容积式流量计

　　简介

　　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特产生旋转，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。

　　容积式流量计按其测量元件分类，可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。

　　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。

　　应用概况

　　容积式流量计与差压式流量计、浮子流量计并列为三类使用量最大的流量计，常应用于昂贵介质（油品、天然气等）的总量测量。

　　工业发达国家近年PD流量计（不包括家用煤气表和家用水表）的销售金额占流量仪表的13%~23%；中国约占20%,1990年产量（不包括家用煤气表）估计为34万台，其中椭圆齿轮式和腰轮式分别约占70%和20%。

　　使用和维护

　　1. 液体涡轮流量计应按照铭牌上的标准流量范围、公称压力及流向标记安装使用。

　　2. 液体涡轮流量计应在流体温度为-20~+120℃、环境温度-20~+55℃环境相对湿度不大于80%的条件下工作。

　　3. 液体涡轮流量计出厂时，是用常温的水进行标定的。若所测流体与常温的水性质不同时，常数应加以修正或重新用实际所测的流体标定，但对于粘度小于5×10-6m2/s(5Mpa.s)的流体，则不必重新标定。

　　4. 液体涡轮流量计的使用期在正常情况下，一般为半年至一年，视工作条件的恶劣程度而定。并应定期进行拆洗。如发现轴或轴承有严重磨损时，应进行更换并重新标定。

　　误差特性

　　对于任何一个流量测量值来说，必须包括两部分内容：一是流量测量值本身；二是它的误差允许范围．否则是不完整的．所以，对于任何一种流量计，都必须了解它的误差特性。

　　所谓误差特性，就是流量计的误差值与流量测量值之间的关系。讨论误差特性，就是讨论和研究测量误差值随流量测量值变化而变化的趋势．

　　容积式流量计的测量误差值E,可由指示值与真值之差与指示值之比表示．设：V为通过流量计的流体体积真值；I为流量计指示值，则误差值E可表示为

　　E= (I - V) / I (2－5)

　　将流体体积V与指示值I之间的关系式(2－3)代入，可得：

　　E=(1－ v) / a (2－6)

　　由式2－6可见，容积式流量计的误差特性仅与流量计内部的计量空间体积v、仪表齿轮比常数a有关．也就是说，从测量原理的角度来说，容积式流量计的测量误差仅与流量计的几何结构有关，而与流体性质和流量值无关，我们把这个误差特性称为容积式流量计的理想误差特性．画成曲线，是一条平行于横轴的水平线．

　　然而，当我们对容积式流量计进行标定，画出实际误差特性曲线时，则较接近曲线2的形式．在小流量时，误差值急剧地向负方向倾斜；随着流量增大，误差值逐渐由负方向向正方向移动，并稳定在某一定位上，误差曲线平行于横轴．流量继续增加，误差值又将向负方向偏移．实际误差特性曲线所以呈现这种变化趋势，是因为在于容积式流量计中存在着不可避免的漏流现象．所谓漏流，就是流体通过转动件与外壳之间的间隙直接从入口流向出口，没有被计量．以下将讨论考虑了漏流现象的误差特性关系式．

　　假设在单位时间内的流体漏流量用△g表示；通过流量计的流量为qv；通过流量计总的流体体积量为V；在这一段时间内总的漏流的体积量为△V．这株△V可表示为

　　△V= △g * V / qv (2－7)

　　所以，当存在漏流时，转子排出N个计量空间流体量时，实际通过流量计的流体体积为

　　V=Nv+△V (2－8)

　　将式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)

　　将式(2－10)代入误差定义式(2－5)，可得：

　　E=1－v / a (1- △g / qv) (2－11)

　　分析式2—11可见，由于计量空间体积v、齿轮比常数a均为定值，所以误差E与流量之间的关系受单位时间漏流量△g影响．

　　若假定该容积式流量计的漏流量 △g是一恒定值，可利用式(2—11)讨论其误差曲线的变化趋势．

　　当流量很小，在极端情况下,qr=△g,则式(2—11)中括号内为0,误差值E趋向负无穷大．

　　随着流量qv增加，式(2—11)中括号内数值逐渐增大，误差值E也逐渐向正方向增加。

　　当流量继续增加，达到△g与qv相比显得非常小，即△g/qv很接近0时，式(2—11)转变成式(2－6)，误差曲线趋向于理想误差曲线．

　　选型

　　流量计的选摘要空虚思虑功底提供的仪表条件。起首要思考介质的静压和温度，流量计的静压与耐温也是包管仪表使用寿命与粗略度的必要一环，仪表的静压即耐压水平，它应稍大于被测介质的任务压力，通常取1.25倍，以保障不发生走漏或意外。第二量程规模的选择，主假设仪表刻度上限的选择。选小了，易过载，败不佳仪表；选大了，有碍于测量的精确性。国度规范规定最大流量不超越满刻度的95%；畸形流量为满刻度的70%～85%；最小流量不小于满刻度的30%。着末比照紧要的仪表条件是功底管径，有些流量计没有额定大口径的，有些大口径的流量计价值很是卑贱，当前比照切当大管径的流量仪表有笛形匀速管、插入式旋涡、插入式涡轮、电磁流量计、文丘里管、超声波流量计。

　　结构

　　为了适应生产中对流量测量的各种不同介质和不同工作条件的要求，产生了各种不同型式的容积式流量计．其中比较常见的有齿轮型、刮板型和旋转活塞型等三种型式，现分别介绍如下．

　　1．齿轮型容积式流量计

　　这种流量计的壳体内装有两个转子，直接或间接地相互啮合，在流量计进口与出口之间的压差作用下产生转动．通过齿轮的旋转，不断地将充满在齿轮与壳体之间的“计量空间”中的流体排出．通过测量齿轮转动次数，可得到通过流量计的流体量．

　　由图可见，该流量计由两椭圆齿轮相互啮合进行工作，其工作过程简述如下：图中P1表示流量计进口流体压力；表示出口流体压力，显然压力P1大于P2．在图1(a)中，下面转子虽然受到流体的压差作用，但不产生旋转力矩，而上面齿轮在两例差压作用下产生旋转力矩而转动．由于两个齿轮互相啮合，故各自以O1，O2为轴心按箭头方向旋转，同时齿轮O1将半月形计量空间的流体排向出口．在图1(a)状态时，上齿轮为主动轮，下齿轮为从动轮．在图1(b)位置时，两个齿轮均在流体差压作用下产生旋转力矩，并在该力矩作用下沿箭头方向旋转，转变到图1(c)所示的位置．这时齿轮位置与图1(a)相反，下齿轮为主动轮，上齿轮为从动轮．下齿轮在进出口流体差压作用下旋转，又一次将它与壳体之间的半月型“计量空间”中的流体排出．如此连续不断运动，椭圆齿轮每转一周，就排出四份“计量空间”流体体积．因此，只要读出齿轮的转数，就可以计算出排出的液体量．参考图2－2，可计算出排出的流体总量为

　　V=4nv

　　式中 n--齿轮的转动次数；

　　a，b--椭圆齿轮的长半袖，短半铀；

　　δ-- 椭圆齿轮的厚度．

　　另一种齿轮型容积式流量计是腰轮容积流量计，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，而是通过按装在壳体外的传动齿轮组进行传动．

　　上述两种转子型式的容积流量计，可用于各种液体流量的测量，尤其是用于油流量的准确测量．在高压力、大流量的气体流量测量中，这类流量计也有应用．由于椭圆齿轮容积流量计直接依靠测量轮啮合，因此对介质的清洁要求较高，不允许有固体颗粒杂质通过流量计．

　　2．刮板式容积流量计

　　刮板式流量计也是一种较常见的容积式流量计．在这种流量计的转子上装有两对可以径向内外滑动的刮板，转子在流量计进、出口差压作用下转动，每转动一周排出四份“计量空间”的流体体积．与前一类流量计相同，只要测出转动次数，就可以计算出排出流体的体积量．

　　较常见的凸轮式刮板流量计结构如图2—4所示．图中壳体的内腔是一圆形空筒，转子也是一个空心圆筒形物体，径向有一定宽度，径向在各为90°的位置开四个槽，刮板可以槽内自由滑动．四块刮板由两根连杆连结，相互垂直，在空间交叉．在每一刮板的一端装有一小滚珠，四个滚珠均在一固定的凸轮上滚动使刮板时仲时缩．当相邻两刮板均伸出至壳体内壁时，就形成—计量空间的标准体积．刮板在计量区段运动时，只随转子旋转而不滑动，以保证其标准容积恒定．当离开计量区段时，刮板缩入槽内，流体从出口排出．同时，后一刮板又与其另一相邻刮板形成第二个“计量空间”，同样动作．转子运动一周，排出四份“计量空间”体积的流体．

　　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p1>p2，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"。

　　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。

　　容积式流量计性能的选择

　　容积式流量计性能的选择

　　在容积式流量计性能选择方面主要应考虑以下五个要素：⑴流量范围；⑵被测介质物性；⑶测量准确度；⑷耐压性能（工作压力）和压力损失；⑸使用目的。

　　⑴流量范围

　　容积式流量计的流量范围与被测介质的种类（主要决定于流体粘度）、使用特点（连续工作还是间歇工作）、测量准确度等因素有关。同一容积式流量计，对于介质种类，用于较高粘度的

　　流体时，其流量范围较大（主要是下限流量可以扩展到较低的量值）；对于使用特点，用于间歇测量时，其流量范围较大（主要是上限流量可以比连续工作时大）；对于测量准确度，用于低准确度测量时，其流量范围较大，而用于高准确度测量时，流量范围较小。从流量计特性曲线上也可以清楚地看到这一点。

　　为了保持仪表良好的性能和较长的使用寿命，使用时最大流量最好应选在仪表最大流量的70%-80%。

　　由于一般的容积式流量计体积庞大，在大流量时会产生较大噪声，所以一般适合中小流量测量。结合容积式流量计的性能，在需要测量大流量时，可采用45度组合腰轮结构的流量计；在需要低噪声工作的场合，可选用双转子流量计。

　　⑵被测介质物性

　　被测介质物性主要考虑流体的粘性和腐蚀性。考虑粘性以选择合适的流量计类型，而腐蚀性是选择流量计材质的主要因素之一例如，用于测量各种石油产品的，可选用铸钢、铸铁制造的流量计；用于腐蚀性轻微的化学液体以及冷、温水可选用铜合金制造的流量计；用于纯水、高温水、原油、沥青、高温液体、各种化学液体以及食品等应选用不锈钢制造的流量计。另外，用于食品行业的流量计，除与流体接触的零件必须用不锈钢及符合卫生条件的要求外，在结构上应易于折卸清洗，流量计内无储液部位，如椭圆齿轮流量计、旋转活塞流量计等。

　　⑶测量准确度

　　容积式流量计是目前测量准确度最高的流量计之一。厂家在产品样本上给出的测量准确里是指在实验室参比条件下得到的基本误差，而在实际使用中，由于现场条件的偏离，必然会带来附加误差，实际误差应该是基本误差和附加误差的合成。所以仪表选型时应根据现场可能出现的问题采取措施。

　　现场条件对测量准确度影响较大的主要有被测介质粘度的影响和温度的影响。

　　流体粘度对流量计误差特性的影响在第三节已有较详细的讨论，当实际使用的流体粘度与实验室检定时的流体粘度有较大差异时，应进行相应的粘度修正。如果除流体粘度外，其他参数没有明显的变化，则可以用以下两种方法进行粘度修正。

　　⑷耐压性能（工作压力）和压力损失

　　流量计的工作压力要由流量计壳体来承受，对工作压力的不同要求，应选用不同材质的受压部件，以免引起使用上的不安全。

　　压力损失也是选择流量计时必须考虑的重要问题。尤其是大流量使用时，更应注意核算流量计的压力损失是否能满足用户的要求。

　　⑸使用目的

　　使用目的指流量计是用于计量交接和成本核算，还是用于过程参数控制。用于计量核算的流量计主要考虑其计量精度，可以是就地指示仪表；用于过程控制的流量计主要考虑其可靠性，且应有发信器、计数器、调节显示仪表等各种配套设备。