容積式流量計(jì)

　　簡介

　　容積式流量測量是采用固定的小容積來反復(fù)計(jì)量通過流量計(jì)的流體體積．所以，在容積式流量計(jì)內(nèi)部必須具有構(gòu)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體積的空間，通常稱其為容積式流量計(jì)的 “計(jì)量空間”或“計(jì)量室”．這個(gè)空間由儀表殼的內(nèi)壁和流量計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件一起構(gòu)成．容積式流量計(jì)的工作原理為：流體通過流量計(jì)，就會(huì)在流量計(jì)進(jìn)出口之間產(chǎn)生一定的壓力差．流量計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件（簡稱轉(zhuǎn)子）在這個(gè)壓力差作用下特產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，并將流體由入口排向出口．在這個(gè)過程中，流體一次次地充滿流量計(jì)的“計(jì)量空間”，然后又不斷地被送往出口．在給定流量計(jì)條件下，該計(jì)量空間的體積是確定的，只要測得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)．就可以得到通過流量計(jì)的流體體積的累積值。

　　容積式流量計(jì)按其測量元件分類，可分為橢圓齒輪流量計(jì)、刮板流量計(jì)、雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì)、往復(fù)活塞流量計(jì)、圓盤流量計(jì)、液封轉(zhuǎn)筒式流量計(jì)、濕式氣量計(jì)及膜式氣量計(jì)等。

　　優(yōu)點(diǎn)

　　⑴計(jì)量精度高；

　　⑵安裝管道條件對計(jì)量精度沒有影響；

　?、强捎糜诟哒扯纫后w的測量；

　?、确秶葘挘?/p>

　?、芍弊x式儀表無需外部能源可直接獲得累計(jì)，總量，清晰明了，操作簡便。

　　缺點(diǎn)

　　⑴結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大；

　　⑵被測介質(zhì)種類、口徑、介質(zhì)工作狀態(tài)局限性較大；

　?、遣贿m用于高、低溫場合；

　　⑷大部分儀表只適用于潔凈單相流體；

　　⑸產(chǎn)生噪聲及振動(dòng)。

　　應(yīng)用概況

　　容積式流量計(jì)與差壓式流量計(jì)、浮子流量計(jì)并列為三類使用量最大的流量計(jì)，常應(yīng)用于昂貴介質(zhì)（油品、天然氣等）的總量測量。

　　工業(yè)發(fā)達(dá)國家近年P(guān)D流量計(jì)（不包括家用煤氣表和家用水表）的銷售金額占流量儀表的13%~23%；中國約占20%,1990年產(chǎn)量（不包括家用煤氣表）估計(jì)為34萬臺(tái)，其中橢圓齒輪式和腰輪式分別約占70%和20%。

　　使用和維護(hù)

　　1. 液體渦輪流量計(jì)應(yīng)按照銘牌上的標(biāo)準(zhǔn)流量范圍、公稱壓力及流向標(biāo)記安裝使用。

　　2. 液體渦輪流量計(jì)應(yīng)在流體溫度為-20~+120℃、環(huán)境溫度-20~+55℃環(huán)境相對濕度不大于80%的條件下工作。

　　3. 液體渦輪流量計(jì)出廠時(shí)，是用常溫的水進(jìn)行標(biāo)定的。若所測流體與常溫的水性質(zhì)不同時(shí)，常數(shù)應(yīng)加以修正或重新用實(shí)際所測的流體標(biāo)定，但對于粘度小于5×10-6m2/s(5Mpa.s)的流體，則不必重新標(biāo)定。

　　4. 液體渦輪流量計(jì)的使用期在正常情況下，一般為半年至一年，視工作條件的惡劣程度而定。并應(yīng)定期進(jìn)行拆洗。如發(fā)現(xiàn)軸或軸承有嚴(yán)重磨損時(shí)，應(yīng)進(jìn)行更換并重新標(biāo)定。

　　誤差特性

　　對于任何一個(gè)流量測量值來說，必須包括兩部分內(nèi)容：一是流量測量值本身；二是它的誤差允許范圍．否則是不完整的．所以，對于任何一種流量計(jì)，都必須了解它的誤差特性。

　　所謂誤差特性，就是流量計(jì)的誤差值與流量測量值之間的關(guān)系。討論誤差特性，就是討論和研究測量誤差值隨流量測量值變化而變化的趨勢．

　　容積式流量計(jì)的測量誤差值E,可由指示值與真值之差與指示值之比表示．設(shè)：V為通過流量計(jì)的流體體積真值；I為流量計(jì)指示值，則誤差值E可表示為

　　E= (I - V) / I (2－5)

　　將流體體積V與指示值I之間的關(guān)系式(2－3)代入，可得：

　　E=(1－ v) / a (2－6)

　　由式2－6可見，容積式流量計(jì)的誤差特性僅與流量計(jì)內(nèi)部的計(jì)量空間體積v、儀表齒輪比常數(shù)a有關(guān)．也就是說，從測量原理的角度來說，容積式流量計(jì)的測量誤差僅與流量計(jì)的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與流體性質(zhì)和流量值無關(guān)，我們把這個(gè)誤差特性稱為容積式流量計(jì)的理想誤差特性．畫成曲線，是一條平行于橫軸的水平線．

　　然而，當(dāng)我們對容積式流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，畫出實(shí)際誤差特性曲線時(shí)，則較接近曲線2的形式．在小流量時(shí)，誤差值急劇地向負(fù)方向傾斜；隨著流量增大，誤差值逐漸由負(fù)方向向正方向移動(dòng)，并穩(wěn)定在某一定位上，誤差曲線平行于橫軸．流量繼續(xù)增加，誤差值又將向負(fù)方向偏移．實(shí)際誤差特性曲線所以呈現(xiàn)這種變化趨勢，是因?yàn)樵谟谌莘e式流量計(jì)中存在著不可避免的漏流現(xiàn)象．所謂漏流，就是流體通過轉(zhuǎn)動(dòng)件與外殼之間的間隙直接從入口流向出口，沒有被計(jì)量．以下將討論考慮了漏流現(xiàn)象的誤差特性關(guān)系式．

　　假設(shè)在單位時(shí)間內(nèi)的流體漏流量用△g表示；通過流量計(jì)的流量為qv；通過流量計(jì)總的流體體積量為V；在這一段時(shí)間內(nèi)總的漏流的體積量為△V．這株△V可表示為

　　△V= △g * V / qv (2－7)

　　所以，當(dāng)存在漏流時(shí)，轉(zhuǎn)子排出N個(gè)計(jì)量空間流體量時(shí)，實(shí)際通過流量計(jì)的流體體積為

　　V=Nv+△V (2－8)

　　將式2－2,2－7代入式2－8,可得：

　　V= I v/ a+△g * V/ q v (2－9)

　　式(2－9)可整理成：

　　V= Iv / n (1 - △g / qv ) (2－10)

　　將式(2－10)代入誤差定義式(2－5)，可得：

　　E=1－v / a (1- △g / qv) (2－11)

　　分析式2—11可見，由于計(jì)量空間體積v、齒輪比常數(shù)a均為定值，所以誤差E與流量之間的關(guān)系受單位時(shí)間漏流量△g影響．

　　若假定該容積式流量計(jì)的漏流量 △g是一恒定值，可利用式(2—11)討論其誤差曲線的變化趨勢．

　　當(dāng)流量很小，在極端情況下,qr=△g,則式(2—11)中括號內(nèi)為0,誤差值E趨向負(fù)無窮大．

　　隨著流量qv增加，式(2—11)中括號內(nèi)數(shù)值逐漸增大，誤差值E也逐漸向正方向增加。

　　當(dāng)流量繼續(xù)增加，達(dá)到△g與qv相比顯得非常小，即△g/qv很接近0時(shí)，式(2—11)轉(zhuǎn)變成式(2－6)，誤差曲線趨向于理想誤差曲線．

　　選型

　　流量計(jì)的選摘要空虛思慮功底提供的儀表?xiàng)l件。起首要思考介質(zhì)的靜壓和溫度，流量計(jì)的靜壓與耐溫也是包管儀表使用壽命與粗略度的必要一環(huán)，儀表的靜壓即耐壓水平，它應(yīng)稍大于被測介質(zhì)的任務(wù)壓力，通常取1.25倍，以保障不發(fā)生走漏或意外。第二量程規(guī)模的選擇，主假設(shè)儀表刻度上限的選擇。選小了，易過載，敗不佳儀表；選大了，有礙于測量的精確性。國度規(guī)范規(guī)定最大流量不超越滿刻度的95%；畸形流量為滿刻度的70%～85%；最小流量不小于滿刻度的30%。著末比照緊要的儀表?xiàng)l件是功底管徑，有些流量計(jì)沒有額定大口徑的，有些大口徑的流量計(jì)價(jià)值很是卑賤，當(dāng)前比照切當(dāng)大管徑的流量儀表有笛形勻速管、插入式旋渦、插入式渦輪、電磁流量計(jì)、文丘里管、超聲波流量計(jì)。

　　結(jié)構(gòu)

　　為了適應(yīng)生產(chǎn)中對流量測量的各種不同介質(zhì)和不同工作條件的要求，產(chǎn)生了各種不同型式的容積式流量計(jì)．其中比較常見的有齒輪型、刮板型和旋轉(zhuǎn)活塞型等三種型式，現(xiàn)分別介紹如下．

　　1．齒輪型容積式流量計(jì)

　　這種流量計(jì)的殼體內(nèi)裝有兩個(gè)轉(zhuǎn)子，直接或間接地相互嚙合，在流量計(jì)進(jìn)口與出口之間的壓差作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)．通過齒輪的旋轉(zhuǎn)，不斷地將充滿在齒輪與殼體之間的“計(jì)量空間”中的流體排出．通過測量齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，可得到通過流量計(jì)的流體量．

　　由圖可見，該流量計(jì)由兩橢圓齒輪相互嚙合進(jìn)行工作，其工作過程簡述如下：圖中P1表示流量計(jì)進(jìn)口流體壓力；表示出口流體壓力，顯然壓力P1大于P2．在圖1(a)中，下面轉(zhuǎn)子雖然受到流體的壓差作用，但不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，而上面齒輪在兩例差壓作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動(dòng)．由于兩個(gè)齒輪互相嚙合，故各自以O(shè)1，O2為軸心按箭頭方向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)齒輪O1將半月形計(jì)量空間的流體排向出口．在圖1(a)狀態(tài)時(shí)，上齒輪為主動(dòng)輪，下齒輪為從動(dòng)輪．在圖1(b)位置時(shí)，兩個(gè)齒輪均在流體差壓作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，并在該力矩作用下沿箭頭方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)變到圖1(c)所示的位置．這時(shí)齒輪位置與圖1(a)相反，下齒輪為主動(dòng)輪，上齒輪為從動(dòng)輪．下齒輪在進(jìn)出口流體差壓作用下旋轉(zhuǎn)，又一次將它與殼體之間的半月型“計(jì)量空間”中的流體排出．如此連續(xù)不斷運(yùn)動(dòng)，橢圓齒輪每轉(zhuǎn)一周，就排出四份“計(jì)量空間”流體體積．因此，只要讀出齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)，就可以計(jì)算出排出的液體量．參考圖2－2，可計(jì)算出排出的流體總量為

　　V=4nv

　　式中 n--齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)；

　　a，b--橢圓齒輪的長半袖，短半鈾；

　　δ-- 橢圓齒輪的厚度．

　　另一種齒輪型容積式流量計(jì)是腰輪容積流量計(jì)，也稱羅茨型容積流量計(jì)．這種流量計(jì)的工作原理和工作過程與橢圓齒輪型基本相同，同樣是依靠進(jìn)，出口流體壓力差產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，每旋轉(zhuǎn)一周排出四份“計(jì)量空間”的流體體積量．所不同的是在腰輪上沒有齒，它們不是直接相互嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)，而是通過按裝在殼體外的傳動(dòng)齒輪組進(jìn)行傳動(dòng)．

　　上述兩種轉(zhuǎn)子型式的容積流量計(jì)，可用于各種液體流量的測量，尤其是用于油流量的準(zhǔn)確測量．在高壓力、大流量的氣體流量測量中，這類流量計(jì)也有應(yīng)用．由于橢圓齒輪容積流量計(jì)直接依靠測量輪嚙合，因此對介質(zhì)的清潔要求較高，不允許有固體顆粒雜質(zhì)通過流量計(jì)．

　　2．刮板式容積流量計(jì)

　　刮板式流量計(jì)也是一種較常見的容積式流量計(jì)．在這種流量計(jì)的轉(zhuǎn)子上裝有兩對可以徑向內(nèi)外滑動(dòng)的刮板，轉(zhuǎn)子在流量計(jì)進(jìn)、出口差壓作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一周排出四份“計(jì)量空間”的流體體積．與前一類流量計(jì)相同，只要測出轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，就可以計(jì)算出排出流體的體積量．

　　較常見的凸輪式刮板流量計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2—4所示．圖中殼體的內(nèi)腔是一圓形空筒，轉(zhuǎn)子也是一個(gè)空心圓筒形物體，徑向有一定寬度，徑向在各為90°的位置開四個(gè)槽，刮板可以槽內(nèi)自由滑動(dòng)．四塊刮板由兩根連桿連結(jié)，相互垂直，在空間交叉．在每一刮板的一端裝有一小滾珠，四個(gè)滾珠均在一固定的凸輪上滾動(dòng)使刮板時(shí)仲時(shí)縮．當(dāng)相鄰兩刮板均伸出至殼體內(nèi)壁時(shí)，就形成—計(jì)量空間的標(biāo)準(zhǔn)體積．刮板在計(jì)量區(qū)段運(yùn)動(dòng)時(shí)，只隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而不滑動(dòng)，以保證其標(biāo)準(zhǔn)容積恒定．當(dāng)離開計(jì)量區(qū)段時(shí)，刮板縮入槽內(nèi)，流體從出口排出．同時(shí)，后一刮板又與其另一相鄰刮板形成第二個(gè)“計(jì)量空間”，同樣動(dòng)作．轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)一周，排出四份“計(jì)量空間”體積的流體．

　　工作原理

　　從原理上講是一臺(tái)從流體中吸收少量能量的水力發(fā)動(dòng)機(jī)，這個(gè)能量用來克服流量檢測元件和附件轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力，同時(shí)在儀表流入與流出兩端形成壓力降。

　　典型的容積式流量計(jì)（橢圓齒輪式）的工作原理如圖1所示。兩個(gè)橢圓齒輪具有相互滾動(dòng)進(jìn)行接觸旋轉(zhuǎn)的特殊形狀。P1和p2分別表示入口壓力和出口壓力，顯然p1>p2，圖1（a）下方齒輪在兩側(cè)壓力差的作用下，產(chǎn)生逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，為主動(dòng)輪；上方齒輪因兩側(cè)壓力相等，不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，是從動(dòng)輪，由下方齒輪帶動(dòng)，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。在圖1(b)位置時(shí)，兩個(gè)齒輪均在差壓作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。選裝到圖1(c)位置時(shí)，上方齒輪變?yōu)橹鲃?dòng)輪，下方齒輪則成為從動(dòng)輪，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)到與圖1(a)相同位置，完成一個(gè)循環(huán)。一次循環(huán)動(dòng)作排出四個(gè)由齒輪與殼壁間圍成的新月形空腔的流體體積，該體積稱作流量計(jì)的"循環(huán)體積"。

　　設(shè)流量計(jì)"循環(huán)體積"為υ，一定時(shí)間內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)為N，則在該時(shí)間內(nèi)流過流量計(jì)的流體體積為V，

　　則 V=Nυ （1）

　　橢圓齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)通過磁性密封聯(lián)軸器及傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)傳遞給計(jì)數(shù)器直接指示出流經(jīng)流量計(jì)的總量。若附加發(fā)信裝置后，再配以電顯示儀表可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳只是瞬時(shí)流量或累積流量。

　　雖然有許多分割方法形成各種形式的容積式流量計(jì)，但大部分都有相似的基本特征。容積式流量計(jì)產(chǎn)生誤差的主要原因是分割單個(gè)流體體積的活動(dòng)測量件和靜止測量室之間的縫隙泄漏量所形成。產(chǎn)生泄漏的原因之一是為克服活動(dòng)件摩阻力；之二是受儀表水力學(xué)阻力形成壓力降的作用。

　　容積式流量計(jì)性能的選擇

　　容積式流量計(jì)性能的選擇

　　在容積式流量計(jì)性能選擇方面主要應(yīng)考慮以下五個(gè)要素：⑴流量范圍；⑵被測介質(zhì)物性；⑶測量準(zhǔn)確度；⑷耐壓性能（工作壓力）和壓力損失；⑸使用目的。

　　⑴流量范圍

　　容積式流量計(jì)的流量范圍與被測介質(zhì)的種類（主要決定于流體粘度）、使用特點(diǎn)（連續(xù)工作還是間歇工作）、測量準(zhǔn)確度等因素有關(guān)。同一容積式流量計(jì)，對于介質(zhì)種類，用于較高粘度的

　　流體時(shí)，其流量范圍較大（主要是下限流量可以擴(kuò)展到較低的量值）；對于使用特點(diǎn)，用于間歇測量時(shí)，其流量范圍較大（主要是上限流量可以比連續(xù)工作時(shí)大）；對于測量準(zhǔn)確度，用于低準(zhǔn)確度測量時(shí)，其流量范圍較大，而用于高準(zhǔn)確度測量時(shí)，流量范圍較小。從流量計(jì)特性曲線上也可以清楚地看到這一點(diǎn)。

　　為了保持儀表良好的性能和較長的使用壽命，使用時(shí)最大流量最好應(yīng)選在儀表最大流量的70%-80%。

　　由于一般的容積式流量計(jì)體積龐大，在大流量時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大噪聲，所以一般適合中小流量測量。結(jié)合容積式流量計(jì)的性能，在需要測量大流量時(shí)，可采用45度組合腰輪結(jié)構(gòu)的流量計(jì)；在需要低噪聲工作的場合，可選用雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

　?、票粶y介質(zhì)物性

　　被測介質(zhì)物性主要考慮流體的粘性和腐蝕性?？紤]粘性以選擇合適的流量計(jì)類型，而腐蝕性是選擇流量計(jì)材質(zhì)的主要因素之一例如，用于測量各種石油產(chǎn)品的，可選用鑄鋼、鑄鐵制造的流量計(jì)；用于腐蝕性輕微的化學(xué)液體以及冷、溫水可選用銅合金制造的流量計(jì)；用于純水、高溫水、原油、瀝青、高溫液體、各種化學(xué)液體以及食品等應(yīng)選用不銹鋼制造的流量計(jì)。另外，用于食品行業(yè)的流量計(jì)，除與流體接觸的零件必須用不銹鋼及符合衛(wèi)生條件的要求外，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)易于折卸清洗，流量計(jì)內(nèi)無儲(chǔ)液部位，如橢圓齒輪流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì)等。

　?、菧y量準(zhǔn)確度

　　容積式流量計(jì)是目前測量準(zhǔn)確度最高的流量計(jì)之一。廠家在產(chǎn)品樣本上給出的測量準(zhǔn)確里是指在實(shí)驗(yàn)室參比條件下得到的基本誤差，而在實(shí)際使用中，由于現(xiàn)場條件的偏離，必然會(huì)帶來附加誤差，實(shí)際誤差應(yīng)該是基本誤差和附加誤差的合成。所以儀表選型時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場可能出現(xiàn)的問題采取措施。

　　現(xiàn)場條件對測量準(zhǔn)確度影響較大的主要有被測介質(zhì)粘度的影響和溫度的影響。

　　流體粘度對流量計(jì)誤差特性的影響在第三節(jié)已有較詳細(xì)的討論，當(dāng)實(shí)際使用的流體粘度與實(shí)驗(yàn)室檢定時(shí)的流體粘度有較大差異時(shí)，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的粘度修正。如果除流體粘度外，其他參數(shù)沒有明顯的變化，則可以用以下兩種方法進(jìn)行粘度修正。

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　　流量計(jì)的工作壓力要由流量計(jì)殼體來承受，對工作壓力的不同要求，應(yīng)選用不同材質(zhì)的受壓部件，以免引起使用上的不安全。

　　壓力損失也是選擇流量計(jì)時(shí)必須考慮的重要問題。尤其是大流量使用時(shí)，更應(yīng)注意核算流量計(jì)的壓力損失是否能滿足用戶的要求。

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　　使用目的指流量計(jì)是用于計(jì)量交接和成本核算，還是用于過程參數(shù)控制。用于計(jì)量核算的流量計(jì)主要考慮其計(jì)量精度，可以是就地指示儀表；用于過程控制的流量計(jì)主要考慮其可靠性，且應(yīng)有發(fā)信器、計(jì)數(shù)器、調(diào)節(jié)顯示儀表等各種配套設(shè)備。