容积式流量计

容积式流量计刘文武前言容积式流量计又称排量流量计（positivedisplacementflowmeter），简称PD流量计或PDF，在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量体积总量。PD流量计一般不具有时间基准，为得到瞬时流量值需要另外附加测量时间的装置。定排量测量方法可追溯到18世纪，20世纪30年代进入普遍商业应用。1234容积式流量计的原理容积式流量计的优缺点容积式流量计的分类容积式流量计的应用目录CONTENTS容积式流量计的原理容积式流量计的基本介绍容积式流量计是直接根据排出流体体积进行流量累计的仪表。它由测量室、运动部件、传动和显示部件组成。设测量室的固定标准容积为V，在某一时间间隔内经过流量计排出的流体的固定标准容积数为n,则被测流体的体积总量Q为Q=nV。利用计数器通过传动机构测出运动部件的转数n,便可显示出被测流体的流量Q。容积式流量计的运动部件有往复运动和旋转运动两种。容积式流量计的基本介绍容积式流量测量是采用固定的小容积来反复计量通过流量计的流体体积。所以，在容积式流量计内部必须具有构成一个标准体积的空间，通常称其为容积式流量计的“计量空间”或“计量室”。这个空间由仪表壳的内壁和流量计转动部件一起构成。容积式流量计的工作原理为：流体通过流量计，就会在流量计进出口之间产生一定的压力差。流量计的转动部件（简称转子）在这个压力差作用下产生旋转，并将流体由入口排向出口。在这个过程中，流体一次次地充满流量计的“计量空间”，然后又不断地被送往出口。在给定流量计条件下，该计量空间的体积是确定的，只要测得转子的转动次数。就可以得到通过流量计的流体体积的累积值。容积式流量计的工作原理从原理上讲是一台从流体中吸收少量能量的水力发动机，这个能量用来克服流量检测元件和附件转动的摩擦力，同时在仪表流入与流出两端形成压力降。典型的容积式流量计（椭圆齿轮式）的工作原理如图1所示。两个椭圆齿轮具有相互滚动进行接触旋转的特殊形状。P1和p2分别表示入口压力和出口压力，显然p1p2，图1（a）下方齿轮在两侧压力差的作用下，产生逆时针方向旋转，为主动轮；上方齿轮因两侧压力相等，不产生旋转力矩，是从动轮，由下方齿轮带动，顺时针方向旋转。在图1(b)位置时，两个齿轮均在差压作用下产生旋转力矩，继续旋转。选装到图1(c)位置时，上方齿轮变为主动轮，下方齿轮则成为从动轮，继续旋转到与图1(a)相同位置，完成一个循环。一次循环动作排出四个由齿轮与壳壁间围成的新月形空腔的流体体积，该体积称作流量计的循环体积。容积式流量计的工作原理设流量计循环体积为υ，一定时间内齿轮转动次数为N，则在该时间内流过流量计的流体体积为V，则V=Nυ（1）椭圆齿轮的转动通过磁性密封联轴器及传动减速机构传递给计数器直接指示出流经流量计的总量。若附加发信装置后，再配以电显示仪表可实现远传只是瞬时流量或累积流量。虽然有许多分割方法形成各种形式的容积式流量计，但大部分都有相似的基本特征。容积式流量计产生误差的主要原因是分割单个流体体积的活动测量件和静止测量室之间的缝隙泄漏量所形成。产生泄漏的原因之一是为克服活动件摩阻力；之二是受仪表水力学阻力形成压力降的作用。容积式流量计的结构PDF品种繁多，结构形式亦多种多样，但其主要部件组成大同小异，现举腰轮流量计作为范例说明。腰轮流量计的构造框图如图2所示。流量由测量部和积算部两大部分组成，必要时可附加自动温度补偿器、自动压力补偿器、发信器和高温延伸（散热）件等。1）计量室腰轮流量计由一对腰轮和壳体构成，两腰轮是有互为共轭曲线的转子，即罗茨（Roots）轮，与腰轮同轴装有驱动齿轮，被测流量推动转子旋转，转子间由驱动齿轮相互驱动。腰轮、计量室壳体一般由铸铁、铸钢或不锈钢制成，要根据流体腐蚀性及其工作压力、温度选用。计量室也有单独制成，与仪表外壳分离，这样计量室就不承受静压，没有静压引起变形的附加误差。容积式流量计的结构2）传动机构传动机构包括磁性联轴器（或机械密封装置）和减速变速机构。变速调整机构由齿轮对组合而成。3）积算器和指示表头类型较多，有指针式指示和数字式指示；有不带复位计数器和带复位计数器；也由带瞬时流量指示，带打印机，带设定部，等等。4）自动温度补偿器对被测介质温度变化影响进行连续自动补偿，有机械式、也有电气电子式。5）自动压力补偿器对被测介质静压变化影响作自动修正。6）发信器发信器有多种形式，有接触式和非接触式。容积式流量计的优缺点容积式流量计的优点PDF计量精度高，基本误差一般为±0.5％R，特殊的可达±0.2％R或更高。通常在昂贵介质或需要精确计量的场合使用。PDF在旋转流和管道阻流件流速场畸变时对计量精确度没有影响，没有前置直管段要求。这一点在现场使用中有重要的意义。PDF可用于高粘度流体的测量。范围度宽，一般为10：1到5：1，特殊的可达30：1或更大。PDF是直读式仪表，无需外部能源，可直接获得累计总量，清晰明了，操作简便。在以体积流量计组合的间接法质量流量测量中，PDF与速度式等推导体积流量计相比，所的体积是直接几何量，体积量的影响因素要单纯些。在不适合采取密度计测量的高压天然气测量中，不易处理的气体压缩系数，用PDF可间接求得。容积式流量计的缺点PDF结构复杂，体积大，笨重，尤其较大口径PDF体积庞大，故一般只适用于中小口径。与其他几类通用流量计（如差压式、浮子式、电磁式）相比，PDF的被测介质种类、介质工况（温度、压力）、口径局限性较大，适应范围窄。由于高温下零件热膨胀、变形，低温下材质变脆等问题，PDF一般不适用于高低温场合。目前可使用温度范围大致在-30～+160℃，压力最高为10MPa。大部分PDF仪表只适用洁净单相流体，含有颗粒、脏污物时上游需装过滤器，既增加压损，又增加维护工作；如测量含有气体的液体必须装设气体分离器。PDF安全性差，如检测活动件卡死，流体就无法通过，断流管系就不能应用。但有些结构设计（如Instromet公司腰轮流量计）在壳体内置一旁路，当检测活动元件卡死，流体可从旁路通过。部分形式PDF仪表（如椭圆齿轮式、腰轮式、旋转活塞式等）在测量过程中会给流动带来脉动，较大口径仪表还会产生噪声，甚至是管道产生振动。容积式流量计的缺点优点⑴计量精度高；⑵安装管道条件对计量精度没有影响；⑶可用于高粘度液体的测量；⑷范围度宽；⑸直读式仪表无需外部能源可直接获得累计，总量，清晰明了，操作简便。缺点⑴结构复杂，体积庞大；⑵被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大；⑶不适用于高、低温场合；⑷大部分仪表只适用于洁净单相流体；⑸产生噪声及振动。容积式流量计的分类容积式流量计的分类PDF品种繁多，可按不同原则分类。按测量元件结构分类有如下型式：1）转子式2）刮板式3）旋转活塞式4）膜式等容积式流量计的分类膜式与上述湿式气表相对应，膜式仪表又称干式仪表；又因广泛应用于家庭煤气（燃气）耗量计量，故习惯又称家用煤气表，但实际上系列中大规格仪表用于厂矿及工业生产流程。工作原理如图4所示，有皿形隔膜形成的能自由伸缩的计量室1、2、3、4及与之联动的滑阀组成的流量测量件，在薄膜伸缩及滑阀的作用下，连续将气体从入口送至出口，测出这种动作的循环次数，即可获得所通过的体积。按照OIML国际建议No.31《膜式气体流量计》有14档规格，流量范围0.016-1000m3/h，范围度很宽达100：1，中等测量精度，为±（2～3）％R。容积式流量计的分类1.双转子式流量计是容积式流量计的主要品种，形式多规格全，可用于液体和气体各种介质的测量。2.椭圆齿轮流量计,它的流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。3.腰轮容积流量计,腰轮容积流量计也称罗茨型容积流量计。这种流量计的工作原理和工作过程与椭圆齿轮型基本相同，同样是依靠进、出口流体压力差产生运动，每旋转一周排出四份“计量空间”的流体体积量。所不同的是在腰轮上没有齿，它们不是直接相互啮合转动，而是通过安装在壳体外的传动齿轮组进行传动。容积式流量计的分类4.刮板式，流体推动刮板和转子旋转，刮板沿着一种特殊的轨迹成放射状地伸出收回。每两个相对刮板端面之间的距离为一定值，刮板连续转动时，两个相邻的刮板、转子、壳体内腔及上下盖板之间形成一个固定的计量室，转子每转一圈,排出四个(或六个)计量室容积,即循环体积.按刮板与腔壁是不接触可分为弹性刮板和刚性刮板两类,弹性刮板前端与腔壁弹性接触，适用于测量含有砂粒等杂质的液体;刚性刮板前端与腔壁保持有固定极小间隙,用于清洁或带有微细粉状杂质的液体。刚性刮板的结构又可分为凹线式(英AveryHardoll型)和凸轮式(美Smith型)5.旋转活塞式，将环形活塞插入两层圆筒形气缸的壳体中，构成岁液体的流动环形活塞在壳体内旋转的形式，流量计口径DN20-100mm，测量精度5%R。可用于油品和食品的测量。6.往复活塞式。活塞在流体的推动下，在气缸中王府运动，计量体积流量，通常加油站的加油机就是此种类型，流量为60L/min，测量精度为±（0.15-0.3）%R容积式流量计的分类7.圆盘式。又称章动流量计，带有中心球的圆盘在计量室内旋转很上下摆动的章动运动，进入和排出液，与其他PDF相比精度较差，粘度影响较大。8.转筒式。又称湿气气量计，是用于测量气体总量。流量计壳体内有约一半封液（水或油），转筒一半寖入封液中，气体流入使其转动，其密封像是为无泄漏。范围度宽为20∶1，性能稳定，在精心操作下可获得较高的精准度。，为±（0.2-0.5）%R，大多在实验室用，常用作量值传递用表或标准表。容积式流量计的应用应用概况PDF由于具有精确的计量特性，在石油、化工、涂料、医药、食品以及能源等工业部门计量昂贵介质的总量或流量。在这些流程工业中进药液注入、抽出或混合配比控制，化学液中触媒、硬化剂、聚合防止剂等添加剂的定量注入，向食品流体和化妆品添加香料，涂装线涂料的定量供给等。PDF最大用途是石油制品等的储运交接和分发等计量，这些应用领域可作为财务核算的依据或作为纳税和买卖双方执行合同的法定计量。具有高精度、长期性能保持性和良好重复性的高品质PDF，在比较法流量标准装置中用作标准流量计（又称校准用流量计，referenceflowmeter或masterflowmeter）作流量量值传递。PDF相对庞大笨重，尤其是大流量、大口径仪表，逐渐被涡轮式、电磁式、涡街式和科里奥利质量式替代一部分。然而其优良的重复性和精度长期保持性等性能优势，仍能保持着许多应用领域，在可预见的未来不会全被其它仪表所替代。PDF在国外还广泛应用于液化石油气，在我国则尚处于起动初始阶段。选用考虑因素根据PDF的特点，应着重考虑以下因素。1）使用目的是流程控制／工程管理还是储运交接／财贸核算？2）操作是连续测量还是间歇测量？使用的最高流量、常用流量、最小流量各位多少？3）最高、常用、最小工作温度和压力，允许的压损各位多少？4）被测介质的种类和特点，包括粘度、腐蚀性、夹带物的量和粒度尺寸。5）对流量计进行校准方法，离线校准还是现场校准？6）管线泵送种类，能力，有无脉动？7）安装场所可用空间情况。选用考虑因素一.流量范围、范围度、精确度、重复性各制造厂通常按被测介质种类（主要区别是粘度）、使用特点（连续使用或间歇使用）及测量精度规定流量范围。为了保持仪表良好的性能和较长的使用寿命，连续使用时的最大流量建议选在仪表最高（上限）流量的80％为宜。若制造厂未按介质类别和使用特点明确规定适宜的流量范围，则可参照下述原则选定：以用于中等粘度、有润滑性油品的仪表上限流量为100％，用于无润滑性低粘度液体（如汽油、液化石油气）时上限流量降为70％-80％，用于100℃左右水时则为40％-60％，高粘度液体为75％-85％；间歇使用时的最大流量可为上限流量的100％；连续使用时的最大流量、中等粘度液体为上限流量的80％，低粘度液体为50％-60％，高粘度液体亦为50％～60％。大部分