工業(yè)流量儀表選型分析

1 前言

流量參數(shù)是工業(yè)生產(chǎn)檢測過程中四大重要參數(shù)之一，同時也是最難測量的參數(shù)。國內(nèi)外最早是以孔板、噴嘴和文丘里管為代表的節(jié)流裝置作為流量測量元件，配以導(dǎo)壓管和差壓變送器組成差壓式流量計，并以此作為測量標(biāo)準(zhǔn)，即無須實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)，通過查表計算確定差壓與流量的關(guān)系，并可估算其測量誤差。隨著科技發(fā)展，新型的流量檢測儀表迅速得到推廣應(yīng)用，根據(jù)其原理分為差壓式流量計、容積式流量計、渦輪流量計、電磁流量計、浮子流量計、渦街流量計、超聲波流量計、質(zhì)量流量計，不同原理的流量計對應(yīng)不同的介質(zhì)和工況，實(shí)踐選型中要綜合各方面因素統(tǒng)一考慮。

2 流量計測量原理和應(yīng)用范圍

1）差壓式流量計。差壓式流量計由差壓變送器和節(jié)流裝置組成，通過測量介質(zhì)流經(jīng)節(jié)流裝置時產(chǎn)生的靜壓差來確認(rèn)流量數(shù)值，它是最早的測量方式，其節(jié)流裝置已形成標(biāo)準(zhǔn)［1］。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置以孔板、噴嘴和文丘里管為代表，隨著節(jié)流裝置的優(yōu)化改進(jìn)，各種非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置得到了廣泛地應(yīng)用和推廣。可以測量液體、氣體、蒸汽等介質(zhì)，適應(yīng)多種環(huán)境，廣泛應(yīng)用于冶金、石化、電力等行業(yè)。

2）容積式流量計。容積式流量計是利用機(jī)械測量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個已知的體積部分，根據(jù)測量室逐次重復(fù)地充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來測量流體體積總量。容積式流量計加工成本高、體積較大，對前后直管段無特殊要求，適應(yīng)于潔凈單相流體，可用于高黏度液體的測量（油品和天然氣），精度較高。不適用于高、低溫場合，需定期校準(zhǔn)。

3）渦輪流量計。當(dāng)流體流經(jīng)傳感器殼體時，流體的沖力使葉片旋轉(zhuǎn)，在一定的條件下，轉(zhuǎn)速與流速成正比，通過測量渦輪轉(zhuǎn)速即可得知流體的流量。渦輪流量計安裝要求嚴(yán)格，最好水平安裝在管道上，安裝場所要求無強(qiáng)電磁干擾與熱輻射源。適應(yīng)于潔凈的氣體、液體，精度等級高于0.2級，價格較貴，不適用于高、低溫場合。

4）電磁流量計。電磁流量計原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。電磁流量計不受溫度、壓力、黏度、重度等外界因素影響，流量計本體沒有可動部件，不受流體的影響，測量管內(nèi)無收縮或凸出部件，對流體無壓損，電磁流量計是導(dǎo)電液體測量的最佳選擇，同時還能測量污水、漿狀流體、固液兩相、腐蝕性等導(dǎo)電介質(zhì)。電磁流量計測量范圍廣，測量精度高，一般為0.5級。

5）浮子流量計。浮子流量計檢測元件是由一根自下向上擴(kuò)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，被測流體從下向上經(jīng)過錐管和浮子形成環(huán)隙時，帶動浮子上下變化，通過浮子的位置算出流量值。浮子流量計適用于小管徑、低流速、小流量的測量。浮子流量計結(jié)構(gòu)簡單，價格較低，精度較低，現(xiàn)場指示流量使用方便。

6）超聲波流量計。其原理是通過測量超聲波脈沖順流和逆流傳播時速度之差來測量流體的流速。流量計安裝要求嚴(yán)格，對兩點(diǎn)距離要求精確，同時要求直管段較長，屬于非接觸式儀表，適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量，如污水、明渠等流體。不適應(yīng)于高溫（200℃）介質(zhì)，精度低（1～1.5級）。

7）渦街流量計。渦街流量計是應(yīng)用流體振蕩原理來測量流量的。渦街流量計適用于測量液體、氣體或蒸汽，測量范圍廣，測量精度較高（0.5～1級）。在測量工況體積流量時受流體物性變化影響小，測量介質(zhì)溫度能達(dá)400℃，渦街流量計要求的直管段較長，安裝處管道不能有振動，流體流動不能為脈動流。

8）質(zhì)量流量計。質(zhì)量流量計是依據(jù)科里奧利原理［2］。可測氣體、液體、漿液。測量管路內(nèi)無阻礙件和活動件，壓損小，無上下游直管段要求，測量精度高（0.5～0.2級）。測量低密度介質(zhì)和低壓氣體誤差大，要求測量管道不能振動，流量傳感器安裝固定要求嚴(yán)格，適應(yīng)小管徑（＜200mm）測量，加工精度高，價格較高。

3 選型分析

流體流量是一個動態(tài)量，處于運(yùn)動狀態(tài)的流體內(nèi)部不僅存在著粘性摩擦作用，還會產(chǎn)生不穩(wěn)定的旋渦和二次流等復(fù)雜流動現(xiàn)象。測量儀表本身受到眾多因素的影響，選型應(yīng)根據(jù)流體工況特性、安裝要求、環(huán)境條件、經(jīng)濟(jì)性等因素合理選型。

1）安全性能，即流量傳感器在運(yùn)行中不會發(fā)生機(jī)械強(qiáng)度或電氣回路故障而引起事故。如高溫高壓流體其流量傳感器一般選用無可動部件、強(qiáng)度高的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置（標(biāo)準(zhǔn)孔板、渦街、彎管等）或非接觸式流量計，且材質(zhì)要求耐磨，而不選用插入式流量計或結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低的靶式、渦輪流量計，以確保在高速汽流沖刷下不發(fā)生節(jié)流裝置或傳感器損壞造成介質(zhì)泄露。測量腐蝕性介質(zhì)時，根據(jù)腐蝕性強(qiáng)度選用合適內(nèi)襯材質(zhì)，可燃性氣體的環(huán)境應(yīng)選用防爆型儀表。

2）流體特性。流體特性主要指流體成分、溫度、壓力、黏度等。根據(jù)實(shí)際情況逐步確認(rèn)選型范圍。首先從成分（液體、氣體、蒸汽、臟流污程度）區(qū)分，差壓式流量計和渦街流量計基本適應(yīng)以上流體。導(dǎo)電性液體可首選電磁流量計，小管徑液體、氣體測量可選用浮子流量計，潔凈單相高黏度液體、氣體的測量可選用容積式流量計。采用機(jī)械式（熱脹冷縮）測量元件和電氣絕緣材料限制的流量計，不適應(yīng)高低溫流體，如容積式流量計、渦輪流量計、電磁流量計、超聲波流量計。流體壓力變化，其密度發(fā)生變化導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)變化，差壓式流量計和渦街流量計需引入溫壓補(bǔ)償修正測量數(shù)據(jù)。黏度主要受溫度、壓力影響，黏度變化改變流體的流動狀態(tài)，從而影響流量計的流量系數(shù)，最終導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

3）安裝環(huán)境。現(xiàn)場安裝環(huán)境主要指測量管徑大小、直管段長度、管道是否有振動、周圍是否有強(qiáng)磁場干擾和高溫輻射熱等。管徑＞800mm可選用插入式流量計；根據(jù)實(shí)際直管段長度可選用帶自整流的節(jié)流裝置，如V形錐、雙文丘里；渦街流量計由于測量漩渦釋放頻率，故振動干擾大；強(qiáng)磁場對電磁流量計和電信號放大處理器干擾大，高溫輻射造成電子元件發(fā)熱影響使用壽命，可把測量元件部分和信號處理部分分開，即選用分體式流量計。

4）節(jié)能性。流體經(jīng)過流量儀表前后的壓損，壓損值越小節(jié)能性越好。非接觸式如超聲波流量計、電磁流量計、彎管流量計無壓損；差壓式節(jié)流裝置都存在壓損；非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置壓損相對較小，如渦街、威力巴、均速管、圓缺孔板、V形錐等；標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置壓損相對較大，如文丘里、標(biāo)準(zhǔn)孔板。

5）準(zhǔn)確度和經(jīng)濟(jì)性。要求流量測量系統(tǒng)的誤差小、精度等級高、重復(fù)性好、量程比寬。一般本身其性能相對穩(wěn)定、重復(fù)性好、使用壽命較長、量程比范圍寬的流量計有利于后期增加工藝設(shè)備測量參數(shù)調(diào)節(jié)，從而減少投資。系統(tǒng)精度高的流量計其價格相對要高，在保證工藝要求的準(zhǔn)確度范圍內(nèi)，綜合后期維修費(fèi)用合理選擇。流量計的標(biāo)定非常重要，由于大部分類型的流量計其流量系數(shù)和儀表常數(shù)都是實(shí)體標(biāo)定得出，標(biāo)定系數(shù)的數(shù)據(jù)直接影響運(yùn)行參數(shù)的準(zhǔn)確性，因此要選擇有能力進(jìn)行實(shí)體標(biāo)定的制造單位。

6）介質(zhì)工況。生產(chǎn)過程中需特別注意的是流體的流向可能發(fā)生變化問題，有些工藝生產(chǎn)中流體流向會發(fā)生短暫改變，如雙膛型石灰窯爐膛在燃燒和蓄熱變換期間煤氣需切斷，為保護(hù)前方煤氣加壓，把連接煤氣加壓機(jī)進(jìn)出口管道的回流閥打開，回流閥打開期間，管道內(nèi)的壓力瞬間降低，管道內(nèi)殘存煤氣發(fā)生倒流現(xiàn)象，從而影響儀表的使用和安全。

7）工藝參數(shù)。根據(jù)工藝參數(shù)選擇儀表的型號、規(guī)格。工藝參數(shù)是確定儀表具體型號、規(guī)格的最終依據(jù)，工藝參數(shù)要詳細(xì)、清楚，稍有差錯就會導(dǎo)致儀表測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，甚至不能使用。例于低壓流體（如煤氣）工作壓力變化引起流量變化較大，因而壓力參數(shù)范圍要小且準(zhǔn)確。一般流量計耐壓要高于現(xiàn)場工作壓力一個等級，流體流速要達(dá)到流量計要求的最低流速，否則要縮徑處理，流量檢測元件材質(zhì)要滿足流體要求，量程范圍應(yīng)合適等。

綜上所述，不同類型的儀表其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、測量原理和方式都不相同，適用的工作條件也不一樣，其使用方法、安裝方法，每種型式都有它特有的優(yōu)缺點(diǎn)。因此在流量計選型時要多方面考慮，對流量計的特性作全面比較，綜合選擇出適于生產(chǎn)要求、安全可靠、準(zhǔn)確節(jié)能、經(jīng)濟(jì)耐用的流量儀表。

參考文獻(xiàn)：
［1］孫延祚.論流量計的合理選型［C］//第十八屆多國儀器儀表學(xué)術(shù)會議暨展覽會學(xué)術(shù)論文集，2007.
［2］蔡武昌.新型流量檢測儀表［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.(end)

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