液体流量的测量方法（二）-2

d.弹性刮板式流量计

前面所述的几种容积式流量计虽然具有较高的计量精确度，但有一个共同的弱点，即要求流经流量计的介质相当清洁，介质中固体颗粒不得大于转子与壳体之间所存在的最小间隙，否则会造成流量计卡死或因磨损而误差显著增大。故要求在流量计的上游安装过滤器，过滤网的目数必须根据所采用的流量计合理选择。但在杂质量较多的场合，过滤器极易堵塞，需进行频繁的清洗，使管线无法正常输液，例如未经处理的井口原油。
弹性刮板流量计是一种结构独特的容积式流量计，其结构如图3.36所示。作为计量部件的转子和刮板与计量腔为弹性接触，刮板具有很大的回弹余地。所以，即使介质中含有较多杂质、固体粒度较大，也可正常工作，不会发生卡死和严重的磨损现象。与腰轮流量计相比，具有运行无脉动和噪声小的优点。但计量精确度不如腰轮高，一般能做到±1%R，使用氟橡胶作弹性材料时，使用温度可达130℃。

 

 

e.螺杆式流量计

螺杆式流量计也有称双螺旋流量计和双转子流量计，其典型结构如图 3.37所示。它是由两个以径向螺旋线间隔套装的螺旋状转子组成，当液体从正方向流经转子时带动转子转动，转子与测量室壳体将流入的液体分割成已知体积的“液块”并排出，液体流量与转子的转数成正比。
螺杆式流量计的另一种结构如图3.38所示，其核心是一对螺旋回转子。

 

螺杆式流量计具有椭圆齿轮、腰轮流量计等高精确度的优点，但消除了椭圆齿轮、腰轮流量计等所固有的流量脉动和噪声大的缺点。
由于特殊设计的螺旋转子，使得转子转矩一定，等速回转，等流量，无脉动，无噪声。由于一对转子排量大，所以相同流量上限的仪表，螺杆式流量计体积小得多，重量也轻。
范围度宽，最大可达300:1。但当液体黏度很高(>100mPa·s)时，因流量上限受仪表两端压差制约，范围度有一定程度下降。
表 3.11所示为典型的螺杆式流量计测量范围。

 

   ③涡轮流量计的使用。涡轮流量计在石油成品流量测量中应用得也很广，这主要是因为石油本身是良好的润滑剂，在流量测量过程中能对轴和轴承进行良好的润滑，有利于仪表的长时期可靠运转。轴和轴承经特殊设计的涡轮流量计甚至在难度较高的液化石油气流量测量中，也能获得成功应用。

 

a.优点
·精确度高，对于液体，国内产品能做到±(0.2~0.5)%R，国外产品有的可达到±0.15%R。
·重复性好，短期重复性可达0.05%，如经常校准，可得到非常高的准确度，在定量发料、定量装桶操作中都能获得理想效果。
·输出脉冲频率信号，在与批量控制仪、流量显示表连接进行信号处理中，可基本做到不增加误差。
·范围度较宽，最大和最小流量比可达6:1~10:1，中大口径甚至可达40:1。
·惯性小，响应快，时间常数为1~50ms，变化速率较低的脉动流量引入的误差可忽略。
·结构简单、紧凑、轻巧，安装维护方便，流通能力大。如果发生故障，不影响管道内液体的输送。
·耐高压，可用于高压流体的测量。
·耐腐蚀，传感器采用耐腐蚀材料制造，能耐一般腐蚀性介质腐蚀。
b.缺点
·涡轮轴承与轴之间的摩擦导致磨损，使仪表准确度发生变化,所以用于贸易结算的表计须定期校准。现在有的产品采用宝石轴承和镍基碳化钨轴，使耐磨性得到根本改进，准确度可保持3~4年不变。
·一般涡轮流量计不适用于高黏度流体，随着黏度的增大，流量计测量下限值提高，范围度缩小，线性度变差。
·对流体的洁净程度要求较高，流量计前应加装过滤器，滤网目数与仪表口径有关，小口径目数多些，大口径目数少些。
c.仪表精确度与其范围度有关，这一点同容积式流量计相似。仪表的误差随相对流量变化的典型曲线如图3.39所示，即在20%~30%FS处仪表出现误差的“高峰”，其原因人们尚在讨论之中。在实际应用中，要避开误差大的区间才能获得高的精确度，因而引起范围度的缩小。在批量发料和定量装桶操作中，仪表运行在非常狭小的流量范围内，这时能得到极高的准确度。

 

d.仪表精确度与黏度的关系。对于同一台涡轮流量计，当所测流体的黏度变化时，其测量精确度和范围度都会有明显的变化。黏度升高，范围度缩小，误差向负方向移动，如图3.40所示。因此，黏度和温度都较高的场合不宜使用涡轮流量计。

 

e.材料的热膨胀引入误差的修正。当实际使用流体温度同校准时有很大差别时，就需按下式对仪表常数进行修正。

 

f.防止产生气穴。流体流过涡轮流量计总是有一定的压力损失，如果被测流体为易汽化的液体或干脆就处于气液平衡状态，则在流量计叶轮处很容易出现液体的部分汽化，并在叶轮的出口侧产生气穴。由于液体汽化时体积膨胀，导致仪表示值显著偏高。遇到这种情况，应设法使流量传感器出口端压力高于式(3.88)计算的最低压力。

 

g.能测量双向流的涡轮流量计。这种流量计至少有两个信号检测器，流量显示仪表同这两个检测器配合能鉴别信号的相位，从而对流向作出判断。仪表分别累积“正”向流量总量、“逆”向流量总量，并计算“正”“逆”向总量之差，最后予以显示。瞬时流量显示不仅有数值，而且有代表流动方向的符号。
④差压式流量计。前面所述的容积式流量计、涡轮流量计主要是因精确度高，在油品计量中获得广泛应用，但寿命和可靠性不尽如人意，尤其是转子式容积流量计安全性不高，因此在过程控制油品流量测量中，因精确度要求不高，首先满足可靠性，常优先选择差压流量计。例如石油炼制过程中的油品流量测量，各种工业炉窑、锅炉等燃油流量测量。
差压式流量计在油品流量测量中的应用同在水流量测量中的差异主要是黏度和冷却后易堵两个问题，有些牌号的油品黏度较高，为了不使流量测量下限被抬高，常常选用喷嘴节流装置。原油、重油、渣油等被加热后才能在管道中正常输送的流体，为了防止因冷却而堵塞引压管线，常采用冲洗油隔离和干脆取消引压管线而采用带隔离膜片的法兰式差压变送器直接装在取压口上。有些测量对象，流体中杂质含量较高，标准节流装置易因固形物沉积和对锐缘的磨损而失准，常采用楔形节流件，如图3.41所示。图中的冲洗油经恒节流孔对取压口连同短管进行连续冲洗，高低压管冲洗流量近似相等,对仪表零点的影响可以忽略。这一措施一方面可防止黏稠物堵塞取压管，另一方面在流体温度很高时，可以降低与差压变送器测量头接触的流体温度。

 

 

⑤内锥式流量计。内锥式流量计(V- Cone flowmeter)是美国MCCROMETER公司于20世纪80年代研制推向市场的一种新型差压式流量计。其结构如图3.42所示。

由于它用悬挂于管道中央的一个锥形桶来节流，因此耐磨性好，在测量含有固体颗粒的液体时，有显著的优越性。由于流体在内锥与管壁之间所构成的环缝中流过，所以在测量湿气体和饱和蒸汽时，不会积液。由于流体在由内锥与管壁所构成的环形通道中流过时，流通截面积逐渐缩小，流速加大，因而具有整流作用，所以对上游阻流件不敏感。由于它须在流量标准装置上逐台标定，而且可以将标定点误差在二次表中进行校正，所以精度可以提高。在测量气液、气固两相流方面有明显的优势。
在仪表口径较小、环形通道宽度较窄时，建议在内锥流量计前面安装过滤器，以防直径较大的固形物卡在通道内，引起示值偏高。
⑥ 超声流量计。近几年来，超声流量测量技术已发展得相当成熟，价格也在降低，其突出的优势和应用领域主要体现在以下方面。
流量换能器可不与被测介质直接接触，流体的高压、含有较多杂质以及易凝固、易结晶等恶劣条件都不对流量测量构成威胁。近几年来，超声流量计应用于重油、燃油流量测量的实例逐渐多起来。
夹装式超声流量计虽然精确度不高，但安装方便，常用于流量监视和过程控制，尤其适合无停车机会的场合。还常用来作其他流量计的比对手段，即在怀疑已经装设的液体流量计失准时，将其夹装在相应的管段，同被校表进行比对。
近几年有的公司推出的多声道超声流量计精确度达到±0.5%R。有的适用于气体，有的适用于清洁的液体，可用于贸易交接。
在超声流量计应用中，以下几方面需正确处理。

 

a.正确选型。超声流量计按工作原理分有传播时间法和多普勒(效应)法。而多普勒(效应)法是利用声学多普勒原理确定流体流量的。多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动时，会引起声波在频率上的变化，这种频率变化正比于运动的目标和静止的换能器之间的相对速度。图3.43所示是多普勒流量计示意，超声换能器安装在管外，超声换能器A向流体发出频率为fA的连续超声波，经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射，散射的超声波产生多普勒频移 fd，接收换能器B收到频率为fB的超声波，其值为：

在液体流量测量中，传播时间法超声流量计适用于洁净流体的流量测量，而多普勒超声流量计适用于固相含量较多或含有气泡的液体。
超声流量计的精确度差异很大。在传播时间法超声流量计中，大管径的带测量管的多声道流量计，精确度较高，基本误差一般可达到±(0.5~1)%R,也有高达±0.15%R，夹装式可达到±(1~3)%R。而多普勒法超声流量计一般可达到±(3~10)%FS，但当固体粒子含量基本不变时，可达±(0.5~3)%FS。
b.黏度对仪表示值的影响。式(3.91)所示的流体流速其实只是换能器声道上的流体平均流速，而人们要测量的是整个流通截面上的平均流速，由于整个截面上流速分布的不均匀，由式(3.91)测得的流速v计算平均流速时还得进行流速分布系数修正，此系数是流体雷诺数的函数。图 3.44示出此修正系数同雷诺数的关系。从图中可以看出，流体在从层流向紊流过渡的区间修正系数K存在明显的突变，这对仪表示值影响较大，而且带有一定的随机性，因为当被测流体为黏度较高的油品时，黏度随温度有大幅度的变化，很难准确计算流体的雷诺数以进行恰到好处的修正。所以在流速较低、ReD＜5000时，流量测量精确度难以提高，具体应用时应尽量避开这一段。

对于黏度较低的液体，这个问题却不用担心，例如常温条件下的水在DN150管道中流动，ReD=5000所对应的流速低于0.05m/s，在流速如此低的条件下，超声流量计精确度指标原本就定得很低，所以用户不会计较。
c.注意换能器的耐温等级。换能器的耐温等级一般有低、中、高温三种，其中高温换能器适用的流体温度可达210℃，当被测流体为重油、渣油时，由于流体温度较高，换能器连同耦合剂都应选高温型。
⑦科氏力质量流量计
a.工作原理。科里奥利质量流量计(Coriolis mass flowmeter)简称科氏力质量流量计，它是基于下述原理工作的。

 

由此可以看出，通过（直接或间接）测量在旋转管道中流动的流体施加的科氏力就能测得质量流量。
b.优点。科氏力质量流量计投入工业应用之后，尽管售价高，但仍以其不可替代的许多优点取代部分容积式流量计、速度式流量计、差压式流量计等，稳定地占领市场。其优点主要如下。
·直接测量质量流量，有很高的测量精确度。
·可测量流体范围广泛，包括高黏度流体、液固两相流体、含有微量气体的液气两相流体以及密度足够高的中高压气体。
·上、下游管路引起的旋涡流和非均匀流速分布对仪表性能无影响，通常不要求配置专门长度的直管段。
·流体黏度变化对测量值影响不显著，流体密度变化对测量值影响也极微小。
·有多路输出，可同时分别输出瞬时质量流量或体积流量、流体密度、流体温度等信号。还带有若干开关量输入输出口，某些型号仪表能实现批量操作。
·有双向流量测量功能。
c.缺点
·零点稳定性差，影响其精确度的进一步提高。
·不能用于测量密度较低的介质，如低压气体。
·液体中含气量稍高一些就会使测量误差显著增大。
·对外界振动干扰较为敏感。
·不能用于较大管径，目前只能做到DN150~DN300。
·测量管内壁磨损、腐蚀、沉积结垢会影响测量精确度。
·压力损失大，尤其是测量气压较高的液体时，压损很易导致液体汽化，出现气穴，导致误差增大甚至无法测量。

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