免,可采取内腔用洁净空气吹气(air purge)方式保持微正压。

4) 避开振动和冲击的场所。

5) 要有足够空间便于安装和日常维护。


7.2 仪表姿势 、流动方向、与管道连接

   容积式流量计的安装姿势必须做到横平竖直,转子型心意量做到其转子轴与地面平行(垂直结构转子轴设计例外)其他型号按使用说明书规定要求,一般为水平安装。垂直安装为防止垢屑等从管道上方落入流量计,将其装在旁路管。

   实际流动方向应与仪表壳体一表明方向一致。容积式流量计一般只能作单方向测量,必要时在其下游装止回阀,以免损坏仪表。

   要使流量计不承受管线膨胀、收缩、变形和振动;防止系统因阀门及管道设计不合理产生振动,特别要避免谐振。安装时不要例仪表受应力,例如上下游管道两法兰平面不平行,法兰面间距离过大,管道不同心等不良管道布置的不合理安装。特别是对无分离测量室,受压壳体和测量室一体的容积式流量计更应注意,因为受较大安装应力会引起变形,影响测量精度,甚至卡死活动测量元件。


7.3 防止异相流体进入仪表

   容积式流量计计量室与活动检测件的间隙很小,流体中颗粒杂质影响仪表正常运行,造成卡死或过早磨损。仪表上游必须安装过滤器,并定期清洗;测量气体在必要时应考虑加装沉渣器或水吸收器等保护性设备。用于测量液体管道必须避免气体进入管道系统,必要时设置气体分离器


7.4 减小脉动流、冲击流或过载流的危害

   虽然有某些装在泵吸入端使用成功的实例,但仪表应装在的出口端。脉动流和冲击流会损害容积式流量计,理想的流源是离心泵或高位槽。若必须要用往复泵,或管道易产生过载冲击,或水捶冲击等冲击流的场所,应装缓冲罐、膨胀室或安全阀等 保护设备。容积式流量计过载超速运行可能带来无法弥补的危害,如管系有可能发生过量超载流,应在下游安装限流孔板、定流量阀或流量控制器等保护设施。


7.5 不断流安装

   由于容积式流量计测量元件损坏后会产生管道断流的缺点,在连续生产或不准断流的场所,应配备有自动切换设备的并联系统冗余;也可采取流量常用的并联运行方式,一台出故障另一台仍可流通。


7.6 现场校准

   若需在现场用车装标准体积管、标准表等流量标准装置校准容积式流量计者,应在现场适当位置预置支管、连接管件和截止阀等。

Installation

Oil gas separator
U type Filter
Y type filter
油气分离器
U型过滤器
Y型过滤器
 
 
第八节 使用注意事项
 

1) 清洗管线 新投管线运行前要清扫,往往随后还要用实流冲洗,以去除残留焊屑垢皮等。此时先应关闭仪表前后截止阀,让液流从旁路管流过;若无旁路管,仪表位置应装短管代替。

2) 排尽气体 通常实液扫线后,管道内还残留较多空气,随着加压运行,空气以较高流速流过容积式流量计,活动测量元件可能过速运转,损伤轴和轴承。因此开始时要缓慢增加流量,使空气渐渐外逸。

3) 旁路管切换顺序 液流从旁路管转入仪表时,启闭要缓慢,特别在高温高压管线上更应注意。启用时第1步徐徐开启A阀,液体先在旁路管流动一段时间;第2步徐徐开启B阀;第3步徐徐开启C阀;第4步徐徐关闭A阀。关闭时按上述逆顺序动作操作。

启动后通过最低位指针或字轮和秒表,确认未达过度流动,最佳流量应控制在(70~80)%最大流量,以保证仪表使用寿命。

4) 监查过滤器 新线启动过滤器网最易被打破,试运行后要及时检查网是否完好。同时过滤网清洁无污物时记录下常用流量下的压力损失这两个参数,今后不必卸下检查网堵塞状况,即以压力损失增加程度判断是是否要清洗。

5) 测量高粘度液体 用于高粘度液体,一般均加热后使之流动。当仪表停用后,其内部液体冷却而变稠,再启用时必须先加热待液体粘度降低后才让液体流过仪表,否则会咬住活动测量元件使仪表损坏。

6) 加润滑油 气体用等容积式流量计启用前必须加润滑油,日常运行也经常检查润滑油存量的液位计。

7) 避免急剧流量变化 使用气体腰轮流量计时,应注意不能有急剧的流量变化(如使用快开阀),因腰轮的惯性作用,急剧流量变化将产生较大附加惯性力,使转子损坏。用作控制系统的检测仪表时,若下游控制突然截止流动,转子一时停不下来,产生压气机效应,下游压力升高,然后倒流,发出错误信号。

8) 冲洗管道用蒸汽禁止通过容积式流量计。

 
 
 
浮子流量计(玻璃转子流量计)
 
第一节  原理和结构 第二节 优点和缺点 第三节 分 类
第四节  选用考虑要点 第五节  安装使用注意事项  
 
前 言
   浮子流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降,改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表,又称转子流量计。在美国、日本常称作变面积流量计(Variable Area Flowmeter)或面积流量计。
   浮子流量计原理设想发轫于19世纪60年代,20实际初出现商品。从应用台数所占比例来看,1985年英国抽样调查72家企业17000台流量仪表中浮子流量计占19.2%。我国浮子流量计产量1996年估计在15万-17万台之间,其中95%左右为玻璃管浮子流量计。
 
第一节  原理和结构

   浮子流量计的流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成。工作原理如图1所示,被测流体从下向上经过锥管1和浮子2形成的环隙3时,浮子上下端产生差压形成浮子上升的力,当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量时,浮子便上升,环隙面积随之增大,环隙处流体流速立即下降,浮子上下端差压降低,作用于浮子的上升力亦随着减少,直到上升力等于浸在流体中浮子重量时,浮子便稳定在某一高度。浮子在锥管中高度和通过的流量有对应关系。
体积流量Q的基本方程式为

(1)
工作原理
当浮子为非实芯中空结构(放负重调整量)时,则
 
(2)
式中 α——仪表的流量系数,因浮子形状而异;
ε——被测流体为气体时气体膨胀系数,通常由于此系数校正量很小而被忽略,且通过校验已将它包括在流量系数内,如为液体则ε=1;
△F——流通环形面积,m2
g——当地重力加速度,m/s2;
Vf——浮子体积,如有延伸体亦应包括,m3
ρf——浮子材料密度,kg/m3;
ρ——被测流体密度,如为气体是在浮子上游横截面上的密度,kg/m3
Ff——浮子工作直径(最大直径)处的横截面积,m2
Gf——浮子质量,kg。
流通环形面积与浮子高度之间的关系如式(3)所示,当结构设计已定,则d、 β为常量。式中有h的二次项,一般不能忽略此非线性关系,只有在圆锥角很小时,才可视为近似线性。
 
m2 (3)

式中 d——浮子最大直径(即工作直径),m;
h——浮子从锥管内径等于浮子最大直径处上升高度,m;
β——锥管的圆锥角;
a、b——常数。
口径15-40mm透明锥形管浮子流量计典型结构如图2所示。透明锥形管4用得最普遍是由硼硅玻璃制成,习惯简称玻璃管浮子流量计。流量分度直接刻在锥管4外壁上,也有在锥管旁另装分度标尺。锥管内腔有圆锥体平滑面和带导向棱筋(或平面)两种。浮子在锥管内自由移动,或在锥管棱筋导向下移动,较大口平滑面内壁仪表还有采用导杆导向。

图3是直角型安装方式金属管浮子流量计典型结构,通常适用于口径15-40mm以上仪表。锥管5和浮子4组成流量检测元件。套管(图3未表示)内有导杆3的延伸部分,通过磁钢耦合等方式,将浮子的位移传给套管外的转换部分。转换部分有就地指示和远传信号输出两大类型。除直角安装方式结构外还有进出口中线与锥管同心的直通型结构,通常用于口径小于10-15mm的仪表。
第二节 优点和缺点

   浮子流量计使用于小管径和低流速。常用仪表口径40-50mm以下,最小口径做到1.5-4mm。适用于测量低流速小流量,以液体为例,口径10mm以下玻璃管浮子流量计满度流量的名义管径,流速只在0.2-0.6m/s之间,甚至低于0.1m/s;金属管浮子流量计和口径大于15mm的玻璃管浮子流量计稍高些,流速在0.5-1.5m/s之间。
   浮子流量计可用于较低雷诺数,选用粘度不敏感形状的浮子,流通环隙处雷诺数只要大于40或500,雷诺数变化流量系数即保持常数,亦即流体粘度变化不影响流量系数。这数值远低于标准孔板等节流差压式仪表最低雷诺数104-105的要求。
大部分浮子流量计没有上游直管段要求,或者说对上游直管段要求不高。
浮子流量计有较宽的流量范围度,一般为10:1,最低为5:1,最高为25:1。流量检测元件的输出接近于线性。压力损失较低。
   玻璃管浮子流量计结构简单,价格低廉。只要在现场指示流量者使用方便,缺点是有玻璃管易碎的风险,尤其是无导向结构浮子用于气体。
金属管浮子流量计无锥管破裂的风险。与玻璃管浮子流量计相比,使用温度和压力范围宽。
大部分结构浮子流量计只能用于自下向上垂直流的管道安装。
   浮子流量计应用局限于中小管径,普通全流型浮子流量计不能用于大管径,玻璃管浮子流量计最大口径100mm,金属管浮子流量计为150mm,更大管径只能用分流型仪表。
   使用流体和出厂标定流体不同时,要作流量示值修正。液体用浮子流量计通常以水标定,气体用空气标定,如实际使用流体密度、粘度与之不同,流量要偏离原分度值,要作换算修正。

第三节 分 类

时常上定型产品和特殊型仪表从不同角度可作不同分类,如:
            按锥形管材料分为透明锥形管和金属锥形管。
            按有否远传信号输出分为就地指示型和远传信号输出型,后者又分为电远传和气远传两种。
            按被测流体分为液体用、气体用和蒸汽。
            按被测流体通过浮子流量计的量分为全流型和分流型。

3.1 按锥形管材料分类类型
(1)透明锥形管浮子流量计
    透明锥形管材料用得最多的是玻璃,无导向结构仪表测量气体时操作不慎,玻璃管易被击碎;还有用透明工程塑料如聚苯乙烯、聚碳酸酯、有机玻璃等制成,具有不易击碎之优点。
(2)金属管锥形管浮子流量计
    与透明锥形管浮子流量计相比,可用于较高的介质温度和压力,且无玻璃管浮子流量计锥管被击碎的潜在危险。图3所示典型结构是锥形管与壳体制成一体结构,也有锥管套入壳体的分离结构,改变流量规格只要调换不同圆锥角的锥管,使用较为灵便。

3.2 按有否远传信号输出分类类型
(1)就地指示型浮子流量计
    有些透明管浮子流量计以就地指示为主,装有接近开关,作流量上下限报警信号输出。
有些就地指示型金属管浮子流量计外形与远传信号输出相同,只是将浮子位移通过磁耦合传出,经连杆凸轮等线性化机构处理后就地指示。
(2)远传信号输出型浮子流量计
    远传信号输出型仪表的转换部分将浮子位移量转换成电流或气压模拟量信号输出,分别成为电远传浮子流量计和气远传浮子流量计。


3.3 按被测流体分类类型
    分为液体用、气体用2种。
    实际上大部分浮子流量计同一仪表可用于液体也可用于气体,结构上是通用的。只是我国浮子流量计行业标准等(如JB/T 6844-93)规定流量上限Qmax必须符合(1,1.6,2.5,4或6)×10nL/h的要求(n为正负整数或零),为液体(以水为代表)设计的仪表用于气体(以空气为代表)时,不符合上述要求,只能为气体另行设计浮子和锥管,就分成液体和气体两种系列。国外有些制造厂同一仪表并列液、气两种流体的流量范围,当然流量值就不可能都是圆整值;国内有些型号仪表也采用本办法。但是液体用和气体用设计还是有区别的,例如气体仪表浮子设计得较轻,防浮子振荡跳动的阻尼件结构各异等。


3.4 按被测流体通过浮子流量计的量分类类型
1)全流型 即被测流体全部流过浮子流量计的仪表
2)分流型 相对于全流型只有部分被测流体流过浮子等流量检测部分。分流型浮子流量计由装载主管道上标准孔板(或均速管)和较小口径浮子流量计组合而成,应用与管径大于50mm的较大流量和只要就地指示的场所,价格低廉。分流型浮子流量计结构上分为分离型和一体型两种。
    一体型仪表将孔板和浮子流量计组装在短管段上,直接装到待测管道,原理与结构示意图如图4所示,安装方便。有适用于水平和垂直管道两种结构,但均只能安装在便于读取仪表示值的场所。主管道管径通常为50-300mm,孔板的孔径比(β)在0.3-0.7之间,差压在0.6-100KPa之间,浮子流量计口径为10-25mm。
    分流型浮子流量计的选用流速可比全流型高,液体流速可达2.5-3m/s,甚至高达4-5m/s。由于分流管中置有限流小孔板,起到补偿主孔板流量和差压间平方根非线性关系,流量示值基本是线性的,有较宽的范围度,一般为10:1。精确度为2.5%-4%FS。

face plate flowmeter
Pipe flowmeter
Varable Area flowmeter
金属管浮子流量计
面板式流量计
管道(塑管)式流量计
玻璃转子流量计
金属管浮子流量计
第四节  选用考虑要点

4.1 应用概况
    浮子流量计作为直观流动指示或测量精确度要求不高的现场指示仪表,占浮子流量计应用的90%以上,被广泛地用在电力、石化、化工、冶金、医药等流程工业和污水处理等公用事业。有些应用场所只要监测流量不超过或不低于某值即可,例如电缆惰性保护气流量增加说明产生了新的泄漏点。循环冷却和培养槽等水或空气减流断流报警等场所可选用有上限或下限流量报警的玻璃管浮子流量计。
    环境保护大气采样和流程工业在线监测的分析仪器连续取样,采样的流量监控也是浮子流量计的大宗服务对象。
    作为流程工业液位、密度等其他参量的测量中,定流量测量和控制的辅助仪表,应用得非常普遍,亦占有相当份额。
    带信号输出的远传金属浮子流量计在流程工业常用作流量控制检测仪表或管线混合配比,如给水处理过程控制原水加药液的配比量。

4.2 类型和结构选择
浮子流量计主要测量对象是单相液体或气体,液体中含有微粒固体或气体中含有液滴通常不适用。因为浮子在液流中附着微粒或微小气泡均会影响测量值,例如微流量仪表使用一段时期后浮子附着肉眼不出的附着层,也会改变流量示值百分之几。
    如只要现场指示,首先考虑价廉的玻璃管浮子流量计,如温度、压力不能胜任则选用就地指示金属管浮子流量计。玻璃管浮子流量计应选带有透明防护罩,一旦玻璃锥管破裂,可挡住流体正向散溅,以作紧急处理。用于气体时应选用导杆或带棱筋导向的仪表,以避免操作不慎浮子击碎锥管。如需要远传输出信号作总量积算或流量控制,一般选用电信号输出的金属管浮子流量计。如环境气氛有防爆要求而现场又有控制仪表用气源,则优先考虑气远传金属浮子流量计,若选用电远传仪表则必须是防爆型。
    测量不透明液体时选择金属管浮子流量计较为普遍,但也可选择带棱筋锥形管的玻璃管浮子流量计,借助浮子最大直径与棱筋接触的痕迹,以判读浮子的位置。
    测量温度高于环境温度的高粘度液体和降温易析出结晶或易凝固的液体,应选用带夹套的金属管浮子流量计。

4.3 按实际使用介质密度选择仪表流量范围
    这里所谓实际使用状态介质密度,液体是指使用时的密度,气体指使用状态下的密度,或标准状态下密度进行使用压力和温度的修正。通常仪表刻度的流量范围,液体是常温水标定值,气体是空气标定换算到工程标准状态(20℃,0.10133MPa)的值。将实际使用密度按式(4)或式(5)换算后再选择合适的流量范围和口径,但必须是使用介质粘度与标定介质粘度相接近,亦即认为α不变的前提下使用。


液体

(4)

 

式中 Q水-待选定用水实流标定仪表的最大流量,L/h;
    Q-被测液体的最大流量,L/h;
    ρf-浮子密度,g/cm3,对于空心的浮子ρf=Gf/V,Gf为浮子质量(g),V为浮子体积,cm3
    ρ,ρ水-被测液体和水的密度,g/cm3

气体

(5)

 

式中 Q空-待选定用空气实流标定仪表的最大流量,m3/h;
Q-被测气体的最大流量,m3/h;
ρ-被测气体的密度,kg/m3
P-被测气体使用状态下绝对压力,MPa;
T-被测气体使用状态下热力学温度,K。

4.4 浮子形状和粘度影响
    浮子形状不属于使用者选择的范畴,制造厂是按仪表结构和流量范围选择合适形状而设计的,。但是使用者应了解所使用浮子的特点和流量示值受流体粘度影响的程度。
    流量基本方程式(1)未包含流体粘度参数,但流量系数α在环形通道雷诺数Re(环)低于某值时不是常数而随Re(环)而变,而Re(环)与流体粘度成反比。图5所示是三种形状浮子Re(环)-α的关系曲线。Re(环)取决于流体粘度、浮子最大直径和其所在位置锥管内直径比、环形通道中的流速,对于设计已定在运行中的仪表,影响Re(环)的因素是流体粘度。不随Re(环)而变的α值,A型浮子为0.96,B型为0.76,C型为0.61。此外,还有常用的球形浮子,α约为0.99。流量系数因浮子形状而有较大差异。A型、B型和C型三种浮子α为常数的下限Re(环)分别约为6000,300和40。
    对设计已定某乙口径和流量范围的仪表,亦即有一个粘度上限值,小于粘度上限值流量示值将不受流体粘度影响,选用时要考虑流体粘度是否超过上限值。有些型号浮子流量计同一口径不同流量范围的浮子形状是相同(重量不同,粘度上限值相近);而还有一些型号则浮子形状不同,就有不同粘度上限值。

4.5 示值分度、精确度和范围度
    直读型仪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种。Dt/d比分度是以浮子直径d与相应锥管内径Dt的比值表示,国内产品甚少采用;百分率分度是以满度流量作为100%,其优点是流体物性或工况变化,流量读书转换方便;直接流量分度是以指定流体的工况条件或以标定条件(通常液体为水、气体为空气)的流量分度,优点是直观,但若使用条件和指定条件不一致须换算时,反而不及百分率分度方便。毫米分度是读取浮子高度后查所附曲线或数据表,求的流量,通常应用于操作时只要知道浮子达到预定位置,毋需知道确切流量的场所。有些型号仪表同时设有毫米分度和直接流量分度两种标尺。
    浮子流量计为低中等精确度仪表。通用型玻璃浮子流量计的基本误差,口径小于6mm为2.5%-5%FS,10-15mm为2.5%FS,25mm以上为1-%-2.5%FS;金属管浮子流量计就地指示型为1%-2.5%FS,远传型为1%-4%FS。耐腐型仪表的精确度还要低些。有些特殊结构仪表,例如表尺长度只有2-3倍浮子直径的短型玻璃管浮子流量计和高压型吹流型金属管浮子流量计精确度低至5-10级。
玻璃管浮子流量计范围度大部分为10:1,短管型仪表口径100mm则为5:1;金属管浮子流量计为(5:1)-(10:1)。

4.6 液体的压力温度和仪表的压力损失
    被测流体的工作压力和温度应低于仪表的额定值。流体温度较高时,有些制造厂要降低额定压力,通常样本和使用说明书均作说明。用于较高压力的气体和温度超过沸点的高压液体,不应选用玻璃管浮子流量计,应选用金属浮子流量计。
    玻璃管浮子流量计的压力损失较小,小口径为0.2-2KPa,10-100mm为2-8KPa;金属管浮子流量计则稍高些,一般为2-8KPa,较高者为18-25KPa。压力损失应在样本和使用说明书列出,但往往阙如。
    流体的最低工作压力应高于压力损失若干倍,用于气体时压力过低容易产生浮子跳动。有些型号仪表的使用说明书规定流体压力最低值,有些建议液体的最低工作压力应大于2倍压力损失,气体则为5倍。

第五节  安装使用注意事项

5.1 仪表安装方向
绝大部分浮子流量计必须垂直安装在无振动的管道上,不应有明显的倾斜,流体自下而上流过仪表。图6说是为管道连接示例,装有旁路管系以便不断流进行维护。浮子流量计中心线与铅垂线间夹角一般不超过5度,高精度(1.5级以上)仪表θ≤20°。如果θ=12°则会产生1%附加误差。仪表无严格上游直管段长度要求,但也有制造厂要求(2-5)D长度的,实际上必要性不大。

5.2 用于污脏流体的安装
应在仪表上游装过滤器。带有磁性耦合的金属管浮子流量计用于可能含铁磁性杂质流体时,应在仪表前装磁过滤器。
    要保持浮子和锥管的清洁,特别是小口径仪表,浮子洁净程度明显影响测量值。例如6mm口径玻璃浮子流量计,在实验室测量看似清洁水,流量为2.5L/h,运行24h后,流量示值增加百分之几,浮子表面沾附肉眼观察不出的异物,取出浮子用纱布擦拭,即恢复原来的流量示值。必要时可示如图7所示设置冲洗配管,定时冲洗。

5.3 脉动流的安装
    流动本身的脉动,如拟装仪表位置的上游有往复泵或调节阀,或下游有大负荷变化等,应改换测量位置或在管道系统予以补救改进,如加装缓冲罐;若是仪表自身的振荡,如测量时气体压力过低,仪表上游阀门未全开,调节阀未装在仪表下游等原因,应针对性改进克服,或改选用有阻尼装置的仪表。

5.4 扩大范围度的安装
    如果测量要求的流量范围度宽,范围度超过10时,经常采用2台以上不同流量范围的玻璃管浮子流量计并联,按所测量择其一台或多台仪表串联,小流量时读取下流量范围仪表示值,大流量时读取大流量仪表示值,串联法比并联法操作简便,毋需频繁启闭阀门,但压力损失大。也可以在一台仪表内放两只不同形状和重量的浮子,小流量时取轻浮子读数,浮子到顶部后取重浮子读数,范围度可扩大到50-100。

5.5 要排尽液体用仪表内气体
    进出口不在直线的角型金属浮子流量计,用于液体时注意外传浮子位移的引申套管内是否残留空气,必须排尽;若液体含有微小气泡流动时极易积聚在套管内,更应定时排气。这点对小口径仪表更为重要,否则影响流量示值明显。

5.6 流量值作必要换算
若非按使用密度、粘度等介质参数向制造厂专门定制的仪表,液体用仪表通常以水标定流量,气体仪表用空气标定,定值在工程标准状态。使用条件的流体密度、气体压力温度与标定不一致时,要做必要换算。换算公式和方法各制造厂使用说明书都有详述。

5.7 浮子流量计的校验和标定
    浮子流量计的校验和标定液体常用标准表法、容积法和称量法;气体常用钟罩法,小流量用皂膜法。
    国外有些制造厂的大宗产品已做到干法标定,即控制锥形管尺寸和浮子重量尺寸,间接地确定流量值,以降低成本,只对高精度仪表才坐实流标定。国内也有些制造厂严格控制锥形管起始点内径和锥度以及浮子尺寸,实流校验只起到检查锥形管内表面质量。这类制造厂生产的仪表、锥形管和浮子已做成互换,毋需成套更换。
    浮子流量计采用标准表法校验是一种高效率方法,各制造厂了与应用。有些制造厂将某一流量范围的标准表制成数段锥度较小的玻璃管浮子流量计,扩展标准表表尺长度,提高标准表精度,使校验标定工作做到高精度高效率。

 

推测式流量计
电磁流量计 涡轮流量计 涡街流量计
 
 
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