流量计是工业中最常用的仪表之一,也是水处理过程中常见的设备,了解流量计的原理,优缺点,掌握常见故障处理方法,才能及时判断并解决生产过程中遇到的问题。下面就来讲讲常用8种流量计的原理、优缺点、
腰轮流量计属于一种容积式流量计,油库常用的腰轮流量计有LL-80等型号,主要由计量腔体、腰轮、驱动齿轮、计数器等组成。其中腰轮一般组合成对,并紧密咬合在一起,因腰轮横切面似“8”字,而被广泛称为腰轮流量计。腰轮安装在流量计壳体内,与壳体间的空隙形成一个计量腔体,而腰轮通过联动轴与表盘指针相连,当油料通过流量计时,在流量计的进出口形成压差,腰轮在此压差的推动下旋转,在腰轮轴上驱动齿轮的带动下,使两个腰轮相互啮合和联动,将油料连续不断地向前推进。随着腰轮的旋转,油料从计量腔体不断排出,通过单次排出的体积和转动次数即可得出流出的油料体积。由于腰轮转速较快,需通过密封联轴器、减速机构、调差齿轮,将旋转次数减速后传递到计数器,计数器可显示腰轮流量计的单次流量和累计流量。
优点:腰轮流量计产品设计新颖,外形美观。具有重量轻、精度高,安装使用方便等特点。是容积式流量计的典型产品之一。缺点:
体积大、笨重、压损较大、运行中振动较大等。利用互成45度角的两对腰轮结构,可以大大减小运行中的振动噪声。
当被测液体经管道进入流量计时,由于进出口处产生的压力差推动一对齿轮连续旋转,不断地把经初月形空腔计量后的液体输送到出口处,椭圆齿轮的转数与每次排量四倍的乘积即为被测液体流量的总量。
椭圆齿轮流量计属于容积式流量计,流量测量与液体的流动状态无关,基本无需直管段,这是因为椭圆齿轮流量计是依靠被测介质的压头推动椭圆齿轮旋转而进行计量的。粘度愈大的介质,介质从从齿轮和计量间隙中泄漏量愈小,则设计误差则越小。椭圆齿轮流量计计量精度高,适用于高粘度介质流量的测量,两齿轮间粘合度较高,但不适用于含有固体颗粒的流体,在测量液体时如果夹杂固体易造成齿轮卡死。介质中含有气体,会导致测量误差。
充满管道的流体,当它流经管道内的节流件时,流速将在节流件处形成局部收缩,因而流速增加,静压力降低,于是在节流件前后便产生了压差。流体流量愈大,产生的压差愈大,这样可依据压差来衡量流量的大小。这种测量方法是以流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)为基础的。压差的大小不仅与流量还与其他许多因素有关。
优点:(1)结构简单、牢固,性能稳定可靠,使用期限长,价格低廉;(2)检测件与差压显示仪表可分开不同生产厂生产,便于专业化形成规模经济生产,它们的结合非常灵活方便;(3)标准型的检测件,是全世界通用的,并得到国际标准组织的认可;(4)标准型差压装置无需实流校准即可投用,只要按标准设计加工不需要进行实际标定,也能在已知的不确定度范围内进行流量测量且能满足工程测量的需要。缺点:
(1)测量准确度普遍偏低;(2)范围度窄,一般仅3:1~4:1;(3)现场安装条件要求高;(4)压损大。针对上述不足,近年国内生产厂推出一系列改进办法,如一体式差压流量计、定值节流件、可换孔板节流装置、采用标准喷嘴等等。根据差压式流量计的特点,要想在工作中获得准确测量结果,就必须全面掌握流量测量的方式、测量介质、测量装置、流体工况、检验标准等情况。可广泛应用于电力、化工、石化、石油、天然气、冶金轻工等,对于高温、高压介质的流量测量尤其具有优势。
金属浮子流量计的浮子在测量管中,随着流量的变化浮子上下移动,在某一位置浮子所受的浮力与浮子重力达到平衡。此时浮子与孔板(或锥管)间的流通环隙面积保持一定。环隙面积与浮子的上升高度成正比,即浮子在测量管中上升的位置代表流量的大小,变化浮子的位置由内部磁铁传输到外部的指示器,使指示器正确地指示此时的流量值。这就使得指示器不和测量介质直接接触,测量介质如果有腐蚀性,只需将接触介质部分做好防腐衬里就可以正常使用。
优缺点金属管浮子流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降,改变它们之间形成的流通环隙面积来进行测量的体积流量仪表。
优点是结构简单、工作可靠、价格低廉、反应快、使用维护方便。主要适用于中小管径、低流速和较低雷诺数的单相液体或气体的中小流量测量。
缺点是由于其浮子为可动部件,当流体流速超过一定值或介质压力不稳时,浮子稳定性变差,容易产生振荡。
流体流经传感器壳体,由于叶轮的叶片与流向有一定的角度,流体的冲力使叶片具有转动力矩,克服摩擦力矩和流体阻力之后叶片旋转,在力矩平衡后转速稳定。在一定的条件下,转速与流速成正比,由于叶片有导磁性,它处于信号检测器,由永久磁钢和线圈组成,的磁场中,旋转的叶片切割磁力线,周期性的改变着线圈的磁通量,从而使线圈两端感应出电脉冲信号。
此信号经过放大器的放大整形,形成有一定幅度的连续的矩形脉冲波,可远传至显示仪表,显示出流体的瞬时流量或总量。
(1)精度高:液体0.15%~0.5%,气体1%~1.5%;(2)重复性好:0.05%~0.2%;(3)量程比宽:10~50:1;(4)脉冲信号输出,抗干扰能力强;(5)耐压高、压力损失小、反应速度快。缺点:
(1)轴承与轴之间的摩擦导致磨损,使仪表的准确度下降;(2)要求被检测介质洁净,减少对轴承的磨损,并防止涡轮被卡住,应在变送器前加过滤装置;(3)流量计受来流流速分布畸变和旋转流的影响较大,不适于脉动流和混相流的测量;(4)小口径(DN50以下)仪表的流量特性受物质性影响严重,故小口径的仪表性能难以提高;(5)难以长期保持较准确性,需要定期检查。
电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的流量计。电磁流量计的优点是压损极小,可测流量范围大。最大流量与最小流量的比值一般为20:1以上,适用的工业管径范围宽,最大可达3m,输出信号和被测流量成线性,精确度较高,可测量电导率≥5μs/cm的酸、碱、盐溶液、水、污水、腐蚀性液体以及泥浆、矿浆、纸浆等的流体流量。但它不能测量气体、蒸汽以及纯净水的流量。
优点:(1)测量通道是段光滑直管,不会阻塞,适用于测量含固体颗粒的液固二相流体,如纸浆、泥浆、污水等;(2)不产生流量检测所造成的压力损失,节能效果好;(3)所测得体积流量实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的明显影响;(4)流量范围大,口径范围宽;(5)可应用腐蚀性流体。缺点:
(1)电磁流量计的应用有一定局限性,它只能测量导电介质的液体流量,不能测量非导电介质的流量,例如气体和水处理较好的供热用水。另外在高温条件下其衬里需考虑。(2)电磁流量计是通过测量导电液体的速度确定工作状态下的体积流量。按照计量要求,对于液态介质,应测量质量流量,测量介质流量应涉及到流体的密度,不同流体介质具有不同的密度,而且随温度变化。如果电磁流量计转换器不考虑流体密度,仅给出常温状态下的体积流量是不合适的。(3)电磁流量计的安装与调试比其它流量计复杂,且要求更严格。变送器和转换器必须配套使用,两者之间不能用两种不同型号的仪表配用。在安装变送器时,从安装地点的选择到具体的安装调试,必须严格按照产品说明书要求进行。安装地点不能有振动,不能有强磁场。在安装时必须使变送器和管道有良好的接触及良好的接地。变送器的电位与被测流体等电位。在使用时,必须排尽测量管中存留的气体,否则会造成较大的测量误差。(4)电磁流量计用来测量带有污垢的粘性液体时,粘性物或沉淀物附着在测量管内壁或电极上,使变送器输出电势变化,带来测量误差,电极上污垢物达到一定厚度,可能导致仪表无法测量。(5)供水管道结垢或磨损改变内径尺寸,将影响原定的流量值,造成测量误差。如100mm口径仪表内径变化1mm会带来约2%附加误差。(6)变送器的测量信号为很小的毫伏级电势信号,除流量信号外,还夹杂一些与流量无关的信号,如同相电压、正交电压及共模电压等。为了准确测量流量,必须消除各种干扰信号,有效放大流量信号。应该提高流量转换器的性能,最好采用微处理机型的转换器,用它来控制励磁电压,按被测流体性质选择励磁方式和频率,可以排除同相干扰和正交干扰。但改进的仪表结构复杂,成本较高。(7)价格较高。应用概况:
电磁流量计应用领域广泛,大口径仪表较多应用于给排水工程;中小口径常用于高要求或难测场合;小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。EMF从50年代初进入工业应用以来,使用领域日益扩展,80年代后期起在各国流量仪表销售金额中已占16%~20%。我国近年发展迅速,1994年销售估计为6500~7500台。国内已生产最大口径为2~6m的ENF,并有实流校验口径3m的设备能力。
涡街流量计也称为旋涡流量计,其具体工作原理如下:在流体流动管道中,垂直流动方向插入一个非流线型的柱状物体,当流体绕过柱状体流动时,会发生附面层分离引起速度增加,同时局部压力下降,进而形成背压流动现象,同时引发体两侧轮流发出两列并排且旋转方向相反的旋涡,如下图所示。
旋涡产生时一侧压力下降,产生一个从另一侧到本侧方向的作用力,另一侧产生旋涡时,就会产生一个方向相反的力,这样发生体就会受到一个可以检测涡街发生频率的交变作用力(俗称“升力”)。经过推导,管内流速和体积流量分别满足以下方程,在可测量范围内和工作状态下,知道流量计的仪表常数,就可以根据涡街发生频率计算出工作状态下流体的体积流率。
优点:(1)结构简单、牢固、安装与维护方便,相比节流装置减少泄露、堵塞和冻结等现象;(2)精确度较高,相对偏差在正负1%~1.5%之间;(3)测量范围较宽,在合理口径下,范围度可以达到20:1;(4)压降低,约为节流式压差流量计的25%~50%;(5)在一定雷诺数范围内,输出频率不受流体物性(密度和粘度)和组成的影响,仪表系数仅与旋涡发生体及管道的形状、尺寸有关。缺点:
(1)对管道机械振动较为敏感,不适用强烈振动场合;(2)口径越大,分辨率越低,一般满管式流量计用于DN400以下;(3)流体温度太高时,传感器制作会有困难,一般物流温度小于等于420℃;(4)当流体有压力脉动或流量脉动时,示值大幅度偏高,影响较大,即不适用于脉动流。
利用外部热源对管道内的被测流体加热,热能随流体一起流动,通过测量因流体流动而造成的热量(温度)变化来反映出流体的质量流量。
(1)质量流量计直接测得流体的质量流量,其变送器转换的电流信号无需开方。(2)使用寿命长,维护率低。质量流量计的测量主体为一根 U 形管,U 形管两开口端固定,流体由此流入流出,管道内无障碍物,无可动部件,故障因素少,安装维护方便。(3)多功能。质量流量计可同时测得流量、密度、温度等多个现场变量 , 变送器有两路可以单独组态的输出信号,可用于显示流量、密度、温度等测量值,一台质量流量计可替代多台测量仪表。(4)精度高。对于液体大都能够达到 ±0.1±( 零点的稳定性 / 实际流量 )×100%,气体能达到 ±0.5±( 零点的稳定性 / 实际流量 )×100%。裂解炉进料控制中使用的质量流量计的零点稳定性分别是 CMF200M418NU 型为 2.18KG/H,CMF200M419NU 型 为 2.18KG/H 和 CMF300M426NU 型 为6.80KG/H。(5)质量流量计的阻尼时间可调。(6) 质量流量计具有很强的回路自诊断功能,方便故障查找。由于流体的容积受温度、压力等参数的影响,用容积流量表示流量大小时需给出介质的参数。在介质参数不断变化的情况下,往往难以达到这一要求,而造成仪表显示值失真。因此,质量流量计就得到广泛的应用和重视。质量流量计分直接式和间接式两种。直接式质量流量计利用与质量流量直接有关的原理进行测量,目前常用的有量热式、角动量式、振动陀螺式、马格努斯效应式和科里奥利力式等质量流量计。间接式质量流量计是用密度计与容积流量直接相乘求得质量流量的。
在现代工业生产中,流动工质的温度、压力等运行参数不断提高,在高温高压的情况下,由于材质和结构等方面的原因,直接式质量流量计的应用遇到困难,而间接式质量流量计由于密度计受湿度和压力适用范围的限制,往往也不好实际应用。因此,在工业生产中广泛采用的是温度压力补偿式质量流量计。可把它看作一种间接式质量流量计,不是配用密度计,而是利用温度、压力与密度间的关系,用温度、压力信号经函数运算为密度信号,与容积流量相乘而得到质量流量.目前温度、压力补偿式质量流量计虽已实用化,但当被测介质参数变化范围很大或很迅速时,正确地补偿将很困难或不可能,因此进一步研究在实际生产中适用的质量流量计和密度计还是一个课题。
原理超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速,从而换算成流量。超声脉冲穿过管道从一个传感器到达另一个传感器,就像一个渡船的船夫在横渡一条河。当气体不流动时,声脉冲以相同的速度(声速,C)在两个方向上传播。如果管道中的气体有一定流速V(该流速不等于零),则顺着流动方向的声脉冲会传输得快些,而逆着流动方向的声脉冲会传输得慢些。这样,顺流传输时间tD会短些,而逆流传输时间tU会长些。这里所说的长些或短些都是与气体不流动时的传输时间相比而言;根据检测的方式,可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。超声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种。
优点:超声波流量计非接触式仪表,适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。使用超声波流量计,不用在流体中安装测量元件,故不会改变流体的流动状态,不产生附加阻力,仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。多普勒法超声波流量计可测双相介质的流量,故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。在发电厂中,用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量,比过去的皮脱管流速计方便得多。超声波流量计也可用于气体测量。管径的适用范围从2cm到5m,从几米宽的明渠、暗渠到500m宽的河流都可适用。缺点:主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制,以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前我国只能用于测量200℃以下的流体。另外,超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。这是因为,一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米,而声波在液体中的传播速度约为1500m/s左右,被测流体流速(流量)变化带给声速的变化量最大也是10-3数量级.若要求测量流速的准确度为1%,则对声速的测量准确度需为10-5~10-6数量级,因此必须有完善的测量线路才能实现,这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。