1 前言

流量是工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的過程控制參數(shù)。目前，市場上大約有超過100種不同的流量儀表，不過其中有一些屬于實(shí)驗(yàn)室儀表，不適合工業(yè)應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新型的流量儀表還在不斷涌現(xiàn)。用戶應(yīng)當(dāng)首先了解流量儀表的性能特點(diǎn)， 再結(jié)合所應(yīng)用場合的工況條件，選擇性能合適的產(chǎn)品。

2 流量儀表的類型及特性

流量儀表的分類方法很多，至今國內(nèi)外還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。表1列出了工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的七大類流量儀表的型式及其主要性能特點(diǎn)。下面分別作簡要介紹。

2.1 差壓型

差壓測量技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的一種流量測量方法，幾乎能測量各種工況下單相流體和高溫高壓下流體的流量。20世紀(jì)70年代，這種技術(shù)曾占到市場份額的80%。今天，隨著新技術(shù)的應(yīng)用，這個(gè)比例已降至40%左右，仍占了近“半壁江山”。差壓型流量計(jì)一般由節(jié)流裝置、變送器兩部份組成。節(jié)流裝置常見的有孔板、噴嘴、畢托管、均速管等。節(jié)流裝置的作用是使流經(jīng)的流體收縮且在其上、下游產(chǎn)生差壓。根據(jù)伯努利能量守恒定律和連續(xù)性方程可以得出：

式中，Q為體積流量；

ΔP為測得的節(jié)流件上、下游差壓；

K為常數(shù)，它與節(jié)流件的幾何形狀、直徑比以及流體的溫度、壓力、粘度、密度等因素有關(guān)。

由于是平方根關(guān)系，所以差壓型流量儀表的測量范圍一般不大，只有3∶1~5∶1。在此范圍內(nèi)，孔板的讀數(shù)精度約為2%~3%， 文丘里管的讀數(shù)精度約為3%~4%。各種節(jié)流裝置中，孔板由于其結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，所以最為常用。但是它對加工尺寸要求嚴(yán)格。只要按規(guī)范要求加工、安裝，經(jīng)檢驗(yàn)合格后就可以在不確定度范圍內(nèi)進(jìn)行流量測量，而不需要用實(shí)驗(yàn)檢定。所有節(jié)流裝置都有一個(gè)不可恢復(fù)的壓力損失， 壓損最大的是銳邊孔板， 為儀表最大差壓的25%~40%。畢托管的壓損則很小，可以忽略不計(jì)，但它對流體形面的變化非常敏感。

2.2  變面積型

這種類型流量計(jì)的典型代表是轉(zhuǎn)子流量計(jì)。對于3″以內(nèi)的管道，此流量計(jì)效果較好。它的突出優(yōu)點(diǎn)是直接就地測量時(shí)不用外加電源。轉(zhuǎn)子流量計(jì)按其制造材料不同，分為玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)和金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)兩大類。玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子位置清晰可見，易讀數(shù)，多用于常溫、常壓、透明和腐蝕性介質(zhì)，如空氣、煤氣、氬氣等。金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)一般帶有磁性連接指示器，用于高溫、高壓的場合，并且能傳輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與記錄儀等配套使用，計(jì)量累積流量。目前市場上有一種帶加載彈簧錐形頭的垂直式變面積式流量計(jì)，它沒有冷凝室和緩沖室，測量范圍達(dá)到100∶1，并且是線性輸出，最適于蒸汽的測量。

2.3  振蕩型

渦街流量計(jì)是振蕩型流量儀表的典型代表。它是在流體前進(jìn)方向上放置一非流線形物體，流體在該物體后方形成兩列規(guī)則的非對稱漩渦列。漩渦列的頻率與流速成一定比例。這種測量方法的特點(diǎn)是管道內(nèi)無可動(dòng)部件，讀數(shù)重復(fù)性、可靠性好，使用壽命長，線性測量范圍寬（氣體約為30∶1，液體約為10∶1），幾乎不受溫度、壓力、密度、粘度等變化的影響，壓力損失小， 精度高（約0.5%~1%）。其工作溫度可達(dá)300℃以上，工作壓力可達(dá)30MPa以上。但流體流速分布情況和脈動(dòng)流會(huì)影響測量精度。不同的介質(zhì)可采用不同的漩渦感測技術(shù)，對于蒸汽可用振動(dòng)盤式或壓電晶體式，對于空氣可采用熱力式或超聲波式，對于水，幾乎所有感測技術(shù)都適用。和孔板一樣，渦街流量計(jì)的流量系數(shù)也是由一組尺寸來決定的。

2.4  電磁型

這類流量計(jì)是利用導(dǎo)電的流體流經(jīng)磁場時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電壓的大小來檢測流量的。因此它只適用于導(dǎo)電介質(zhì)（目前已有適用于導(dǎo)電率低至0.008μs/cm介質(zhì)的產(chǎn)品）。從理論上講，這種方法不受流體的溫度、壓力、密度和粘度的影響，量程比可達(dá)100∶1，精度約為0.5%。適用管徑從2mm到3m。廣泛應(yīng)用于水、泥漿、紙漿或腐蝕性介質(zhì)的流量。電磁型流量計(jì)由于信號(hào)微弱，滿量程時(shí)，通常只有2.5~8mV，流量很小時(shí)僅有幾毫伏。易受外界干擾。因此，要求變送器的外殼、屏蔽線、測量導(dǎo)管、變送器兩端的管道都要接地并單獨(dú)設(shè)置接地點(diǎn)，絕對不要連接在電機(jī)、電器等的公用地線上。

2.5 超聲波型

這類流量計(jì)最常見的是多普勒流量計(jì)和時(shí)差流量計(jì)。多普勒流量計(jì)是根據(jù)被測流體中移動(dòng)目標(biāo)所反射的聲波頻率的變化來檢測流量的。此法適于測量高速流體，不宜測量低速流體，且精度較低，對管道內(nèi)壁的光滑程度要求較高，但它的電路簡單。

時(shí)差流量計(jì)是通過超聲波在注流體中順流和逆流傳播的時(shí)間差來測量流量的。由于時(shí)差的數(shù)量級(jí)很?。ㄒ话銥?0~6s），因此，為保證測量精度，對電子線路的要求較高，從而儀表的成本相應(yīng)增加。時(shí)差流量計(jì)一般適用于純凈且流速場均勻的層流液體。對于紊流液體，可采用多聲束時(shí)差流量計(jì)。

2.6 動(dòng)量矩型

這類流量計(jì)是根據(jù)動(dòng)量矩守恒原理， 通過流體沖擊旋轉(zhuǎn)部件（葉輪、螺旋器等），使之旋轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)速與流速成比例關(guān)系。再利用磁學(xué)、光學(xué)、機(jī)械計(jì)數(shù)等方法將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， 從而計(jì)算出流量。

渦輪流量計(jì)是這類儀表中應(yīng)用最廣泛且精度較高的一種。它適用于氣體、液體介質(zhì)，但在結(jié)構(gòu)上略有不同。用于氣體的，其葉輪角度較小， 而且葉片數(shù)量多。渦輪流量計(jì)的精度可達(dá)0.2%~0.5%，在狹小范圍內(nèi)可達(dá)0.1%。量程比約10∶1。壓損小，耐壓高。但它對流體的潔凈度有一定要求，且易受流體密度和粘度的影響， 口徑越小，影響越大。和孔板一樣，要保證安裝點(diǎn)前后有足夠的直管段，以避免流體旋轉(zhuǎn)而改變對葉片的作用角度。

2.7 正位移型

這類儀表的工作原理是根據(jù)旋轉(zhuǎn)體每旋轉(zhuǎn)一周，流體精確移動(dòng)一個(gè)固定量來測量的。儀表的設(shè)計(jì)方式各異，如橢圓齒輪流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì)、刮板流量計(jì)等等。橢圓齒輪流量計(jì)的量程比較大，可以達(dá)到20∶1，且精度高。但運(yùn)動(dòng)齒輪易被流體中的雜質(zhì)卡死。旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì)單位流通量大，但由于結(jié)構(gòu)上的原因，泄漏量較大， 精度差。正位移型的流量計(jì)基本與流體粘度無關(guān)，適用于油脂類、水等介質(zhì)，但不適用于蒸汽、空氣等介質(zhì)。

上述的每一種流量計(jì)各有自己的優(yōu)、缺點(diǎn)，但是，即使是同一種型式的表，不同廠家提供的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)、性能也不盡相同。

3 流量計(jì)的選擇

面對龐大的流量計(jì)家族， 要想選擇一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用的儀表，確非易事。其中要考慮的因素很多：精度、可靠性、費(fèi)用、流體特性及其他種種因素。根據(jù)筆者多年儀表選型的實(shí)踐，大致可參考以下4個(gè)方面：

（1）儀表的工作性能，包含：精度、可靠性、線性、量程范圍、壓降、輸出信號(hào)特性、響應(yīng)時(shí)間、瞬時(shí)量或累積量。

（2）流體的物理、化學(xué)特性，包含：液體或氣體、流體溫度、流體壓力、流體密度、流體粘度、潤滑度、化學(xué)特性、表面張力、壓縮系數(shù)。

（3）現(xiàn)場安裝條件及環(huán)境，包含：流向、管徑、安裝位置、環(huán)境溫度、壓力、濕度、直管段長度、電氣連接、附件的安裝、附近的電氣干擾、脈動(dòng)的影響、震動(dòng)的影響。

（4）成本費(fèi)用，包含：采購價(jià)格、安裝費(fèi)用、操作費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用、校驗(yàn)費(fèi)用、儀表壽命、備件費(fèi)用、操作工的培訓(xùn)費(fèi)用。

用戶在選擇時(shí)，不可能面面俱到，要權(quán)衡利弊。不過， 最后的抉擇往往是在成本費(fèi)用和儀表性能之間。

4 結(jié)束語

隨著生產(chǎn)工藝復(fù)雜程度和自動(dòng)化程度的提高，會(huì)對流量測量及控制提出更新、更高和更多的要求，如5~7m特大口徑、特大流量測量；超微小流量測量；鋼水等高溫介質(zhì)的流量測量；液氮等超低溫介質(zhì)的流量測量，等等。近年來，核磁共振流量計(jì)、放射性同位素流量計(jì)等新型儀表已日臻完善，流量測量精度也在不斷提高。

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