容積流量計詳解

1、前 言

容積式流量計又稱排量流量計（positivedisplacement flowmeter），簡稱PD流量計或PDF，在流量儀表中是精度最高的一類。它利用機械測量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個已知的體積部分，根據(jù)計量室逐次、重復地充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來測量流量體積總量。PD流量計一般不具有時間基準，為得到瞬時流量值需要另外附加測量時間的裝置。定排量測量方法可追溯到18世紀，20世紀30年代進入普遍商業(yè)應(yīng)用。

2、原理

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

典型的PDF（橢圓齒輪式）的工作原理如圖1所示。兩個橢圓齒輪具有相互滾動進行接觸旋轉(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)生逆時針方向旋轉(zhuǎn)，為主動輪；上方齒輪因兩側(cè)壓力相等，不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，是從動輪，由下方齒輪帶動，順時針方向旋轉(zhuǎn)。在圖1(b)位置時，兩個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，上方齒輪變?yōu)橹鲃虞啠路烬X輪則成為從動輪，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)到與圖1(a)相同位置，完成一個循環(huán)。一次循環(huán)動作排出四個由齒輪與殼壁間圍成的新月形空腔的流體體積，該體積稱作流量計的"循環(huán)體積"。

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

則 V＝Nυ （1）

橢圓齒輪的轉(zhuǎn)動通過磁性密封聯(lián)軸器及傳動減速機構(gòu)傳遞給計數(shù)器直接指示出流經(jīng)流量計的總量。若附加發(fā)信裝置后，再配以電顯示儀表可實現(xiàn)遠傳只是瞬時流量或累積流量。

雖然有許多分割方法形成各種形式的PDF，但大部分都有相似的基本特征。PDF產(chǎn)生誤差的主要原因是分割單個流體體積的活動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件摩阻力；之二是受儀表水力學阻力形成壓力降的作用。

3、結(jié)構(gòu)

PDF品種繁多，結(jié)構(gòu)形式亦多種多樣，但其主要部件組成大同小異，現(xiàn)舉腰輪流量計作為范例說明。

腰輪流量計的構(gòu)造框圖如圖2所示。流量由測量部和積算部兩大部分組成，必要時可附加自動溫度補償器、自動壓力補償器、發(fā)信器和高溫延伸（散熱）件等。

1） 計量室 腰輪流量計由一對腰輪和殼體構(gòu)成，兩腰輪是有互為共軛曲線的轉(zhuǎn)子，即羅茨（Roots）輪，與腰輪同軸裝有驅(qū)動齒輪，被測流量推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子間由驅(qū)動齒輪相互驅(qū)動。腰輪、計量室殼體一般由鑄鐵、鑄鋼或不銹鋼制成，要根據(jù)流體腐蝕性及其工作壓力、溫度選用。計量室也有單獨制成，與儀表外殼分離，這樣計量室就不承受靜壓，沒有靜壓引起變形的附加誤差。

2）傳動機構(gòu) 傳動機構(gòu)包括磁性聯(lián)軸器（或機械密封裝置）和減速變速機構(gòu)。變速調(diào)整機構(gòu)由"齒輪對"組合而成。

3）積算器和指示表頭 類型較多，有指針式指示和數(shù)字式指示；有不帶復位計數(shù)器和帶復位計數(shù)器；也由帶瞬時流量指示，帶打印機，帶設(shè)定部，等等。

4）自動溫度補償器 對被測介質(zhì)溫度變化影響進行連續(xù)自動補償，有機械式、也有電氣電子式。

5）自動壓力補償器 對被測介質(zhì)靜壓變化影響作自動修正。

6）發(fā)信器 發(fā)信器有多種形式，有接觸式和非接觸式。

4、優(yōu)點

PDF計量精度高，基本誤差一般為±0.5％R，特殊的可達±0.2％R或更高。通常在昂貴介質(zhì)或需要精確計量的場合使用。PDF在旋轉(zhuǎn)流和管道阻流件流速場畸變時對計量精確度沒有影響，沒有前置直管段要求。這一點在現(xiàn)場使用中有重要的意義。PDF可用于高粘度流體的測量。范圍度寬，一般為10：1到5：1，特殊的可達30：1或更大。PDF是直讀式儀表，無需外部能源，可直接獲得累計總量，清晰明了，操作簡便。

在以體積流量計組合的間接法質(zhì)量流量測量中，PDF與速度式等推導體積流量計相比，所的體積是直接幾何量，體積量的影響因素要單純些。在不適合采取密度計測量的高壓天然氣測量中，不易處理的氣體壓縮系數(shù)，用PDF可間接求得。

5、缺點

PDF結(jié)構(gòu)復雜，體積大，笨重，尤其較大口徑PDF體積龐大，故一般只適用于中小口徑。與其他幾類通用流量計（如差壓式、浮子式、電磁式）相比，PDF的被測介質(zhì)種類、介質(zhì)工況（溫度、壓力）、口徑局限性較大，適應(yīng)范圍窄。

由于高溫下零件熱膨脹、變形，低溫下材質(zhì)變脆等問題，PDF一般不適用于高低溫場合。目前可使用溫度范圍大致在-30～+160℃，壓力最高為10MPa。

大部分PDF儀表只適用潔凈單相流體，含有顆粒、臟污物時上游需裝過濾器，既增加壓損，又增加維護工作；如測量含有氣體的液體必須裝設(shè)氣體分離器。

PDF安全性差，如檢測活動件卡死，流體就無法通過，斷流管系就不能應(yīng)用。但有些結(jié)構(gòu)設(shè)計（如Instromet公司腰輪流量計）在殼體內(nèi)置一旁路，當檢測活動元件卡死，流體可從旁路通過。

部分形式PDF儀表（如橢圓齒輪式、腰輪式、旋轉(zhuǎn)活塞式等）在測量過程中會給流動帶來脈動，較大口徑儀表還會產(chǎn)生噪聲，甚至是管道產(chǎn)生振動。

6、分類

PDF品種繁多，可按不同原則分類。按測量元件結(jié)構(gòu)分類有如下型式：

1） 轉(zhuǎn)子式

2） 刮板式

3） 旋轉(zhuǎn)活塞式

4） 膜式等

1－液體入口；2－隔板；3－液體出口；4－活塞軸；5－計量室軸；6－計量室；7－旋轉(zhuǎn)活塞

（4）膜式

與上述濕式氣表相對應(yīng)，膜式儀表又稱干式儀表；又因廣泛應(yīng)用于家庭煤氣（燃氣）耗量計量，故習慣又稱家用煤氣表，但實際上系列中大規(guī)格儀表用于廠礦及工業(yè)生產(chǎn)流程。

工作原理如圖4所示，有皿形隔膜形成的能自由伸縮的計量室1、2、3、4及與之聯(lián)動的滑閥組成的流量測量件，在薄膜伸縮及滑閥的作用下，連續(xù)將氣體從入口送至出口，測出這種動作的循環(huán)次數(shù)，即可獲得所通過的體積。按照OIML國際建議No.31《膜式氣體流量計》有14檔規(guī)格，流量范圍0.016-1000m3/h，范圍度很寬達100：1，中等測量精度，為±（2～3）％R。

7、選用考慮要點

7.1   應(yīng)用概況

PDF由于具有精確的計量特性，在石油、化工、涂料、醫(yī)藥、食品以及能源等工業(yè)部門計量昂貴介質(zhì)的總量或流量。在這些流程工業(yè)中進藥液注入、抽出或混合配比控制，化學液中觸媒、硬化劑、聚合防止劑等添加劑的定量注入，向食品流體和化妝品添加香料，涂裝線涂料的定量供給等。PDF最大用途是石油制品等的儲運交接和分發(fā)等計量，這些應(yīng)用領(lǐng)域可作為財務(wù)核算的依據(jù)或作為納稅和買賣雙方執(zhí)行合同的法定計量。

具有高精度、長期性能保持性和良好重復性的高品質(zhì)PDF，在比較法流量標準裝置中用作標準流量計（又稱校準用流量計，reference flowmeter或master flowmeter）作流量量值傳遞。

PDF相對龐大笨重，尤其是大流量、大口徑儀表，逐漸被渦輪式、電磁式、渦街式和科里奧利質(zhì)量式替代一部分。然而其優(yōu)良的重復性和精度長期保持性等性能優(yōu)勢，仍能保持著許多應(yīng)用領(lǐng)域，在可預(yù)見的未來不會全被其它儀表所替代。PDF在國外還廣泛應(yīng)用于液化石油氣，在我國則尚處于起動初始階段。

7.2   選用考慮因素

根據(jù)PDF的特點，應(yīng)著重考慮以下因素。

1） 使用目的是流程控制／工程管理還是儲運交接／財貿(mào)核算？

2） 操作是連續(xù)測量還是間歇測量？使用的最高流量、常用流量、最小流量各位多少？

3） 最高、常用、最小工作溫度和壓力，允許的壓損各位多少？

4） 被測介質(zhì)的種類和特點，包括粘度、腐蝕性、夾帶物的量和粒度尺寸。

5） 對流量計進行校準方法，離線校準還是現(xiàn)場校準？

6） 管線泵送種類，能力，有無脈動？

7） 安裝場所可用空間情況。

7.3   流量范圍、范圍度、精確度、重復性

各制造廠通常按被測介質(zhì)種類（主要區(qū)別是粘度）、使用特點（連續(xù)使用或間歇使用）及測量精度規(guī)定流量范圍。為了保持儀表良好的性能和較長的使用壽命，連續(xù)使用時的最大流量建議選在儀表最高（上限）流量的80％為宜。若制造廠未按介質(zhì)類別和使用特點明確規(guī)定適宜的流量范圍，則可參照下述原則選定：以用于中等粘度、有潤滑性油品的儀表上限流量為100％，用于無潤滑性低粘度液體（如汽油、液化石油氣）時上限流量降為70％-80％，用于100℃左右水時則為40％-60％，高粘度液體為75％-85％；間歇使用時的最大流量可為上限流量的100％；連續(xù)使用時的最大流量、中等粘度液體為上限流量的80％，低粘度液體為50％-60％，高粘度液體亦為50％～60％。

大部分結(jié)構(gòu)型號的液體儀表基本誤差為±0.5％R;較高精度儀表的基本誤差為±(0.1~0.2)%R,橢圓齒輪式等，個別制造廠聲稱可達到±0.05％R（如Dresser Wayne公司的刮板式）；較低精度儀表的基本誤差為±（1～1.5）％R（如彈性刮板式）。氣體儀表的精度略低些，大部分結(jié)構(gòu)型號為±（1～1.5）％R（如腰輪式、CVM式），較高者為±0.5％R（如轉(zhuǎn)同式），較低者為±（2～2.5）％R。

重復性誤差一般為基本誤差的1／5～1／2。

在全部流量儀表中PDF是精度最高的一類。制造廠所列規(guī)范書中的是在實驗室參比條件下校驗所得的基本誤差。實際使用現(xiàn)場條件往往偏離參比條件，必然帶來附加誤差。實際誤差應(yīng)是基本誤差和附加誤差的合成。在選型及使用中要針對現(xiàn)場可能出現(xiàn)的問題采取措施，以保持良好的測量精度。

流量范圍度在（5：1）～（100：1）之間，大部分（10：1）～（20：1）。同一臺儀表額定較高精度等級時所得范圍度較低，欲得較大范圍度則要降低精度等級，例如各類轉(zhuǎn)子式液體儀表范圍度為5：1時，基本誤差為±0.2％R;范圍度為10：1時，則降為±0.5％R。

7.4   壓力損失

PDF要靠流體能量推動測量元件，因此帶來相當高的壓力損失。PDF的壓力損失要比同樣口徑和流量的渦輪式或其它又阻礙流量計大。液體用儀表在最大流量時粘度為1～5mPa.s,液體的壓力損失在20～100kPa之間；低氣壓用儀表，腰輪式為200～500Pa，膜式為130～400Pa。

要正確選擇儀表勿使其達到不能接受的壓力損失，尤其在測量高蒸氣壓的液體，過度的壓降會導致氣蝕。若氣蝕持續(xù)存在會損壞元件，某些允許短時超流到測量上限120％的儀表更應(yīng)注意這一問題。

7.5   流體腐蝕性

流體腐蝕性是確定儀表材質(zhì)的主要因素。對于各種石油制品，采用鑄鋼鑄鐵制造；對于腐蝕性輕微的化學液體以及冷溫水，用銅合金制造；對于純水、高溫水、原油、瀝青、高溫液體、化學液體、食品或食品原料，用不銹鋼制造。PDF的耐蝕性不是強項。食品和生物制藥業(yè)由于衛(wèi)生要求，流量計需經(jīng)常清洗消毒滅菌，與流體接觸的零件必須用不銹鋼及其它符合衛(wèi)生要求的材料制成，結(jié)構(gòu)上要易于拆卸，無潴液部位等。橢圓齒輪式、旋轉(zhuǎn)活塞式流量計等在我國已有食品專用產(chǎn)品投放市場。

7.6   液體粘度對儀表性能影響

各種氣體的粘度相接近，變化不大，對儀表性能可以說沒有影響；若液體粘度相差較多，則對儀表性能帶來一定影響。有些PDF為適應(yīng)粘度高達500mPa.s的液體，生產(chǎn)具有較大間隙等設(shè)計措施的專用品種，PDF在流量儀表中具有交多應(yīng)用于高粘度液體的經(jīng)驗。PDF雖然受一些液體粘度影響，但與差壓式、浮子式、渦輪式等流量計相比，影響量要小得多。粘度對PDF性能有三個方面影響，即測量誤差、壓力損失和流量范圍。

（1） 測量誤差影響

PDF有一個與許多其它流量計流量受粘度增加而測量誤差增加的不同特性，因粘度增加間隙泄漏量減少而改善性能。

（2） 壓力損失影響

若液體粘度增加，PDF的壓力損失隨著增加。壓力損失Δp與流量q之間的關(guān)系式可用Δp＝kqn表示（其中k為系數(shù)，n為指數(shù)）。粘度在0.005Pa.s（＝5mPa.s）以下時n=2；在0.5Pa.s（＝500mPa.s）以上n=1；在二者之間n=1.9～1.1。

活動測量元件用于高粘度液體時負荷增加，壓力損失增加。高粘度專用儀表通常采用增加間隙的辦法，有增加到0.5mm者。橢圓齒輪流量計為減少液體在齒隙間擠壓負荷，還在齒輪上開若干溝槽卸荷（≥150mPa.s時），大于500mPa.s時，則采用欠齒的橢圓齒輪。

（3） 流量范圍影響 壓力損失因粘度增加而增加，對于使用壓力損失有限制的場所，則必須降低流量上限值，即縮小流量范圍。流量下限隨著粘度增加而下降，是擴大了流量范圍；作為一個粗略估計，粘度增加10倍，流量下限值降到原值的1／10～1／3。

7.7   壓力與溫度

有儀表均規(guī)定了工作溫度范圍和最大工作壓力。最大工作壓力是指常溫和沖擊壓力下承受的壓力。當用于較高溫度時必須降低最大工作壓力等級，有些產(chǎn)品使用說明書對此未作說明。急劇關(guān)閉或急劇開啟閥門會產(chǎn)生水錘效應(yīng)等沖壓力，沖擊壓力可能超過工作壓力，沖擊壓力還有可能引起許家讀數(shù)，必要時裝緩沖罐減少這類缺陷影響。

溫度影響儀表受壓強度外，還因儀表測量元件受熱膨脹改變測量室和間隙尺寸，影響測量精度，間隙減小甚至使運動件卡住。因此用于較高溫度時要預(yù)留特殊尺寸間隙來補償，特別是不同材料組合使用時更要注意熱脹系數(shù)的差異。溫度變化還會改變液體粘度而引起流量示值變化。溫度引起的測量元件尺寸變動改變測量室腔體積，例如橢圓齒輪流量計計量室和齒輪均為鑄鐵時，測量值變化+0.33%10℃；計量室為鑄鐵，齒輪為鑄鋁時則為+0.14%10℃。亦有采用自動溫度補償把計量室體積變化修正到一個認定的標準溫度(如20℃)，例如用一個輸出傳動比可作調(diào)整的裝置來修正。

高溫流體進入冷的流量計，在未達到熱平衡前就啟動，可能因間隙大而增加測量誤差；溫度超過規(guī)定值則運動測量元件可能被卡住。因此使用前要有適合的預(yù)熱時間，并觀察是否能正常運轉(zhuǎn)。

7.8   壓縮性

通常液體的壓縮性可勿略不計，然而在高精度測量油品時則不應(yīng)忽視。API標準1101所列油品壓縮系數(shù)在(5～20)×10-4/Mpa之間，例如重油壓力從0.5Mpa升高到6Mpa時體積壓縮0.45%。液化石油氣的壓縮性更大。

氣體有很大的壓縮性，在低壓下其體積縮小與壓力增高成比率關(guān)系，大部分PDF應(yīng)用于低壓狀態(tài)，可直接換算，但在高壓條件下體積縮小與壓力增高不成比例，變化率減小，則應(yīng)考慮使用氣體的壓縮系數(shù)。

8、安裝注意事項

8.1    安裝場所

流量計安裝應(yīng)選擇合適的場所，需注意以下各點。

1) 周圍溫度和濕度應(yīng)符合制造廠規(guī)定，一般溫度為-10(-15)～40（50）℃，濕度為10%～90%。

2) 日光直射在夏季會使溫度升高，接近輻射熱的場所，亦會使溫度升高 。這種場所應(yīng)采取遮陽或隔熱措施。

3) 非防塵、防浸水型儀表應(yīng)避開有腐蝕性氣氛或潮濕場所，因為積算器減速齒輪等零部件會被腐蝕氣體和晝夜溫差結(jié)露所損壞 。如無法避免，可采取內(nèi)腔用潔凈空氣吹氣(airpruge)方式保持微正壓。

4) 避開振動和沖擊的場所。

5) 要有足夠空間便于安裝和日常維護。

8.2   儀表姿勢、流動方向、與管道連接

PDF的安裝姿勢必須做到橫平豎直，轉(zhuǎn)子型心意量做到其轉(zhuǎn)子軸與地面平行(垂直結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子軸設(shè)計例外)其他型號按使用說明書規(guī)定要求，一般為水平安裝。垂直安裝為防止垢屑等從管道上方落入流量計，將其裝在旁路管。

實際流動方向應(yīng)與儀表殼體一表明方向一致。PDF一般只能作單方向測量，必要時在其下游裝止逆閥，以免損壞儀表。

要使流量計不承受管線膨脹、收縮、變形和振動；防止系統(tǒng)因閥門及管道設(shè)計不合理產(chǎn)生振動，特別要避免諧振。安裝時不要例儀表受應(yīng)力，例如上下游管道兩法蘭平面不平行，法蘭面間距離過大，管道不同心等不良管道布置的不合理安裝。特別是對無分離測量室，受壓殼體和測量室一體的PDF更應(yīng)注意，因為受較大安裝應(yīng)力會引起變形，影響測量精度，甚至卡死活動測量元件。

8.3   防止異相流體進入儀表

PDF計量室與活動檢測件的間隙很小，流體中顆粒雜質(zhì)影響儀表正常運行，造成卡死或過早磨損。儀表上游必須安裝過濾器，并定期清洗；測量氣體在必要時應(yīng)考慮加裝沉渣器或水吸收器等保護性設(shè)備。用于測量液體管道必須避免氣體進入管道系統(tǒng)，必要時設(shè)置氣體分離器。

8.4   減小脈動流、沖擊流或過載流的危害

雖然有某些裝在泵吸入端使用成功的實例，但儀表應(yīng)裝在泵的出口端。脈動流和沖擊流會損害PDF，理想的流源是離心泵或高位槽。若必須要用往復泵，或管道易產(chǎn)生過載沖擊，或水捶沖擊等沖擊流的場所，應(yīng)裝緩沖罐、膨脹室或安全閥等 保護設(shè)備。PDF過載超速運行可能帶來無法彌補的危害，如管系有可能發(fā)生過量超載流，應(yīng)在下游安裝限流孔板、定流量閥或流量控制器等保護設(shè)施。

8.5   不斷流安裝

由于PDF測量元件損壞后會產(chǎn)生管道斷流的缺點，在連續(xù)生產(chǎn)或不準斷流的場所，應(yīng)配備有自動切換設(shè)備的并聯(lián)系統(tǒng)冗余；也可采取流量常用的并聯(lián)運行方式，一臺出故障另一臺仍可流通。

8.6   現(xiàn)場校準

若需在現(xiàn)場用車裝標準體積管、標準表等流量標準裝置校準PDF者，應(yīng)在現(xiàn)場適當位置預(yù)置支管、連接管件和截止閥等。

9、使用注意事項

1) 清洗管線 新投管線運行前要清掃，往往隨后還要用實流沖洗，以去除殘留焊屑垢皮等。此時先應(yīng)關(guān)閉儀表前后截止閥，讓液流從旁路管流過；若無旁路管，儀表位置應(yīng)裝短管代替。

2) 排盡氣體 通常實液掃線后，管道內(nèi)還殘留較多空氣，隨著加壓運行，空氣以較高流速流過PDF，活動測量元件可能過速運轉(zhuǎn)，損傷軸和軸承。因此開始時要緩慢增加流量，使空氣漸漸外逸。

3) 旁路管切換順序 液流從旁路管轉(zhuǎn)入儀表時，啟閉要緩慢，特別在高溫高壓管線上更應(yīng)注意。啟用時第1步徐徐開啟A閥，液體先在旁路管流動一段時間；第2步徐徐開啟B閥；第3步徐徐開啟C閥；第4步徐徐關(guān)閉A閥。關(guān)閉時按上述逆順序動作操作。

啟動后通過低位指針或字輪和秒表，確認未達過度流動，最佳流量應(yīng)控制在(70～80)%最大流量，以保證儀表使用壽命。

4) 監(jiān)查過濾器 新線啟動過濾器網(wǎng)最易被打破，試運行后要及時檢查網(wǎng)是否完好。同時過濾網(wǎng)清潔無污物時記錄下常用流量下的壓力損失這兩個參數(shù)，今后不必卸下檢查網(wǎng)堵塞狀況，即以壓力損失增加程度判斷是是否要清洗。

5) 測量高粘度液體 用于高粘度液體，一般均加熱后使之流動。當儀表停用后，其內(nèi)部液體冷卻而變稠，再啟用時必須先加熱待液體粘度降低后才讓液體流過儀表，否則會咬住活動測量元件使儀表損壞。

6) 加潤滑油 氣體用等PDF啟用前必須加潤滑油，日常運行也經(jīng)常檢查潤滑油存量的液位計。

7) 避免急劇流量變化 使用氣體腰輪流量計時，應(yīng)注意不能有急劇的流量變化(如使用快開閥)，因腰輪的慣性作用，急劇流量變化將產(chǎn)生較大附加慣性力，使轉(zhuǎn)子損壞。用作控制系統(tǒng)的檢測儀表時，若下游控制突然截止流動，轉(zhuǎn)子一時停不下來，產(chǎn)生壓氣機效應(yīng)，下游壓力升高，然后倒流，發(fā)出錯誤信號。

8) 沖洗管道用蒸汽禁止通過PDF。