流量計的分類(lèi)

流量計的分類(lèi)目前還沒(méi)有統一的規定。根據不同的原則有不同的分類(lèi)方法，如目的、原理、方法和結構、流體的形式以及用途等形式。這里對應用子封閉式管道的流量計的測量方法進(jìn)行分類(lèi)。

以下主要介紹一部分物理效應的體積流量計和質(zhì)量流量計的原理、結構以及應用情況等。這些流量計包括轉子流量計、電磁流量計、渦街流量計、超聲波流量計。

1、轉子流量計

轉子流量計又稱(chēng)浮子流量計，是變面積式流量計的一種，它是由一個(gè)錐形管和一個(gè)置于錐形管內可以上下自由移動(dòng)的轉子(也稱(chēng)浮子)構成。轉子流量計本體可以用兩端法蘭、螺紋或軟管與測量管道連接，垂直安裝在測量管道上。當流體自下而上流入錐管時(shí)，被轉子截流，這樣在轉子上、下游之間產(chǎn)生壓力差，轉子在壓力差的作用下上升，這時(shí)作用在轉子上的力有三個(gè)：流體對轉子的動(dòng)壓力（向上）、轉子在流體中的浮力（向上）和轉子自身的重力（向下）。

流量計垂直安裝時(shí)，轉子重心與錐管管軸會(huì )相重合，作用在轉子上的三個(gè)力都平行于管軸。當這三個(gè)力達到平衡時(shí)，轉子就平穩地浮在錐管內某一位置上。此時(shí)，重力=動(dòng)壓力+浮力。對于給定的轉子流量計，轉子大小和形狀己經(jīng)確定，因此它在流體中的浮力和自身重力都是已知的常量，唯有流體對浮子的動(dòng)壓力是隨來(lái)流流速的大小而變化的。因此當來(lái)流流速變大或變小時(shí)，轉子將作向上或向下的移動(dòng)，相應位置的流動(dòng)截面積也發(fā)生變化，直到流速變成平衡時(shí)對應的速度，轉子就在新的位置上穩定。對于一臺給定的轉子流量計，轉子在錐管中的位置與流體流經(jīng)錐管的流量的大小成一一對應關(guān)系。這就是轉子流童計的計量原理。

 轉子穩定時(shí)公式：

其中：

t為轉子的密度；

f為流體的密度；

V為轉子的體積；

P為轉子前后的壓差（P是一常數）；

A為轉子的最大截面積。

 

2、電磁流量計

電磁流量計測量原理是基于法拉第電磁感應規律。流量計的測量管是一內襯絕緣材料的非導磁合金短管。兩只電極沿管徑方向穿通管壁固定在測量管上。其電極頭于襯里內表面基本齊平。勵磁線(xiàn)圈由雙向方波脈沖勵磁時(shí)，將在與測量管軸線(xiàn)垂直的方向上產(chǎn)生一磁通量密度為B的工作磁場(chǎng)。此時(shí)，如果具有一定電導率的流體流經(jīng)測量管，將切割磁力線(xiàn)感應出電動(dòng)勢E。電動(dòng)勢E正比于磁通量密度B，測量管內徑d與平均流速   的乘積、電動(dòng)勢E（流量信號）由電極檢出并通過(guò)電纜送至轉換器。轉換器將流量信號放大處理后，可顯示流體流量，并能輸出脈沖，模擬電流信號，用于流量的測量和控制。

式中： E---------為電極間的信號電壓（v）

       B---------磁通密度（T）

       d---------測量管內徑(m)

         --------平均流速（m/s）

       K---------常數

由于K為常數，勵磁電流是恒流的，故B也是常數，則由（1-1）式可知，體積流量Q與信號電壓E成正比，即流速感應的信號電壓E與體積流量Q成線(xiàn)性關(guān)系。因此，只要測量出E就可確定流量Q，這就是電磁流量計的基本工作原理。

由(1-1）式可知，被測流體介質(zhì)的溫度、密度、壓力、導電率、液固兩相流體介質(zhì)的液固成分比等參數不會(huì )影響測量結果。至于流動(dòng)狀態(tài)只要符合軸對稱(chēng)流動(dòng)（如層流或紊流）就不會(huì )影響測量結果的。因此說(shuō)電磁流量計是一種真正的體積流量計。

 

3、渦街流量計

渦街流量計是由設計在流場(chǎng)中的旋渦發(fā)生體、檢測探頭及相應的電子線(xiàn)路等組成。當流體流經(jīng)旋渦發(fā)生體時(shí)，它的兩側就形成了交替變化的兩排旋渦，這種旋渦被稱(chēng)為卡門(mén)渦街。斯特羅哈爾在卡門(mén)渦街理論的基礎上又提出了卡門(mén)渦街的頻率與流體的流速成正比，并給出了頻率與流速的關(guān)系式：

f = St × V/d

式中：f 渦街發(fā)生頻率 (Hz)

V旋渦發(fā)生體兩側的平均流速(m/s )

St 斯特羅哈爾系數（常數）

這些交替變化的旋渦就形成了一系列交替變化的負壓力，該壓力作用在檢測探頭上，便產(chǎn)生一系列交變電信號，經(jīng)過(guò)前置放大器轉換、整形、放大處理后，輸出與旋渦同步成正比的脈沖頻率信號或標準信號。

在流體管道中，垂直插入—個(gè)柱形阻擋物，在其后部（相對于流體流向）兩側就會(huì )交替地產(chǎn)生旋渦。隨著(zhù)流體向下游流動(dòng)形成旋渦列，我們稱(chēng)之為卡門(mén)渦街。我們把產(chǎn)生旋渦的柱形阻擋物定義為旋渦發(fā)生體在一定條件下旋渦的分離頻率與流體的流速成線(xiàn)性關(guān)系。因而，只要檢測出旋渦分離的頻率，即可計算出管道內流體的流速或流量。

 

4、超聲波流量計

超聲波流量計在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)就載上流體流速的信息。因此通過(guò)接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。超聲脈沖穿過(guò)管道從一個(gè)傳感器到達另一個(gè)傳感器，就像一個(gè)渡船的船夫在橫渡一條河。當氣體不流動(dòng)時(shí)，聲脈沖以相同的速度（聲速，C）在兩個(gè)方向上傳播。如果管道中的氣體有一定流速V（該流速不等于零），則順著(zhù)流動(dòng)方向的聲脈沖會(huì )傳輸得快些，而逆著(zhù)流動(dòng)方向的聲脈沖會(huì )傳輸得慢些。這樣，順流傳輸時(shí)間tD會(huì )短些，而逆流傳輸時(shí)間tU會(huì )長(cháng)些。這里所說(shuō)的長(cháng)些或短些都是與氣體不流動(dòng)時(shí)的傳輸時(shí)間相比而言；根據檢測的方式，可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關(guān)法等不同類(lèi)型的超聲波流量計。起聲波流量計是近十幾年來(lái)隨著(zhù)集成電路技術(shù)迅速發(fā)展才開(kāi)始應用的一種。

根據對信號檢測的原理，目前超聲波流量計大致可分傳播速度差法(包括：直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法、頻差法)波束偏移法、多普勒法、相關(guān)法、空間濾波法及噪聲法等類(lèi)型。其中以噪聲法原理及結構最簡(jiǎn)單，便于測量和攜帶，價(jià)格便宜但準確度較低，適于在流量測量準確度要求不高的場(chǎng)合使用。由于直接時(shí)差法、時(shí)差法、頻差法和相位差法的基本原理都是通過(guò)測量超聲波脈沖順流和逆流傳報時(shí)速度之差來(lái)反映流體的流速的，故又統稱(chēng)為傳播速度差法。其中頻差法和時(shí)差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來(lái)的誤差，準確度較高，所以被廣泛采用。按照換能器的配置方法不同，傳播速度差撥又分為：Z法(透過(guò)法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。

波束偏移法是利用超聲波束在流體中的傳播方向隨流體流速變化而產(chǎn)生偏移來(lái)反映流體流速的，低流速時(shí)，靈敏度很低適用性不大．

多普勒法是利用聲學(xué)多普勒原理，通過(guò)測量不均勻流體中散射體散射的超聲波多普勒頻移來(lái)確定流體流量的，適用于含懸浮顆粒、氣泡等流體流量測量。

相關(guān)法是利用相關(guān)技術(shù)測量流量，原理上，此法的測量準確度與流體中的聲速無(wú)關(guān)，因而與流體溫度，濃度等無(wú)關(guān)，因而測量準確度高，適用范圍廣。但相關(guān)器價(jià)格貴，線(xiàn)路比較復雜。在微處理機普及應用后，這個(gè)缺點(diǎn)可以克服。

噪聲法(聽(tīng)音法)是利用管道內流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲與流體的流速有關(guān)的原理，通過(guò)檢測噪聲表示流速或流量值。其方法簡(jiǎn)單，設備價(jià)格便宜，但準確度低。 

以上幾種方法各有特點(diǎn)，應根據被測流體性質(zhì)．流速分布情況、管路安裝地點(diǎn)以及對測量準確度的要求等因素進(jìn)行選擇。一般說(shuō)來(lái)由于工業(yè)生產(chǎn)中工質(zhì)的溫度常不能保持恒定，故多采用頻差法及時(shí)差法。只有在管徑很大時(shí)才采用直接時(shí)差法。對換能器安裝方法的選擇原則一般是：當流體沿管軸平行流動(dòng)時(shí)，選用Z法；當流動(dòng)方向與管鈾不平行或管路安裝地點(diǎn)使換能器安裝間隔受到限制時(shí)，采用V法或X法。當流場(chǎng)分布不均勻而表前直管段又較短時(shí)，也可采用多聲道(例如雙聲道或四聲道)來(lái)克服流速擾動(dòng)帶來(lái)的流量測量誤差。多普勒法適于測量?jì)上嗔?，可避免常規儀表由懸浮?；驓馀菰斐傻亩氯?、磨損、附著(zhù)而不能運行的弊病，因而得以迅速發(fā)展。隨著(zhù)工業(yè)的發(fā)展及節能工作的開(kāi)展，煤油混合(COM)、煤水泥合(CWM)燃料的輸送和應用以及燃料油加水助燃等節能方法的發(fā)展，都為多普勒超聲波流量計應用開(kāi)辟廣闊前景。