容積式流量計

容積式流量計是直接根據排出流體體積進行流量累計的儀表。它由測量室、運動部件、傳動和顯示部件組成。設測量室的固定標準容積為V，在某一時間間隔內經過流量計排出的流體的固定標準容積數為n,則被測流體的體積總量Q 為Q= nV。利用計數器通過傳動機構測出運動部件的轉數n,便可顯示出被測流體的流量Q。容積式流量計的運動部件有往復運動和旋轉運動兩種。往復運動式有家用煤氣表、活塞式油量表等。

基本介紹

• 中文名：容積式流量計
• 別稱：定排量流量計
• 簡稱：PD流量計
• 簡介：精度最高的一類

基本介紹

容積式流量測量是採用固定的小容積來反覆計量通過流量計的流體體積。所以，在容積式流量計內部必須具有構成一個標準體積的空間，通常稱其為容積式流量計的 “計量空間”或“計量室”。這個空間由儀表殼的內壁和流量計轉動部件一起構成。容積式流量計的工作原理為：流體通過流量計，就會在流量計進出口之間產生一定的壓力差。流量計的轉動部件（簡稱轉子）在這個壓力差作用下產生旋轉，並將流體由入口排向出口。在這個過程中，流體一次次地充滿流量計的“計量空間”，然後又不斷地被送往出口。在給定流量計條件下，該計量空間的體積是確定的，只要測得轉子的轉動次數。就可以得到通過流量計的流體體積的累積值。

容積式流量計按其測量元件分類，可分為橢圓齒輪流量計、刮板流量計、雙轉子流量計、旋轉活塞流量計、往復活塞流量計、圓盤流量計、液封轉筒式流量計、濕式氣量計和膜式氣量計等。

優點

⑴計量精度高；

⑵安裝管道條件對計量精度沒有影響；

⑶可用於高粘度液體的測量；

⑷範圍度寬；

⑸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。

缺點

⑴結構複雜，體積龐大；

⑵被測介質種類、口徑、介質工作狀態局限性較大；

⑶不適用於高、低溫場合；

⑷大部分儀表只適用於潔淨單相流體；

⑸產生噪聲及振動。

套用概況

容積式流量計與差壓式流量計、浮子流量計並列為三類使用量最大的流量計，常套用於昂貴介質（油品、天然氣等）的總量測量。

工業已開發國家近年PD流量計（不包括家用煤氣表和家用水錶）的銷售金額占流量儀表的13%~23%；中國約占20%,1990年產量（不包括家用煤氣表）估計為34萬台，其中橢圓齒輪式和腰輪式分別約占70%和20%。

使用和維護

1. 液體渦輪流量計應按照銘牌上的標準流量範圍、公稱壓力及流向標記安裝使用。
2. 液體渦輪流量計應在流體溫度為-20~+120℃、環境溫度-20~+55℃環境相對濕度不大於80%的條件下工作。
3. 液體渦輪流量計出廠時，是用常溫的水進行標定的。若所測流體與常溫的水性質不同時，常數應加以修正或重新用實際所測的流體標定，但對於粘度小於5×10-6m2/s(5Mpa.s)的流體，則不必重新標定。
4. 液體渦輪流量計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。並應定期進行拆洗。如發現軸或軸承有嚴重磨損時，應進行更換並重新標定。

誤差特性

對於任何一個流量測量值來說，必須包括兩部分內容：一是流量測量值本身；二是它的誤差允許範圍．否則是不完整的．所以，對於任何一種流量計，都必須了解它的誤差特性。

所謂誤差特性，就是流量計的誤差值與流量測量值之間的關係。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：V為通過流量計的流體體積真值；I為流量計指示值，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之間的關係式(2－3)代入，可得：

E=(1－ v) / a (2－6)

由式2－6可見，容積式流量計的誤差特性僅與流量計內部的計量空間體積v、儀表齒輪比常數a有關．也就是說，從測量原理的角度來說，容積式流量計的測量誤差僅與流量計的幾何結構有關，而與流體性質和流量值無關，我們把這個誤差特性稱為容積式流量計的理想誤差特性．畫成曲線，是一條平行於橫軸的水平線，如圖2－6中曲線1所示．

然而，當我們對容積式流量計進行標定，畫出實際誤差特性曲線時，則較接近曲線2的形式．在小流量時，誤差值急劇地向負方向傾斜；隨著流量增大，誤差值逐漸由負方向向正方向移動，並穩定在某一定位上，誤差曲線平行於橫軸．流量繼續增加，誤差值又將向負方向偏移．實際誤差特性曲線所以呈現這種變化趨勢，是因為在於容積式流量計中存在著不可避免的漏流現象．所謂漏流，就是流體通過轉動件與外殼之間的間隙直接從入口流向出口，沒有被計量．以下將討論考慮了漏流現象的誤差特性關係式．

圖 2-6 容積式流量計的誤差特性曲線

假設在單位時間內的流體漏流量用△g表示；通過流量計的流量為qv；通過流量計總的流體體積量為V；在這一段時間內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，當存在漏流時，轉子排出N個計量空間流體量時，實際通過流量計的流體體積為

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，由於計量空間體積v、齒輪比常數a均為定值，所以誤差E與流量之間的關係受單位時間漏流量△g影響．

若假定該容積式流量計的漏流量 △g是一恆定值，可利用式(2—11)討論其誤差曲線的變化趨勢．

當流量很小，在極端情況下,qr=△g,則式(2—11)中括弧內為0,誤差值E趨向負無窮大．

隨著流量qv增加，式(2—11)中括弧內數值逐漸增大，誤差值E也逐漸向正方向增加。

當流量繼續增加，達到△g與qv相比顯得非常小，即△g/qv很接近0時，式(2—11)轉變成式(2－6)，誤差曲線趨向於理想誤差曲線．

選型

流量計的選摘要空虛思慮功底提供的儀表條件。起首要思考介質的靜壓和溫度，流量計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，儀表的靜壓即耐壓水平，它應稍大於被測介質的任務壓力，通常取1.25倍，以保障不發生走漏或意外。第二量程規模的選擇，主假設儀表刻度上限的選擇。選小了，易過載，敗不佳儀表；選大了，有礙於測量的精確性。國度規範規定最大流量不超越滿刻度的95%；畸形流量為滿刻度的70%～85%；最小流量不小於滿刻度的30%。著末比照緊要的儀表條件是功底管徑，有些流量計沒有額定大口徑的，有些大口徑的流量計價值很是卑賤，當前比照切當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、文丘里管、超音波流量計。

結構

為了適應生產中對流量測量的各種不同介質和不同工作條件的要求，產生了各種不同型式的容積式流量計．其中比較常見的有齒輪型、刮板型和旋轉活塞型等三種型式，現分別介紹如下．

1．齒輪型容積式流量計

這種流量計的殼體內裝有兩個轉子，直接或間接地相互嚙合，在流量計進口與出口之間的壓差作用下產生轉動．通過齒輪的旋轉，不斷地將充滿在齒輪與殼體之間的“計量空間”中的流體排出．通過測量齒輪轉動次數，可得到通過流量計的流體量．

圖1中示出是橢圓齒輪型容積流量計(也稱奧巴爾容積流量計)的示意圖

圖1 橢圓齒輪流量計工作示意圖
由圖可見，該流量計由兩橢圓齒輪相互嚙合進行工作，其工作過程簡述如下：圖中P1表示流量計進口流體壓力；表示出口流體壓力，顯然壓力P1大於P2．在圖1(a)中，下面轉子雖然受到流體的壓差作用，但不產生旋轉力矩，而上面齒輪在兩例差壓作用下產生旋轉力矩而轉動．由於兩個齒輪互相嚙合，故各自以O1，O2為軸心按箭頭方向旋轉，同時齒輪O1將半月形計量空間的流體排向出口．在圖1(a)狀態時，上齒輪為主動輪，下齒輪為從動輪．在圖1(b)位置時，兩個齒輪均在流體差壓作用下產生旋轉力矩，並在該力矩作用下沿箭頭方向旋轉，轉變到圖1(c)所示的位置．這時齒輪位置與圖1(a)相反，下齒輪為主動輪，上齒輪為從動輪．下齒輪在進出口流體差壓作用下旋轉，又一次將它與殼體之間的半月型“計量空間”中的流體排出．如此連續不斷運動，橢圓齒輪每轉一周，就排出四份“計量空間”流體體積．因此，只要讀出齒輪的轉數，就可以計算出排出的液體量．參考圖2－2，可計算出排出的流體總量為
V=4nv
式中 n--齒輪的轉動次數；
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是腰輪容積流量計，也稱羅茨型容積流量計．這種流量計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，出口流體壓力差產生運動，每旋轉一周排出四份“計量空間”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動，而是通過按裝在殼體外的傳動齒輪組進行傳動．

上述兩種轉子型式的容積流量計，可用於各種液體流量的測量，尤其是用於油流量的準確測量．在高壓力、大流量的氣體流量測量中，這類流量計也有套用．由於橢圓齒輪容積流量計直接依靠測量輪嚙合，因此對介質的清潔要求較高，不允許有固體顆粒雜質通過流量計．

2．刮板式容積流量計

刮板式流量計也是一種較常見的容積式流量計．在這種流量計的轉子上裝有兩對可以徑向內外滑動的刮板，轉子在流量計進、出口差壓作用下轉動，每轉動一周排出四份“計量空間”的流體體積．與前一類流量計相同，只要測出轉動次數，就可以計算出排出流體的體積量．

較常見的凸輪式刮板流量計結構如圖2—4所示．圖中殼體的內腔是一圓形空筒，轉子也是一個空心圓筒形物體，徑向有一定寬度，徑向在各為90°的位置開四個槽，刮板可以槽內自由滑動．四塊刮板由兩根連桿連結，相互垂直，在空間交叉．在每一刮板的一端裝有一小滾珠，四個滾珠均在一固定的凸輪上滾動使刮板時仲時縮．當相鄰兩刮板均伸出至殼體內壁時，就形成—計量空間的標準體積．刮板在計量區段運動時，只隨轉子旋轉而不滑動，以保證其標準容積恆定．當離開計量區段時，刮板縮入槽內，流體從出口排出．同時，後一刮板又與其另一相鄰刮板形成第二個“計量空間”，同樣動作．轉子運動一周，排出四份“計量空間”體積的流體．

工作原理

從原理上講是一台從流體中吸收少量能量的水力發動機，這個能量用來克服流量檢測元件和附屬檔案轉動的摩擦力，同時在儀表流入與流出兩端形成壓力降。

典型的容積式流量計（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）下方齒輪在兩側壓力差的作用下，產生逆時針方向旋轉，為主動輪；上方齒輪因兩側壓力相等，不產生旋轉力矩，是從動輪，由下方齒輪帶動，順時針方向旋轉。在圖1(b)位置時，兩個齒輪均在差壓作用下產生旋轉力矩，繼續旋轉。選裝到圖1(c)位置時，上方齒輪變為主動輪，下方齒輪則成為從動輪，繼續旋轉到與圖1(a)相同位置，完成一個循環。一次循環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"循環體積"。

結構圖

設流量計"循環體積"為υ，一定時間內齒輪轉動次數為N，則在該時間內流過流量計的流體體積為V，

則 V=Nυ （1）

橢圓齒輪的轉動通過磁性密封聯軸器及傳動減速機構傳遞給計數器直接指示出流經流量計的總量。若附加發信裝置後，再配以電顯示儀表可實現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容積式流量計，但大部分都有相似的基本特徵。容積式流量計產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。

性能的選擇

容積式流量計性能的選擇

在容積式流量計性能選擇方面主要應考慮以下五個要素：⑴流量範圍；⑵被測介質物性；⑶測量準確度；⑷耐壓性能（工作壓力）和壓力損失；⑸使用目的。

⑴流量範圍

容積式流量計的流量範圍與被測介質的種類（主要決定於流體粘度）、使用特點（連續工作還是間歇工作）、測量準確度等因素有關。同一容積式流量計，對於介質種類，用於較高粘度的

流體時，其流量範圍較大（主要是下限流量可以擴展到較低的量值）；對於使用特點，用於間歇測量時，其流量範圍較大（主要是上限流量可以比連續工作時大）；對於測量準確度，用於低準確度測量時，其流量範圍較大，而用於高準確度測量時，流量範圍較小。從流量計特性曲線上也可以清楚地看到這一點。

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

由於一般的容積式流量計體積龐大，在大流量時會產生較大噪聲，所以一般適合中小流量測量。結合容積式流量計的性能，在需要測量大流量時，可採用45度組合腰輪結構的流量計；在需要低噪聲工作的場合，可選用雙轉子流量計。

⑵被測介質物性

被測介質物性主要考慮流體的粘性和腐蝕性。考慮粘性以選擇合適的流量計類型，而腐蝕性是選擇流量計材質的主要因素之一例如，用於測量各種石油產品的，可選用鑄鋼、鑄鐵製造的流量計；用於腐蝕性輕微的化學液體以及冷、溫水可選用銅合金製造的流量計；用於純水、高溫水、原油、瀝青、高溫液體、各種化學液體以及食品等應選用不鏽鋼製造的流量計。另外，用於食品行業的流量計，除與流體接觸的零件必須用不鏽鋼及符合衛生條件的要求外，在結構上應易於折卸清洗，流量計內無儲液部位，如橢圓齒輪流量計、旋轉活塞流量計等。

⑶測量準確度

容積式流量計是目前測量準確度最高的流量計之一。廠家在產品樣本上給出的測量準確里是指在實驗室參比條件下得到的基本誤差，而在實際使用中，由於現場條件的偏離，必然會帶來附加誤差，實際誤差應該是基本誤差和附加誤差的合成。所以儀表選型時應根據現場可能出現的問題採取措施。

現場條件對測量準確度影響較大的主要有被測介質粘度的影響和溫度的影響。

流體粘度對流量計誤差特性的影響在第三節已有較詳細的討論，當實際使用的流體粘度與實驗室檢定時的流體粘度有較大差異時，應進行相應的粘度修正。如果除流體粘度外，其他參數沒有明顯的變化，則可以用以下兩種方法進行粘度修正。

⑷耐壓性能（工作壓力）和壓力損失

流量計的工作壓力要由流量計殼體來承受，對工作壓力的不同要求，應選用不同材質的受壓部件，以免引起使用上的不安全。

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

⑸使用目的

使用目的指流量計是用於計量交接和成本核算，還是用於過程參數控制。用於計量核算的流量計主要考慮其計量精度，可以是就地指示儀表；用於過程控制的流量計主要考慮其可靠性，且應有發信器、計數器、調節顯示儀表等各種配套設備。