彈性刮板流量計的原理及應用

 0 引言

    傳統的容積式流量計種類很多，如腰輪、橢圓齒輪、圓盤、旋轉活塞、伺服、轉筒、濕式及硬刮板流量計等，雖具有安裝方便、量程比寬、測量精度高等特點。但是它們有一個共同的弱點，那就是對被測介質的清潔度要求嚴格，介質流經流量計時固體顆粒不得大于各“計量室”與轉子之間所存在的zui小間隙，否則由于固體顆粒的影響，會造成流量計卡死，或者因磨損而早期失效。為了適應生產中對各種介質流量的測量，要求在流量計的上游側安裝過濾器，過濾網的目數必須根據流經的介質及流量合理選擇。但在流體含雜質量較高的場合，因過濾器不間斷地工作極易堵塞，需要進行頻繁的清洗，造成管線無法正常輸液。也使流量計無法計量。例如未經處理的井口原油，上述流量計是根本無法使用的。

    彈性刮板流量計，是在硬刮板流量計的基礎上結合實際應用開發出來的一種容積式流量計。它的設計結構新穎*，其結構類似于硬刮板流量計（刮板流量計也有人稱之滑板流量計）。彈性刮板流量計中的刮板具有很大的回彈余地，其特點是作為計量部件的轉子和刮板與計量腔為彈性接觸，這樣使流體介質中含雜量很高并有一定固體顆粒限度的的場合，也可以使用，不會發生嚴重磨損甚至卡死損壞等現象；由于其刮板具有很大回彈余地，克服了硬刮板流量計許多不便計量的缺點和困難。

    1 彈性刮板流量計的原理與結構

    1.1 工作原理

    彈性刮板流量計工作原理如圖1所示。

    當被測流體由流量計的入口流入流量計時，在流量計的進口與出口之間產生一壓差，該壓差推動刮板和轉子轉動。從圖1中可看出，流量計的殼體內腔、轉子和一對刮板的外輪廓線所構成的計量室內充滿了被測流體，當轉子按箭頭方向旋轉時，3片刮板依次形成計量室，并把計量室里面的流體不斷地從入口側排向出口側。轉子每轉一圈，就排出3份固定體積的流體量，因此，只要測得轉子的轉數，便可獲得流經流量計的液體體積量。將轉子的旋轉運動，由磁鋼聯接機構傳遞到齒輪修正機構修正后，將轉子旋轉數轉換成相應的流量值，由計數器累積并指示或經發訊器轉變成電信號輸出，從而完成計量過程

    1.2 結構

    彈性刮板流量計的總體結構如圖2所示。

    它由流量計測量主體、計數顯示機構和發訊器三大部件組成。

    測量主體的結構主要由殼體、擋塊、嵌條、轉子、刮板、扭簧、中心軸、上端蓋、下端蓋和法蘭組成。3片刮板等分裝在轉子上，刮板轉動的半徑能伸能縮，始終接觸殼體內腔壁，在擋塊的作用下刮板轉動半徑縮小。在刮板和轉子上采用較特殊的工藝裹敷著一層耐油、耐磨并有彈性的橡膠，其嵌條也用橡膠制成，中心軸的出軸要密封聯接。通過上述措施后再加上刮板有扭簧的作用，使得測量主體的計量機構其固定部件與運動部件能夠達到軟、柔接觸。因而既可防止了側隙、軸隙的泄漏，又可避免含有雜質和固體顆粒的液體引起的卡死、磨損及損壞，從而保證了彈性刮板流量計的計量精度。

    計數顯示機構由齒輪修正機構、計數器和指針指示器組成。齒輪修正機構主要作用是進行器差修正，從而使儀表的讀數與實際值盡量接近，達到應有的計量精度、儀表精度的超差往往是由于零件加工誤差和裝配不當造成，因此在進入計數器積算之前，必須由修正機構進行修正。齒輪修正機構利用掛輪改變齒輪修正機構的傳動比來實現器差修正。計數器用來累積流量值，指示器則用以指示瞬時流量值。

    發訊器將流量計輸出軸的角位移，轉變成與流量相對應的電脈沖信號，遠傳給各種流量積算儀，以顯示流體的累計量和瞬時流量或遠傳給控制系統。

    彈性刮板流量計為了滿足不同使用的要求，該流量計分為普通型和耐腐蝕型二種。對于普通型，采用鑄鋼、不銹鋼、鉛黃銅和丁腈橡膠來制造接觸介質的零部件，它適用于工作溫度低于80℃，并對上述材料不起腐蝕作用的介質，如各種油品。對于耐腐蝕型，接觸介質的金屬零部件，全部采用不銹鋼IGr18NDTi制成，橡膠則采用氟橡膠。

    1.3 計算公式

    彈性刮板流量計的轉子回轉一周時，由圖1可知，刮板在擋塊的作用下，其刮動半徑由r₁變為r₂。如前所述轉子每轉一圈，就排出3份計量室內的流體體積，也就是排出量為r₁與r₂構成的環形柱體V（忽略刮板厚度）。所以有下列計算式：

    V = π（r₁² - r₂²）H           （1）

    式中：r₁為殼體內腔（計量室）半徑；r₂為擋塊內半徑；H為計量室高度。

    如果流量計在計量流量時，在t時間內旋轉了n轉，那么，所排出的流體體積q_v為

    q_v = nV                      （2）

    對于具體的某一臺流量計而言。由于結構尺寸固定，V為定值。由式（2）可知，只要測出轉子的旋轉轉數n，便可獲得流經流量計的液體體積流量q_v，而與時間t無關。

    2 彈性刮板流量計的誤差特性

    所謂誤差特性，就是指流量計的誤差值與流量測量值之間的關系。討論其誤差特性，就是討論和分析測量誤差值隨流量測量值的變化而變化的趨勢。

    2.1 壓力損失誤差特性

    液體由流量計的入口端流入后，受到轉子和刮板的阻擋，同時還受到流體流動時由粘滯力引起的阻力及流體本身的流動阻力。這樣，在進、出口端必然會產生一定的壓力差，通常我們將這個壓力差稱為流量計的壓力損失，用△P來表示。此差壓△P作用在刮板上形成一個驅動力矩M_Q，它克服阻力矩M_Z而使轉子旋轉。即：

    M_Q = M_Z                  （3）

    阻力矩M_Z為機械阻力矩M_J與粘性阻力矩M_N之和，即：

    M_Z = M_J + M_N             （4）

    而M_J = S·△p·R        （5）

    式中：S為差壓有效作用面積；R為差壓有效作用半徑。

    由圖1可知，S = （r₁ - r₂）H       （6）

                       （7）

    將式（6）試（7）代入式（5）得：

                 （8）

    由式（3）、式（4）和式（5）可見，當阻力矩MZ增加時，其驅動力矩MQ也隨之增加，從而流量計的進、出口端引起的差壓△p增加。這種壓力損失對流量計的誤差特性有較大的影響。圖3給出了彈性刮板流量計壓力損失和精度曲線。

    2.2 機械摩擦阻力誤差特性

    由式（8）可知，機械摩擦阻力矩M_J與差壓△p成正比關系。有時為減小機械摩擦阻力和粘性摩擦阻力，人為地在刮板與計量腔之間及刮板與上、下蓋之間留有少許間隙，從而會引入與△p成正比的泄漏流。這種漏流使流量計的誤差特性曲線隨著流量的減小而迅速下降。當流量增大時，粘性摩擦力矩MN迅速增大，從而差壓△p增加，特性曲線隨著流量的增大而呈下降狀態。圖4是不同機械摩擦阻力時，流量計的誤差E與體積流量q_v曲線和壓力損失△p與體積流量q_v曲線圖。

    從以上分析和圖4曲線可見，減少彈性刮板流量計運動部件的機械摩擦阻力是至關重要的，對流量計的誤差特性有很大的影響。

    2.3 流體漏流對誤差的影響

    彈性刮板流量計雖然通過包裹在刮板和轉子上的橡膠及安裝在擋塊上的橡膠條封住漏流側隙。但是由于流體的流動將推動運動件動作的原因，要*消除漏流，目前情況下還很難達到。特別是在應用過程中，由于零件的制造和裝配誤差，以及磨損作用，其側隙不可能*被封住。因此對于給定的流量計，產生漏流的間隙是一定的。

    彈性刮板流量計適合測量粘度較高的流體，當流量計的漏流間隙很小時，可以認為其間隙的漏流為粘性流動，此時漏流量可表示為

             （9）

    式中：K為系數，常數；η為工作狀態下被測流體的動力粘度，k·s/m²。

    從式（9）中可知，當流量增大時，流量計進出口之間壓力差也增大，因此流量計的漏流量增加為減小漏流量，要求流量計的△p盡量小些為好，如果這種要求得到了滿足，就可獲得較理想的誤差特性。此外過大的△p也可能推開刮板和橡膠條的封隙“舌頭”而產生泄流，使流量計的計量誤差超出允許值。

    從式（9）中還可以看出流體粘度η對漏流量△q的影響具有兩重性：一是當流體牯度增大時，流動阻力增大，導致進出口間壓力差△p增加使漏流△q增加。二是當流體粘度增大時，漏流量△q減少，式（9）也很明顯地反映了這一點。該兩重性是相互逆向的，所以總的來說，粘度對誤差特性影響較小。

    3 應用注意事項

    彈性刮板流量計與其它流量計一樣，必須使用得當，方可保證其測量精度和使用壽命。

    ①被測液體應充滿流量計內腔及前后連接管道，為消除被測液體中所含的氣體，必要時在流量計的上游安裝氣體分離器。
    ②被測液體的流量范圍、工作壓力、介質粘度、工作溫度等物理參數應符臺流量計使用說明書的要求。
    ③雖然流量計可用來計量含固體顆粒的流體，但當固體顆粒過大時，將使流量計卡死、磨損，嚴重的將使流量計損壞，縮短了流量計的使用壽命。特別是較長的纖維狀雜質進入流量計后，將會纏繞在轉子或轉軸上，將嚴重影響流量計的檢測精度，甚至損壞機械部件。故用于此類介質時，必須防止臟物進入流量計，必要時在流量計上游安裝過濾器，并且定期清洗。
    ④流量計應安裝在灰塵少，無強烈振動和距熱源較遠的地方，普通型流量計安裝時，周圍環境要無腐蝕性氣體。
    ⑤安裝處的環境溫度一般在-10~+50℃。
    ⑥流量計安裝在與其具有相同標稱內徑的管道上，內徑的偏差應不超過流量計通徑的2%。管道與流量計連接時，應不使密封件突入流體內。接合部位無漏液現象。
    ⑦要注意流量計殼體的箭頭方向與液體流動方向一致。
    ⑧由流量計的結構所知，其轉子只能單向旋轉，當它反向逆轉時，擋塊如同一個棘爪頂在刮板上，至使轉子無法轉動，這樣管道內的介質壓力全部作用在刮板上，勢必造成由不銹鋼片制成的刮板和轉子的損壞。故彈性刮板流量計在使用過程中決不允許有倒流現象發生。凡流量計使用在可能發生倒流的場合，都必須在流量計的下游側安裝單向閥，以保證其正常使用。
    ⑨流量計進、出口軸線與相連管道軸線應同軸，無偏斜。
    ⑩在裝配時，有時為了使流量計轉子轉動較為靈活，有意減小使刮板復位的彈簧復位扭矩。這樣雖然能改善小流量的特性曲線，但在大流量時。刮板刮過擋塊時將無法迅速復位或在擋塊上產生彈跳，嚴重影響其檢測精度，甚至使流量計誤差超出允許值。故刮板復位彈簧和復位扭矩不要隨意調整。
    ⑾安裝前管道要清洗干凈，為便于檢修，應裝有旁路管線，流量計前后應裝閥門。
    ⑿新安裝的流量計在開始應用時，為防止原來管道內的焊接屑和土砂流過流量計，應先用一根法蘭短管代替流量計，待液體流過一段時間后，確認雜質已排除，再換上流量計。如果設有旁通管道，則讓帶雜質的流體先從旁通管道通過。
    ⒀需安過濾器的場合，為了避免清洗時流量計中斷工作，在應用過程中在流量計前并聯安裝2只過濾器。為了了解過濾器的堵塞情況便于清洗，在過濾器的前后方各裝一適應管道壓力的壓力表。
    ⒁當流體開始通過流量計時，出口側的閥門應處于關閉狀態，先使流體充滿管道和流量計，然后再緩慢開啟出口側閥門，確認運行正常時，再逐漸增大到所需要的流量。
    ⒂在流量計應用過程中，要經常進行檢查，看其運行是否正常。要注意磨損、腐蝕和固體物的粘著等，發現異常要及時停運進行維護修理。流量計要定期進行標定，以保證使用過程中的精度。

    4 結束語

    彈性刮板流量計測量液體體積流量時，測量精度高、壓力損失小、性能穩定可靠，并且安裝維護方便、使用壽命長、適宜于測量介質為原油及各種石油制品。當配以電脈沖轉換器和流量積算儀時可以進行遠距離流量積算，積算儀可以輸出0~l0mA或4~20mA標準電流信號，以與其它記錄儀、調節儀以及計算機配套使用。掌握好它的工作原理、結構和使用方法以及注意事項，就能夠充分發揮彈性刮板流量計的功能和作用，讓越來越多的用戶認可。