多種流量計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)及比較概述

上海自動(dòng)化儀表MOOG比列控制閥維修

除了深入掌握CFD仿真技術(shù)，流體領(lǐng)域的專業(yè)技能還要求我們對(duì)各種測(cè)量儀器有了解。畢竟，CFD仿真的實(shí)際應(yīng)用離不開測(cè)量儀器的驗(yàn)證與產(chǎn)品化設(shè)計(jì)。因此，我始終認(rèn)為，在精通CFD仿真的同時(shí)，須同樣熟悉各類測(cè)量儀器的使用。

隨著流量測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)步，市場(chǎng)上涌現(xiàn)出眾多不同類型的流量測(cè)量計(jì)。本文將聚焦于閉合管道的流量測(cè)量計(jì)，探討其種類與特點(diǎn)。

1. 差壓流量計(jì)（DP）

差壓流量計(jì)是常見的流量技術(shù)之一，它涵蓋了孔板、文丘里管以及音速噴嘴等多種類型。這種流量計(jì)通過檢測(cè)管道中流量檢測(cè)件產(chǎn)生的差壓，結(jié)合已知的流體條件及檢測(cè)件與管道的幾何尺寸，來計(jì)算流體的流量。DP流量計(jì)適用于測(cè)量多種液體、氣體和蒸汽的流速，且具有結(jié)構(gòu)簡單、無移動(dòng)部分、易于使用等特點(diǎn)。然而，它也存在一些不足，如堵塞后可能導(dǎo)致壓力損失，從而影響測(cè)量。此外，流量測(cè)量的還受到壓力表精度的影響。

差壓式流量計(jì)的檢測(cè)件按其工作原理可分為多個(gè)類別，包括節(jié)流裝置、水力阻力式、離心式等。盡管近年來新型流量計(jì)不斷涌現(xiàn)，但差壓式流量計(jì)仍然是廣泛使用的流量計(jì)之一。其優(yōu)點(diǎn)包括結(jié)構(gòu)牢固、性能穩(wěn)定、使用壽命長等，同時(shí)應(yīng)用范圍廣泛，無可比擬。然而，它也存在一些缺點(diǎn)，如測(cè)量精度普遍偏低、范圍度較窄等。此外，現(xiàn)場(chǎng)安裝條件要求較高，壓損也相對(duì)較大。

2. 容積式流量計(jì)（PD）

容積式流量計(jì)，亦被稱為定排量流量計(jì)，簡稱PD流量計(jì)，在流量測(cè)量領(lǐng)域中以其高精度而著稱。此類流量計(jì)專為測(cè)量液體或氣體的體積流速而設(shè)計(jì)，通過將流體引入計(jì)量空間并計(jì)算其轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)來進(jìn)行工作。分流流體通常借助葉輪、齒輪、活塞或孔板等裝置實(shí)現(xiàn)。PD流量計(jì)的使其成為測(cè)量粘性液體的幾種方法之一。但需注意，它同樣會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的壓力誤差，且內(nèi)部含有移動(dòng)部件。

容積式流量計(jì)可根據(jù)其丈量元件的不同進(jìn)行分類，包括橢圓齒輪流量計(jì)、刮板流量計(jì)、雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)等。這類流量計(jì)常用于昂貴介質(zhì)（如油品和天然氣）的總量測(cè)量，并與差壓式流量計(jì)、浮子流量計(jì)一同成為使用的三類流量計(jì)。

其優(yōu)點(diǎn)包括高計(jì)量精度、不受安裝管道條件影響的穩(wěn)定性、適用于高粘度液體的測(cè)量、寬范圍度以及直讀式儀表的簡便操作性。然而，也存在一些不足，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、體積龐大、被測(cè)介質(zhì)種類及工作狀態(tài)的局限性、不適用于高低溫場(chǎng)合以及可能產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)等。此外，大部分儀表僅適用于潔凈的單相流體。

3. 渦輪流量計(jì)

當(dāng)流體流經(jīng)渦輪流量計(jì)時(shí)，流體會(huì)推動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與流體的流速密切相關(guān)。該流量計(jì)通過多葉片的轉(zhuǎn)子（即渦輪）來感受流體的均勻流速，進(jìn)而推導(dǎo)出流量或總量。渦輪流量計(jì)通常由傳感器和顯示儀兩部分構(gòu)成，也可以設(shè)計(jì)成整體式。它適用于測(cè)量潔凈的液體和氣體。與PD流量計(jì)相似，渦輪流量計(jì)也存在不可恢復(fù)的壓力誤差，并且內(nèi)部含有移動(dòng)部件。在歐洲和美國，渦輪流量計(jì)是僅次于孔板流量計(jì)的重要自然計(jì)量儀表。

渦輪流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)包括高精度、良好的重復(fù)性、零點(diǎn)穩(wěn)定性、寬范圍度以及緊湊的結(jié)構(gòu)。然而，它也存在一些不足，如長期校準(zhǔn)特性的保持性較差，以及流體物性對(duì)流量特性的顯著影響。

4. 電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)，基于法拉第電磁感應(yīng)定律，是一種專門用于測(cè)量導(dǎo)電性液體的儀表。當(dāng)具有傳導(dǎo)性的流體流經(jīng)電磁場(chǎng)時(shí)，其速度可以通過測(cè)量的電壓來得出。該流量計(jì)的獨(dú)特之處在于其無移動(dòng)部件設(shè)計(jì)，從而使其不受流體特性的影響。在滿管條件下，它對(duì)導(dǎo)電性液體的測(cè)量度高，甚至適用于漿狀流體流速的測(cè)量。

自70、80年代電磁流量在技術(shù)上取得重大突破以來，其應(yīng)用已變得日益廣泛，成為流量儀表中使用量占比不斷上升的一類流量計(jì)。電磁流量計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，大口徑儀表常用于給排水工程，而中小口徑儀表則常被用于高要求或難以測(cè)量的場(chǎng)合，例如鋼鐵產(chǎn)業(yè)的高爐風(fēng)口冷卻水控制、造紙產(chǎn)業(yè)的紙漿液和黑液測(cè)量、化學(xué)產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)腐蝕液測(cè)量，以及有色冶金產(chǎn)業(yè)的礦漿測(cè)量等。此外，小口徑和微小口徑的電磁流量計(jì)還常被用于醫(yī)藥、食品、生物化學(xué)等有衛(wèi)生要求的場(chǎng)所。

電磁流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)包括：其測(cè)量通道為光滑直管，不易阻塞，特別適用于測(cè)量含固體顆粒的液固兩相流體，如紙漿、泥漿和污水等；它不會(huì)產(chǎn)生由流量檢測(cè)引起的壓力損失，節(jié)能效果顯著；此外，所測(cè)得的體積流量受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的影響較小；其流量范圍廣泛，口徑選擇多樣；并且可適用于腐蝕性流體的測(cè)量。然而，它也有一些局限性，例如不能測(cè)量電導(dǎo)率很低的液體（如石油制品），不能測(cè)量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體，也不能用于較高溫度的流體測(cè)量。

5. 超聲流量計(jì)

超聲流量計(jì)是一種通過檢測(cè)流體對(duì)超聲束（或超聲脈沖）的作用來測(cè)量流量的儀表。它常采用傳播時(shí)間法和多普勒效應(yīng)法來測(cè)量流體的平均速度，從而確定體積流量。這種流量計(jì)屬于無阻礙類型，特別適用于幾乎所有的液體，包括漿體。然而，管道的污濁可能會(huì)影響其測(cè)量精度。

與電磁流量計(jì)相似，超聲流量計(jì)因其流通通道未設(shè)置阻礙件，因此屬于無阻礙流量計(jì)范疇。這類流量計(jì)特別適合解決流量測(cè)量困難的問題，特別是在大口徑流量測(cè)量方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。近年來，超聲流量計(jì)的發(fā)展迅速，成為一類備受關(guān)注的新型流量計(jì)。

其優(yōu)點(diǎn)包括非接觸式測(cè)量、無活動(dòng)阻撓丈量（因此無壓力損失）、以及能夠測(cè)量非導(dǎo)電性液體，為電磁流量計(jì)提供了有益的補(bǔ)充。然而，它也存在一些局限性，如傳播時(shí)間法僅適用于清潔液體和氣體，而多普勒法則僅適用于含有一定量懸浮顆粒和氣泡的液體。此外，多普勒法的測(cè)量精度也有待進(jìn)一步提高。

6. 渦街流量計(jì)

渦街流量計(jì)是通過在流體中設(shè)置一根非流線型的游渦發(fā)生體來工作的。當(dāng)流體經(jīng)過這個(gè)發(fā)生體時(shí)，會(huì)在其兩側(cè)交替地分離并釋放出兩串規(guī)則交錯(cuò)排列的游渦。這種流量計(jì)適用于液體、氣體或蒸汽的測(cè)量，且無移動(dòng)部件，無污垢問題。但需要注意的是，它會(huì)產(chǎn)生噪音，并且要求流體具有較高的流速以產(chǎn)生旋渦。渦街流量計(jì)按頻率檢出方式可分為多種類型，包括應(yīng)力式、應(yīng)變式、電容式等。盡管渦街流量計(jì)是較新型的流量計(jì)，但已迅速發(fā)展并成為通用的一類流量計(jì)。

其優(yōu)點(diǎn)包括結(jié)構(gòu)簡單牢固、適用流體種類多、精度較高、范圍度寬以及壓損小。然而，它也有一些局限性，如不適用于低雷諾數(shù)丈量、需要較長的直管段、儀表系數(shù)較低（與渦輪流量計(jì)相比），以及在脈動(dòng)流和多相流中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)尚不足。

7. 熱式質(zhì)量流量計(jì)

熱式質(zhì)量流量計(jì)通過監(jiān)測(cè)流體流經(jīng)加熱管道時(shí)產(chǎn)生的溫度場(chǎng)變化，或利用流體加熱時(shí)溫度上升所需能量與流體質(zhì)量的關(guān)系，來測(cè)量流體的質(zhì)量流量。這種流量計(jì)無移動(dòng)部件和孔洞，非常適合測(cè)量氣體流量。它是少數(shù)能直接測(cè)量質(zhì)量流量且適用于大口徑氣體流量的技術(shù)之一。熱式質(zhì)量流量計(jì)可分為接觸式和非接觸式，前者與流體直接接觸，后者則通過感應(yīng)測(cè)量。

優(yōu)點(diǎn)：熱式質(zhì)量流量計(jì)能測(cè)量低流速的微小氣體流量，范圍從0.02~2m/s。浸入式熱式質(zhì)量流量計(jì)適用于低至中偏高流速的氣體，而插入式熱式質(zhì)量流量計(jì)則更適合大管徑。

缺點(diǎn)：熱式質(zhì)量流量計(jì)響應(yīng)較慢。在氣體組分變化大的環(huán)境中，由于cp值和熱導(dǎo)率的變化，可能導(dǎo)致測(cè)量誤差。對(duì)于小流量測(cè)量，儀表會(huì)給被測(cè)氣體帶來顯著熱量。此外，熱分布式熱式質(zhì)量流量計(jì)若管壁沉積垢層會(huì)影響測(cè)量值，需定期清洗。細(xì)管型儀表還存在易堵塞的問題，一般不適用于脈動(dòng)流和粘性液體。

8. 科里奧利流量計(jì)

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（簡稱CMF）是一種直接式質(zhì)量流量儀表，其工作原理基于流體在振動(dòng)管中活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的科里奧利力。這種力量與質(zhì)量流量成正比，因此可以通過測(cè)量振動(dòng)流體管產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)來得出質(zhì)量流量的數(shù)值。科里奧利流量計(jì)適用于液體、漿體、氣體和蒸汽的質(zhì)量流量測(cè)量。然而，為了保持其準(zhǔn)確性，需要定期對(duì)管道壁進(jìn)行維護(hù)，以防腐蝕問題。近年來，我國在CMF的應(yīng)用方面雖然起步較晚，但已有幾家制造廠成功自行開發(fā)并供應(yīng)市場(chǎng)，同時(shí)還有幾家制造廠選擇組建合資企業(yè)或引進(jìn)國外技術(shù)來生產(chǎn)系列儀表。

9. 浮子流量計(jì)

上海自動(dòng)化儀表MOOG比列控制閥維修浮子流量計(jì)，亦被稱作轉(zhuǎn)子流量計(jì)，屬于變面積式流量計(jì)的范疇。它運(yùn)作在一根自下而上逐漸擴(kuò)大的垂直錐管內(nèi)，其中，圓形橫截面的浮子所受重力由液體動(dòng)力所平衡，進(jìn)而使得浮子能在錐管內(nèi)自如地升降。這種流量計(jì)在小流量和微流量方面的應(yīng)用尤為突出，堪稱僅次于差壓式流量計(jì)的流量測(cè)量設(shè)備。其特點(diǎn)包括：結(jié)構(gòu)簡約、操作便捷，但耐壓能力相對(duì)較低，玻璃管存在破碎風(fēng)險(xiǎn)；特別適用于小管徑和低流速環(huán)境；且壓力損失較小。