流量?jī)x表技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

解海艇 黃富貴

(華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

19世紀(jì)中葉，近代流量計(jì)的理論基礎(chǔ)逐漸成形，許多種類的儀表雛形相繼涌現(xiàn)。到了20世紀(jì)，隨著過(guò)程工業(yè)、能量計(jì)算和城市公用事業(yè)的迅速興起，促使人類社會(huì)對(duì)流量測(cè)量的需求不斷增加，從而極大地推動(dòng)了流量測(cè)量技術(shù)與儀器儀表的更新?lián)Q代。白金漢(Edgar Buckingham)、比恩(Howard.S.Bean)和貝特勒(Samuel R.Beitler)等人在測(cè)定噴嘴和孔板流量系數(shù)方面的杰出貢獻(xiàn)，進(jìn)一步促進(jìn)了流量測(cè)量技術(shù)的發(fā)展［1－3］。

近幾十年以來(lái)，新材料技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在流量測(cè)量領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使該行業(yè)實(shí)現(xiàn)了跨越式的發(fā)展。在整個(gè)世界信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化程度不斷加深的背景下，流量?jī)x表技術(shù)為了迎合新世紀(jì)科技發(fā)展的潮流，必然會(huì)發(fā)生廣泛而深遠(yuǎn)的變革。

1 流量計(jì)的定義及流量?jī)x表的作用

美國(guó)儀器學(xué)會(huì)于1976年在文件ISA 51.1中給出的定義是目前唯一可以利用的、關(guān)于流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)定義。其定義如下:流量計(jì)是指在一個(gè)敞開(kāi)或封閉管道中測(cè)量流動(dòng)的流體流量或總量的儀表，它通常由一次裝置和二次儀表構(gòu)成。流量計(jì)的一次裝置根據(jù)與流體之間的相互作用關(guān)系產(chǎn)生與流體流量具有明確關(guān)系的信號(hào)。流量計(jì)的二次儀表是反映一次裝置發(fā)來(lái)的信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成能夠表示的流量或總量顯示信號(hào)或輸出信號(hào)的儀表［4］。

流量?jī)x表主要有兩個(gè)作用:①作為檢測(cè)儀表監(jiān)測(cè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化系統(tǒng)，為生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量提供保障;②作為計(jì)量?jī)x表核算商貿(mào)或內(nèi)部生產(chǎn)成本［5］。

2 常用流量計(jì)簡(jiǎn)介

2.1 傳統(tǒng)流量計(jì)

2.1.1 節(jié)流式差壓流量計(jì)

節(jié)流式差壓流量計(jì)是目前應(yīng)用較為廣泛的一類流量計(jì)。在工業(yè)生產(chǎn)中常用于測(cè)量氣體、液體和蒸汽的流量。

節(jié)流式差壓流量計(jì)的測(cè)量原理是將流體流經(jīng)節(jié)流裝置(孔板、噴嘴、文丘里管等)產(chǎn)生的壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，從而產(chǎn)生差壓信號(hào)。由于差壓信號(hào)與流量之間存在一定的關(guān)系，因此可通過(guò)測(cè)量差壓信號(hào)來(lái)確定流量的大小。下面以孔板為例，給出流體流經(jīng)孔板前后的流動(dòng)特性，如圖1所示。

圖1 流體流經(jīng)孔板前后的流動(dòng)特性曲線Fig.1 The flow characteristics curves of fluid flowing through the orifice plate

在所用的節(jié)流裝置中，孔板經(jīng)濟(jì)可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，因而在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中大都采用孔板作為節(jié)流裝置，但孔板會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，如果想要獲取更好的信號(hào)讀數(shù)，可采用 V 錐［6－7］。

2.1.2 靶式流量計(jì)

由于采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的流量計(jì)在測(cè)量臟污流體時(shí)存在容易堵塞的缺點(diǎn)，因而其不適合測(cè)量高黏度、低雷諾數(shù)的流體(如重油、原油等)。靶式流量計(jì)的出現(xiàn)和發(fā)展解決了這一工業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的部分問(wèn)題。靶式流量計(jì)的工作原理如圖2所示。

圖2 靶式流量計(jì)原理示意圖Fig.2 The principle of target flow meter

靶式流量計(jì)的測(cè)量原理是在測(cè)量管的中心放置一圓形靶，當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)對(duì)靶體形成沖擊，從而使靶體受力并產(chǎn)生與流體流量成正比的微小位移，靶體所受的作用力反映了流體流量的大小。

傳統(tǒng)的靶式流量計(jì)主要選用力傳感器，如應(yīng)變片式靶式流量計(jì)。由于受到流體介質(zhì)溫度變化的影響，應(yīng)變片式靶式流量計(jì)容易產(chǎn)生溫漂、抗過(guò)載能力差等問(wèn)題［8］。

2.1.3 渦街流量計(jì)

渦街流量計(jì)是利用流體振動(dòng)原理制成的一種流量?jī)x表。渦街流量計(jì)發(fā)展十分迅速，目前已躋身于通用流量計(jì)之列。

渦街流量計(jì)的測(cè)量原理如圖3所示。在流體中安置一個(gè)非流線型旋渦發(fā)生體，流體流經(jīng)發(fā)生體兩側(cè)時(shí)交替地分離，產(chǎn)生兩列規(guī)則的、交錯(cuò)排列的旋渦。在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，旋渦頻率與渦街流量計(jì)的體積流量成正比，因而可通過(guò)檢測(cè)旋渦頻率來(lái)得出流體流量的大小。

圖3 渦街流量計(jì)原理示意圖Fig.3 The principle of vortex flow meter

渦街流量計(jì)對(duì)外界的干擾、振動(dòng)以及流體流動(dòng)狀態(tài)非常敏感，通常其不能準(zhǔn)確測(cè)量出低流速流體的流量。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)處理這個(gè)問(wèn)題，如功率譜分析方法、小波分析方法等［9］。

2.1.4 容積式流量計(jì)

容積式流量計(jì)與差壓式流量計(jì)、浮子流量計(jì)一起并稱為三類使用量最大的流量計(jì)。在流量?jī)x表中，容積式流量計(jì)是精度很高的一類儀表，因而被廣泛應(yīng)用于原油、柴油、液化石油氣、天然氣以及煤氣等昂貴介質(zhì)的總量測(cè)量。

容積式流量計(jì)是利用固定的小容積來(lái)反復(fù)計(jì)量流過(guò)流量計(jì)的流體體積，即通過(guò)流體逐次重復(fù)地充滿和排放計(jì)量室的累加次數(shù)來(lái)測(cè)量流體體積的總量。

容積式流量計(jì)常用于國(guó)內(nèi)外貿(mào)易結(jié)算，對(duì)于其基本誤差，目前主要采用流量計(jì)系數(shù)法和基本誤差法兩種方法加以處理［10］。

2.1.5 浮子流量計(jì)

浮子流量計(jì)是流量?jī)x表中應(yīng)用范圍較為廣泛的一類，僅次于差壓式流量計(jì)，目前被廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石化以及污水處理等領(lǐng)域的流量測(cè)量，尤其在小管徑、低流速、微流量的測(cè)量領(lǐng)域，浮子流量計(jì)發(fā)揮著重要的作用。

浮子流量計(jì)的測(cè)量原理是內(nèi)置于錐形管中軸線方向的浮子的位置隨著流量的變化而升降，通過(guò)改變它們之間的流通面積來(lái)測(cè)量流體的體積流量。

在實(shí)際應(yīng)用中，浮子流量計(jì)的壓力損失不是恒定的，而是隨流量變化而變化的。對(duì)于相同口徑的孔板和錐管浮子流量計(jì)，前者的壓力損失要明顯大于后者［11］。

2.1.6 渦輪流量計(jì)

渦輪流量計(jì)(簡(jiǎn)稱TUF)是速度式(葉輪式)流量計(jì)的主要品種。它適用于高溫、高壓、低溫及微流量等流體介質(zhì)的測(cè)量。

渦輪流量計(jì)利用放置于流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體平均流速成正比的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量葉輪的轉(zhuǎn)速來(lái)推算管道中流體體積流量的大小。

渦輪流量計(jì)具有可動(dòng)部件，因而易磨損、易發(fā)生故障，并且其不適用于測(cè)量臟污介質(zhì)，也不適宜長(zhǎng)期連續(xù)使用，故應(yīng)避免長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行，并定期對(duì)其進(jìn)行維護(hù)。

2.2 新型流量計(jì)

2.2.1 電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種新型流量計(jì)，目前被廣泛地應(yīng)用于易燃易爆液體，各種酸、堿、鹽等腐蝕性液體以及帶有漿液和摻雜固體顆粒等流體流量的測(cè)量，并且它還具有可正反雙向測(cè)量的特點(diǎn)。

電磁流量計(jì)的測(cè)量原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律，即通過(guò)測(cè)量流體流動(dòng)時(shí)切割磁力線所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)來(lái)推算流體流量。電磁流量計(jì)原理如圖4所示。

圖4 電磁流量計(jì)原理示意圖Fig.4 The principle of electromagnetic flow meter

電磁流量計(jì)主要用于測(cè)量導(dǎo)電性液體介質(zhì)的體積流量，通常要求導(dǎo)電性液體介質(zhì)的電導(dǎo)率至少為20 μs/cm［12］。

2.2.2 超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)(簡(jiǎn)稱USF)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種非接觸式流量?jī)x表。它對(duì)于所測(cè)的流體介質(zhì)幾乎沒(méi)有要求，不僅適用于液體和氣體介質(zhì)的測(cè)量，也適用于雙相介質(zhì)的測(cè)量，尤其適用于解決大流量、大口徑、暗渠、強(qiáng)腐蝕性等流體流量測(cè)量困難的問(wèn)題。

超聲波流量計(jì)主要是通過(guò)檢測(cè)超生波穿過(guò)流體介質(zhì)時(shí)所搭載的信息來(lái)測(cè)量流體流量。

目前，超聲波流量計(jì)存在的局限性在于其所能測(cè)量的流體介質(zhì)溫度受制于換能器與耦合材料(換能器與管道之間)的耐高溫程度，而目前我國(guó)研制的超聲波流量計(jì)只能測(cè)量200℃以下的流體介質(zhì)［13］。

2.2.3 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)(簡(jiǎn)稱CMF)是基于流體在振動(dòng)的測(cè)量管中流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生與流體質(zhì)量流量成正比的科里奧利力這一原理制成的、一種直接式的質(zhì)量流量計(jì)。

與前面所述的各種流量計(jì)不同，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)能夠直接測(cè)量流體介質(zhì)的質(zhì)量流量，而不受其他參數(shù)(如溫度、壓力、流體性質(zhì)等)的影響［14］。

2.2.4 激光流量計(jì)

激光流量計(jì)是根據(jù)激光的多普勒效應(yīng)制成的一類新型流量計(jì)。

瑞士Digmesa公司研制生產(chǎn)的激光流量計(jì)被譽(yù)為“全球范圍內(nèi)的全新測(cè)量技術(shù)”。該流量計(jì)使用玻璃制測(cè)量管道，其內(nèi)徑為4 mm，測(cè)量時(shí)激光測(cè)量件不接觸介質(zhì)，適用于以酒精與水為基本組成成分的液體介質(zhì)的測(cè)量［15］。

3 流量計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 高精度、高可靠性

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油、煤、天然氣等自然資源的分布不均、儲(chǔ)量有限、過(guò)度消耗等現(xiàn)象，使能源短缺和氣候問(wèn)題成為擺在整個(gè)人類社會(huì)面前越來(lái)越棘手的問(wèn)題。

面對(duì)全球?qū)τ诠?jié)能環(huán)保的訴求和競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)環(huán)境，如何降低能耗、提高能效，從而提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力成為相關(guān)行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。石油、天然氣等能源行業(yè)以及其他對(duì)流量計(jì)需求比較旺盛的行業(yè)，對(duì)于高精度、高可靠性流量測(cè)量?jī)x表的要求以及相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，將會(huì)推動(dòng)流量計(jì)朝著更為精確、更為可靠的方向前進(jìn)。

3.2 新型流量計(jì)主導(dǎo)市場(chǎng)

近年來(lái)，傳統(tǒng)的機(jī)械式流量計(jì)(如節(jié)流式、靶式、容積式、浮子等流量計(jì))在市場(chǎng)中的份額呈現(xiàn)出負(fù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而新型流量計(jì)發(fā)展十分迅速，其中以電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)發(fā)展勢(shì)頭尤為強(qiáng)勁，它們是三類具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦土髁坑?jì)。

這種趨勢(shì)是由用戶對(duì)于流量計(jì)產(chǎn)品要求的提高和傳統(tǒng)流量計(jì)本身所存在的局限性所決定的。傳統(tǒng)的機(jī)械式流量計(jì)，往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝置笨重、拆裝不方便，且其機(jī)械零部件容易磨損變形。而電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等新型流量計(jì)在測(cè)量管道中未設(shè)置任何阻礙件(如節(jié)流件、轉(zhuǎn)動(dòng)件等)，其結(jié)構(gòu)也十分簡(jiǎn)單、壓力損失小，精度和可靠性也基本滿足工業(yè)生產(chǎn)和工程應(yīng)用的需要;另外，新型流量計(jì)相對(duì)傳統(tǒng)流量計(jì)而言，其功能更為多樣、全面，例如現(xiàn)在已經(jīng)有許多超聲波流量計(jì)不僅可以測(cè)量各種流體介質(zhì)的流量，甚至可以測(cè)量流體的密度、組成成分以及所含熱能等，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測(cè)量。

與傳統(tǒng)的機(jī)械流量計(jì)相比，新型流量計(jì)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因而其大有取代傳統(tǒng)流量計(jì)的市場(chǎng)主導(dǎo)地位之勢(shì)。但是，由于傳統(tǒng)流量計(jì)的應(yīng)用非常廣泛，市場(chǎng)占有量很大，新型流量計(jì)取代其成為主流流量計(jì)產(chǎn)品將是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。

3.3 智能化、遠(yuǎn)程化

2009年，美國(guó)政府將物聯(lián)網(wǎng)列為重振經(jīng)濟(jì)的兩大重點(diǎn)之一;此后，我國(guó)政府也將物聯(lián)網(wǎng)列為國(guó)家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，并將其寫入政府工作報(bào)告中。

人們普遍認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)將是繼互聯(lián)網(wǎng)之后推動(dòng)世界高速發(fā)展的引擎。

傳感器技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)主要的技術(shù)基礎(chǔ)之一，未來(lái)隨著物聯(lián)網(wǎng)的高速推進(jìn)，傳感器技術(shù)領(lǐng)域也將會(huì)開(kāi)啟新的篇章。流量計(jì)作為傳感器的一類，主要用于測(cè)量流體流量，而流量與溫度、壓力并稱為三大檢測(cè)參數(shù)，對(duì)流量的測(cè)量是廣泛而普遍的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可能要求流量計(jì)具有更高的智能化程度，例如通過(guò)植入嵌入式系統(tǒng)軟件和硬件，使流量計(jì)具有更強(qiáng)的檢查診斷功能等;同時(shí)，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的概念，未來(lái)的流量計(jì)需要與互聯(lián)網(wǎng)連接，進(jìn)行信息的交換與通信，從而實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤以及遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理等。為了迎合物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需要，智能化和遠(yuǎn)程化也將成為流量計(jì)未來(lái)發(fā)展的一大趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

流量測(cè)量的發(fā)展貫穿于整個(gè)人類社會(huì)的歷史進(jìn)程中，流量作為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的檢測(cè)參數(shù)之一，對(duì)于它的測(cè)量是廣泛而普遍的。目前應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的流量?jī)x表種類繁多，但它們皆有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，所以在選用流量?jī)x表時(shí)，要進(jìn)行周密的分析與比較，選擇適宜的流量?jī)x表以達(dá)到預(yù)期的測(cè)量目的。

在全球倡導(dǎo)節(jié)能減排及信息化程度不斷加深的背景下，流量計(jì)作為執(zhí)行流量測(cè)量的具體裝置，其發(fā)展也將是與時(shí)俱進(jìn)的，因而如何使流量計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中更加精準(zhǔn)可靠、智能環(huán)保，為緩解能源問(wèn)題、氣候問(wèn)題等及迎合物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)發(fā)展的需要貢獻(xiàn)力量，將是擺在廣大企業(yè)與科技工作者面前的重大任務(wù)。

［1］蔡武昌，孫淮清，紀(jì)綱.流量測(cè)量方法和儀表的選用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001:1－5.

［2］梁國(guó)偉，蔡武昌，盛健，等.流量測(cè)量技術(shù)及儀表［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002:1－13.

［3］ Rouse H，Ince S.History of hydraulics［M］.New York:Dover Publications，1963.

［4］ Instrument Society of America.ISA51.1［S］.Research Triangle Park，North Carolina.1976.

［5］王樹青，樂(lè)嘉謙.自動(dòng)化與儀表工程師手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010:834－835.

［6］ Miller R W.Flow measurement engineering handbook［M］.2nd Edition.New York:McGraw Hill Publishing Company，1989.

［7］ Ifft S A，Sun Yanzuo.Signal noise ratio comparison with V-cone and orifice plate［J］.China Instrumentation，2008(5):44 － 46.

［8］彭曉利，毛謙敏，梁國(guó)偉，等.電渦流式新型靶式流量計(jì)的研制［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30(6):20 －23.

［9］江文斌，秦會(huì)斌，邵李煥，等.基于經(jīng)典譜估計(jì)改進(jìn)方法的渦街流量計(jì)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2012，33(1):229 －234.

［10］何立新.容積式流量計(jì)處理基本誤差的方法［J］.中國(guó)科技信息，2011(8):56－65.

［11］樸立華，張濤，孫立軍.浮子流量計(jì)壓力損失的實(shí)驗(yàn)研究［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2010，37(1):56 －69.

［12］Chikezie N.Improving flow measurement［J］.World Pumps，2011(9):44，46 －47.

［13］汲海波.超聲波流量計(jì)的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化應(yīng)用，2012(1):60－62.

［14］Wang Shuai，Zheng Dezhi，F(xiàn)an Shangchun.Analysis on vibration characteristics of coriolis mass flow sensor［C］∥ The Ninth International Conference on Electronic Measurement＆ Instruments，2009:2842－2845.

［15］蔡武昌，盧國(guó)偉，湯俊峰.2009多國(guó)儀器儀表展覽會(huì)流量?jī)x表評(píng)估［J］.自動(dòng)化儀表，2010，31(4):1－4.