摘 要：根據(jù)流量計的類型特征，重點介紹了9種流量計的工作原理和優(yōu)缺點，指出選用流量計時應(yīng)符合可靠性和經(jīng)濟性兩大原則，并就新工作原理流量儀表的研究和開發(fā)作了簡述。

關(guān)鍵字：流量計 類型特征 選型原則 研究開發(fā)

 

1 流量計的類型及特點

自然界中流體廣泛存在，常見的空氣、水和血液等均屬于流體。單位時間內(nèi)，流體流過管道或設(shè)備某處橫截面的數(shù)量稱為流量。流量測量是一項極其復(fù)雜的工作，就流體對象而言，有各種液體、氣體和多相流體。測量條件差別也很大，進行流量測量時的流體溫度范圍可自高溫至低溫乃至極低溫；壓力范圍可自超高壓至低壓；流量范圍可自大流量至微小流量；黏度范圍可自低黏度至高黏度；流態(tài)范圍有層流、紊流、脈動流和各種多相流流型。因此，在具體進行測量時應(yīng)根據(jù)測量對象和各種測量條件，采用相應(yīng)的流量測量方法。

測量流體流量的儀表統(tǒng)稱為流量計。流量測量方法和儀表的種類繁多，其測量原理結(jié)構(gòu)特性、適用范圍及使用方法各不相同。至今為止，可供工業(yè)用的流量儀表種類達60多種。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。

流量計的分類方式有多種，從原理上大體可分為差壓式流量計、容積式流量計、速度式流量計、質(zhì)量流量計等。本文將選差壓式流量計、容積式流量計、浮子流量計、HKT渦輪流量計、HKE電磁流量計、HKGB渦街流量計等來分別闡述其原理和特點。

1.1 差壓式流量計

差壓式流量計是應(yīng)用流體流經(jīng)節(jié)流裝置所產(chǎn)生的靜壓差來測量流量的一種流量計。差壓式流量計由檢測件（一次裝置）、壓差信號管路和差壓計（二次裝置）組成，又稱節(jié)流式流量計，是目前應(yīng)用最廣的一類流量計。通常用節(jié)流裝置對差壓式流量計分類，如孔板流量計、文丘利管流量計和噴嘴等，節(jié)流裝置已標(biāo)準(zhǔn)化，稱為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置。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、標(biāo)準(zhǔn)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)，也可測量其他參數(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六大類。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，它的使用量逐漸下降，但目前仍是最重要的一類流量計，適合于高溫流體流量的測量，可用于測量高溫液體、蒸汽和氣體，但其用以制造的鋼材及結(jié)構(gòu)必須和被測高溫流體的溫度和壓力相適應(yīng)。

差壓式流量計優(yōu)點為：應(yīng)用最多的孔板式流量計，結(jié)構(gòu)簡單牢固，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長；應(yīng)用范圍廣泛，至今尚無任何一類流量計可與之相比擬；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)。

差壓式流量計缺點為：測量精度普遍偏低；測量范圍窄，一般僅3:1-4:1；現(xiàn)場安裝條件要求高（上下游需有足夠長的直管段長度等）；壓力損失大（指孔板、噴嘴等）。

差壓式流量計應(yīng)用概況：差壓式流量計應(yīng)用范圍廣泛，在封閉管道的流量測量中，各種對象都有應(yīng)用。流體方面有單相、混相、潔凈、臟污、黏性流等；工作狀態(tài)方面有常壓、高壓、真空、常溫、高溫、低溫等；管徑方面可從幾毫米（mm）到幾米（m）；流動條件方面有亞音速、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 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。容積式流量計的原理是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。

容積式流量計形式眾多，應(yīng)根據(jù)所測流體的流量范圍、溫度、壓力、所用管徑、腐蝕性和黏度等選用。按其測量元件分類，可分為橢圓齒輪流量計、腰輪式流量計、刮板流量計、往復(fù)活塞流量計、旋轉(zhuǎn)活塞流量計、圓盤流量計、濕式氣體流量計、皮囊式流量計及伺服式流量計等。

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。

容積式流量計優(yōu)點為：測量準(zhǔn)確度高；測量準(zhǔn)確度與流體種類、黏度、密度等物理量無關(guān)，也不受流動狀態(tài)影響；量程比寬，可達10:1以上；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。

容積式流量計缺點為：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大；被測介質(zhì)種類、口徑、介質(zhì)工作狀態(tài)局限性較大；不適用于高、低溫場合；對被測介質(zhì)的清潔度要求嚴(yán)格，大部分儀表只適用于潔凈單相流體；產(chǎn)生噪聲及振動。

1.3 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。主要分為玻璃浮子流量計、電遠傳金屬管浮子流量計、氣遠傳金屬管浮子流量計等。

浮子流量計的特點：靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、直觀、使用方便、測量范圍大、價格低廉等；壓力損失較低。

1.4 HKT渦輪流量計

HKT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，從而推導(dǎo)出流量或總量的儀表。一般由渦輪流量變送器（包括渦輪、磁電轉(zhuǎn)換裝置）前置放大器和顯示積算機構(gòu)兩部分組成，也可做成整體式。

HKT渦輪流量計和容積式流量計、HKC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，廣泛應(yīng)用于石油、有機液體、無機液體、液化氣、天然氣和低溫流體的流量測量。

HKT渦輪流量計優(yōu)點為：高精度，在所有流量計中，屬于最精確的流量計；重復(fù)性好；無零點漂移，抗干擾能力好；范圍度寬；結(jié)構(gòu)緊湊。HKT渦輪流量計缺點為：不能長期保持校準(zhǔn)特性；流體物性對流量特性有較大影響。

1.5 HKE電磁流量計

HKE電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種測量導(dǎo)電性液體的儀表。它是利用導(dǎo)電體在磁場中流動所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，推算并顯示流量的流量計，通常由電磁傳感器、轉(zhuǎn)換器和顯示儀表組成。

HKE電磁流量計可用于測量電導(dǎo)率大于10^-7S/m的多種導(dǎo)電液體的體積流量，特別適用于測量各種酸、堿、鹽等腐蝕性溶液；各種磨損性較大的礦漿、水泥漿；各種纖維溶液、低漿及對衛(wèi)生要求嚴(yán)格的酒、牛奶和糖漿等的流量，但不能用于測量氣體和蒸汽的流量。20世紀(jì)七八十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不斷上升。

HKE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。

HKE電磁流量計優(yōu)點為：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；不產(chǎn)生流量檢測所造成的壓力損失，節(jié)能效果好；所測得體積流量實際上不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的明顯影響；流量范圍大，口徑范圍廣；可應(yīng)用腐蝕性流體。

HKE電磁流量計缺點為：不能測量電導(dǎo)率很低的液體，如石油制品；不能測量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體；不能用于較高溫度；成本較高。

1.6 HKGB渦街流量計

HKGB渦街流量計是在流體中安放一根非流線型旋渦發(fā)生體，流體在發(fā)生體兩側(cè)會周期性交替向下游分離釋放流體旋渦，并在下游形成兩串規(guī)則地交錯排列的游渦隊列（卡門渦街）的儀表。HKGB渦街流量計由旋渦發(fā)生體、檢測器、放大器及轉(zhuǎn)換器組成，可以直接用數(shù)字輸出或與數(shù)字式顯示儀表等配套使用。HKGB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。

HKGB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。HKGB渦街流量計優(yōu)點為：結(jié)構(gòu)簡單牢固；適用流體種類多；精度較高；范圍寬；壓力損失小。

HKGB渦街流量計缺點為：不適用于低雷諾數(shù)測量；需較長直管段；儀表系數(shù)較低（與HKT渦輪流量計相比）；儀表在脈動流、多相流中尚缺乏應(yīng)用經(jīng)驗。

1.7 HKU超聲流量計

HKU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。它是由超聲波換能器等構(gòu)成的檢測部分、電子線路（包括發(fā)射、接收電路和信號處理電路）以及指示、累積和記錄儀表組成。根據(jù)對信號檢測的原理，HKU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。

HKU超聲流量計和HKE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。傳播時間法主要應(yīng)用于工廠排放液、液化天然氣等；氣體應(yīng)用方面在高壓天然氣領(lǐng)域有使用良好的經(jīng)驗；而多普勒法則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、臟流程液等，通常不適用于非常清潔的液體。

HKU超聲流量計優(yōu)點為：可做非接觸式測量；為無流動阻撓測量，無壓力損失；可測量非導(dǎo)電性液體，對無阻撓測量的HKE電磁流量計是一種補充。

HKU超聲流量計缺點為：傳播時間法只能用于清潔單相液體和氣體，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；多普勒法測量精度不高。

1.8 HKC科里奧利質(zhì)量流量計

HKC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。這種流量計可以測量單相流體，也可用以測量氣液兩相流和液固兩相流體的流量，但在測氣體流量時誤差較大。

我國CMF的應(yīng)用起步較晚，近年已有制造廠自行開發(fā)供應(yīng)市場，也有組建合資企業(yè)或引用國外技術(shù)進行生產(chǎn)。

1.9 HKM明渠流量計

與前述幾種流量計不同，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HKM明渠流量計（open channel flowmeter）。HKM明渠流量計除圓形外，還有U字形、梯形、矩形等多種形狀。HKM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。

2 流量計的選用

選用流量計時應(yīng)符合可靠性及經(jīng)濟性兩個原則，要考慮的因素有被測流體種類、工作參數(shù)、物性、流動狀態(tài)、流體相的組成、流量范圍、容許壓力損失、精度要求、價格限制、用途要求、安裝條件等。

 

流量刻度換算是指將實際工況下被測流體的流量換算成刻度情況下水或空氣的流量，然后按換算后的流量來選用流量計。

3 新工作原理流量儀表的研究和開發(fā)

3.1 靜電流量計（electrostatic flowmeter）

日本東京技術(shù)學(xué)院已研制成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d4mm~d8mm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。

3.2 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)。

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

由俄羅斯開發(fā)研制，主要基于懸浮效應(yīng)理論來研制。該儀表已有若干現(xiàn)場應(yīng)用成功的事例。

4 結(jié)語

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，由于流量測量的復(fù)雜性，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：第一，在選擇儀表時，一定要熟悉儀表和被測對象兩方面的情況，并要兼顧考慮其他因素，這樣測量才會準(zhǔn)確；第二，盡快研制新型儀表，使其在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上更加完善。