容积式流量计 1 前 言 容积式流量计又称排量流量计（positive displacement flowmeter ），简称PD 流量计 或 PDF ，在流量仪表中是精度最高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成 单个已知的体积部分，根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流 量体积总量。PD 流量计一般不具有时间基准，为得到瞬时流量值需要另外附加测量时间的 装置。定排量测量方法可追溯到 18 世纪，20 世纪 30 年代进入普遍商业应用。 2 原理 PDF 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 PDF （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 p1p2 ，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。 1 读万卷书 行万里路 设流量计循环体积为 υ ，一段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各样的形式的 PDF ，但大部分都有相似的基本特征。PDF 产生误差 的根本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。 3 结构 PDF 品种繁多，结构及形式亦多种多样，但其主要部件组成大同小异，现举腰轮流量计 作为范例说明。 腰轮流量计的构造框图如图 2 所示。流量由测量部和积算部两大部分组成，必要时可 附加自动温度补偿器、自动压力补偿器、发信器和高温延伸（散热）件等。 1 ） 计量室 腰轮流量计由一对腰轮和壳体构成，两腰轮是有互为共轭曲线的转子，即 罗茨（Roots ）轮，与腰轮同轴装有驱动齿轮，被测流量推动转子旋转，转子间由驱动齿轮 2 读万卷书 行万里路 相互驱动。腰轮、计量室壳体一般由铸铁、铸钢或不锈钢制成，要根据流体腐蚀性及其工作 压力、温度选用。计量室也有单独制成，与仪表外壳分离，这样计量室就不承受静压，没有 静压引起变形的附加误差。 2 ）传动机构 传动机构包括磁性联轴器（或机械密封装置）和减速变速机构。变速调 整机构由 齿轮对组合而成。 3 ）积算器和指示表头 类型较多，有指针式指示和数字式指示；有不带复位计数器和 带复位计数器；也由带瞬时流量指示，带打印机，带设定部，等等。 4 ）自动温度补偿器 对被测介质气温变化影响进行连续自动补偿，有机械式、也有电 气电子式。 5 ）自动压力补偿器 对被测介质静压变化影响作自动修正。 6 ）发信器 发信器有多种形式，有接触式和非接触式。 4 优点 PDF 计量精度高，基本误差一般为 ±0.5％R ，特殊的可达±0.2％R 或更高。通常在昂贵 3 读万卷书 行万里路 介质或需要精确计量的场合使用。PDF 在旋转流和管道阻流件流速场畸变时对计量精确度 没影响，没有前置直管段要求。这一点在现场使用中有重要的意义。PDF 可用于高粘度 流体的测量。范围度宽，一般为 10 ：1 到 5 ：1 ，特殊的可达30 ：1 或更大。PDF 是直读 式仪表，无需外部能源，可直接获得累计总量，清晰明了，操作简单便捷。 在以体积流量计组合的间接法质量流量测量中，PDF 与速度式等推导体积流量计相比， 所的体积是直接几何量，体积量的影响因素要单纯些。在不适合采取密度计测量的高压天然 气测量中，不易处理的气体压缩系数，用 PDF 可间接求得。 5 缺点 PDF 结构较为复杂，体积大，笨重，尤其较大口径 PDF 体积非常庞大，故一般只适用于中小口 径。与其他几类通用流量计（如差压式、浮子式、电磁式）相比，PDF 的被测介质种类、 介质工况（温度、压力）、口径局限性较大，适应范围窄。 由于高温下零件热膨胀、变形，低温下材质变脆等问题，PDF 一般不适用于高低温场 合。目前可使用温度范围大致在-30 ～+160℃，压力最高为 10MPa。 大部分 PDF 仪表只适用洁净单相流体，含有颗粒、脏污物时上游需装过滤器，既增加 压损，又增加维护工作；如测量含有气体的液体必须装设气体分离器。 PDF 安全性差，如检测活动件卡死，流体就无法通过，断流管系就不可以应用。但有些 结构设计（如 Instromet 公司腰轮流量计）在壳体内置一旁路，当检测活动元件卡死，流 体可从旁路通过。 部分形式 PDF 仪表（如椭圆齿轮式、腰轮式、旋转活塞式等）在测量过程中会给流动 带来脉动，较大口径仪表还会产生噪声，甚至是管道产生振动。 4 读万卷书 行万里路 6 分类 PDF 品种繁多，可按不同原则分类。按测量元件结构分类有如下型式： 1 ） 转子式 2 ） 刮板式 3 ） 旋转活塞式 4 ） 膜式等 1 －液体入口；2 －隔板；3 －液体出口；4 －活塞轴；5 －计量室轴；6 －计量室；7 －旋转活塞 （4 ）膜式 与上述湿式气表相对应，膜式仪表又称干式仪表；又因大范围的应用于家庭煤气（燃气）耗量计量，故习 惯又称家用煤气表，但实际上系列中大规格仪表用于厂矿及工业生产流程。 5 读万卷书 行万里路 工作原理如图 4 所示，有皿形隔膜形成的能自由伸缩的计量室 1、2、3、4 及与之联动的滑阀组成的 流量测量件，在薄膜伸缩及滑阀的作用下，连续将气体从入口送至出口，测出这种动作的循环次数，即可 获得所通过的体积。按照 OIML 国际建议 No.31 《膜式气体流量计》有 14 档规格，流量范围 0.016-1000m3/h ，范围度很宽达100 ：1 ，中等测量精度，为±（2 ～3 ）％R。 7 选用考虑要点 7.1 应用概况 PDF 由于具有精确的计量特性，在石油、化工、涂料、医药、食品以及能源等工业部 门计量昂贵介质的总量或流量。在这些流程工业中进药液注入、抽出或混合配比控制，化学 液中触媒、硬化剂、聚合防止剂等添加剂的定量注入，向食品流体和化妆品添加香料，涂装 线涂料的定量供给等。PDF 最大用途是石油制品等的储运交接和分发等计量，这些应用领 域可作为财务核算的依据或作为纳税和买卖双方执行合同的法定计量。 具有高精度、长期性能保持性和良好重复性的高品质 PDF ，在比较法流量标准装置中 用作标准流量计（又称校准用流量计，reference flowmeter 或 master flowmeter ）作流 量量值传递。 PDF 相对庞大笨重，尤其是大流量、大口径仪表，逐渐被涡轮式、电磁式、涡街式和 科里奥利质量式替代一部分。然而其优良的重复性和精度长期保持性等性能优势，仍能保持 6 读万卷书 行万里路 着许多应用领域，在可预见的未来不会全被其它仪表所替代。PDF 在国外还大范围的应用于液 化石油气，在我国则尚处于起动初始阶段。 7.2 选用考虑因素 根据 PDF 的特点，应着重考虑以下因素。 1 ） 使用目的是流程控制／工程管理还是储运交接／财贸核算？ 2 ）操作是连续测量还是间歇测量？使用的最高流量、常用流量、最小流量各位多少？ 3 ） 最高、常用、最小工作时候的温度和压力，允许的压损各位多少？ 4 ） 被测介质的种类和特点，包括粘度、腐蚀性、夹带物的量和粒度尺寸。 5 ） 对流量计进行校准方法，离线 ） 管线泵送种类，能力，有无脉动？ 7 ） 安装场所可用空间情况。 7.3 流量范围、范围度、精确度、重复性 各制造厂通常按被测介质种类（主要区别是粘度）、使用特点（连续使用或间歇使用） 及测量精度规定流量范围。为了保持仪表良好的性能和较长的常规使用的寿命，连续使用时的最大 流量建议选在仪表最高（上限）流量的 80％为宜。若制造厂未按介质类别和使用特点明确 规定适宜的流量范围，则可参照下述原则选定：以用于中等粘度、有润滑性油品的仪表上限 流量为 100％，用于无润滑性低粘度液体（如汽油、液化石油气）时上限流量降为 70％-80％， 7 读万卷书 行万里路 用于 100℃左右水时则为 40％-60％，高粘度液体为 75％-85％；间歇使用时的最大流量 可为上限流量的 100％；连续使用时的最大流量、中等粘度液体为上限流量的 80％，低粘 度液体为 50％-60％，高粘度液体亦为 50％～60％。 大部分结构型号的液体仪表基本误 差为 ±0.5 ％ R;较高精度仪表的基本误差为
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