流量計綜述

1  概述
 
　　流量測量方法和儀表的種類繁多,分類方法也很多。至今為止,可供工業(yè)用的流量儀表種 類達 60 種之多。品種如此之多的原因就在于至今還沒找到一種對任何流體、任何量程、任何 流動狀態(tài)以及任何使用條件都適用的流量儀表。
　　這 60 多種流量儀表,每種產(chǎn)品都有它特定的適用性,也都有它的局限性。按測量對象劃 分就有封閉管道和明渠兩大類;按測量目的又可分為總量測量和流量測量,其儀表分別稱作 總量表和流量計。
　　總量表測量一段時間內(nèi)流過管道的流量,是以短暫時間內(nèi)流過的總量除以該時間的商來表示,實際上流量計通常亦備有累積流量裝置,做總量表使用,而總量表亦備有流量發(fā)訊裝置。 因此,以嚴格意義來分流量計和總量表已無實際意義。
　　按測量原理分有力學(xué)原理、熱學(xué)原理、聲學(xué)原理、電學(xué)原理、光學(xué)原理、原子物理學(xué)原理等
　　本文按照目前最流行、最廣泛的分類法,即分為:容積式流量計、差壓式流量計、浮子流量 計、渦輪流量計、電磁流量計、流體振蕩流量計中的渦街流量計、質(zhì)量流量計和插入式流量計 來分別闡述各種流量計的原理、特點、應(yīng)用概況及國內(nèi)外的發(fā)展情況。

　　1.1 差壓式流量計

　　差壓式流量計是根據(jù)安裝于管道中流量檢測件產(chǎn)生的差壓,已知的流體條件和檢測件與 管道的幾何尺寸來計算流量的儀表。
　　差壓式流量計由一次裝置(檢測件)和二次裝置(差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表)組成。通常以 檢測件形式對差壓式流量計分類,如孔板流量計、文丘里流量計、均速管流量計等。
　　二次裝置為各種機械、電子、機電一體式差壓計,差壓變送器及流量顯示儀表。它已發(fā)展 為三化(系列化、通用化及標準化)程度很高的、種類規(guī)格龐雜的一大類儀表,它既可測量流量 參數(shù),也可測量其它參數(shù)(如壓力、物位、密度等)。
　　差壓式流量計的檢測件按其作用原理可分為:節(jié)流裝置、水力阻力式、離心式、動壓頭式、 動壓頭增益式及射流式幾大類。
　　檢測件又可按其標準化程度分為二大類:標準的和非標準的。
　　所謂標準檢測件是只要按照標準文件設(shè)計、制造、安裝和使用,無須經(jīng)實流標定即可確定 其流量值和估算測量誤差。
　　非標準檢測件是成熟程度較差的,尚未列入國際標準中的檢測件。
　　差壓式流量計是一類應(yīng)用最廣泛的流量計,在各類流量儀表中其使用量占居首位。近年 來,由于各種新型流量計的問世,它的使用量百分數(shù)逐漸下降,但目前仍是最重要的一類流量 計。

　　優(yōu)點:
 
　　(1)應(yīng)用最多的孔板式流量計結(jié)構(gòu)牢固,性能穩(wěn)定可靠,使用壽命長;
　　(2)應(yīng)用范圍廣泛,至今尚無任何一類流量計可與之相比擬;
　　(3)檢測件與變送器、顯示儀表分別由不同廠家生產(chǎn),便于規(guī)模經(jīng)濟生產(chǎn)。

　　缺點:
　　(1)測量精度普遍偏低;
　　(2)范圍度窄,一般僅 3:1~4:1;
　　(3)現(xiàn)場安裝條件要求高;
　　(4)壓損大(指孔板、噴嘴等)。

　　應(yīng)用概況:
　　差壓式流量計應(yīng)用范圍特別廣泛,在封閉管道的流量測量中各種對象都有應(yīng)用,如流體 方面:單相、混相、潔凈、臟污、粘性流等;工作狀態(tài)方面:常壓、高壓、真空、常溫、高溫、低溫等; 管徑方面:從幾 mm 到幾 m;流動條件方面:亞音速、音速、脈動流等。它在各工業(yè)部門的用量約 占流量計全部用量的 1/4~1/3。

　　1.2  浮子流量計

　　浮子流量計,又稱轉(zhuǎn)子流量計,是變面積式流量計的一種,在一根由下向上擴大的垂直錐 管中,圓形橫截面的浮子的重力是由液體動力承受的,從而使浮子可以在錐管內(nèi)自由地上升 和下降。
　　浮子流量計是僅次于差壓式流量計應(yīng)用范圍最寬廣的一類流量計,特別在小、微流量方
面有舉足輕重的作用。
　　80 年代中期,日本、西歐、美國的銷售金額占流量儀表的 15%~20%。我國產(chǎn)量 1990 年估計 在 12~14 萬臺,其中 95%以上為玻璃錐管浮子流量計。

　　特點:
　　(1)玻璃錐管浮子流量計結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,缺點是耐壓力低,有玻璃管易碎的較大風(fēng) 險;
　　(2)適用于小管徑和低流速;
　　(3)壓力損失較低。

　　1.3 容積式流量計

　　容積式流量計,又稱定排量流量計,簡稱 PD 流量計,在流量儀表中是精度最高的一類。它 利用機械測量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個已知的體積部分,根據(jù)測量室逐次重復(fù)地充 滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來測量流體體積總量。
　　容積式流量計按其測量元件分類,可分為橢圓齒輪流量計、刮板流量計、雙轉(zhuǎn)子流量計、 旋轉(zhuǎn)活塞流量計、往復(fù)活塞流量計、圓盤流量計、液封轉(zhuǎn)筒式流量計、濕式氣量計及膜式氣量 計等。

　　優(yōu)點:
　　(1)計量精度高;
　　(2)安裝管道條件對計量精度沒有影響;
 
　　(3)可用于高粘度液體的測量;
　　(4)范圍度寬;
　　(5)直讀式儀表無需外部能源可直接獲得累計,總量,清晰明了,操作簡便。

　　缺點:
　　(1)結(jié)果復(fù)雜,體積龐大;
　　(2)被測介質(zhì)種類、口徑、介質(zhì)工作狀態(tài)局限性較大;
　　(3)不適用于高、低溫場合;
　　(4)大部分儀表只適用于潔凈單相流體;
　　(5)產(chǎn)生噪聲及振動。

　　應(yīng)用概況:
　　容積式流量計與差壓式流量計、浮子流量計并列為三類使用量最大的流量計,常應(yīng)用于
昂貴介質(zhì)(油品、天然氣等)的總量測量。
　　工業(yè)發(fā)達國家近年 PD 流量計(不包括家用煤氣表和家用水表)的銷售金額占流量儀表的
13%~23%;我國約占 20%,1990 年產(chǎn)量(不包括家用煤氣表)估計為 34 萬臺,其中橢圓齒輪式和
腰輪式分別約占 70%和 20%。

　　1.4  渦輪流量計

　　渦輪流量計,是速度式流量計中的主要種類,它采用多葉片的轉(zhuǎn)子(渦輪)感受流體平均 流速,從而且推導(dǎo)出流量或總量的儀表。
　　一般它由傳感器和顯示儀兩部分組成,也可做成整體式。
　　渦輪流量計和容積式流量計、科里奧利質(zhì)量流量計稱為流量計中三類重復(fù)性、精度最佳
的產(chǎn)品,作為十大類型流量計之一,其產(chǎn)品已發(fā)展為多品種、多系列批量生產(chǎn)的規(guī)模。

　　優(yōu)點:
　　　(1)高精度,在所有流量計中,屬于最精確的流量計;
　　　(2)重復(fù)性好;
　　　(3)元零點漂移,抗干擾能力好;
　　　(4)范圍度寬;
　　　(5)結(jié)構(gòu)緊湊。

　　缺點:
　　　(1)不能長期保持校準特性;
　　　(2)流體物性對流量特性有較大影響。

　　應(yīng)用概況:
　　渦輪流量計在以下一些測量對象獲得廣泛應(yīng)用:石油、有機液體、無機液、液化氣、天然氣 和低溫流體統(tǒng)在歐洲和美國,渦輪流量計在用量上是僅次于孔板流量計的天然計量儀表,僅 荷蘭在天然氣管線上就采用了 2600 多臺各種尺寸,壓力從 0.8~6.5MPa 的氣體渦輪流量計, 它們已成為優(yōu)良的天然氣計量儀表。

　　1.5 電磁流量計
 
　　電磁流量計是根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律制成的一種測量導(dǎo)電性液體的儀表。
　　電磁流量計有一系列優(yōu)良特性,可以解決其它流量計不易應(yīng)用的問題,如臟污流、腐蝕流 的測量。
　　70、80 年代電磁流量在技術(shù)上有重大突破,使它成為應(yīng)用廣泛的一類流量計,在流量儀表 中其使用量百分數(shù)不斷上升。

　　優(yōu)點:
　　(1)測量通道是段光滑直管,不會阻塞,適用于測量含固體顆粒的液固二相流體,如紙漿、
泥漿、污水等;
　　(2)不產(chǎn)生流量檢測所造成的壓力損失,節(jié)能效果好;
　　(3)所測得體積流量實際上不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的明顯影響;
　　(4)流量范圍大,口徑范圍寬;
　　(5)可應(yīng)用腐蝕性流體。


　　缺點:
　　(1)不能測量電導(dǎo)率很低的液體,如石油制品;
　　(2)不能測量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體;
　　(3)不能用于較高溫度。


　　應(yīng)用概況:
　　電磁流量計應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,大口徑儀表較多應(yīng)用于給排水工程;中小口徑常用于高要求 或難測場合,如鋼鐵工業(yè)高爐風(fēng)口冷卻水控制,造紙工業(yè)測量紙漿液和黑液,化學(xué)工業(yè)的強腐 蝕液,有色冶金工業(yè)的礦漿;小口徑、微小口徑常用于醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、生物化學(xué)等有衛(wèi)生 要求的場所。

　　1.6  渦街流量計

　　渦街流量計是在流體中安放一根非流線型游渦發(fā)生體,流體在發(fā)生體兩側(cè)交替地分離釋
放出兩串規(guī)則地交錯排列的游渦的儀表。
　　渦街流量計按頻率檢出方式可分為:應(yīng)力式、應(yīng)變式、電容式、熱敏式、振動體式、光電式 及超聲式等。
　　渦街流量計是屬于最年輕的一類流量計,但其發(fā)展迅速,目前已成為通用的一類流量計。

　　優(yōu)點:
　　(1)結(jié)構(gòu)簡單牢固;
　　(2)適用流體種類多;
　　(3)精度較高;
　　(4)范圍度寬;
　　(5)壓損小。

　　缺點:
　　(1)不適用于低雷諾數(shù)測量;
　　(2)需較長直管段;
 
　　(3)儀表系數(shù)較低(與渦輪流量計相比);
　　(4)儀表在脈動流、多相流中尚缺乏應(yīng)用經(jīng)驗。

　　1.7  超聲流量計

　　超聲流量計是通過檢測流體流動對超聲束(或超聲脈沖)的作用以測量流量的儀表。
　　根據(jù)對信號檢測的原理超聲流量計可分為傳播速度差法(直接時差法、時差法、相位差法 和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法、空間濾法及噪聲法等。
　　超聲流量計和電磁流量計一樣,因儀表流通通道未設(shè)置任何阻礙件,均屬無阻礙流量計, 是適于解決流量測量困難問題的一類流量計,特別在大口徑流量測量方面有較突出的優(yōu)點, 近年來它是發(fā)展迅速的一類流量計之一。

　　優(yōu)點:
　　(1)可做非接觸式測量;
　　(2)為無流動阻撓測量,無壓力損失;
　　(3)可測量非導(dǎo)電性液體,對無阻撓測量的電磁流量計是一種補充。

　　缺點:
　　(1)傳播時間法只能用于清潔液體和氣體;而多普勒法只能用于測量含有一定量懸浮顆 粒和氣泡的液體;
　　(2)多普勒法測量精度不高。

　　應(yīng)用概況:
　　(1)傳播時間法應(yīng)用于清潔、單相液體和氣體。典型應(yīng)用有工廠排放液、:怪液、液化天然 氣等;
　　(2)氣體應(yīng)用方面在高壓天然氣領(lǐng)域已有使用良好的經(jīng)驗;
　　(3)多普勒法適用于異相含量不太高的雙相流體,例如:未處理污水、工廠排放液、臟流程
液;通常不適用于非常清潔的液體。

　　1.8  科里奧利質(zhì)量流量計

　　科里奧利質(zhì)量流量計(以下簡稱 CMF)是利用流體在振動管中流動時,產(chǎn)生與質(zhì)量流量成
正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質(zhì)量流量儀表。
　　我國 CMF 的應(yīng)用起步較晚,近年已有幾家制造廠(如太行儀表廠)自行開發(fā)供應(yīng)市場;還 有幾家制造廠組建合資企業(yè)或引用國外技術(shù)生產(chǎn)系列儀表。


　　1.9 明渠流量計

　　與前述幾種不同,它是在非滿管狀敞開渠道測量自由表面自然流的流量儀表。
　　非滿管態(tài)流動的水路稱作明渠,測量明渠中水流流量的稱作明渠流量計(open  channel flowmeter)。
　　明渠流量計除圓形外,還有 U 字形、梯形、矩形等多種形狀。
　　明渠流量計應(yīng)用場所有城市供水引水渠;火電廠引水和排水渠、污水治理流入和排放渠; 工礦企業(yè)水排放以及水利工程和農(nóng)業(yè)灌溉用渠道。有人估計 1995 臺,約占流量儀表整體的
 
1.6%,但是國內(nèi)應(yīng)用尚無估計數(shù)據(jù)。

2  新工作原理流量儀表的研究和開發(fā)

　　2.1  靜電流量計(electrostatic  flowmeter)

　　日本東京技術(shù)學(xué)院研制適用于石油輸送管線低導(dǎo)電液體流量測量的靜電流量計。
　　靜電流量計的金屬測量管絕緣地與管系連接,測量電容器上靜電荷便可知道測量管內(nèi)的 電荷。他們分別作了內(nèi)徑 4~8mm 銅、不銹鋼等金屬和塑料測量管儀表的實流試驗,試驗表明流 量與電荷之間接近于線性。

　　2.2  復(fù)合效應(yīng)流量儀表(combined  effects  meter)

　　該儀表的工作原理是基于流體的動量和壓力作用于儀表腔體產(chǎn)生的變形,測量復(fù)合效應(yīng) 的變形求取流量。本儀表由美國 GMI 工程和管理學(xué)院開發(fā),已申請兩項專利。

　　2.3  轉(zhuǎn)速表式流量傳感器(tachmetric  flowrate  sensor)

　　它是由俄羅斯科學(xué)工程中心工業(yè)儀表公司開發(fā)，是基于懸浮效應(yīng)理論研制的。該儀表已 在若干現(xiàn)場成功的應(yīng)用(例如在核電站安裝 2000 余臺測量熱水流量，連續(xù)使用 8 年),且還 在改進以擴大應(yīng)用領(lǐng)域。

3  幾種流量儀表應(yīng)用和發(fā)展動向

　　3.1  科里奧利質(zhì)量流量計(CMF)

　　國外 CMF 已發(fā)展 30 余系列，各系列開發(fā)在技術(shù)上著眼點在于:流量檢測測量管結(jié)構(gòu)上 設(shè)計創(chuàng)新;提高儀表零點穩(wěn)定性和精確度等性能;增加測量管撓度,提高靈敏度;改善測量管 應(yīng)力分布,降低疲勞損壞,加強抗振動干擾能力等。

　　3.2  電磁流量計(EMF)

　　EMF 從 50 年代初進入工業(yè)應(yīng)用以來,使用領(lǐng)域日益擴展,80 年代后期起在各國流量儀表
銷售金額中已占 16%~20%。
　　我國近年發(fā)展迅速,1994 年銷售估計為 6500~7500 臺。國內(nèi)已生產(chǎn)最大口徑為 2~6m 的
ENF,并有實流校驗口徑 3m 的設(shè)備能力。

　　3.3  渦街流量計(USF)

　　USF 在 60 年代后期進入工業(yè)應(yīng)用,80 年代后期起在各國流量儀表銷售金額中已占
4%~6%。1992 年世界范圍估計銷售量為 3.54.8 萬臺,同期國內(nèi)產(chǎn)品估計在 8000~9000 臺。

4  結(jié)論
 
　　由上述可知,流量計發(fā)展到今天雖然已日趨成熟,但其種類仍然極其繁多,至今尚無一種 對于任何場合都適用的流量計。
　　每種流量計都有其適用范圍,也都有局限性。這就要求我們:
　　(1)在選擇儀表時,一定要熟悉儀表和被測對象兩方面的情況,并要兼顧考慮其它因素, 這樣測量才會準確;
　　(2)努力研制新型儀表,使其在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上更加完善