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(shí)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(jì)，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(jì)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(jì)、容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、浮子流量計(jì)、渦街流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)，不同原理的流量計(jì)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(jì)測量原理和應(yīng)用范圍

1）差壓式流量計(jì)。差壓式流量計(jì)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(shí)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(jì)。容積式流量計(jì)是利用機(jī)械測量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個(gè)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(jì)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(jì)。當(dāng)流體流經(jīng)傳感器殼體時(shí)，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(jì)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(jià)格較貴，不適用于高、低溫場合。

4）電磁流量計(jì)。電磁流量計(jì)原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。電磁流量計(jì)不受溫度、壓力、黏度、重度等外界因素影響，流量計(jì)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(jì)是導(dǎo)電液體測量的最佳選擇，同時(shí)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(jì)測量范圍廣，測量精度高，一般為0.5級。

5）浮子流量計(jì)。浮子流量計(jì)檢測元件是由一根自下向上擴(kuò)大的垂直錐形管和一個(gè)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(shí)，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(jì)適用于小管徑、低流速、小流量的測量。浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)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(jì)。其原理是通過測量超聲波脈沖順流和逆流傳播時(shí)速度之差來測量流體的流速。流量計(jì)安裝要求嚴(yán)格，對兩點(diǎn)距離要求精確，同時(shí)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(jì)。渦街流量計(jì)是應(yīng)用流體振蕩原理來測量流量的。渦街流量計(jì)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(shí)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(jì)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(jì)。質(zhì)量流量計(jì)是依據(jù)科里奧利原理［2］?？蓽y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(jià)格較高。

3 選型分析

流體流量是一個(gè)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(jì)，且材質(zhì)要求耐磨，而不選用插入式流量計(jì)或結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低的靶式、渦輪流量計(jì)，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(shí)，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(jì)和渦街流量計(jì)基本適應(yīng)以上流體。導(dǎo)電性液體可首選電磁流量計(jì)，小管徑液體、氣體測量可選用浮子流量計(jì)，潔凈單相高黏度液體、氣體的測量可選用容積式流量計(jì)。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(jì)，不適應(yīng)高低溫流體，如容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)。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(jì)和渦街流量計(jì)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(jì)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?，F(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(jì)；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(jì)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(jì)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(jì)。

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(jì)、電磁流量計(jì)、彎管流量計(jì)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(jì)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(jì)其價(jià)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(jì)的標(biāo)定非常重要，由于大部分類型的流量計(jì)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(cuò)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(jì)耐壓要高于現(xiàn)場工作壓力一個(gè)等級，流體流速要達(dá)到流量計(jì)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(jì)選型時(shí)要多方面考慮，對流量計(jì)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(jì)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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