淺談流量儀表的技術現狀及發展方向

施鑫 甄楊 劉麗璋

（天津市計量監督檢測科學研究院 天津 300192）

信息作為物體或現象屬性的反映，是通過一定形式的信號反映出來。測量流體的流量，是民用以及工業參數測量中最復雜的一種測量，它在國民經濟、國防建設科學研究中的地位非常重要。隨著我國工農業的發展，對流體流量的測量提出了越來越多的要求，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，由于環境污染以及節能、智能管理系統的出現，無論是從質量上還是從數量上，都更重視以過程狀態量為中心的現場信息。只有做到準確的計量，才能做到“節能有數、耗能有據”。流量作為國民經濟中十分重要參數測量，因此需要更好、更多的流量計量儀表[1][2][3][4]。

2 流量儀表的種類及其原理

隨著工業技術的發展，現代流量計量技術發展日新月異。基于各種測量原理生產、使用的流量儀表已經超過100種[5]。根據技術的劃分，可把目前使用的流量儀表分為兩類：傳統流量儀表和新技術流量儀表。

2.1 傳統流量儀表

傳統的流量儀表主要包括孔板流量計、噴嘴流量計、文丘里管流量計、容積式流量計、渦輪流量計、電磁流量計、浮子流量計等。

2.1.1 孔板流量計

孔板流量計是一種差壓式流量計。起原理是當流體流經管道中的孔板時，流束將在孔板處形成局部收縮，流速增加，靜壓力降低，在孔板前后產生微小的靜壓力差，通過測量差壓值來確定流量。是目前測量液體、氣體和蒸汽流量較為常見的流量計。

優點：適用于大口徑，無可動部件，耐用；使用時間長，標準規定最全；制造容易，價格便宜。

缺點：測量范圍窄；壓力損失大；計量準確度受安裝條件、人為因素影響；前后直管段要求長[6]。

2.1.2 噴嘴流量計

噴嘴流量計是基于流體動力學中的Laval噴管原理設計和制造的，它在噴嘴出口壓力與入口壓力之比等于0.528時，噴嘴中氣流速度達到超音速，當壓力比繼續下降時氣體流量保持不變。

優點：標準噴嘴歷史悠久，無可動部件，結構簡單牢固，穩定可靠，標準化程度高。

缺點：生產制造較復雜，單價較高。

2.1.3 文丘里管流量計

文丘里管是是一種標準節流裝置，是根據文丘里效應研制開發的一種節流式流量傳感器。文丘里管按結構分為通用文丘里管和標準文丘里管。其測量原理是流體流經管道內的節流件時，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生壓差。通過測量壓差的大小來計算流量的大小。

優點：壓力損失小，計算準確、能耗小，結構簡單，易安裝。

缺點：僅適用于潔凈的氣體或液體的計量；長期使用時磨損嚴重，影響測量精度；量程比小；價格昂貴。

2.1.4 容積式流量計

容積式流量計是利用機械測量元件把流體連續分割成單個已知體積，并重復不斷地進行充滿和排放該體積部分而累加計量出流體總量的流量儀表。廣泛應用于測量石油類流體、飲料流體、氣體以及水的流量。在流量計中是精度最高的儀表之一。

容積式流量計按其測量元件分類，可分為雙轉子流量計、橢圓齒輪流量計、旋轉活塞流量計、刮板流量計、往復活塞流量計、液封轉筒式流量計、圓盤流量計、濕式氣體流量計及膜式氣體流量計等。

優點：計量精度高，安裝管道條件對計量精度沒有影響，可用于高粘度液體的測量，量程寬。

缺點：結構復雜，體積龐大；僅適用于潔凈單相流體；工作時產生噪音及振動；易磨損。

2.1.5 渦輪式流量計

渦輪流量計原理是一種速度式流量計，流體首先經過特殊結構的前導流件并加速，流體經過渦輪并對渦輪產生轉動力矩。渦輪的轉動角速度與流量成線性關系。信號檢測單元利用電磁感應原理，將感應出的脈沖信號經前置放大器放大、整形并經過溫、壓補償后計算得出瞬時體積流量和累積流量。

優點：抗干擾能力強，高精確度，無零點漂移；量程寬，結構簡單，安裝維護方便。

缺點：易受流體流動特性和介質種類的影響；長時間使用軸承易磨損，使得儀表特性受到影響。

2.1.6 電磁流量計

電磁流量計是基于法拉第電磁感應定律制成的用來測量導電介質的流量計，是隨著電子技術的發展而迅速發展起來的新型流量測量儀表。由于其檢測元件在流量計管道外部，所以可將其測量高污染、高腐蝕介質。隨著科學技術的發展，新興的無電極電磁流量計抗泥漿噪聲強，能穩定地測量低導電性流體[7]。

優點：結構簡單、無可動部件、無壓力損失，可測量臟污介質以及腐蝕性介質，反應靈敏，可測正反兩個方向流量。

缺點：不能測量氣體、蒸汽以及含有較多氣體的液體；不能測量電導率很低的液體介質，普通工業用電磁流量計不能測量高溫介質以及低溫介質；易受外界電磁干擾。

2.1.7 浮子流量計

浮子流量計，又稱轉子流量計，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進行測量的體積流量儀表。浮子流量計是僅次于差壓式流量計應用范圍最廣的一類流量計，特別在微小流量計量方面地位顯著。

優點：結構簡單、適用于小口徑、低流速、壓損低、量程寬且對直管段要求不高。

缺點：耐壓力低、玻璃管易碎。

2.2 新技術流量儀表

新技術流量儀表較有發展前途是：超聲波流量計、質量流量計和流體振動流量計。

2.2.1 超聲波流量計

超聲波流量計是利用流體對超聲波的影響來測量流量的儀表。是上世紀70年代伴隨著集成電路技術的發展而得到快速發展以及應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傳播的速度差與流體的流速成正比的原理來測量流體流量。按原理可分為時差式、相差式、頻差式、多普勒超聲波流量計（適合于對兩相流的測量）。隨著技術的發展，Instromet公司把人工智能技術引入到超聲波傳感器中，實現了真正的高精度氣體流量測量[8]。

優點：無壓力損失，量程寬，可達400:1。

缺點：對入口速度敏感，所需支管段長度較長。

超聲波流量計以其自身的優點近些年得到迅速發展和普及，特別適用于大口徑管道的測量，預計其今后會向便于攜帶，通用性更強以及不受測量環境影響兩個方向發展[8]。

2.2.2 質量流量計

質量流量計可分直接式和間接式兩種。直接式質量流量計利用與質量流量相關的原理進行測量。間接式質量流量計則是利用密度計與容積流量直接相乘求得質量流量。目前應用最為廣泛的是直接式質量流量計，分別是熱式質量流量計和科里奧利質量流量計。

熱式質量流量計是利用傳熱原理以即流動中的流體與熱源之間熱量交換關系來測量流量的儀表，其優點是無活動部件以及低壓損；缺點是易受介質成份的影響，故在天然氣測量方面沒有得到廣泛使用。

科里奧利流量計利用振動流體管內產生與質量流量相應的偏轉來進行測量。其優點是精度高、可以直接測量質量流量及密度，使用戶不僅可獲知流體的容積而且可了解其組成。其缺點是壓損大，且易受流體的溫度和壓力的影響。由于其計量的高準確度，是一種很有前途的質量流量計。

2.2.3 流體振動流量計

流體振動流量計根據誘發流體振動的原理可分為旋渦型和射流型兩種。

旋渦型流體振動流量計包括渦街流量計和旋進旋渦流量計，其基本工作原理是流體流過特定管道產生的旋渦振動頻率與流速成正比。

渦街流量計優點是壓損低，缺點是所需直管段長，易受管道震動影響。而旋進旋渦流量計精度更高、所需直管段短、流量下限更低、抗干擾能力更強，缺點則是壓損大。

射流流量計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象——柯恩達效應。它將流體通過噴嘴形成高速射流從而在壁面產生附壁效應，故稱為射流流量計。由于流體粘度會影響附壁效應，故限制了其應用。但由于其有流體放大的作用，故在小流量測量上具有較大優勢。

3 流量儀表的發展方向

隨著科技的發展，實現數據的現場采集以及綜合控制和管理將是技術趨勢。流量儀表是傳輸現場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、穩定性高和高精度的智能流量儀表。因此當前流量計量的發展方向可歸為以下幾個方面[9]：

3.1 基于新技術（超聲波、激光、電磁、核技術及微型計算機等）研制的新型流量計趨向電子化和數字化。如日本東京技術學院研制出適用于石油輸送管線低導電液體流量測量的靜電流量計；俄羅斯科學工程中心工業儀表公司開發的基于懸浮效應理論的轉速表式流量儀表等等。傳統技術流量計市場呈逐漸下降趨勢，而新穎儀表如超聲、渦街、電磁和科里奧利質量流量計等新技術流量儀表所占比重將逐年增加。

3.2 結構簡單、功能完善、安裝便捷、自動化程度高等方向將會是今后流量儀表的主流趨勢。例如當前發展最快的電磁流量計、超聲流量計、科里奧利質量流量計，其機械結構都十分簡潔，并且功能強大，如超聲流量計可實現流體流量、密度、組分等信息的同時測量。

3.3 應用于大流量、高粘性以及多相流高壓、低壓等苛刻流體環境的特殊測量方法，將會是以后研究的主要方向和流量測量技術的新突破口。

4 流量儀表的發展建議

伴隨著新材料、新工藝的不斷出現以及微電子和通信技術的迅猛發展，流量儀表技術在各個方面發生著根本性的變革，不斷向著網絡化、數字化和智能化方向發展[10]。可以預見，未來實現處理信息、存儲信息、人機對話、自診斷、網絡化以及遠程測控等功能于一體的多功能智能化流量儀表將會是今后流量儀表發展的主流方向。

[1]蔡武昌，流量測量儀表現狀和發展，自動化儀表，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,流量檢測儀表的發展,自動化儀表,1994,pl-5.

[4]蘇彥勛,李金海,流量計量,中國計量出版社,1991.

[5]劉新榮,流量計,水利電力出版社,1989.

[6]鄧茂煥.節流式差壓流量計的發展和現狀[J].計量測試,2002(6):30-32.

[7]許國杰.流量計液體檢定方法及應用 [J].南煉科技,2002,9(2):44-47.

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

[9]蔡武昌.流量儀表若干發展趨勢和應用進展[J].中國儀器儀表,2001(2):46-48.

[10]孫延柞.國際最新流量儀表及測量方法 [J].自動化與儀表,1994,9(6):4-6.