现行流量计的特点以及选型

0 前言

在当前的工业生产应用中，存在着种类繁多的流量计，对设计人员选型造成了一定的难度。流量计按测量原理大致可以分为容积式、速度式、差压式、面积式、质量式等。不同类型的流量计其特点也略有不同，需针对不同的测量领域、不同的测量介质、不同的工作范围，选择不同种类、不同型号的流量计，以取得更好的测量效果。本文以几种常用的流量计为例，介绍流量计的测量原理以及主要选型特点。

1 流量计介绍

1.1 孔板流量计

孔板流量计是最常用的一种流量计，属于差压式流量计，以流动连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）为基础。充满管道的流体在经过管道内节流元件时（如标准孔板、标准喷嘴、长径喷嘴等），流体流线在节流元件处形成局部收缩，流速加快，在节流元件前后形成压差。根据压差的大小可以衡量流量的大小，如图1所示。

图1 孔板流量计原理

计算公式为：

式中

qm——质量流量，kg/s；
qv——体积流量，m3/s；
c——流出系数；
ε——可膨胀性系数；
β——直径比，β=d/D
d——工作条件下节流件的孔径，m；
D——工作条件下上游管道内径，m；
Δp——差压，Pa；
ρ1——上游流体密度，kg/m3。

孔板流量计一般由节流装置（节流件、测量管、直管段、流动调整器、取压管路）和差压流量计组成，对工况变化准确度要求高的场合则需配置压力计（传感器或变送器）并进行温压补偿。其主要特点是：

（1）结构易于复制，简单，牢固，性能稳定可靠。
（2）价格低廉。
（3）应用广泛，液、气、蒸汽皆可测量。
（4）准确度不高，压损大。

1.2 涡街流量计

在流体中设置漩涡发生体（阻流体），从漩涡发生体两侧交替地产生两列规则的交替排列的漩涡涡街，漩涡的分离频率与流经涡街流量传感器处流体的体积流量成正比，如图2所示。

图2 涡街流量计原理

漩涡列在漩涡发生体下游非对称地排列，设漩涡的发生频率为f，被测流体平均速度为υ，漩涡发生体迎流面宽度为d，表体通径为D，可得关系式：

式中 St——斯特劳哈尔数，在ReD=2′104-7′108范围内，St可视为常数。

涡街流量计的流量方程为：

式中

qv、qm——分别为体积流量和质量流量；
f——输出频率；
K——流量计仪表系数；
ρ——流体密度。

当测量气体流量时，涡街流量计的流量计算式为：

式中

pn、Tn——分别为标准状态下的压力和温度；
Z、Zn——分别为工作状态下和标准状态下的气体压缩系数；
qvn——标准状态下的体积流量
p、T——分别为工作压力和温度。

主要特点：

（1）结构简单，维护方便。
（2）适用流体种类多，液、气、蒸汽皆可测量。
（3）准确度较高，测量范围宽，压损小。
（4）不适用于低雷诺数测量。
（5）抗干扰能力差。

1.3 电磁流量计

电磁流量计的原理是基于法拉第电磁感应定律，它是一种测量导电性液体的体积流量仪表。根据法拉第电磁感应定律，导体在磁场中运动时切割磁力线，在导体两端产生感应电势，利用右手定则即可确定感应电动势，如图3所示。计算式如下：

图3 电磁流量计原理

式中

E——感应电动热势；
k——补偿系数；
B——磁感应强度；
D——测量管径；
υ——液体平均流速。

式中

主要特点：

（1）没有阻流元件，不会堵塞，适用于带有悬浮物、固体颗粒的液体和污水的测量。
（2）没有附加压力损失，节约能耗。
（3）仪表测量范围大，流速可在0.5～10m/s内选定。
（4）不能用于低导电率液体。
（5）由于内衬材料为绝缘材料的限制，不能用于较高温的场合。

1.4 均速管流量计

均速管流量计（国外称Annbar、Torbar、Probar、Verabar、Itabar……等），是基于皮托管测速原理，以测管道中直线上几个点的流速来推算流量的一种插入式流量仪表，如图4所示。它是一根沿直径插入管道中的中空金属杆，在影响流体流动方向有成对的测压孔，一般有三对，其外形似笛子。迎流面的多点测压孔测量的是总压，与全压管相连通，引出平均全压p1；背流面的中心处有一开孔，与静压管相通，引出静压p2。利用全压与静压之差来计算流速，其计算式为：

图4 均速管流量计原理

式中

Qv——体积流量；
α——流量系数；
ε——可膨胀系数；
D——管道内径；
ρ1——被测流体密度；
Δp——差压，Δp=p1-p2。

主要特点：

（1）结构简单，重量轻。
（2）适应范围宽阔，可适用于多种流体（气、液、蒸汽）。
（3）压损小，节能效果显著。
（4）在直管段长度不足时，准确度难以高于±2%～±3%，不宜作为计量仪表。
（5）易于堵塞，要求流体洁净。

1.5 平衡流量计

平衡流量计（balancedflowmeter，BFM）是一种新型的流量计，是美国国家航空航天局（NASA）下属马歇尔航空飞行中心（NASA-MSFC）针对航天飞机的主发动机液氧测量而设计发明的一种新型流量计，由A+FlowTek公司生产，亦称为A+K平衡流量计，如图5所示。