测量单位时间内流经封闭管道或明渠有效截面流体量的传感器/仪表即为流量测量仪表。这流体量可以用流体体积或质量来表示,分别称之为体积流量qv和质量流量qm。按采用的检测方法不同,可将流量传感器/仪表归纳为容积式、速度式和直接质量流量式等。
容积式流量测量仪表
容积式流量测量仪表是在单位时间内以标准固定体积对流体进行度量,以排出流体的固定容积数来计算体积流量的仪表,又称定排量流量计。工业上常用的有椭圆齿轮流量计、腰轮流量计等。特点是受流体流动状态影响小,度和重复性高,适于测量高黏度、低雷诺数的流体。
椭圆齿轮流量计
在计量室内装有一对相互啮合的椭圆齿轮。在进出口流体差压作用下产生交替相互驱动,并各自绕轴做非匀角速度旋转,被测流体通过椭圆齿轮和计量室之间的新月型空腔,一份接一份地排出。通过对齿轮转数的计量,即可推算出流量值。
腰轮流量计
在计量室内装有一对腰轮,在被测介质进出口差压作用下旋转,并通过同轴驱动齿轮交替相互带动,一份份排出腰轮与计量室之间空腔中的被测流体。通过对齿轮转数的计数来推出流量值,又称罗茨流量计。
速度式流量测量仪表
速度式流量计是通过与恒定截面上的平均流速有关量的测量来显示体积流量的。涡轮流量计、涡街流量计、均速管流量计、超声流量计、电磁流量计和节流式流量计等均属此类。流体在管道截面上的流速分不对其度影响很大,因此要求流量计前后有较长的直管段。
涡轮流量计
当被测流体通过时,冲击涡轮叶片,使涡轮旋转,在一定流量范围内和一定的流体黏度下,涡轮转速与流体流速成正比,通过检测涡轮转动频率来显示体积流量。具有结构简单、度高和响应灵敏等特点。
涡街流量计
在流体中放置一个旋涡发生体(如三角柱、圆柱)、在其下游两侧就会交替出现旋涡。在一定流量范围内旋涡释放频率与流速、流量成正比。旋涡频率检测方式有热敏式、应变式和压电式等,其特点是测量范围宽、压力损失小、安装方便,特别适合于大流量测量。
均速管流量计
其测量管迎流面上有多个全压检出孔,取得流动截面上平均全压,测量管背面取压孔取得流动背压,用平均全压和背压之差来测量流动截面上的平均流速和体积流量。其特点是压损小,安装维护方便,适用于测量大管径流量。
超声流量计
通过检测超声波声能束或超声脉冲与运动流体的相互作用来测量运动流体流速和体积流量。检测方法有传播时间法、多普勒效应法等。这是发展迅速的一种流量检测技术,特别适用于大管径流量测量、含固体颗粒两相流测量、明渠流量测量等。
电磁流量计
基于法拉第电磁感应工作原理,内衬绝缘材料的非磁性管道两侧,设置一对磁极,当导电流体在管内流动时,流体切割磁力线,并在与磁场和管道轴线相垂直的管壁电极上产生感应电动势,它与截面上的平均流速成正比。测量感应电动势大小就可求得体积流量。其特点是测量范围宽,压力损失小,使用寿命长,适合于导电流体及浆液流量测量,也可用于双向的流量测量。
节流式流量计
在管道中设置使流体流束收缩的节流件,如孔板、喷嘴和文丘里管等,测量节流件两侧与流量平方成正比的差压值,就可求得流量。流量测量用的节流装置有几种形式已标准化,只要按标准进行加工和安装,就可得到流量与差压之间的刻度关系,无需个别校验与分度。节流式流量计结构简单,使用寿命长,能在高温、高压下工作,是目前工业上使用多的流量计。但它的测量范围小(量程比为3:1),安装要求严格,压力损失较大,刻度为非线性。
直接式质量流量仪表
质量流量计是指仪表输出信号直接代表单位时间流过的流体质量,度不受流体密度、黏度等变化影响,又称直接式质量流量计,如科里奥利质量流量计、角动量质量流量计、热式质量流量计等。这类仪表比较复杂,价格高,尚未普及,目前常用的是同时检测流体体积流量和密度(或温度和压力),通过运算得出质量流量值,称之为推导式质量流量计。
科里奥利质量流量计
流体在旋转的管内流动时会对管壁产生科氏力,这类流量计利用流体流过振动管道时产生的科氏力物理效应对管道两端振动相位的影响来测量流过管道的流体质量流量。可测两相流体,但通常不宜用于测液、气二相流,对流速分布不敏感,无需前直管长度安装要求,量程比可达100:1。
热式质量流量计
利用流动中的流体与热源(流体中加热的物体或测量管外加热体)之间因流体流动造成的温度场变化关系来测量流量的仪表。根据热源及测温元件与流体接触方式的不同,可分为接触式和非接触式两种。可测极低流速(可低至0.05m/s),无可动部件,不存在阻塞问题,但对流体的洁净度和直管段有一定要求。
发展趋势
概括而言,推动流量测量传感器发展的主要动力是:高精度及可靠性需求、降低采购成本及运行维护费用、技术提升因素等。
原有测量技术的升级改进
以科里奥利质量流量计为例,传统测量管径不超过dn50,不适宜于夹带气体的液体流量测量。现在ge sensing、endress+hauser、krohne、micro motion等公司可提供dn400以上的产品。特别是德国krohne公司于2012年6月14日发布了世界上款具有*的夹带气体管理功能(egm)的全新双弯管科里奥利质量流量计optimass 6400,解决了混合有气体的液体流量测量的难题,且适用温度范围宽(-200°c~+400°c),压力可高达20mpa,可用于液体、气体流量的计量。
新兴技术的涌现
随着科技进步和市场需求,涌现出了许多新兴流量测量技术,具代表性的有光学流量计和声纳流量计。
光学流量计的检测方法有多普勒效应法和传播时间法等。其中,激光多普勒光学流量计的工作原理是基于当激光束照射到流动的流体介质颗粒时,将会发生与流体颗粒流动速度成比例的波长变化(即多普勒频移效应)的激光散射,通过测量其波长变化进而推导出流体流量。传播时间式光学流量计是基于光闪烁技术来测量流量的,即当流体介质颗粒流过激光束时,引起激光散射并产生脉冲信号,通过测量两个光检测器之间信号传输的时间,就可推导出流体颗粒的流速,其实质上是基于光学激光传播时间法的流速传感器。具有宽的量程比(达1000:1),适应低流速(低为0.1m/s),测量不受被测介质温度、湿度、压力、导热性和构成成份等因素的限制,测量精度和性能不受管道振动和噪声的影响,故光学流量计特别适用于具有流速变化幅度大、输送管道管径范围宽(如烟囱、烟道、排放管或其它受限空间)的火炬气、生物气和气体污染物排放等的测量,在环保、石油、化工等领域应用前景广泛。
声纳流量计是一种基于声纳测速技术的传感器。它不同于超声波流量计,不受管垢、管道衬胶、流体磁性等的影响,可实现灰浆、污水、硫酸、气/液等单相和多相流的非侵入式、高精度、高性能和高可靠的流量测量。美国cidra公司生产的sonartrac®声纳式流量监视装置,它不仅可以测量单相流(如盐水)和多相流(如高浓度灰浆),而且也可以在线实时测量任何液相流体中所夹带的气体量,且所夹带气体量的测量范围较宽(0%~20%),测量精度也高达0.01%。由于是动态测量流体流动紊流,故不存在漂移。产品出厂标定后即可终生免除多次标定的麻烦。
从传统技术向新技术变迁
大体而言,前述流量仪表/传感器中的差压式(包括孔板、文丘里、喷嘴、均速管、楔形、道尔管、v锥等)、容积式、涡轮式等均采用传统测量技术,属经典流量技术仪表。科里奥利、电磁式、超声波、涡街、热式等属于新技术型流量仪表。相比较而言,新技术型流量传感器精度较高,无活动部件,不存在磨损问题,且常为非插入式,无压力损失,更节能,更可靠,因而成为流量仪表制造商和研发机构的主要关注点和研发投入点,并且其*也在逐年提高。据美国flowresearch流量研究机构的统计数据,科里奥利和超声波等新式流量计的*在以每年6%到8%的比例增长。
此外,依托现代mems加工技术、半导体微电子技术、信息处理和通信技术的发展,新一代的流量传感器大都集成有数字信号处理和通信等微处理器芯片,使其具备了自诊断、数据智能处理、人机对话等功能,实现了流量传感器的智能化、多功能化、信息化和微型化。
上海伊里德自动化设计有限公司
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