液氮流量計的工作原理與優(yōu)缺點(diǎn)分析
點(diǎn)擊次數：2504 發(fā)布時(shí)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，其工作原理是根據置于流體中的葉輪的旋轉角速度與流體流速成正比，通過(guò)測量葉輪的旋轉角速度得到被測流體的流速，從而得到管道內的流量值。整個(gè)儀表由殼體、導向體（疏流器）、葉輪、軸、軸承及信號檢測器等組成。流量計內部結構如圖2-2所示。
液氮流量計在管道中心安放一個(gè)渦輪，兩端由軸承支撐。當流體進(jìn)入流量計時(shí)，首先要經(jīng)過(guò)液氮流量計內部特殊結構的前導流體并加速。在流體的作用下，渦輪葉片會(huì )與流體流向形成一定角度，這個(gè)時(shí)候渦輪就會(huì )產(chǎn)生轉動(dòng)力矩，這個(gè)轉動(dòng)力矩需要克服阻力力矩和摩擦力矩之后才能帶動(dòng)渦輪開(kāi)始轉動(dòng)。當轉動(dòng)力矩、阻力力矩和摩擦力矩達到平衡時(shí)，渦輪的轉速就會(huì )恒定。而且渦輪轉動(dòng)速度與流量成線(xiàn)性關(guān)系。葉輪的轉速經(jīng)一副齒輪減速，同時(shí)由一個(gè)密封的磁性耦合器件將轉動(dòng)的趨勢傳到儀表外部的機械式計數器。利用電磁感應原理，通過(guò)旋轉的渦輪葉片頂端導磁體周期性地改變磁阻，將檢測線(xiàn)圈檢測到的磁通周期變化信號送入前置放大器，經(jīng)過(guò)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(shí)將脈沖信號送入頻率-電流轉換電路，轉換成模擬電流，進(jìn)而指示瞬時(shí)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，單位脈沖數/m3。
液氮流量計流量特性曲線(xiàn)如圖2-1所示。從特性曲線(xiàn)可以看出，當流量計從零開(kāi)始增大時(shí)，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(kāi)始旋轉，極小量的流體通過(guò)液氮流量計時(shí)，渦輪并不轉動(dòng)，只有當流量大于某一最小值時(shí)，這一最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(shí)，流量特性變化很大，主要收粘滯性摩擦力矩影響。
當流量大于某一數值后，流量與轉數才近似線(xiàn)性關(guān)系，這就是液氮流量計的工作區域。
由于軸承壽命、葉輪強度和壓損等消極的制約，渦輪不能轉動(dòng)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(diǎn)
液氮流量計在石油化工、有機液體、無(wú)機液、液化氣、天然氣和低溫流體中有著(zhù)廣泛的應用，在使用量上是僅次于孔板流量計的計量?jì)x表。
（一）液氮流量計的優(yōu)點(diǎn)
（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(shí)，一般為±1.5%，特殊專(zhuān)用型為±0.5%~1%，在所用流量計中，液氮流量計屬于最精確的。
（2）重復性好
短期重復性可達0.05%~0.2%，正是由于其具有良好的重復性，如經(jīng)常校準或在線(xiàn)校準可得極高的精確度，使其成為在貿易結算計量的優(yōu)秀解決方案之一。
（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(wú)零點(diǎn)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(kāi)孔，易制成高壓型儀表。
（6）結構類(lèi)型多，可適應各種測量對象的需要。
（二）液氮流量計的缺點(diǎn)
（1）難以長(cháng)期保持校準特性，需要定期校驗。對于無(wú)潤滑性的液體，液體中含有懸浮物或具有腐蝕性時(shí)，容易造成軸承磨損及卡住等問(wèn)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。有貿易儲運和高精度測量要求時(shí)，最好配備現場(chǎng)校驗設備，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(zhù)粘度的增大，流量計測量下限值提高，測量范圍縮小，線(xiàn)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敏感。由于密度和粘度與溫度、壓力關(guān)系密切，在現場(chǎng)溫度、壓力波動(dòng)較大的情況下，要根據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(lái)自流速分布畸變和旋轉流的影響較大，一次表上下游都需設置較長(cháng)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(guò)安裝過(guò)濾器以適應臟污介質(zhì)，但亦帶來(lái)壓損增大、維護量增大等一系列問(wèn)題，因此在由于潔凈度較差的流體測量時(shí)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(xiàn)。液氮流量計安裝時(shí)液體流動(dòng)方向應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(shí)流體方向必須向上。液體應充滿(mǎn)管道，不得有氣泡。直管段內壁應光滑清潔，無(wú)凹痕、積垢和起皮等缺陷。
液氮流量計是一種速度式流量計，其工作原理是根據置于流體中的葉輪的旋轉角速度與流體流速成正比，通過(guò)測量葉輪的旋轉角速度得到被測流體的流速，從而得到管道內的流量值。整個(gè)儀表由殼體、導向體（疏流器）、葉輪、軸、軸承及信號檢測器等組成。流量計內部結構如圖2-2所示。
液氮流量計在管道中心安放一個(gè)渦輪，兩端由軸承支撐。當流體進(jìn)入流量計時(shí)，首先要經(jīng)過(guò)液氮流量計內部特殊結構的前導流體并加速。在流體的作用下，渦輪葉片會(huì )與流體流向形成一定角度，這個(gè)時(shí)候渦輪就會(huì )產(chǎn)生轉動(dòng)力矩，這個(gè)轉動(dòng)力矩需要克服阻力力矩和摩擦力矩之后才能帶動(dòng)渦輪開(kāi)始轉動(dòng)。當轉動(dòng)力矩、阻力力矩和摩擦力矩達到平衡時(shí)，渦輪的轉速就會(huì )恒定。而且渦輪轉動(dòng)速度與流量成線(xiàn)性關(guān)系。葉輪的轉速經(jīng)一副齒輪減速，同時(shí)由一個(gè)密封的磁性耦合器件將轉動(dòng)的趨勢傳到儀表外部的機械式計數器。利用電磁感應原理，通過(guò)旋轉的渦輪葉片頂端導磁體周期性地改變磁阻，將檢測線(xiàn)圈檢測到的磁通周期變化信號送入前置放大器，經(jīng)過(guò)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(shí)將脈沖信號送入頻率-電流轉換電路，轉換成模擬電流，進(jìn)而指示瞬時(shí)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，單位脈沖數/m3。
液氮流量計流量特性曲線(xiàn)如圖2-1所示。從特性曲線(xiàn)可以看出，當流量計從零開(kāi)始增大時(shí)，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(kāi)始旋轉，極小量的流體通過(guò)液氮流量計時(shí)，渦輪并不轉動(dòng)，只有當流量大于某一最小值時(shí)，這一最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(shí)，流量特性變化很大，主要收粘滯性摩擦力矩影響。
當流量大于某一數值后，流量與轉數才近似線(xiàn)性關(guān)系，這就是液氮流量計的工作區域。
由于軸承壽命、葉輪強度和壓損等消極的制約，渦輪不能轉動(dòng)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(diǎn)
液氮流量計在石油化工、有機液體、無(wú)機液、液化氣、天然氣和低溫流體中有著(zhù)廣泛的應用，在使用量上是僅次于孔板流量計的計量?jì)x表。
（一）液氮流量計的優(yōu)點(diǎn)
（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(shí)，一般為±1.5%，特殊專(zhuān)用型為±0.5%~1%，在所用流量計中，液氮流量計屬于最精確的。
（2）重復性好
短期重復性可達0.05%~0.2%，正是由于其具有良好的重復性，如經(jīng)常校準或在線(xiàn)校準可得極高的精確度，使其成為在貿易結算計量的優(yōu)秀解決方案之一。
（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(wú)零點(diǎn)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(kāi)孔，易制成高壓型儀表。
（6）結構類(lèi)型多，可適應各種測量對象的需要。
（二）液氮流量計的缺點(diǎn)
（1）難以長(cháng)期保持校準特性，需要定期校驗。對于無(wú)潤滑性的液體，液體中含有懸浮物或具有腐蝕性時(shí)，容易造成軸承磨損及卡住等問(wèn)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。有貿易儲運和高精度測量要求時(shí)，最好配備現場(chǎng)校驗設備，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(zhù)粘度的增大，流量計測量下限值提高，測量范圍縮小，線(xiàn)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敏感。由于密度和粘度與溫度、壓力關(guān)系密切，在現場(chǎng)溫度、壓力波動(dòng)較大的情況下，要根據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(lái)自流速分布畸變和旋轉流的影響較大，一次表上下游都需設置較長(cháng)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(guò)安裝過(guò)濾器以適應臟污介質(zhì)，但亦帶來(lái)壓損增大、維護量增大等一系列問(wèn)題，因此在由于潔凈度較差的流體測量時(shí)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(xiàn)。液氮流量計安裝時(shí)液體流動(dòng)方向應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(shí)流體方向必須向上。液體應充滿(mǎn)管道，不得有氣泡。直管段內壁應光滑清潔，無(wú)凹痕、積垢和起皮等缺陷。