管道流量计原理概述及注意事项

简介

流量计的作用是通过测量以回答如下这类问题:目前的流量是多少升,或是到现在为止使用了多少升 ? 流量计实际上在各种领域都有应用。例如,流量计可以用于在有 10 升汽油时停止供油,或是给医院的病人施用 500 cc 药物后停止给药。在农业自动化领域,流量计的主要作用是管理水和肥液的流量。

管道水和土壤中的水

当前大家熟悉的是管道的水,成熟的测量技术几乎都是基于管道的,以下我们转载了基恩士的相关材料。
我们认为土壤中的水分运动是复杂版本的毛细管水分运动,但不管怎么样要想深刻理解土壤中水分运动,建议你先把以下的这些资料熟悉。

瞬时流量与累计流量

工厂自动化中的流量控制一般属于两种流量测量类型之一。

瞬时流量

“瞬时流量”表示固定单位时间长度内的流过体积。例如,1 分钟用掉 10 升流量,则瞬时流量等于 10 L/min。例如:每分钟必须给真空泵输送 10 升冷却水。

累计流量

“累计流量”表示从测量开始到结束累计的流量值。例如,以瞬时流量 100 L/min 将水流入水罐中,持续一小时,则累计流量等于 6000 升。例如:这台磨床一天使用多少冷却剂 ?

流量计显示内容

新型的流量计有时配有内置指示器。这是因为没有数字显示器的话,要进行精确设置是极其困难的。管路内的流量可以通过管道直径、产生液体流的压力以及液体的粘度等物理要素确定。不过,如果要精确了解管道中的实际流量,却没有什么简单的办法。如果使用不带指示器的流量计,即便只是发出针对精确值的下限报警,也必须按如下步骤进行“测定”。
测量正常流量

  1. 安装流量计与阀门。
  2. 确保流量处于正常状态,然后开始放水。
  3. 让流水蓄积一段固定的时间。
  4. 根据所蓄积水的重量或体积求出瞬时流量。
    执行报警设置
  5. 放水并拧紧阀门。设定一个下限报警值。
  6. 测量蓄积在容器中的水。然后确认是否为高于下限报警值所对应的瞬时流量。
  7. 完成之后,对流量计进行设置,使流量计能够发出信号。

选择流量计时,请按以下步骤执行:

【1】确认检测流体的性质
【2】确认测量目的并决定检测方法
【3】确认产品规范
【4】考虑成本

【1】首先,必须确认检测流体的性质。

流体性质 具体内容
流体类型·流体名 首先要确认检测流体的类型,是“气体”、“液体”、“蒸汽”?如果是液体的话,是“冷却水”、“水”、“切削油”……?
密度 可以根据流体名、温度以及压力得知。
粘度 不同液体具有不同的粘度,可以通过流体名和温度得知。
电导率 使用电磁型流量计时,需要确认电导率。
污染物 流体是否含有气泡、混入的异物、泥浆等。
流量范围 不同流量计适合的流量范围不同,所以需要确认使用时的最小与最大流量。
流体温度 有些流量计的材质不耐高温或不耐温差,所以测量高温或温度变化剧烈的流体时,需要注意。
流体压力用 不同流量计可承受的压力不同。在检测气体时压力也可用作计算气体密度。
压力损失 有些流量计会产生压力损失。

【2】接着要弄清测量目的。此时,要确定一个可选的检测系统,同时兼顾精度与流量范围等性质。
【3】确定检测方法之后,要仔细了解型号规格并做出决定。
【4】最后,比较成本。由于拆除流量计也要花费时间,因此在做决定时不仅要考虑产品的单价,还要考虑安装之后的维护时间,以及设置成本或故障排除成本。一般来说,产品单价低时,可能就需要频繁维护,或是会频繁发生故障。
流量计适用范围的比较

电磁型 卡门涡流型 叶轮型 浮子型 热型 膜片型 超声波型 科里奥利型
液体 不可
气态 不可 不可 视条件
蒸汽 不可 不可 不可 视条件 不可
高温
小流量 视条件 不可 不可 视条件 不可
中等流量 视条件 视条件
大流量 视条件 视条件
粘度 不可 不可 视条件 不可 不可 视条件
泥浆 视条件 不可 视条件 不可
不可 不可 不可
精确 视条件 视条件 不可
可维护性 不可 不可 不可 不可
压力损失 视条件 不可 视条件 不可 不可 不可
气泡 视条件 视条件 视条件 视条件 不可 不可 不可

1.电磁流量计

原理

电磁流量计利用法拉第感应定律来检测流量。
在电磁流量计内部有一个产生磁场的电磁线圈,以及用于捕获电动势(电压)的电极。正是由于这一点,电磁流量计才可以在管道内似乎什么也没有的情况下仍然可以测量流量。
按照法拉第感应定律,磁场内流动的导电液体会产生电动势(电压),此电动势与管道内径、磁场强度以及平均流速都成比例。换句话说,在磁场中流动的液体的流速会转换成电。(E 与 V × B × D 成比例)
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随着流量变化,电极捕获的电动势(电压)也会按如下所述变化。
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电磁流量计的特点

根据上文所述的原理,电磁流量计一般具有以下特点。
优点
・不受液体的温度、压力、密度或粘度的影响
・能够检测包含污染物(固体、气泡)的液体
・没有压力损失
・没有可动部件(提高可靠性)
缺点
・无法检测不导电的气体与液体
・需要一段不长的直管

电导率

使用电磁流量计时,有一点要特别注意。由于电磁流量计基于电磁感应定律,因此只能检测导电液体的流量。是不是导电液体取决于电导率为何。那什么是电导率呢?
电导率通常是表示电流动容易程度的一个值。与其相对的数值是电阻率,它表示电流动的困难程度。常用单位是 S/cm(西门子每厘米)。要确定电流动的容易程度,方法是将 1 cm2的电极相距 1 cm放置。一些实际测量的导电率示例如下,自来水的电导率在100到200 μS/cm之间,矿泉水为100到500 μS/cm之间,纯水为0.1 μS/cm或以下。
为了计算电导率,有必要正确计算电极面积与电极间的距离等条件。这使得计算相当困难。确定电导率的一般方法是使用电导率计(US$50-1000)进行测量。

2.卡门涡流流量计

原理

此设备属于涡流流量计,利用的是西奥多 · 冯· 卡门 (Theodore von Karman) 于 1912 年从理论上证明的一个定律。在流动的流体中存在柱状障碍物(涡流发生体)时,将会在下游生成交替涡流。
流体的流速与涡流频率互成比例。因此,检测涡流脉冲数量便能够测出流量。主要检测方法是使用压电元件来感测涡流振动。不过使用超声波来检测涡流振动更为可靠。
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卡门涡流流量计的特点
优点
・没有机械可动部件
• 可以检测液体、气体以及蒸汽
• 由于没有电极,因此具有耐化学性优异的特点
• 量程大、精度高
缺点
・由于它会限制流道,因此将发生压力损失
• 水垢与包含固体的液体会造成堵塞
• 对高粘度流体不适用
• 对管道振动敏感
• 需要一段直管

3.桨轮流量计

原理

它属于涡轮流量计。叶轮流量计通常分为两种机械类型,如下所述:
(1) 横向叶轮流量计,带有水轮结构
(2) 轴向叶轮流量计,带有风车结构

流量与叶轮的转速相互成比例。这样,用流动的流体产生的力来转动叶轮,就可以根据转速测出流量。通过在回转轴中与叶轮的边缘上嵌入磁铁,便可以提取出脉冲形式的信号,从而得出转动数量以换算流量。

【流量计算方法】

每脉冲流量 × 脉冲数 ÷ 时间= 瞬时流量

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桨轮流量计的特点
优点
・优异的可重复性与响应能力
・结构简单,价格低廉
・紧凑却能执行大容量的测量
缺点
・对异物极其敏感(导致堵塞)
・由于叶轮高速旋转,因此需要定期维护,以处理轴向磨损问题或是更换叶轮

4.浮子流量计

原理

它属于面积流量计。主流方法是在锥形管(越向上宽度越大)中悬浮一个浮子。流体被迫进入锥形管与浮子之间时,便会形成压力差。此时,浮子会停留在压力差产生的向上的力与浮子重力产生的向下的力相平衡的区域。得到的显示结果就是瞬时流量。
锥形管通常用透明材料制作并根据流量进行校准,这样就可以直接从管子读取流量。也有一些类型在浮子中内置磁铁,使用磁传感器进行检测。
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浮子流量计的特点
优点
・能够检测气体、液体以及蒸汽
・价格一般较低
・压力损失相对较小
缺点
・精度不是非常高
・对包含固体的流体不适用(将会发生堵塞)
・直接读数型在锥形管变脏时,将看不见浮子(需要经常维护)

5.热流量计

原理

流体接触到加热后的物体时,会从物体上带走热量,流体的温度得以升高。热流量计利用这个原理来测量流量。热流量计可以分为两类:
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温差测量法

在流体中安装一个加热器,在上游与下游两个点测量流体温度。然后根据这两点之间的温差得出流量。这主要用在流量低的应用场合。

功耗测量法

在流体中安装一个加热器,在上游与下游两个点测量流体温度。通过对加热器进行控制,使这两个点之间的温差保持恒定。流量根据维持这个温度所需的功率得出。

加热器

热流量计的特点

优点
・能够检测气体
• 基本没有压力损失
• 可以对质量流量进行测量
缺点
・流体的温度变化时会产生误差
• 设置与流体的类型和成分相匹配的规范比较困难
• 温度传感器或加热元件上有沉淀物/ 积垢时会产生误差

6.压力膜片流量计

原理

它属于压力差流量计。就流量计产量而言,压力差流量计当前占据很大的市场份额。利用伯努利原理,在流动的流体流道中安装一个故意用来产生压力损失的节流孔板。测量节流孔板前后的压力差。节流孔板产生的压力损失、流速以及流量之间的关系如下:

流量小 ⇒ 流速小 ⇒ 节流孔板产生的压力损失小
流量大 ⇒ 流速大 ⇒ 节流孔板产生的压力损失大

上游与下游之间的压力差用压力膜片来检测。
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膜片流量计的特点

优点
・能够检测液体、气体以及蒸汽
・价格一般较低
・没有可动部件
缺点
・由于有节流孔板,会产生很大的压力损失
・对包含固体的流体不适用(会发生堵塞)
・由于对紊流敏感,因此需要一段较长的直管

7.超声波流量计

原理

还有一类流量计使用超声波传感器。其中最普遍的形式是利用称为传播时间或飞行时间的原理。

[ 传播时间流量计]

超声波按照倾斜角度横穿过管道中的流体后被交替接收 / 发送。穿过水前进的超声波与水的流向相反时,传播速度将变慢;相反,与水的流向相同时,传播速度将变快。这两个超声波的传播时间差将被换算成流量。
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超声波流量计的特点
优点
・没有压力损失
・具有能够从管路外面进行检测的类型
缺点
・需要一段较长的直管
・含有较大固体物的液体将会导致故障
・有很多气泡时无法测试

8.科里奥利流量计

原理

科里奥利流量计在其自身内部利用称为科里奥利效应的物理现象。如下图所示,流体流过振动的 U 形管时,科里奥利效应便会起作用, 使流入端 A 与流出端 B 之间的流动反向,并且将管道扭曲。根据科里奥利效应,物体的重量与速度互成比例关系,因此通过测量扭曲量, 便可以知道质量流量。
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科里奥利流量计的特点
优点
・高精度
・可以对质量流量进行测量
・不需要一段直管
・高响应速度
・能检测高粘度液体
・可以测量密度
缺点
・与其它检测原理相比价格较高
・压力损失较大
・易受振动的影响
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什么是科里奥利效应?
以太阳做参考系,在北半球,从赤道向正北方向射出的子弹将略微向东(向右)偏离目标。
这是因为地球自西向东自转,在赤道上处于静止状态的物体的运动速度非常快,因此惯性效应会在目标点处体现出来。
类似地,如果U形管中点处的振幅增大到产生巨大的振动,则一旦流体流过管子内部,就会产生科里奥利效应,而其中流体的质量与速度(质量流量)互成比例。
该效应在流入端与流出端的作用方向相反,从而将管道扭曲。通过比较管道流入端与流出端的输出电压信号、进行计算,然后测量扭曲量,便可以知道质量流量。

流量计故障根源

在此汇总流量控制中多发故障的原因。流量管理需要持续监控和准确的测量。如果流量计/流量传感器发生异常,可能导致产品品质和生产效率降低、作业机械损坏。如果维护和修理非常耗时,那么不仅是成本问题,还会导致巨大的机会损失。为了避免引发此类重大故障,了解原因并采取必要措施进行流量控制至关重要。

1.水垢

这是指地下水或自来水中包含的金属离子结晶并粘附在管路内壁后所产生的物体。它们由钙、锰以及钠等元素组成。如果积有太多层的水垢,则管路内的流道会变窄并限制流量。水垢也有可能粘附到流量计内部,对流量计的正常工作产生不利影响。此外对于具有机械部件的流量计,可能会有从积垢上剥落的碎片导致堵塞的情况发生。

使用浮子与叶轮流量计时,可能会发生显示装置无法读数或者运动机构卡住的情况。电磁型流量计几乎不会有问题,但如果流道内壁附有厚厚一层水垢,则流量计可能会无法感测所产生的电压,此时将需要进行维护。

2.淤积物

这是描述流体中存在的悬浮物与沉淀物的一般术语。在生产线上,这通常包括来自磨床的碎屑与磨粒。淤积物随流体一起持续循环,导致流量计堵塞或是造成噪声干扰。对于在管路中有机械部件的流量计,可能会发生轴向磨损与磨蚀,从而降低流量。虽然可以使用滤网* 或磁力分离器对淤积物进行控制,但彻底去除很难,因此仍需要维护。

使用电磁型流量计时,流动管道具有自由流动结构,因此不会发生积聚与堵塞。淤积物与“湿”电极碰撞时可能会产生干扰。不过,这些效应可利用具有“非湿”电极的电磁流量传感器加以限制。此外,能够调整响应时间与采样频率的流量传感器更不易受干扰。

  • 滤网
    用于滤除流体中较大颗粒杂质(淤积物)的过滤器。如下图所示,流体通过金属网进行过滤。该过滤器可以拆下并进行清洁。

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3.铁锈

与水垢不同,这是管道内发生氧化时的问题。在流体中添加阻蚀剂可防止生锈,但未使用的管道接触到空气时仍会生锈。水再次流经管道时,铁锈便会剥落成碎片,导致流量计内部发生堵塞,或是粘附到浮子流量计的观察窗上。

铁锈会引起与针对“淤积物”列出的事项相同的基本问题。

4.粘质物

这包括水中的生命物质,如藻类与微生物。它类似于泥巴,有粘性。与水垢一样,它也会在叶轮型流量计中产生堵塞与阻碍,并且会使浮子型流量计的可见部分模糊不清。

使用电磁型流量计时,流动管道具有自由流动结构,因此不会发生积聚与堵塞。此外,由于粘质物物质本身具有导电性,因此仍然能够进行检测。
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5.泥浆

泥浆是包含一定量同质固体颗粒的液体总称,包括包含磨料的液体等。个体颗粒可能会造成流量计内部磨损,或是会凝结成块导致堵塞。

管道阻力会造成流量计的轴磨损与堵塞。使用电磁型流量计时,流动管道具有自由流动结构,因此磨损与堵塞的程度很小。泥浆在科里奥利型流量计中也可检测。

6.气泡

液体从入口流入时,空气也可能会混入其中,连同混入液体中的杂质形成了气泡,并且会由于温度变化而聚集。在涡流流量计中,气泡会干扰卡门涡流的形成,而在超声波流量计中,超声波的传播会受到抑制,从而导致故障或读数错误。

由于科里奥利型流量计测量的是质量流量,因此不受气泡的影响。使用电磁型流量计时,流量可能会不稳定。由于检测时利用的液体中包含气泡,因此要减去气泡质量才能得到液体的实际质量。
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7.非均匀流速分布

流体流过一段足够长的直管之后,流速在圆形管道内的分布就会稳定。另一方面,弯曲管道或是管道直径变化都会导致流速分布不稳定。不稳定的流速分布有如下两种:偏流,流速分布的中心偏离管道中心;旋流,流体沿着平行于流动方向的轴线边旋转边流动。在这种状态下进行流量测量,可能会导致测量误差变大。

测量误差的程度根据流速分布的不稳定程度而定。在上游安装直管段,使流速分布稳定后进行测量。(粗略地说,直管段的长度应该是流道内径的5倍。)
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8.脉动

脉动较大时,瞬时流量可能会在瞬间超出流量计的额定流量。此时,流量计显示的流量小于实际流过管道的流量。容积式往复泵是一种容易有较大脉动的泵。

为减小脉动,可以考虑采用蓄能器等减振器。此外,脉动导致流量计的数值随时间变化时,可通过延长流量计的响应时间来保证数值稳定。

9.管路振动

流体流过管道或发生阀门开闭时,管道本身会发生振动。此外,设备与装置运行时产生的振动可能也会传至管道。

科里奥利流量计与卡门涡流流量计可能会由于振动而无法正确测量流量。而电磁与超声波型流量计基本不会有此问题。(对于超声波型流量计来说,因为超声波的频率与管道振动差异很大,所以可以忽略其影响。)

1.什么是压力损失 ?

举例而言,如果流道的一部分受到限制,下游压力将从受限区域开始减小。
这称为压力损失。压力损失是能量损失,不仅下游压力会降低,流量与流速同样会减小。

压力表A与压力表B之间的压力差就是压力损失。限流是造成压力损失的原因之一。很长的管路也会以类似方式产生压力损失。
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在生产线上发生压力损失时,循环冷却水的流量便会降低,这会导致各种质量与生产问题。要纠正这个问题,理想的办法是拆除产生压力损失的部件。不过在大多数情况下是通过提高循环泵所产生的压力,以及/ 或提高泵本身的功率来处理压力损失。这种措施会浪费能源,产生不必要的成本。

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2.导致“压力损失”的因素

[1]缩小管道直径

存在直径差异的管路接头会导致压力损失,这是因为它限制了流道。

[2]弯曲管路

通常,液体按照惯性法则笔直流动。但是,在弯曲段将会与惯性法则相反而改变运动方向,因此产生能量损失。能量损失导致压力降低。

[3]安装开 / 关阀

如果球阀或类似阀门保持完全打开,则应该不会存在压力损失。不过,对于在阀内存在流道改变的阀门,即便全开也会发生压力损失。
完全打开时会形成自由流动结构,因此没有压力损失。
即便完全打开,也会因为流道被改变而产生压力损失。

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[4]安装流量计

如工作原理部分所述,压差流量计(膜片型)用限流板产生压力损失以便测量流量。此外,卡门涡流流量计对流道进行限制并加快流速,以便为压电元件提供稳定的振动。叶轮流量计也会限制流道,以便在小流量时能产生足够大的推力使叶轮转动。这些类型的流量计很容易造成压力损失。相反,电磁型、非插入式热型以及超声波型流量计在进行检测时不需要限制流道,因此在压力损失方面有明显的优势。

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