流量计基础知识

一、流量计的种类及原理

一、容积式流量计种类及原理

1、腰轮流量计

□工作原理 

腰轮流量计又称罗茨或转动流量计，当气体由进口流入，在进出口压差作用下，处于图3a位置时，腰轮Ａ上的合成力矩不平衡，故腰轮Ａ不能转动。而腰轮B上的合成力矩不平衡，故腰轮B按顺时针方向转动，同时把计量室内的气体排向出口，与此同时腰轮B转轴上的驱动齿轮带动了腰轮Ａ转轴上的驱动齿轮，使腰轮Ａ按逆时针方向转动，逐渐由图3ｂ位置到达图3ｃ位置，同样通过两腰轮上所受力矩和转动过程则形成图3ｄ位置，两腰轮如此主从交替转动，腰轮旋转一周就有四个如图中阴影部分容积的气体排出，通过腰轮的转数和齿轮减速系统，输入到指示机械从而显示出气体的总流量。

腰轮流量计主要由壳体、腰轮、驱动齿轮、出轴密封、精度修正器、计数器等组成。

特点：具有测量准确度高，量程比宽，被测气体的密度和粘度的变化对仪表示值和准确度影响小，对仪表前后直管段要求不高，但仪表传动机构复杂，制造要求高，关键件易磨损。腰轮流量计需定期清洗和添加、更换润滑油。

2、椭圆齿轮式流量计

椭圆齿轮流量计的测量部分主要由两个相互啮合的椭圆齿轮及其外壳(计量室)所构成，如下图所示：

原理与腰轮流量计的工作原理类似。

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，但不适用于含有固体颗粒的流体(固体颗粒会将齿轮卡死，以致无法测量流量)。如果被测液体介质中夹杂有气体时，也会引起测量误差。

 3、刮板式流量计

□工作原理

    如图所示，刮板在流体的推动下带动转子一起转动，转动过程中刮板在固定的凸轮的作用下依次伸出缩回，连续地与壳体壁形成计量腔计量流体体积，计量腔的容积是固定的，因此，转子的转数与流过流量计的流体体积成正比，通过减速机构在计数器中得到流体体积。

刮板流量计是一种容积式流量计量仪表用以测量封闭管道中流体的体积流量。 

    流量计可以现场显示累积流量，并有远传输出接口，与相应的光电式电脉冲转换器和流量积算仪配套使用，可进行远程测量、显示和控制。 

    流量计具有精度高，重复性好，范围度大的特点，对流量计前后直管段要求不高。

    适用较高粘度的流体，流体粘度变化对示值影响较小。适用无腐蚀性的流体，如原油、石油制品等。

结构图

    刮板流量计主要由壳体、计量体、齿轮减速机构、出轴密封机构，精度修正器、计数器等组成。

4、膜式煤气表

其特点具有测量准确度高，量程比宽，被测气体的密度和粘度的变化对仪表示值和准确度影响小，对仪表前后直管段要求不高，但仪表传动机构复杂，制造要求高，关键件易磨损。

膜式煤气表工作原理：在仪表进出口的压差作用下，气体通过滑阀和分配室，使两个计量室的隔膜形成交替进排气的往复运动；各自往复进排气一次巡回体积为一额定值即一回转体积量(Ｖ1)；与此同时连接于隔膜主轴上的传动转换机构，将隔膜一回转的次数连续输入到计数机构，进行流量累计，从而显示出气体流出的总量。如图所示。

以下为膜式煤气表的工作过程

第一过程                           第二过程

第三过程                       第四过程

二、差压式流量计种类及原理

1、质量式流量计

目前常见的直接式质量流量计有双涡轮质量流量计、动量矩式质量流量计、惯性力式质量流量计、科里奥利式质量流量计以及热式质量流量计等。此次我们介绍燃气行业上牵涉到的科里奥利式质量流量计以及热式质量流量计。

A、科里奥利式质量流量计

工作原理：如图一所示，截取一根支管，流体在其内以速度V从A流向B，将此管置于以角速度ω旋转的系统中。设旋转轴为X，与管的交点为O，由于管内流体质点在轴向以速度V、在径向以角速度ω运动，此时流体质点受到一个切向科氏力Fc。这个力作用在测量管上，在O点两边方向相反，大小相同，为：

δFc ＝ 2ωVδm 

　　因此，直接或间接测量在旋转管道中流动的流体所产生的科氏力就可以测得质量流量。这就是科里奥利质量流量计的基本原理。

科里奥利式流量计精度和稳定度较高，量程比也比较大，但是其性能价格比太高。近年来国内对Coriolis质量流量计的期望过高，认为它可以用到任何地方上。这是误解。科里奥利式流量计存在价格贵，结构复杂等特点。在平衡选择的仪表的一次性投资和常年维护费用的条件下，选用投资最佳的情况。就采用Coriolis质量流量计而言，凡是能用其它型式的流量仪表进行测量，就选用其它仪表，而不用Coriolis质量流量计，因为一般情况下，前者总比后者便宜。

B、热式质量流量计

工作原理：这种流量计的基本原理是在一很小直径(4毫米)的薄壁金属管(常用不绣钢、纯镍或蒙乃尔台金等耐蚀合金)的外壁，对称绕上四组电阻丝，相互联接组成惠斯顿电桥(见下图)，其守桥留绕组l与绕组3分内、外两层平绕于管了左侧(上游)，绕组2与6则同样地绕于管子的右侧(下游)。如图接上值电流的直流电源后，电流通过绕组而致升温，沿金属导管轴向形成一个对称分布的温度场(图中实线所示)。当气体流经导管时因气体吸热而使上游管壁温度下降，通过下游时气体放热，管壁温度上升，导致了温度场的变异，即温度最高点位置向右偏移(图中虚线所示)。电阻丝采用电阻温度系数较大的材料能灵敏地反映温度的变化而使电桥失去平衡。最后，将电桥的不平衡电压讯号放大或者转换成电流讯号。

使用范围：使用于气体比热稳定、气体成分单一、压力较稳定的气体，同时该设备开机时必须先预热。并且由于发热元件暴露在被测量气体中，要求气体成分高度清洁。所以，一般不适用天然气。

2、孔板式流量计

在管道内部装上孔板或喷咀等节流件，由于节流件的孔径小于管道内径，当流体流经节流件时，流速截面突然收缩，流速加快。节流件后端流体的静压力降低，于是在节流件前后产生静压力差(差与流见图1)，该静压力的流体流量之间有确定的数值关系，符合Q=K.△P 。用差压变送器( 或差压计) 测量节流件前后的差压，实现对流量的测量。

特点：孔板流量计的主要特点为结构易于复制，简单牢固，性能稳定可靠，使用期限长，价格低廉等，整套流量计由节流装置，差压变送器和流量显示仪（或流量计算机）组成。它们可以分别由不同厂家生产，易于形成规模生产，经济效益高，各部分组合非常灵活，但是孔板流量计亦有一些重大缺点：输出信号为模拟信号，重复性不高，对整套流量计的精确度影响因素多且错综复杂，因此精确度提高的难度很大。其它缺点为范围度窄，压损大，现场安装条件要求高等。

三、速度式

1、涡轮式

涡轮流量计是速度式流量计中的主要种类。有液体和气体两种涡轮流量计。它是以动量矩平衡原理为基础的。流体冲击涡轮叶片使涡轮旋转，涡轮转速与流量成正比，测出单位时间内的转数，转换出流量和体积累计量。

（1）轴流式气体涡轮流量计的结构特点

进入仪表的被测气体，从叶轮的轴向作用在涡轮叶片上

的气体流量计称为轴流式气体涡轮流量计。其一般的内部结构特点如下图所示。

特点：计量精度高，一般监控1.5级、贸易计量1级或0.5级；测量范围宽，一般20：1或更高；耐压高，可达10MPa；易安装，易维修；尺寸小，重量轻。因此在天然气工业中被广泛应用。

（2）径流式气体涡轮流量计的结构特点

径流式气体涡轮流量计结构原理图

进入仪表的被测气体，从叶轮的径向作用在涡轮叶片上的气体流量计称为径流式气体涡轮流量计。其一般的内部结构特点如上图所示。气体进入表体，沿环形空间上升到表芯变向涡道后，从叶轮周围沿叶轮半径朝着圆心方向吹动叶轮，气体顺叶轮中心下的通道排出。气体体积量与叶轮转数成正比。

2、超声波流量计

工作原理：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。超声波流量计由超声波换能器、信号处理电路、单片机控制系统三部分组成。在有气体流动的管道中，超声脉冲顺流传播的速度要比逆流时快；流过管道的气体的速度越快，超声顺流和逆流传播的时间差越大。

    特点：超声波流量计计量准确度可达到±0.5%，其具有准确度高、重复性好、量程比宽、抗干扰能力较强、维修量小、可测双向流等特点。为保证计量系统准确度，在现场使用前须经实流测试校准。主要替代孔板流量计。但孔板流量测量技术历史悠久，标准化程度高，使用简单可靠，一般无特殊要求时无须标定等特点，因此今后孔板计量还是一个主要手段，超声波流量计只能起到互补作用。

3、涡街流量计

涡街流量计的工作原理是靠位于流体中的柱体下游两侧有规律的旋涡来检测流量。旋涡脱落频率与流体的雷诺数相关。涡街流量计的测量原理是在流体中垂直插入一根非流线型拄状物体，即为旋涡发生体。当流速大于一定值时，在柱状物两侧将产生两排旋转方向相反、交替出现的旋涡，这两排平行的涡列成为卡门涡街，当涡街稳定时所产生的旋涡频率f和流体速度间有如下关系： 

图1—1 涡街流量计示意图

图1—2涡街流量计旋涡发生示意图

特点：与涡轮流量计相比，没有可动的机械部件，维护工作量小，仪表常数稳定；与孔板式流量计相比，涡街流量计测量范围大，压力损失小，准确度高，安装与维护简单。但涡街流量计的环境相关参数较多，容易在使用现场被忽略而影响流量计性能的正确发挥。比如：强电磁干扰、管道横向振动、介质温度变化等，计量范围一般在1：10，因此在天然气工业中用的不多。

4、旋进旋涡流量计

工作原理：当气体沿着轴向进入流量计入口，螺旋锥体强迫流体旋转，形成漩涡流丘利管旋进、节流、加速，在中心轴线处形成高速旋转的涡核，到了扩散器，因压力的变化产生回流，使涡核转折偏离轴线，形成锥旋线进动。若仪表有关的几何形状和尺寸设计合理，检测点的螺旋漩涡进动频率ｆ(Ｈｚ)与流速即流量在很宽的流量范围内成正比，经过放大整形成电脉冲信号，传输至显示部分，即可运算出流体的流量。如图所示。

特点：与涡轮流量计相比，没有可动的机械部件，维护工作量小，仪表常数稳定；与孔板式流量计相比，涡街流量计测量范围大，准确度高，安装与维护简单。但旋进旋涡流量计的环境相关参数较多，容易在使用现场被忽略而影响流量计性能的正确发挥。比如：强电磁干扰、管道横向振动、介质温度变化等，同时计量下限精度低，计量范围小，小流量计量容易被忽略，因此在天然气工业中用的不多。

四、气体修正方法

1、天然气计量标准 

天然气计量以体积表示，单位：m3。由于气体具有可以充满任意空间和可压缩性的特性，由气体状态方程式可知，作为计量用的标准体积，必须对压力、温度作出明确的统一规定，离开了状态谈论气体体积是没有意义的。 

国家石油行业标准已明确规定以温度293.15K(20℃)，压力101.325kPa时的状态为天然气计量标准状态；凡是实际状态与此标准状态不相符时，均应按气体状态方程式进行修正。 

式中：Qn---标准状态下的气体体积量，m3； 

Q---工作状态下的气体体积量，m3； 

t---工作状态下的气体温度，℃； 

P---工作状态下的表压力，kPa； 

Pa---测量时当地的大气压，kPa； 

z---气体的压缩系数。 

压缩系数z是随温度和压力而变化的，它与气体的工作压力P和气体的临界压力PC的比例(P/PC)、气体的工作温度T(K)和气体的临界温度TC(K)的比例(T/TC)有明确的函数关系。天然气的压缩系数z=1/F2z，超压缩因子Fz可在国家石油行业标准SY/T6143-1996中的附录Ａ中查出；在压力小于0.1ＭPa时，z=1。 

    天然气管网输配的实际情况是变化复杂的，常与标准状态不相符。故需采用一定的修正方式进行补偿修正。 

2、不同地区的固定人工修正系数 

    当无温度、压力自动补偿装置和压力记录仪时，并在使用压力波动不大时，可根据各地区大气压不同(北京为101.32kPa，重庆为98.32kPa，上海为101.61kPa，拉萨为65.18kPa)和温度不同制定出当地适用的固定人工修正系数K固参考表。 

按(2)式可得： 

式中：KT---平均温度修正系数； 

KP---平均压力修正系数。 

在确定的地区和一个时期内(冬季或夏季或全年)，平均温度t和平均大气压Pa可为常数；而z随P变化，故K仅随P变化。由此可列出K-P关系的当地系列压力修正系数参考表，根据实际压力P(由表前压力计近似读取)直接查出K固，即可按下式求出标准状态下的体积流量：       Qn=K固×Q 

    式中：Q---流量仪表的指示读数，m3 

3、采用压力记录仪人工定时修正系数 

    在流量仪表前安装压力记录仪，连续记录气体在24小时内的压力。将压力记录仪的起点调到当地大气压，采用100%圆图刻度记录纸，用算术平均法或相当半径法(比例求积仪)，求出静压平均格数ＸP，则： 

式中：Pmax---压力记录仪上限值，kPa。 

采用温度计，每隔2小时记录一次温度，算出当日平均温度，由此可求得KT，按(2)、(4)式即可得Qn。 

4、电子修正积算器 

    用微电子处理技术对采集的信号进行处理和计算，以实现对被测体积的精确修正。采集来自气体流量仪表的脉冲讯号，根据设定的脉冲当量值计算出未经修正的实际流量体积Q，并与测得的工况压力P(设定平均压力固定值或压力传输器引入的被测当前压力)、工况温度T(设定平均温度固定值或温度传感器引入的被测当前温度)、压缩ｚ(设定为固定值或输入公式自动计算)、当地大气压Pa，按(1)式进行软件设计，使其自动计算出标准体积。它可与气体涡轮流量计、腰轮流量计、漩涡流量计、膜式煤气表等配合使用。

五、流量计的选型

在天然气工业中，对各种参数的测量，如温度，压力等，以流量测量最复杂，业较难测得很准确。流量的测量方法和原理也最多，各式各样，五花八门。迄今，各种流量仪表不下几十种，甚至上百种。目前，无论哪一种流量仪表也无法把另一种仪表挤出市场，而独霸天下，而是各有各的适用领域。在流量仪表选型时，在能满足用途的条件下，凡是能选用简单、可靠的，就不选用结构复杂的。此外，在平衡选择的仪表的一次性投资和常年维持费用的条件下，选用投资最佳的情况。以下为天然气工业中几种最常用的计量仪表性能情况。

以下为几种计量仪表特性情况