淺談流量?jī)x表的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向

施鑫 甄楊 劉麗璋

（天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院 天津 300192）

信息作為物體或現(xiàn)象屬性的反映，是通過(guò)一定形式的信號(hào)反映出來(lái)。測(cè)量流體的流量，是民用以及工業(yè)參數(shù)測(cè)量中最復(fù)雜的一種測(cè)量，它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)科學(xué)研究中的地位非常重要。隨著我國(guó)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對(duì)流體流量的測(cè)量提出了越來(lái)越多的要求，由于各種流體，如天然氣、石油、水等，都是重要的能源，特別是近幾年來(lái)，由于環(huán)境污染以及節(jié)能、智能管理系統(tǒng)的出現(xiàn)，無(wú)論是從質(zhì)量上還是從數(shù)量上，都更重視以過(guò)程狀態(tài)量為中心的現(xiàn)場(chǎng)信息。只有做到準(zhǔn)確的計(jì)量，才能做到“節(jié)能有數(shù)、耗能有據(jù)”。流量作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中十分重要參數(shù)測(cè)量，因此需要更好、更多的流量計(jì)量?jī)x表[1][2][3][4]。

2 流量?jī)x表的種類及其原理

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代流量計(jì)量技術(shù)發(fā)展日新月異?；诟鞣N測(cè)量原理生產(chǎn)、使用的流量?jī)x表已經(jīng)超過(guò)100種[5]。根據(jù)技術(shù)的劃分，可把目前使用的流量?jī)x表分為兩類：傳統(tǒng)流量?jī)x表和新技術(shù)流量?jī)x表。

2.1 傳統(tǒng)流量?jī)x表

傳統(tǒng)的流量?jī)x表主要包括孔板流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、文丘里管流量計(jì)、容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、浮子流量計(jì)等。

2.1.1 孔板流量計(jì)

孔板流量計(jì)是一種差壓式流量計(jì)。起原理是當(dāng)流體流經(jīng)管道中的孔板時(shí)，流束將在孔板處形成局部收縮，流速增加，靜壓力降低，在孔板前后產(chǎn)生微小的靜壓力差，通過(guò)測(cè)量差壓值來(lái)確定流量。是目前測(cè)量液體、氣體和蒸汽流量較為常見(jiàn)的流量計(jì)。

優(yōu)點(diǎn)：適用于大口徑，無(wú)可動(dòng)部件，耐用；使用時(shí)間長(zhǎng)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最全；制造容易，價(jià)格便宜。

缺點(diǎn)：測(cè)量范圍窄；壓力損失大；計(jì)量準(zhǔn)確度受安裝條件、人為因素影響；前后直管段要求長(zhǎng)[6]。

2.1.2 噴嘴流量計(jì)

噴嘴流量計(jì)是基于流體動(dòng)力學(xué)中的Laval噴管原理設(shè)計(jì)和制造的，它在噴嘴出口壓力與入口壓力之比等于0.528時(shí)，噴嘴中氣流速度達(dá)到超音速，當(dāng)壓力比繼續(xù)下降時(shí)氣體流量保持不變。

優(yōu)點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)噴嘴歷史悠久，無(wú)可動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，穩(wěn)定可靠，標(biāo)準(zhǔn)化程度高。

缺點(diǎn)：生產(chǎn)制造較復(fù)雜，單價(jià)較高。

2.1.3 文丘里管流量計(jì)

文丘里管是是一種標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，是根據(jù)文丘里效應(yīng)研制開(kāi)發(fā)的一種節(jié)流式流量傳感器。文丘里管按結(jié)構(gòu)分為通用文丘里管和標(biāo)準(zhǔn)文丘里管。其測(cè)量原理是流體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時(shí)，流速將在文丘里管喉頸處收縮，使得流速增加，靜壓力降低，在文丘里管喉頸前后產(chǎn)生壓差。通過(guò)測(cè)量壓差的大小來(lái)計(jì)算流量的大小。

優(yōu)點(diǎn)：壓力損失小，計(jì)算準(zhǔn)確、能耗小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易安裝。

缺點(diǎn)：僅適用于潔凈的氣體或液體的計(jì)量；長(zhǎng)期使用時(shí)磨損嚴(yán)重，影響測(cè)量精度；量程比小；價(jià)格昂貴。

2.1.4 容積式流量計(jì)

容積式流量計(jì)是利用機(jī)械測(cè)量元件把流體連續(xù)分割成單個(gè)已知體積，并重復(fù)不斷地進(jìn)行充滿和排放該體積部分而累加計(jì)量出流體總量的流量?jī)x表。廣泛應(yīng)用于測(cè)量石油類流體、飲料流體、氣體以及水的流量。在流量計(jì)中是精度最高的儀表之一。

容積式流量計(jì)按其測(cè)量元件分類，可分為雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)、橢圓齒輪流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì)、刮板流量計(jì)、往復(fù)活塞流量計(jì)、液封轉(zhuǎn)筒式流量計(jì)、圓盤(pán)流量計(jì)、濕式氣體流量計(jì)及膜式氣體流量計(jì)等。

優(yōu)點(diǎn)：計(jì)量精度高，安裝管道條件對(duì)計(jì)量精度沒(méi)有影響，可用于高粘度液體的測(cè)量，量程寬。

缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大；僅適用于潔凈單相流體；工作時(shí)產(chǎn)生噪音及振動(dòng)；易磨損。

2.1.5 渦輪式流量計(jì)

渦輪流量計(jì)原理是一種速度式流量計(jì)，流體首先經(jīng)過(guò)特殊結(jié)構(gòu)的前導(dǎo)流件并加速，流體經(jīng)過(guò)渦輪并對(duì)渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與流量成線性關(guān)系。信號(hào)檢測(cè)單元利用電磁感應(yīng)原理，將感應(yīng)出的脈沖信號(hào)經(jīng)前置放大器放大、整形并經(jīng)過(guò)溫、壓補(bǔ)償后計(jì)算得出瞬時(shí)體積流量和累積流量。

優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，高精確度，無(wú)零點(diǎn)漂移；量程寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便。

缺點(diǎn)：易受流體流動(dòng)特性和介質(zhì)種類的影響；長(zhǎng)時(shí)間使用軸承易磨損，使得儀表特性受到影響。

2.1.6 電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)定律制成的用來(lái)測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)的流量計(jì)，是隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的新型流量測(cè)量?jī)x表。由于其檢測(cè)元件在流量計(jì)管道外部，所以可將其測(cè)量高污染、高腐蝕介質(zhì)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新興的無(wú)電極電磁流量計(jì)抗泥漿噪聲強(qiáng)，能穩(wěn)定地測(cè)量低導(dǎo)電性流體[7]。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)可動(dòng)部件、無(wú)壓力損失，可測(cè)量臟污介質(zhì)以及腐蝕性介質(zhì)，反應(yīng)靈敏，可測(cè)正反兩個(gè)方向流量。

缺點(diǎn)：不能測(cè)量氣體、蒸汽以及含有較多氣體的液體；不能測(cè)量電導(dǎo)率很低的液體介質(zhì)，普通工業(yè)用電磁流量計(jì)不能測(cè)量高溫介質(zhì)以及低溫介質(zhì)；易受外界電磁干擾。

2.1.7 浮子流量計(jì)

浮子流量計(jì)，又稱轉(zhuǎn)子流量計(jì)，浮子在垂直錐形管中隨著流量大小的變化而升降，改變它們之間的流通面積來(lái)進(jìn)行測(cè)量的體積流量?jī)x表。浮子流量計(jì)是僅次于差壓式流量計(jì)應(yīng)用范圍最廣的一類流量計(jì)，特別在微小流量計(jì)量方面地位顯著。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用于小口徑、低流速、壓損低、量程寬且對(duì)直管段要求不高。

缺點(diǎn)：耐壓力低、玻璃管易碎。

2.2 新技術(shù)流量?jī)x表

新技術(shù)流量?jī)x表較有發(fā)展前途是：超聲波流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)和流體振動(dòng)流量計(jì)。

2.2.1 超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)是利用流體對(duì)超聲波的影響來(lái)測(cè)量流量的儀表。是上世紀(jì)70年代伴隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展而得到快速發(fā)展以及應(yīng)用的一種非接觸式儀表。其是基于超聲波在流體中順流和逆流時(shí)傳播的速度差與流體的流速成正比的原理來(lái)測(cè)量流體流量。按原理可分為時(shí)差式、相差式、頻差式、多普勒超聲波流量計(jì)（適合于對(duì)兩相流的測(cè)量）。隨著技術(shù)的發(fā)展，Instromet公司把人工智能技術(shù)引入到超聲波傳感器中，實(shí)現(xiàn)了真正的高精度氣體流量測(cè)量[8]。

優(yōu)點(diǎn)：無(wú)壓力損失，量程寬，可達(dá)400:1。

缺點(diǎn)：對(duì)入口速度敏感，所需支管段長(zhǎng)度較長(zhǎng)。

超聲波流量計(jì)以其自身的優(yōu)點(diǎn)近些年得到迅速發(fā)展和普及，特別適用于大口徑管道的測(cè)量，預(yù)計(jì)其今后會(huì)向便于攜帶，通用性更強(qiáng)以及不受測(cè)量環(huán)境影響兩個(gè)方向發(fā)展[8]。

2.2.2 質(zhì)量流量計(jì)

質(zhì)量流量計(jì)可分直接式和間接式兩種。直接式質(zhì)量流量計(jì)利用與質(zhì)量流量相關(guān)的原理進(jìn)行測(cè)量。間接式質(zhì)量流量計(jì)則是利用密度計(jì)與容積流量直接相乘求得質(zhì)量流量。目前應(yīng)用最為廣泛的是直接式質(zhì)量流量計(jì)，分別是熱式質(zhì)量流量計(jì)和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)。

熱式質(zhì)量流量計(jì)是利用傳熱原理以即流動(dòng)中的流體與熱源之間熱量交換關(guān)系來(lái)測(cè)量流量的儀表，其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)活動(dòng)部件以及低壓損；缺點(diǎn)是易受介質(zhì)成份的影響，故在天然氣測(cè)量方面沒(méi)有得到廣泛使用。

科里奧利流量計(jì)利用振動(dòng)流體管內(nèi)產(chǎn)生與質(zhì)量流量相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。其優(yōu)點(diǎn)是精度高、可以直接測(cè)量質(zhì)量流量及密度，使用戶不僅可獲知流體的容積而且可了解其組成。其缺點(diǎn)是壓損大，且易受流體的溫度和壓力的影響。由于其計(jì)量的高準(zhǔn)確度，是一種很有前途的質(zhì)量流量計(jì)。

2.2.3 流體振動(dòng)流量計(jì)

流體振動(dòng)流量計(jì)根據(jù)誘發(fā)流體振動(dòng)的原理可分為旋渦型和射流型兩種。

旋渦型流體振動(dòng)流量計(jì)包括渦街流量計(jì)和旋進(jìn)旋渦流量計(jì)，其基本工作原理是流體流過(guò)特定管道產(chǎn)生的旋渦振動(dòng)頻率與流速成正比。

渦街流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)是壓損低，缺點(diǎn)是所需直管段長(zhǎng)，易受管道震動(dòng)影響。而旋進(jìn)旋渦流量計(jì)精度更高、所需直管段短、流量下限更低、抗干擾能力更強(qiáng)，缺點(diǎn)則是壓損大。

射流流量計(jì)的原理是基于高速氣流沿物體表面的拐角處附于表面的現(xiàn)象——柯恩達(dá)效應(yīng)。它將流體通過(guò)噴嘴形成高速射流從而在壁面產(chǎn)生附壁效應(yīng)，故稱為射流流量計(jì)。由于流體粘度會(huì)影響附壁效應(yīng)，故限制了其應(yīng)用。但由于其有流體放大的作用，故在小流量測(cè)量上具有較大優(yōu)勢(shì)。

3 流量?jī)x表的發(fā)展方向

隨著科技的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)采集以及綜合控制和管理將是技術(shù)趨勢(shì)。流量?jī)x表是傳輸現(xiàn)場(chǎng)信息的重要組成部分，這就需要以可靠性作為首要條件的輕便、多功能、穩(wěn)定性高和高精度的智能流量?jī)x表。因此當(dāng)前流量計(jì)量的發(fā)展方向可歸為以下幾個(gè)方面[9]：

3.1 基于新技術(shù)（超聲波、激光、電磁、核技術(shù)及微型計(jì)算機(jī)等）研制的新型流量計(jì)趨向電子化和數(shù)字化。如日本東京技術(shù)學(xué)院研制出適用于石油輸送管線低導(dǎo)電液體流量測(cè)量的靜電流量計(jì)；俄羅斯科學(xué)工程中心工業(yè)儀表公司開(kāi)發(fā)的基于懸浮效應(yīng)理論的轉(zhuǎn)速表式流量?jī)x表等等。傳統(tǒng)技術(shù)流量計(jì)市場(chǎng)呈逐漸下降趨勢(shì)，而新穎儀表如超聲、渦街、電磁和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)等新技術(shù)流量?jī)x表所占比重將逐年增加。

3.2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完善、安裝便捷、自動(dòng)化程度高等方向?qū)?huì)是今后流量?jī)x表的主流趨勢(shì)。例如當(dāng)前發(fā)展最快的電磁流量計(jì)、超聲流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)都十分簡(jiǎn)潔，并且功能強(qiáng)大，如超聲流量計(jì)可實(shí)現(xiàn)流體流量、密度、組分等信息的同時(shí)測(cè)量。

3.3 應(yīng)用于大流量、高粘性以及多相流高壓、低壓等苛刻流體環(huán)境的特殊測(cè)量方法，將會(huì)是以后研究的主要方向和流量測(cè)量技術(shù)的新突破口。

4 流量?jī)x表的發(fā)展建議

伴隨著新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)以及微電子和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，流量?jī)x表技術(shù)在各個(gè)方面發(fā)生著根本性的變革，不斷向著網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展[10]?？梢灶A(yù)見(jiàn)，未來(lái)實(shí)現(xiàn)處理信息、存儲(chǔ)信息、人機(jī)對(duì)話、自診斷、網(wǎng)絡(luò)化以及遠(yuǎn)程測(cè)控等功能于一體的多功能智能化流量?jī)x表將會(huì)是今后流量?jī)x表發(fā)展的主流方向。

[1]蔡武昌，流量測(cè)量?jī)x表現(xiàn)狀和發(fā)展，自動(dòng)化儀表，1996,2,pl-6.

[2]Masaki Takamoto,New Flow Measurement Teehnology for the Next Ceentury,Proeeedings of the 8th International Conferenee on Flow Measurement,Oet.1996,p7-12.

[3]林克努,流量檢測(cè)儀表的發(fā)展,自動(dòng)化儀表,1994,pl-5.

[4]蘇彥勛,李金海,流量計(jì)量,中國(guó)計(jì)量出版社,1991.

[5]劉新榮,流量計(jì),水利電力出版社,1989.

[6]鄧茂煥.節(jié)流式差壓流量計(jì)的發(fā)展和現(xiàn)狀[J].計(jì)量測(cè)試,2002(6):30-32.

[7]許國(guó)杰.流量計(jì)液體檢定方法及應(yīng)用 [J].南煉科技,2002,9(2):44-47.

[8]李立新.超聲流量計(jì)在大然氣流量計(jì)量上的應(yīng)用[J].計(jì)量裝置及應(yīng)用,2003,(2):42-44.

[9]蔡武昌.流量?jī)x表若干發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用進(jìn)展[J].中國(guó)儀器儀表,2001(2):46-48.

[10]孫延柞.國(guó)際最新流量?jī)x表及測(cè)量方法 [J].自動(dòng)化與儀表,1994,9(6):4-6.