§2-1 概述
一、关于流量的概念
所谓“流量”是在单位时间内流体通过管道某截面流体的体积或质量, 前者称为体积流量, 后者称为质量流量。
累积流量是指在某一段时间内流量管道流体的总和。
习惯上把测量流量的仪表叫流量计, 而把测量累积流量的仪表称为计量表。
流量测量单位是导出单位, 常用m3/s、m3/h（体积流量）和kg/s、kg/h（质量流量）等表示。
而累积流量单位常用m3和kg等表示。
二、流量测量仪表的分类
流量计按用途可分为计量表与流量计两大类。在实际工程计量中最常用的是根据所应用的原理来分类, 大体可分为容积式流量计、速度式流量计、差压式流量计、流体阻力式流量计、测速式流量计和流体振动式流量计。
§2-2 容积式流量计
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。
一、容积式流量计的分类
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:
1. 椭圆齿轮流量计
2. 腰轮流量计(又称罗茨流量计)
3. 活塞式式流量计 活塞受被测介质推动在气缸中往复运动, 每往复一次送出一定量介质, 主要用于测量较低粘度的油类, 可以测量很小的流量。
4. 刮板式流量计 在它的偏心转子上安装有刮板, 在转子旋转时由刮板与外壳间构成固定容积将介质送出流量计,再根据转子的转数确定总量。
二、测量原理
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”。
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。
三、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, 现以腰轮流量计作为范例进行说明。
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(Roots)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。
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、也有电气电子式。
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。
四、容积式流量计的优点和缺点
1. 容积式流量计的优点
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, 所得体积是直接几何量, 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。
2. 容积式流量计的缺点
容积式流量计结构复杂, 体积大, 笨重, 尤其较大口径的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(如差压式、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, 既增加压损, 又增加维护工作; 如测量含有气体的液体必须装设气体分离器。容积式流量计安全性差, 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。 部分形式容积式流量计仪表(如椭圆齿轮式、腰轮式、旋转活塞式等)在测量过程中会给流动带来脉动, 较大口径仪表还会产生噪声, 甚至是管道产生振动。 |
