液氮流量計的工作原理與優(yōu)缺點分析
點擊次數(shù)：2936 發(fā)布時間：2020-11-06 02:08:16
1.1液氮流量計工作原理
液氮流量計是一種速度式流量計，其工作原理是根據(jù)置于流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比，通過測量葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度得到被測流體的流速，從而得到管道內(nèi)的流量值。整個儀表由殼體、導(dǎo)向體（疏流器）、葉輪、軸、軸承及信號檢測器等組成。流量計內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。
液氮流量計在管道中心安放一個渦輪，兩端由軸承支撐。當流體進入流量計時，*先要經(jīng)過液氮流量計內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)的前導(dǎo)流體并加速。在流體的作用下，渦輪葉片會與流體流向形成一定角度，這個時候渦輪就會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，這個轉(zhuǎn)動力矩需要克服阻力力矩和摩擦力矩之后才能帶動渦輪開始轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)動力矩、阻力力矩和摩擦力矩達到平衡時，渦輪的轉(zhuǎn)速就會恒定。而且渦輪轉(zhuǎn)動速度與流量成線性關(guān)系。葉輪的轉(zhuǎn)速經(jīng)一副齒輪減速，同時由一個密封的磁性耦合器件將轉(zhuǎn)動的趨勢傳到儀表外部的機械式計數(shù)器。利用電磁感應(yīng)原理，通過旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片頂端導(dǎo)磁體周期性地改變磁阻，將檢測線圈檢測到的磁通周期變化信號送入前置放大器，經(jīng)過放大、整形，產(chǎn)生與流速成正比的脈沖信號，送入單位與流量積算電路，得到并顯示累積流量值；同時將脈沖信號送入頻率-電流轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成模擬電流，進而指示瞬時流量值。
液氮流量計的流量方程為
Qv=f/K（2-1）
公式（2-1）中，Qv為體積流量，單位m3/h。f為流量計輸出信號的頻率，單位Hz。K為流量計的儀表系數(shù)，單位脈沖數(shù)/m3。
液氮流量計流量特性曲線如圖2-1所示。從特性曲線可以看出，當流量計從零開始增大時，葉輪必須先克服軸與軸承之間產(chǎn)生的靜摩擦力矩后才開始旋轉(zhuǎn)，*小量的流體通過液氮流量計時，渦輪并不轉(zhuǎn)動，只有當流量大于某一*小值時，這一*小流量值與流體的密度成平方根關(guān)系，所以它對密度較大的流體靈敏度較好，在流量計較小時，流量特性變化很大，主要收粘滯性摩擦力矩影響。
當流量大于某一數(shù)值后，流量與轉(zhuǎn)數(shù)才近似線性關(guān)系，這就是液氮流量計的工作區(qū)域。
由于軸承壽命、葉輪強度和壓損等消*的制約，渦輪不能轉(zhuǎn)動太快，因此液氮流量計和其他流量計一樣，存在測量的上下限。
1.2液氮流量計優(yōu)缺點
液氮流量計在石油化工、有機液體、無機液、液化氣、天然氣和低溫流體中有著廣泛的應(yīng)用，在使用量上是僅次于孔板流量計的計量儀表。
（一）液氮流量計的優(yōu)點
（1）高精度
對于液體一般為±0.25%~±0.5%，高精度型可達到±0.15%；當介質(zhì)為氣體時，一般為±1.5%，特殊專用型為±0.5%~1%，在所用流量計中，液氮流量計屬于*精確的。
（2）重復(fù)性好
短期重復(fù)性可達0.05%~0.2%，正是由于其具有良好的重復(fù)性，如經(jīng)常校準或在線校準可得*高的精確度，使其成為在貿(mào)易結(jié)算計量的**解決方案之一。
（3）測量范圍寬
中大口徑可達40:1~10:1，小口徑為6:1或5:1。
（4）輸出脈沖頻率信號
適于總量計量及計算機連接，無零點漂移，抗干擾能力強?？色@得很高的頻率信號（3~4Hz），信號分辨率強。
（5）適用于高壓測量
儀表表體不必開孔，易制成高壓型儀表。
（6）結(jié)構(gòu)類型多，可適應(yīng)各種測量對象的需要。
（二）液氮流量計的缺點
（1）難以長期保持校準特性，需要定期校驗。對于無潤滑性的液體，液體中含有懸浮物或具有腐蝕性時，容易造成軸承磨損及卡住等問題，限制了其使用范圍，特殊工況需要采用耐磨硬質(zhì)合金軸和軸承。有貿(mào)易儲運和高精度測量要求時，*好配備現(xiàn)場校驗設(shè)備，可定期校準以保持其特性。
（2）不適用于較高粘度介質(zhì)（高粘度型除外），隨著粘度的增大，流量計測量下限值提高，測量范圍縮小，線性度變差。
（3）流體物性（密度、粘度）對儀表特性影響較大。氣體液氮流量計易受到密度的影響，而液體液氮流量計對粘度變化的反應(yīng)敏感。由于密度和粘度與溫度、壓力關(guān)系密切，在現(xiàn)場溫度、壓力波動較大的情況下，要根據(jù)它們對精確度影響的程度采取補償措施，才能使流量計保持在較高的精度。
（4）流量計受到來自流速分布畸變和旋轉(zhuǎn)流的影響較大，一次表上下游都需設(shè)置較長的直管段，安裝空間要求嚴格。
（5）對被測介質(zhì)的潔凈度要求較高，限制了其適用領(lǐng)域，雖然可以通過安裝過濾器以適應(yīng)臟污介質(zhì)，但亦帶來壓損增大、維護量增大等一系列問題，因此在由于潔凈度較差的流體測量時要謹慎使用。
（6）小口徑（2”以下）儀表流量特性受物性影響嚴重，儀表性能難以提高。
1.3液氮流量計安裝形式
液氮流量計根據(jù)口徑的不同安裝形式分為法蘭連接、螺紋連接以及夾裝式連接三種安裝方式。螺紋連接與夾裝式連接一般常用于小口徑管線。液氮流量計安裝時液體流動方向應(yīng)與傳感器外殼上指示流向的箭頭方向一致。典型的液氮流量計安裝如圖2-3所示。
液體渦輪流量傳感器可水平、垂直安裝，垂直安裝時流體方向必須向上。液體應(yīng)充滿管道，不得有氣泡。直管段內(nèi)壁應(yīng)光滑清潔，無凹痕、積垢和起皮等缺陷。
液氮流量計是一種速度式流量計，其工作原理是根據(jù)置于流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比，通過測量葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度得到被測流體的流速，從而得到管道內(nèi)的流量值。整個儀表由殼體、導(dǎo)向體（疏流器）、葉輪、軸、軸承及信號檢測器等組成。流量計內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。
液氮流量計在管道中心安放一個渦輪，兩端由軸承支撐。當流體進入流量計時，*先要經(jīng)過液氮流量計內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)的前導(dǎo)流體并加速。在流體的作用下，渦輪葉片會與流體流向形成一定角度，這個時候渦輪就會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，這個轉(zhuǎn)動力矩需要克服阻力力矩和摩擦力矩之后才能帶動渦輪開始轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)動力矩、阻力力矩和摩擦力矩達到平衡時，渦輪的轉(zhuǎn)速就會恒定。而且渦輪轉(zhuǎn)動速度與流量成線性關(guān)系。葉輪的轉(zhuǎn)速經(jīng)一副齒輪減速，同時由一個密封的磁性耦合器件將轉(zhuǎn)動的趨勢傳到儀表外部的機械式計數(shù)器。利用電磁感應(yīng)原理，通過旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片頂端導(dǎo)磁體周期性地改變磁阻，將檢測線圈檢測到的磁通周期變化信號送入前置放大器，經(jīng)過放大、整形，產(chǎn)生與流速成正比的脈沖信號，送入單位與流量積算電路，得到并顯示累積流量值；同時將脈沖信號送入頻率-電流轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成模擬電流，進而指示瞬時流量值。
液氮流量計的流量方程為
Qv=f/K（2-1）
公式（2-1）中，Qv為體積流量，單位m3/h。f為流量計輸出信號的頻率，單位Hz。K為流量計的儀表系數(shù)，單位脈沖數(shù)/m3。
液氮流量計流量特性曲線如圖2-1所示。從特性曲線可以看出，當流量計從零開始增大時，葉輪必須先克服軸與軸承之間產(chǎn)生的靜摩擦力矩后才開始旋轉(zhuǎn)，*小量的流體通過液氮流量計時，渦輪并不轉(zhuǎn)動，只有當流量大于某一*小值時，這一*小流量值與流體的密度成平方根關(guān)系，所以它對密度較大的流體靈敏度較好，在流量計較小時，流量特性變化很大，主要收粘滯性摩擦力矩影響。
當流量大于某一數(shù)值后，流量與轉(zhuǎn)數(shù)才近似線性關(guān)系，這就是液氮流量計的工作區(qū)域。
由于軸承壽命、葉輪強度和壓損等消*的制約，渦輪不能轉(zhuǎn)動太快，因此液氮流量計和其他流量計一樣，存在測量的上下限。
1.2液氮流量計優(yōu)缺點
液氮流量計在石油化工、有機液體、無機液、液化氣、天然氣和低溫流體中有著廣泛的應(yīng)用，在使用量上是僅次于孔板流量計的計量儀表。
（一）液氮流量計的優(yōu)點
（1）高精度
對于液體一般為±0.25%~±0.5%，高精度型可達到±0.15%；當介質(zhì)為氣體時，一般為±1.5%，特殊專用型為±0.5%~1%，在所用流量計中，液氮流量計屬于*精確的。
（2）重復(fù)性好
短期重復(fù)性可達0.05%~0.2%，正是由于其具有良好的重復(fù)性，如經(jīng)常校準或在線校準可得*高的精確度，使其成為在貿(mào)易結(jié)算計量的**解決方案之一。
（3）測量范圍寬
中大口徑可達40:1~10:1，小口徑為6:1或5:1。
（4）輸出脈沖頻率信號
適于總量計量及計算機連接，無零點漂移，抗干擾能力強?？色@得很高的頻率信號（3~4Hz），信號分辨率強。
（5）適用于高壓測量
儀表表體不必開孔，易制成高壓型儀表。
（6）結(jié)構(gòu)類型多，可適應(yīng)各種測量對象的需要。
（二）液氮流量計的缺點
（1）難以長期保持校準特性，需要定期校驗。對于無潤滑性的液體，液體中含有懸浮物或具有腐蝕性時，容易造成軸承磨損及卡住等問題，限制了其使用范圍，特殊工況需要采用耐磨硬質(zhì)合金軸和軸承。有貿(mào)易儲運和高精度測量要求時，*好配備現(xiàn)場校驗設(shè)備，可定期校準以保持其特性。
（2）不適用于較高粘度介質(zhì)（高粘度型除外），隨著粘度的增大，流量計測量下限值提高，測量范圍縮小，線性度變差。
（3）流體物性（密度、粘度）對儀表特性影響較大。氣體液氮流量計易受到密度的影響，而液體液氮流量計對粘度變化的反應(yīng)敏感。由于密度和粘度與溫度、壓力關(guān)系密切，在現(xiàn)場溫度、壓力波動較大的情況下，要根據(jù)它們對精確度影響的程度采取補償措施，才能使流量計保持在較高的精度。
（4）流量計受到來自流速分布畸變和旋轉(zhuǎn)流的影響較大，一次表上下游都需設(shè)置較長的直管段，安裝空間要求嚴格。
（5）對被測介質(zhì)的潔凈度要求較高，限制了其適用領(lǐng)域，雖然可以通過安裝過濾器以適應(yīng)臟污介質(zhì)，但亦帶來壓損增大、維護量增大等一系列問題，因此在由于潔凈度較差的流體測量時要謹慎使用。
（6）小口徑（2”以下）儀表流量特性受物性影響嚴重，儀表性能難以提高。
1.3液氮流量計安裝形式
液氮流量計根據(jù)口徑的不同安裝形式分為法蘭連接、螺紋連接以及夾裝式連接三種安裝方式。螺紋連接與夾裝式連接一般常用于小口徑管線。液氮流量計安裝時液體流動方向應(yīng)與傳感器外殼上指示流向的箭頭方向一致。典型的液氮流量計安裝如圖2-3所示。
液體渦輪流量傳感器可水平、垂直安裝，垂直安裝時流體方向必須向上。液體應(yīng)充滿管道，不得有氣泡。直管段內(nèi)壁應(yīng)光滑清潔，無凹痕、積垢和起皮等缺陷。