容积式流量计的原理及结构

1、前 言

容积式流量计又称排量流量计（positivedisplacement 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PDF，但大部分都有相似的基本特征。PDF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。

3、结构

PDF品种繁多，结构形式亦多种多样，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 对被测介质温度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有影响，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，操作简便。

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结构复杂，体积大，笨重，尤其较大口径PDF体积庞大，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，断流管系就不能应用。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。

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；又因广泛应用于家庭煤气（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。

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在国外还广泛应用于液化石油气，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，离线校准还是现场校准？

6） 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使用寿命，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％，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±(0.1~0.2)%R,椭圆齿轮式等，个别制造厂声称可达到±0.05％R（如Dresser Wayne公司的刮板式）；较低精度仪表的基本误差为±（1～1.5）％R（如弹性刮板式）。气体仪表的精度略低些，大部分结构型号为±（1～1.5）％R（如腰轮式、CVM式），较高者为±0.5％R（如转同式），较低者为±（2～2.5）％R。

重复性误差一般为基本误差的1／5～1／2。

在全部流量仪表中PDF是精度最高的一类。制造厂所列规范书中的是在实验室参比条件下校验所得的基本误差。实际使用现场条件往往偏离参比条件，必然带来附加误差。实际误差应是基本误差和附加误差的合成。在选型及使用中要针对现场可能出现的问题采取措施，以保持良好的测量精度。
流量范围度在（5：1）～（100：1）之间，大部分（10：1）～（20：1）。同一台仪表额定较高精度等级时所得范围度较低，欲得较大范围度则要降低精度等级，例如各类转子式液体仪表范围度为5：1时，基本误差为±0.2％R;范围度为10：1时，则降为±0.5％R。

7.4 压力损失

PDF要靠流体能量推动测量元件，因此带来相当高的压力损失。PDF的压力损失要比同样口径和流量的涡轮式或其它又阻碍流量计大。液体用仪表在最大流量时粘度为1～5mPa.s,液体的压力损失在20～100kPa之间；低气压用仪表，腰轮式为200～500Pa，膜式为130～400Pa。

要正确选择仪表勿使其达到不能接受的压力损失，尤其在测量高蒸气压的液体，过度的压降会导致气蚀。若气蚀持续存在会损坏元件，某些允许短时超流到测量上限120％的仪表更应注意这一问题。

7.5 流体腐蚀性

流体腐蚀性是确定仪表材质的主要因素。对于各种石油制品，采用铸钢铸铁制造；对于腐蚀性轻微的化学液体以及冷温水，用铜合金制造；对于纯水、高温水、原油、沥青、高温液体、化学液体、食品或食品原料，用不锈钢制造。PDF的耐蚀性不是强项。食品和生物制药业由于卫生要求，流量计需经常清洗消毒灭菌，与流体接触的零件必须用不锈钢及其它符合卫生要求的材料制成，结构上要易于拆卸，无潴液部位等。椭圆齿轮式、旋转活塞式流量计等在我国已有食品专用产品投放市场。

7.6 液体粘度对仪表性能影响

各种气体的粘度相接近，变化不大，对仪表性能可以说没有影响；若液体粘度相差较多，则对仪表性能带来一定影响。有些PDF为适应粘度高达500mPa.s的液体，生产具有较大间隙等设计措施的专用品种，PDF在流量仪表中具有交多应用于高粘度液体的经验。PDF虽然受一些液体粘度影响，但与差压式、浮子式、涡轮式等流量计相比，影响量要小得多。粘度对PDF性能有三个方面影响，即测量误差、压力损失和流量范围。

（1） 测量误差影响

PDF有一个与许多其它流量计流量受粘度增加而测量误差增加的不同特性，因粘度增加间隙泄漏量减少而改善性能。

（2） 压力损失影响
若液体粘度增加，PDF的压力损失随着增加。压力损失Δp与流量q之间的关系式可用Δp＝kqn表示（其中k为系数，n为指数）。粘度在0.005Pa.s（＝5mPa.s）以下时n=2；在0.5Pa.s（＝500mPa.s）以上n=1；在二者之间n=1.9～1.1。

活动测量元件用于高粘度液体时负荷增加，压力损失增加。高粘度专用仪表通常采用增加间隙的办法，有增加到0.5mm者。椭圆齿轮流量计为减少液体在齿隙间挤压负荷，还在齿轮上开若干沟槽卸荷（≥150mPa.s时），大于500mPa.s时，则采用欠齿的椭圆齿轮。

（3） 流量范围影响 压力损失因粘度增加而增加，对于使用压力损失有限制的场所，则必须降低流量上限值，即缩小流量范围。流量下限随着粘度增加而下降，是扩大了流量范围；作为一个粗略估计，粘度增加10倍，流量下限值降到原值的1／10～1／3。

7.7 压力与温度

有仪表均规定了工作温度范围和最大工作压力。最大工作压力是指常温和冲击压力下承受的压力。当用于较高温度时必须降低最大工作压力等级，有些产品使用说明书对此未作说明。急剧关闭或急剧开启阀门会产生水锤效应等冲压力，冲击压力可能超过工作压力，冲击压力还有可能引起许家读数，必要时装缓冲罐减少这类缺陷影响。

温度影响仪表受压强度外，还因仪表测量元件受热膨胀改变测量室和间隙尺寸，影响测量精度，间隙减小甚至使运动件卡住。因此用于较高温度时要预留特殊尺寸间隙来补偿，特别是不同材料组合使用时更要注意热胀系数的差异。温度变化还会改变液体粘度而引起流量示值变化。温度引起的测量元件尺寸变动改变测量室腔体积，例如椭圆齿轮流量计计量室和齿轮均为铸铁时，测量值变化+0.33%10℃；计量室为铸铁，齿轮为铸铝时则为+0.14%10℃。亦有采用自动温度补偿把计量室体积变化修正到一个认定的标准温度(如20℃)，例如用一个输出传动比可作调整的装置来修正。

高温流体进入冷的流量计，在未达到热平衡前就启动，可能因间隙大而增加测量误差；温度超过规定值则运动测量元件可能被卡住。因此使用前要有适合的预热时间，并观察是否能正常运转。

7.8 压缩性

通常液体的压缩性可勿略不计，然而在高精度测量油品时则不应忽视。API标准1101所列油品压缩系数在(5～20)×10-4/Mpa之间，例如重油压力从0.5Mpa升高到6Mpa时体积压缩0.45%。液化石油气的压缩性更大。

气体有很大的压缩性，在低压下其体积缩小与压力增高成比率关系，大部分PDF应用于低压状态，可直接换算，但在高压条件下体积缩小与压力增高不成比例，变化率减小，则应考虑使用气体的压缩系数。

8、安装注意事项

8.1 安装场所

流量计安装应选择合适的场所，需注意以下各点。

1) 周围温度和湿度应符合制造厂规定，一般温度为-10(-15)～40（50）℃，湿度为10%～90%。

2) 日光直射在夏季会使温度升高，接近辐射热的场所，亦会使温度升高 。这种场所应采取遮阳或隔热措施。

3) 非防尘、防浸水型仪表应避开有腐蚀性气氛或潮湿场所，因为积算器减速齿轮等零部件会被腐蚀气体和昼夜温差结露所损坏 。如无法避免，可采取内腔用洁净空气吹气(airpruge)方式保持微正压。

4) 避开振动和冲击的场所。

5) 要有足够空间便于安装和日常维护。

8.2 仪表姿势、流动方向、与管道连接

PDF的安装姿势必须做到横平竖直，转子型心意量做到其转子轴与地面平行(垂直结构转子轴设计例外)其他型号按使用说明书规定要求，一般为水平安装。垂直安装为防止垢屑等从管道上方落入流量计，将其装在旁路管。

实际流动方向应与仪表壳体一表明方向一致。PDF一般只能作单方向测量，必要时在其下游装止逆阀，以免损坏仪表。

要使流量计不承受管线膨胀、收缩、变形和振动；防止系统因阀门及管道设计不合理产生振动，特别要避免谐振。安装时不要例仪表受应力，例如上下游管道两法兰平面不平行，法兰面间距离过大，管道不同心等不良管道布置的不合理安装。特别是对无分离测量室，受压壳体和测量室一体的PDF更应注意，因为受较大安装应力会引起变形，影响测量精度，甚至卡死活动测量元件。

8.3 防止异相流体进入仪表

PDF计量室与活动检测件的间隙很小，流体中颗粒杂质影响仪表正常运行，造成卡死或过早磨损。仪表上游必须安装过滤器，并定期清洗；测量气体在必要时应考虑加装沉渣器或水吸收器等保护性设备。用于测量液体管道必须避免气体进入管道系统，必要时设置气体分离器。

8.4 减小脉动流、冲击流或过载流的危害

虽然有某些装在泵吸入端使用成功的实例，但仪表应装在泵的出口端。脉动流和冲击流会损害PDF，理想的流源是离心泵或高位槽。若必须要用往复泵，或管道易产生过载冲击，或水捶冲击等冲击流的场所，应装缓冲罐、膨胀室或安全阀等 保护设备。PDF过载超速运行可能带来无法弥补的危害，如管系有可能发生过量超载流，应在下游安装限流孔板、定流量阀或流量控制器等保护设施。

8.5 不断流安装

由于PDF测量元件损坏后会产生管道断流的缺点，在连续生产或不准断流的场所，应配备有自动切换设备的并联系统冗余；也可采取流量常用的并联运行方式，一台出故障另一台仍可流通。

8.6 现场校准

若需在现场用车装标准体积管、标准表等流量标准装置校准PDF者，应在现场适当位置预置支管、连接管件和截止阀等。

9、使用注意事项

1) 清洗管线 新投管线运行前要清扫，往往随后还要用实流冲洗，以去除残留焊屑垢皮等。此时先应关闭仪表前后截止阀，让液流从旁路管流过；若无旁路管，仪表位置应装短管代替。

2) 排尽气体 通常实液扫线后，管道内还残留较多空气，随着加压运行，空气以较高流速流过PDF，活动测量元件可能过速运转，损伤轴和轴承。因此开始时要缓慢增加流量，使空气渐渐外逸。

3) 旁路管切换顺序 液流从旁路管转入仪表时，启闭要缓慢，特别在高温高压管线上更应注意。启用时第1步徐徐开启A阀，液体先在旁路管流动一段时间；第2步徐徐开启B阀；第3步徐徐开启C阀；第4步徐徐关闭A阀。关闭时按上述逆顺序动作操作。

启动后通过最低位指针或字轮和秒表，确认未达过度流动，最佳流量应控制在(70～80)%最大流量，以保证仪表使用寿命。

4) 监查过滤器 新线启动过滤器网最易被打破，试运行后要及时检查网是否完好。同时过滤网清洁无污物时记录下常用流量下的压力损失这两个参数，今后不必卸下检查网堵塞状况，即以压力损失增加程度判断是是否要清洗。

5) 测量高粘度液体 用于高粘度液体，一般均加热后使之流动。当仪表停用后，其内部液体冷却而变稠，再启用时必须先加热待液体粘度降低后才让液体流过仪表，否则会咬住活动测量元件使仪表损坏。

6) 加润滑油 气体用等PDF启用前必须加润滑油，日常运行也经常检查润滑油存量的液位计。

7) 避免急剧流量变化 使用气体腰轮流量计时，应注意不能有急剧的流量变化(如使用快开阀)，因腰轮的惯性作用，急剧流量变化将产生较大附加惯性力，使转子损坏。用作控制系统的检测仪表时，若下游控制突然截止流动，转子一时停不下来，产生压气机效应，下游压力升高，然后倒流，发出错误信号。

8) 冲洗管道用蒸汽禁止通过PDF。