流量计类型 超声波流量计

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作者|鲍勃·格里芬

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制造工厂和建筑业主都在努力使他们的设施更加节能，对环境的影响更小。

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在当今的商业环境中，控制能源成本从未如此重要。能源已成为企业、机构和消费者的热门话题。对于许多人来说，找到新的更好的方法来减少能源使用并提高能源效率是一项高度优先的任务。因此，能源管理越来越受到重视。

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测量是能源管理的基础，因为要控制它，我们必须首先准确地测量它。本文重点介绍流量测量技术，因为它们主要用于天然气。根据要求，还将涉及蒸汽和水的主题，以便进行比较和提供背景信息。此外，还讨论了一些主要的流量计类型及其优缺点，以帮助工程师在应用中做出更好的选择。

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流量测量基础

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可以根据被测物质的密度、物质流过的横截面积以及物质相对于目标区域的速度来计算质量流速。如果密度不变，这很简单。流量测量是为了量化通过管道的液体或气体量。流量可以量化为体积流量（如加仑/分钟）或质量流量（如磅/小时）。速率总是一个单位时间内的一个单位的度量。

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当温度、压力或成分发生变化时，某些流体的密度可能会发生变化。一些流体还可能具有混合相或夹带气泡。密度变化使质量流量测量更加复杂，但气体测量比液体测量更复杂。

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流量测量有多种技术和设计，但并非每种流量测量技术都适合能源监控应用。为了成为能源监控应用中的候选技术，流量测量必须具有成本效益、非侵入性、易于安装和低成本。该技术还必须具有适合应用的可靠性和准确性。

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在制造业中，流量测量对于使用原材料制造产品或为产品增值的操作非常重要。业务需求或环境限制推动了对精确流量测量仪器的需求，例如更严格的过程控制以减少排放和提高效率。

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流量计类型

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每种流量传感技术和每种流量计都有优点和缺点。在市场上广泛使用的流量计中，流量传感技术主要包括差压（DP）、容积式、科里奥利（或质量流量）、涡街和涡轮。

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差压装置包括孔板、文丘里管、流量喷嘴、皮托管、均速皮托管和V形锥体。容积式装置包括旋转凸轮、隔膜和涡轮。请注意，市场上有更多类型的流量计。然而，本文的重点不包括主要用于流体的设备。

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差压流量计

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差压流量计的操作需要在液体、气体或蒸汽流道中放置节流装置，如孔板、流量喷嘴、皮托管或文丘里管，并测量其上的差压。孔板是应用最广泛的节流装置，通常产生最大的压力损失。蒸汽流量随着通过节流孔的压降的平方根而变化。压差变送器测量通过节流孔的压降。

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尽管孔板差压流量计通常具有较低的初始成本、无移动部件和较低的安装成本，但它们具有压力损失高和测量范围低的缺点，并且测量精度随时间而降低。孔板最终可能会磨损，这可能会影响流量计的校准。

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现在安装的许多流量测量仪器都是基于差压传感技术。在每年出货的所有流量测量变送器中，差压变送器约占一半。智能多变量压力变送器在测量范围、精度、可重复性和多次测量能力方面的改进为这项成熟但仍然可行的技术增添了活力。

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容积流量计

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容积式流量计通过机械移动流量计中的移动部件来测量流量，然后计算单位时间内的位移量。液体的体积由每个计数表示。每次计数时，流体都通过流量计。流量计的运动部件由测得的流体压力驱动。

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旋转凸轮流量计。流量计可以直接测量在实际工作压力下通过它的流体的实际体积。两个反向旋转的叶轮在外壳中旋转。流经流量计的气体或液体驱动叶轮，叶轮将已知体积的气体截留在空间隙中。流速与转速成正比。

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体积的测量方法是计算转数，并将转数乘以已知的每转排气量。计数可以用机械或电子方式进行。最常见的布置是在叶轮中嵌入磁体。它由安装在仪器外壳中的接近开关感应。由磁铁驱动的开关激活本地数字显示器或将它们输入到一个完整的电子系统中进行处理、校准和远程通信。

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旋片流量计主要用于商业和工业客户的天然气计费:负载超过每小时1000立方英尺。它们主要用于工业和油气生产中的气体和液体。它们还用于能源管理的工业分表计量应用。使用它们的主要原因是高精度和鲁棒性以及低维护成本。ANSI/ASC B 109.3批准这些仪表可用于交接。

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当使用旋转叶片流量计时，应注意当在校准范围之外的流体温度和压力下工作时，必须将体积流量校正到标准条件。当血糖仪用于计费时，此功能可以自动完成。如果出现机械故障，建议使用带手动隔离阀的旁路。

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隔膜流量计。它包括一个充满天然气（或其他气体）的外壳，并包含两个气体波纹管（隔膜）。每个隔膜都有一个滑阀，可以交替打开和关闭每个隔膜的入口阀和出口阀。当气体流入流量计时，波纹管通过充当计数器的滑阀交替填充和排放空。

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当每个阀门关闭和打开时，计算已知的气体体积。机械联动装置将每个阀门连接到一个计数器上，计数器记录计数并显示在刻度盘上。气体被排放到仪器外壳和仪器出口。两套波纹管和阀门交替运行，以提供连续的气流。该机构由波纹管上的气体压力驱动，因此仪器上的压降非常小。

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在天然气计费的应用中，在膜片流量计的上游安装一个压力调节器，可以保持恒定的压力。这消除了对压力校正变送器的需求。温度的变化可能会导致偏差。然而，在实践中，当天然气通过地下管道供应时，温度变化很小。

膜片流量计的优点包括:便宜而精确，适用于小型能源管理项目。能够脉冲输出和通信。其缺点包括:只能用于净化气体；体积大，重且贵。

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涡轮流量计。涡轮流量计有各种尺寸、类型和价格。它适用于许多工业应用以及水和天然气公用事业的计费项目。用于计量天然气和水的公用涡轮机获准进行监管转让。它们通常具有校正质量流量读数的电子输出和通信能力。涡轮流量计的一个突出用途是对大量客户进行测量和收费。

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工业涡轮流量计也有两种类型:在线式和插入式。插入式涡轮流量计的尺寸和材料范围很广，从0.5英寸到36英寸或更大。由于它可以测量大型管道的流量，因此通常用于烟囱气体监测。在工业领域，它广泛用于测量蒸汽、水、空气体和其他气体的流量。工业涡轮流量计直接测量流体或气体的流速。流量计上需要流量计算机或多变量智能变送器。

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带有附加叶片的转子悬浮在自由运转轴承的流体或气流中。转子的转速（RPM）与液体或气体的速度成正比。有几种方法可以计算涡轮机的转速，包括嵌入转子或叶片中的磁传感器和电传感器。这些传感器产生微弱的脉冲或正弦波电子输出，将其电子转换为流量，然后在变送器中转换为4-20 mA输出信号。质量流率通过体积流率乘以流体密度来计算。质量流量等于速度乘以密度乘以管道面积。

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校正后的质量流量需要额外的输入，包括压力和温度。在线工业涡轮流量计因其较宽的直径范围和较低的成本而适用于能源管理。

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在线工业涡轮流量计的优点包括:精度和重复性好；尺寸范围广；管道所需的上游直线长度最小；并且成本相对较低。其主要缺点是安装成本高，运动部件容易受到污染物的影响。

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科里奥利流量计

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科里奥利流量计技术提供直接的质量流量测量，不受压力、温度、密度和流体粘度变化的影响。科里奥利流量计有多种配置可供选择，包括U型管、双U型管、弯管和直管设计，所有这些流量计均根据以下原理工作:

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■待测液体或气体进入流量管的一端，流量管由外部振荡驱动，机电振荡器根据管的设计和液体或气体的密度以管的固有频率（约10 kHz）振动。流量管通常由316不锈钢或其他金属（如钛）制成，具体取决于应用。

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■当液体或气体流过流量管时，会受到外部振动驱动器产生的向上或向下的力。科里奥利力与驱动力相反，驱动力从流入侧向上推动管道，从流出侧向下推动管道，导致管道扭曲。

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■传感器位于流量管的每条腿上，用于检测流量管扭曲时的位置和频率。随着质量流量的变化，两个传感器之间存在相移。这种相移与液体或气体的质量流量成正比。

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科里奥利流量计配备了一个基于微处理器的信号处理系统，该系统解释来自传感器的原始信号和正在测量的频率偏移，并将其转换为标准仪器和数据系统可以使用的信号，例如4-20 mA、脉冲和电压输出。

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科里奥利流量计应用广泛。最初的应用是测量石油和化学工业中的各种液体，主要用于过程控制目的。由于其高精度，它还用于石油和天然气行业的监管传输。科里奥利流量计已用于测量高粘度流体、泥浆和混合相流体，如油和水、含气泡的水、空气体中的煤粉等。

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最近，设计和精度的改进使科里奥利流量计成为测量气体的候选流量计。它们可以测量工业气体，并已用于大型天然气客户的监管转移。它们也可用于低温气态或液态氧气、氮气和二氧化碳。

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科里奥利质量流量计具有许多优点:直接读取质量流量，无需校正压力或温度；调节比高:标准为20:1，必要时可达100:1；无需在上下游铺设直管；能够测量各种液体、气体、泥浆和混合相流；不锈钢流量管是标准配置；有些型号可以测量低温气体；非常高的精度和可重复性；低维护和监管转移批准。其缺点之一是与大多数其他仪表相比，成本相对较高。

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涡街流量计

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涡街流量计的工作原理是基于一种叫做“冯·卡门效应”的原理。利用了冯·卡门效应:当通过置于流体中的非流线型或“钝头”物体时，流体将产生在物体后部脱落的涡流。这些涡流可以被检测、计数和显示。涡流的频率与液体或气体的速度成正比。在理想条件下，脱落频率与流体速度近似成线性。

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典型的涡街流量计应用包括锅炉和用户的直接蒸汽测量，以及作为锅炉燃料的天然气测量。蒸汽是最难测量的流体，因为它涉及高温和高压，测量参数因蒸汽类型而异。涡街流量计能承受高压和高温，是蒸汽流量测量的首选。

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涡街流量计非常可靠。它们还具有较宽的测量范围，这意味着它们可以测量不同速度下的蒸汽流量。涡街流量计的其他优点包括易于安装、维护成本低、安装成本适中和精度高。然而，它们对振动和进气流有些敏感。

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多变量涡街流量计包括压力和温度传感器。除了流量、温度和压力，流量计还使用这些传感器来确定体积流量、流体密度和质量流量。多变量涡街流量计可以在没有单独的流量计算机的情况下执行必要的质量流量补偿。

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关键概念: