流量仪表及其选型

1 前言

流量是工业生产过程中常用的过程控制参数。目前，市场上大约有超过100种不同的流量仪表，不过其中有一些属于实验室仪表，不适合工业应用。随着科学技术的发展，新型的流量仪表还在不断涌现。用户应当首先了解流量仪表的性能特点， 再结合所应用场合的工况条件，选择性能合适的产品。

2 流量仪表的类型及特性

流量仪表的分类方法很多，至今国内外还没有统一的标准。表1列出了工业生产过程中常用的七大类流量仪表的型式及其主要性能特点。下面分别作简要介绍。

2.1 差压型

差压测量技术是目前应用最广泛的一种流量测量方法，几乎能测量各种工况下单相流体和高温高压下流体的流量。20世纪70年代，这种技术曾占到市场份额的80%。今天，随着新技术的应用，这个比例已降至40%左右，仍占了近“半壁江山”。差压型流量计一般由节流装置、变送器两部份组成。节流装置常见的有孔板、喷嘴、毕托管、均速管等。节流装置的作用是使流经的流体收缩且在其上、下游产生差压。根据伯努利能量守恒定律和连续性方程可以得出：

式中，Q为体积流量；

ΔP为测得的节流件上、下游差压；

K为常数，它与节流件的几何形状、直径比以及流体的温度、压力、粘度、密度等因素有关。

由于是平方根关系，所以差压型流量仪表的测量范围一般不大，只有3∶1~5∶1。在此范围内，孔板的读数精度约为2%~3%， 文丘里管的读数精度约为3%~4%。各种节流装置中，孔板由于其结构简单，安装方便，所以最为常用。但是它对加工尺寸要求严格。只要按规范要求加工、安装，经检验合格后就可以在不确定度范围内进行流量测量，而不需要用实验检定。所有节流装置都有一个不可恢复的压力损失， 压损最大的是锐边孔板， 为仪表最大差压的25%~40%。毕托管的压损则很小，可以忽略不计，但它对流体形面的变化非常敏感。

2.2 变面积型

这种类型流量计的典型代表是转子流量计。对于3″以内的管道，此流量计效果较好。它的突出优点是直接就地测量时不用外加电源。转子流量计按其制造材料不同，分为玻璃转子流量计和金属管转子流量计两大类。玻璃转子流量计结构简单，转子位置清晰可见，易读数，多用于常温、常压、透明和腐蚀性介质，如空气、煤气、氩气等。金属管转子流量计一般带有磁性连接指示器，用于高温、高压的场合，并且能传输出标准信号与记录仪等配套使用，计量累积流量。目前市场上有一种带加载弹簧锥形头的垂直式变面积式流量计，它没有冷凝室和缓冲室，测量范围达到100∶1，并且是线性输出，最适于蒸汽的测量。

2.3 振荡型

涡街流量计是振荡型流量仪表的典型代表。它是在流体前进方向上放置一非流线形物体，流体在该物体后方形成两列规则的非对称漩涡列。漩涡列的频率与流速成一定比例。这种测量方法的特点是管道内无可动部件，读数重复性、可靠性好，使用寿命长，线性测量范围宽（气体约为30∶1，液体约为10∶1），几乎不受温度、压力、密度、粘度等变化的影响，压力损失小， 精度高（约0.5%~1%）。其工作温度可达300℃以上，工作压力可达30MPa以上。但流体流速分布情况和脉动流会影响测量精度。不同的介质可采用不同的漩涡感测技术，对于蒸汽可用振动盘式或压电晶体式，对于空气可采用热力式或超声波式，对于水，几乎所有感测技术都适用。和孔板一样，涡街流量计的流量系数也是由一组尺寸来决定的。

2.4 电磁型

这类流量计是利用导电的流体流经磁场时产生感应电压的大小来检测流量的。因此它只适用于导电介质（目前已有适用于导电率低至0.008μs/cm介质的产品）。从理论上讲，这种方法不受流体的温度、压力、密度和粘度的影响，量程比可达100∶1，精度约为0.5%。适用管径从2mm到3m。广泛应用于水、泥浆、纸浆或腐蚀性介质的流量。电磁型流量计由于信号微弱，满量程时，通常只有2.5~8mV，流量很小时仅有几毫伏。易受外界干扰。因此，要求变送器的外壳、屏蔽线、测量导管、变送器两端的管道都要接地并单独设置接地点，绝对不要连接在电机、电器等的公用地线上。

2.5 超声波型

这类流量计最常见的是多普勒流量计和时差流量计。多普勒流量计是根据被测流体中移动目标所反射的声波频率的变化来检测流量的。此法适于测量高速流体，不宜测量低速流体，且精度较低，对管道内壁的光滑程度要求较高，但它的电路简单。

时差流量计是通过超声波在注流体中顺流和逆流传播的时间差来测量流量的。由于时差的数量级很小（一般为10~6s），因此，为保证测量精度，对电子线路的要求较高，从而仪表的成本相应增加。时差流量计一般适用于纯净且流速场均匀的层流液体。对于紊流液体，可采用多声束时差流量计。

2.6 动量矩型

这类流量计是根据动量矩守恒原理， 通过流体冲击旋转部件（叶轮、螺旋器等），使之旋转，而旋转部件的转速与流速成比例关系。再利用磁学、光学、机械计数等方法将转速转换成电信号， 从而计算出流量。

涡轮流量计是这类仪表中应用最广泛且精度较高的一种。它适用于气体、液体介质，但在结构上略有不同。用于气体的，其叶轮角度较小， 而且叶片数量多。涡轮流量计的精度可达0.2%~0.5%，在狭小范围内可达0.1%。量程比约10∶1。压损小，耐压高。但它对流体的洁净度有一定要求，且易受流体密度和粘度的影响， 口径越小，影响越大。和孔板一样，要保证安装点前后有足够的直管段，以避免流体旋转而改变对叶片的作用角度。

2.7 正位移型

这类仪表的工作原理是根据旋转体每旋转一周，流体精确移动一个固定量来测量的。仪表的设计方式各异，如椭圆齿轮流量计、旋转活塞流量计、刮板流量计等等。椭圆齿轮流量计的量程比较大，可以达到20∶1，且精度高。但运动齿轮易被流体中的杂质卡死。旋转活塞流量计单位流通量大，但由于结构上的原因，泄漏量较大， 精度差。正位移型的流量计基本与流体粘度无关，适用于油脂类、水等介质，但不适用于蒸汽、空气等介质。

上述的每一种流量计各有自己的优、缺点，但是，即使是同一种型式的表，不同厂家提供的产品，其结构、性能也不尽相同。

3 流量计的选择

面对庞大的流量计家族， 要想选择一款经济实用的仪表，确非易事。其中要考虑的因素很多：精度、可靠性、费用、流体特性及其他种种因素。根据笔者多年仪表选型的实践，大致可参考以下4个方面：

（1）仪表的工作性能，包含：精度、可靠性、线性、量程范围、压降、输出信号特性、响应时间、瞬时量或累积量。

（2）流体的物理、化学特性，包含：液体或气体、流体温度、流体压力、流体密度、流体粘度、润滑度、化学特性、表面张力、压缩系数。

（3）现场安装条件及环境，包含：流向、管径、安装位置、环境温度、压力、湿度、直管段长度、电气连接、附件的安装、附近的电气干扰、脉动的影响、震动的影响。

（4）成本费用，包含：采购价格、安装费用、操作费用、维护费用、校验费用、仪表寿命、备件费用、操作工的培训费用。

用户在选择时，不可能面面俱到，要权衡利弊。不过， 最后的抉择往往是在成本费用和仪表性能之间。

4 结束语

随着生产工艺复杂程度和自动化程度的提高，会对流量测量及控制提出更新、更高和更多的要求，如5~7m特大口径、特大流量测量；超微小流量测量；钢水等高温介质的流量测量；液氮等超低温介质的流量测量，等等。近年来，核磁共振流量计、放射性同位素流量计等新型仪表已日臻完善，流量测量精度也在不断提高。

参考文献
[1]翟秀贞，谢纪绩.差压型流量计[M].北京：中国计量出版社，1995.
[2]范玉久等.化工测量及仪表[M].北京：化学工业出版社，1981.