0 引言

    傳統(tǒng)的容積式流量計(jì)種類很多，如腰輪、橢圓齒輪、圓盤、旋轉(zhuǎn)活塞、伺服、轉(zhuǎn)筒、濕式及硬刮板流量計(jì)等，雖具有安裝方便、量程比寬、測量精度高等特點(diǎn)。但是它們有一個(gè)共同的弱點(diǎn)，那就是對被測介質(zhì)的清潔度要求嚴(yán)格，介質(zhì)流經(jīng)流量計(jì)時(shí)固體顆粒不得大于各“計(jì)量室”與轉(zhuǎn)子之間所存在的最小間隙，否則由于固體顆粒的影響，會(huì)造成流量計(jì)卡死，或者因磨損而早期失效。為了適應(yīng)生產(chǎn)中對各種介質(zhì)流量的測量，要求在流量計(jì)的上游側(cè)安裝過濾器，過濾網(wǎng)的目數(shù)必須根據(jù)流經(jīng)的介質(zhì)及流量合理選擇。但在流體含雜質(zhì)量較高的場合，因過濾器不間斷地工作極易堵塞，需要進(jìn)行頻繁的清洗，造成管線無法正常輸液。也使流量計(jì)無法計(jì)量。例如未經(jīng)處理的井口原油，上述流量計(jì)是根本無法使用的。

    彈性刮板流量計(jì)，是在硬刮板流量計(jì)的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際應(yīng)用開發(fā)出來的一種容積式流量計(jì)。它的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)新穎獨(dú)特，其結(jié)構(gòu)類似于硬刮板流量計(jì)（刮板流量計(jì)也有人稱之滑板流量計(jì)）。彈性刮板流量計(jì)中的刮板具有很大的回彈余地，其特點(diǎn)是作為計(jì)量部件的轉(zhuǎn)子和刮板與計(jì)量腔為彈性接觸，這樣使流體介質(zhì)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(huì)發(fā)生嚴(yán)重磨損甚至卡死損壞等現(xiàn)象；由于其刮板具有很大回彈余地，克服了硬刮板流量計(jì)許多不便計(jì)量的缺點(diǎn)和困難。

    1 彈性刮板流量計(jì)的原理與結(jié)構(gòu)

    1.1 工作原理

    彈性刮板流量計(jì)工作原理如圖1所示。

    當(dāng)被測流體由流量計(jì)的入口流入流量計(jì)時(shí)，在流量計(jì)的進(jìn)口與出口之間產(chǎn)生一壓差，該壓差推動(dòng)刮板和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。從圖1中可看出，流量計(jì)的殼體內(nèi)腔、轉(zhuǎn)子和一對刮板的外輪廓線所構(gòu)成的計(jì)量室內(nèi)充滿了被測流體，當(dāng)轉(zhuǎn)子按箭頭方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，3片刮板依次形成計(jì)量室，并把計(jì)量室里面的流體不斷地從入口側(cè)排向出口側(cè)。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈，就排出3份固定體積的流體量，因此，只要測得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)，便可獲得流經(jīng)流量計(jì)的液體體積量。將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由磁鋼聯(lián)接機(jī)構(gòu)傳遞到齒輪修正機(jī)構(gòu)修正后，將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的流量值，由計(jì)數(shù)器累積并指示或經(jīng)發(fā)訊器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出，從而完成計(jì)量過程

    1.2 結(jié)構(gòu)

    彈性刮板流量計(jì)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    它由流量計(jì)測量主體、計(jì)數(shù)顯示機(jī)構(gòu)和發(fā)訊器三大部件組成。

    測量主體的結(jié)構(gòu)主要由殼體、擋塊、嵌條、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子上，刮板轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑能伸能縮，始終接觸殼體內(nèi)腔壁，在擋塊的作用下刮板轉(zhuǎn)動(dòng)半徑縮小。在刮板和轉(zhuǎn)子上采用較特殊的工藝裹敷著一層耐油、耐磨并有彈性的優(yōu)質(zhì)橡膠，其嵌條也用優(yōu)質(zhì)橡膠制成，中心軸的出軸要密封聯(lián)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(jì)量機(jī)構(gòu)其固定部件與運(yùn)動(dòng)部件能夠達(dá)到軟、柔接觸。因而既可防止了側(cè)隙、軸隙的泄漏，又可避免含有雜質(zhì)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(jì)的計(jì)量精度。

    計(jì)數(shù)顯示機(jī)構(gòu)由齒輪修正機(jī)構(gòu)、計(jì)數(shù)器和指針指示器組成。齒輪修正機(jī)構(gòu)主要作用是進(jìn)行器差修正，從而使儀表的讀數(shù)與實(shí)際值盡量接近，達(dá)到應(yīng)有的計(jì)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(dāng)造成，因此在進(jìn)入計(jì)數(shù)器積算之前，必須由修正機(jī)構(gòu)進(jìn)行修正。齒輪修正機(jī)構(gòu)利用掛輪改變齒輪修正機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比來實(shí)現(xiàn)器差修正。計(jì)數(shù)器用來累積流量值，指示器則用以指示瞬時(shí)流量值。

    發(fā)訊器將流量計(jì)輸出軸的角位移，轉(zhuǎn)變成與流量相對應(yīng)的電脈沖信號(hào)，遠(yuǎn)傳給各種流量積算儀，以顯示流體的累計(jì)量和瞬時(shí)流量或遠(yuǎn)傳給控制系統(tǒng)。

    彈性刮板流量計(jì)為了滿足不同使用的要求，該流量計(jì)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(zhì)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(zhì)，如各種油品。對于耐腐蝕型，接觸介質(zhì)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(jì)算公式

    彈性刮板流量計(jì)的轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)一周時(shí)，由圖1可知，刮板在擋塊的作用下，其刮動(dòng)半徑由r₁變?yōu)閞₂。如前所述轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈，就排出3份計(jì)量室內(nèi)的流體體積，也就是排出量為r₁與r₂構(gòu)成的環(huán)形柱體V（忽略刮板厚度）。所以有下列計(jì)算式：

    V = π（r₁² - r₂²）H           （1）

    式中：r₁為殼體內(nèi)腔（計(jì)量室）半徑；r₂為擋塊內(nèi)半徑；H為計(jì)量室高度。

    如果流量計(jì)在計(jì)量流量時(shí)，在t時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)了n轉(zhuǎn)，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(tái)流量計(jì)而言。由于結(jié)構(gòu)尺寸固定，V為定值。由式（2）可知，只要測出轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)n，便可獲得流經(jīng)流量計(jì)的液體體積流量q_v，而與時(shí)間t無關(guān)。

    2 彈性刮板流量計(jì)的誤差特性

    所謂誤差特性，就是指流量計(jì)的誤差值與流量測量值之間的關(guān)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(jì)的入口端流入后，受到轉(zhuǎn)子和刮板的阻擋，同時(shí)還受到流體流動(dòng)時(shí)由粘滯力引起的阻力及流體本身的流動(dòng)阻力。這樣，在進(jìn)、出口端必然會(huì)產(chǎn)生一定的壓力差，通常我們將這個(gè)壓力差稱為流量計(jì)的壓力損失，用△P來表示。此差壓△P作用在刮板上形成一個(gè)驅(qū)動(dòng)力矩M_Q，它克服阻力矩M_Z而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。即：

    M_Q = M_Z                  （3）

    阻力矩M_Z為機(jī)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）

    將式（6）試（7）代入式（5）得：

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

    2.2 機(jī)械摩擦阻力誤差特性

    由式（8）可知，機(jī)械摩擦阻力矩M_J與差壓△p成正比關(guān)系。有時(shí)為減小機(jī)械摩擦阻力和粘性摩擦阻力，人為地在刮板與計(jì)量腔之間及刮板與上、下蓋之間留有少許間隙，從而會(huì)引入與△p成正比的泄漏流。這種漏流使流量計(jì)的誤差特性曲線隨著流量的減小而迅速下降。當(dāng)流量增大時(shí)，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(tài)。圖4是不同機(jī)械摩擦阻力時(shí)，流量計(jì)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(jì)運(yùn)動(dòng)部件的機(jī)械摩擦阻力是至關(guān)重要的，對流量計(jì)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(jì)雖然通過包裹在刮板和轉(zhuǎn)子上的橡膠及安裝在擋塊上的橡膠條封住漏流側(cè)隙。但是由于流體的流動(dòng)將推動(dòng)運(yùn)動(dòng)件動(dòng)作的原因，要完全消除漏流，目前情況下還很難達(dá)到。特別是在應(yīng)用過程中，由于零件的制造和裝配誤差，以及磨損作用，其側(cè)隙不可能完全被封住。因此對于給定的流量計(jì)，產(chǎn)生漏流的間隙是一定的。

    彈性刮板流量計(jì)適合測量粘度較高的流體，當(dāng)流量計(jì)的漏流間隙很小時(shí)，可以認(rèn)為其間隙的漏流為粘性流動(dòng)，此時(shí)漏流量可表示為

    式中：K為系數(shù)，常數(shù)；η為工作狀態(tài)下被測流體的動(dòng)力粘度，k?s/m²。

    從式（9）中可知，當(dāng)流量增大時(shí)，流量計(jì)進(jìn)出口之間壓力差也增大，因此流量計(jì)的漏流量增加為減小漏流量，要求流量計(jì)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(chǎn)生泄流，使流量計(jì)的計(jì)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(dāng)流體牯度增大時(shí)，流動(dòng)阻力增大，導(dǎo)致進(jìn)出口間壓力差△p增加使漏流△q增加。二是當(dāng)流體粘度增大時(shí)，漏流量△q減少，式（9）也很明顯地反映了這一點(diǎn)。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(yīng)用注意事項(xiàng)

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

    ①被測液體應(yīng)充滿流量計(jì)內(nèi)腔及前后連接管道，為消除被測液體中所含的氣體，必要時(shí)在流量計(jì)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(zhì)粘度、工作溫度等物理參數(shù)應(yīng)符臺(tái)流量計(jì)使用說明書的要求。
    ③雖然流量計(jì)可用來計(jì)量含固體顆粒的流體，但當(dāng)固體顆粒過大時(shí)，將使流量計(jì)卡死、磨損，嚴(yán)重的將使流量計(jì)損壞，縮短了流量計(jì)的使用壽命。特別是較長的纖維狀雜質(zhì)進(jìn)入流量計(jì)后，將會(huì)纏繞在轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)軸上，將嚴(yán)重影響流量計(jì)的檢測精度，甚至損壞機(jī)械部件。故用于此類介質(zhì)時(shí)，必須防止臟物進(jìn)入流量計(jì)，必要時(shí)在流量計(jì)上游安裝過濾器，并且定期清洗。
    ④流量計(jì)應(yīng)安裝在灰塵少，無強(qiáng)烈振動(dòng)和距熱源較遠(yuǎn)的地方，普通型流量計(jì)安裝時(shí)，周圍環(huán)境要無腐蝕性氣體。
    ⑤安裝處的環(huán)境溫度一般在-10~+50℃。
    ⑥流量計(jì)安裝在與其具有相同標(biāo)稱內(nèi)徑的管道上，內(nèi)徑的偏差應(yīng)不超過流量計(jì)通徑的2%。管道與流量計(jì)連接時(shí)，應(yīng)不使密封件突入流體內(nèi)。接合部位無漏液現(xiàn)象。
    ⑦要注意流量計(jì)殼體的箭頭方向與液體流動(dòng)方向一致。
    ⑧由流量計(jì)的結(jié)構(gòu)所知，其轉(zhuǎn)子只能單向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)它反向逆轉(zhuǎn)時(shí)，擋塊如同一個(gè)棘爪頂在刮板上，至使轉(zhuǎn)子無法轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣管道內(nèi)的介質(zhì)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(zhuǎn)子的損壞。故彈性刮板流量計(jì)在使用過程中決不允許有倒流現(xiàn)象發(fā)生。凡流量計(jì)使用在可能發(fā)生倒流的場合，都必須在流量計(jì)的下游側(cè)安裝單向閥，以保證其正常使用。
    ⑨流量計(jì)進(jìn)、出口軸線與相連管道軸線應(yīng)同軸，無偏斜。
    ⑩在裝配時(shí)，有時(shí)為了使流量計(jì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)較為靈活，有意減小使刮板復(fù)位的彈簧復(fù)位扭矩。這樣雖然能改善小流量的特性曲線，但在大流量時(shí)。刮板刮過擋塊時(shí)將無法迅速復(fù)位或在擋塊上產(chǎn)生彈跳，嚴(yán)重影響其檢測精度，甚至使流量計(jì)誤差超出允許值。故刮板復(fù)位彈簧和復(fù)位扭矩不要隨意調(diào)整。
    ⑾安裝前管道要清洗干凈，為便于檢修，應(yīng)裝有旁路管線，流量計(jì)前后應(yīng)裝閥門。
    ⑿新安裝的流量計(jì)在開始應(yīng)用時(shí)，為防止原來管道內(nèi)的焊接屑和土砂流過流量計(jì)，應(yīng)先用一根法蘭短管代替流量計(jì)，待液體流過一段時(shí)間后，確認(rèn)雜質(zhì)已排除，再換上流量計(jì)。如果設(shè)有旁通管道，則讓帶雜質(zhì)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(shí)流量計(jì)中斷工作，在應(yīng)用過程中最好在流量計(jì)前并聯(lián)安裝2只過濾器。為了了解過濾器的堵塞情況便于清洗，最好在過濾器的前后方各裝一適應(yīng)管道壓力的壓力表。
    ⒁當(dāng)流體開始通過流量計(jì)時(shí)，出口側(cè)的閥門應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，先使流體充滿管道和流量計(jì)，然后再緩慢開啟出口側(cè)閥門，確認(rèn)運(yùn)行正常時(shí)，再逐漸增大到所需要的流量。
    ⒂在流量計(jì)應(yīng)用過程中，要經(jīng)常進(jìn)行檢查，看其運(yùn)行是否正常。要注意磨損、腐蝕和固體物的粘著等，發(fā)現(xiàn)異常要及時(shí)停運(yùn)進(jìn)行維護(hù)修理。流量計(jì)要定期進(jìn)行標(biāo)定，以保證使用過程中的精度。

    4 結(jié)束語

    彈性刮板流量計(jì)測量液體體積流量時(shí)，測量精度高、壓力損失小、性能穩(wěn)定可靠，并且安裝維護(hù)方便、使用壽命長、適宜于測量介質(zhì)為原油及各種石油制品。當(dāng)配以電脈沖轉(zhuǎn)換器和流量積算儀時(shí)可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離流量積算，積算儀可以輸出0~l0mA或4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，以與其它記錄儀、調(diào)節(jié)儀以及計(jì)算機(jī)配套使用。掌握好它的工作原理、結(jié)構(gòu)和使用方法以及注意事項(xiàng)，就能夠充分發(fā)揮彈性刮板流量計(jì)的功能和作用，讓越來越多的用戶認(rèn)可。

    參考文獻(xiàn)

    1 川田裕郎，等著.流量測量手冊.北京：計(jì)量出版社，1982
    2 朱德祥，等著.流量儀表原理和應(yīng)用.上海.華東化工學(xué)院出版社，1992
    3 蘇彥勛，等著.流量計(jì)量.北京：計(jì)量出版杜.1991
    4 蘇彥勛，等著.流量計(jì)量與測試.北京：中國計(jì)量出版社，1992
    5 楊根生，等著.流量測量儀表.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1986
    6 王興才，等.容積式流量計(jì)的誤差特性及影響因素.航空計(jì)測技術(shù).1997（2）：21-26
    7 王興才，等.渦輪流量計(jì)的特點(diǎn)分析及使用航空計(jì)測技術(shù).1991（3）：17-21
    8 王興才，浮子型均速管流量計(jì)的原理和應(yīng)用自動(dòng)化儀表，1993（8）：23-27