流量仪表技术的发展趋势

解海艇 黄富贵

(华侨大学机电及自动化学院，福建 厦门 361021)

0 引言

19世纪中叶，近代流量计的理论基础逐渐成形，许多种类的仪表雏形相继涌现。到了20世纪，随着过程工业、能量计算和城市公用事业的迅速兴起，促使人类社会对流量测量的需求不断增加，从而极大地推动了流量测量技术与仪器仪表的更新换代。白金汉(Edgar Buckingham)、比恩(Howard.S.Bean)和贝特勒(Samuel R.Beitler)等人在测定喷嘴和孔板流量系数方面的杰出贡献，进一步促进了流量测量技术的发展［1－3］。

近几十年以来，新材料技术、微电子技术、通信技术和计算机技术在流量测量领域的广泛应用，使该行业实现了跨越式的发展。在整个世界信息化、智能化、网络化程度不断加深的背景下，流量仪表技术为了迎合新世纪科技发展的潮流，必然会发生广泛而深远的变革。

1 流量计的定义及流量仪表的作用

美国仪器学会于1976年在文件ISA 51.1中给出的定义是目前唯一可以利用的、关于流量计的标准定义。其定义如下:流量计是指在一个敞开或封闭管道中测量流动的流体流量或总量的仪表，它通常由一次装置和二次仪表构成。流量计的一次装置根据与流体之间的相互作用关系产生与流体流量具有明确关系的信号。流量计的二次仪表是反映一次装置发来的信号，并将其转换成能够表示的流量或总量显示信号或输出信号的仪表［4］。

流量仪表主要有两个作用:①作为检测仪表监测工业生产过程中的自动化系统，为生产安全和产品质量提供保障;②作为计量仪表核算商贸或内部生产成本［5］。

2 常用流量计简介

2.1 传统流量计

2.1.1 节流式差压流量计

节流式差压流量计是目前应用较为广泛的一类流量计。在工业生产中常用于测量气体、液体和蒸汽的流量。

节流式差压流量计的测量原理是将流体流经节流装置(孔板、喷嘴、文丘里管等)产生的压力能转换为动能，从而产生差压信号。由于差压信号与流量之间存在一定的关系，因此可通过测量差压信号来确定流量的大小。下面以孔板为例，给出流体流经孔板前后的流动特性，如图1所示。

图1 流体流经孔板前后的流动特性曲线Fig.1 The flow characteristics curves of fluid flowing through the orifice plate

在所用的节流装置中，孔板经济可靠、结构简单、维护方便，因而在工业生产过程中大都采用孔板作为节流装置，但孔板会产生较大的噪声，如果想要获取更好的信号读数，可采用 V 锥［6－7］。

2.1.2 靶式流量计

由于采用标准节流装置的流量计在测量脏污流体时存在容易堵塞的缺点，因而其不适合测量高黏度、低雷诺数的流体(如重油、原油等)。靶式流量计的出现和发展解决了这一工业生产中出现的部分问题。靶式流量计的工作原理如图2所示。

图2 靶式流量计原理示意图Fig.2 The principle of target flow meter

靶式流量计的测量原理是在测量管的中心放置一圆形靶，当流体流动时对靶体形成冲击，从而使靶体受力并产生与流体流量成正比的微小位移，靶体所受的作用力反映了流体流量的大小。

传统的靶式流量计主要选用力传感器，如应变片式靶式流量计。由于受到流体介质温度变化的影响，应变片式靶式流量计容易产生温漂、抗过载能力差等问题［8］。

2.1.3 涡街流量计

涡街流量计是利用流体振动原理制成的一种流量仪表。涡街流量计发展十分迅速，目前已跻身于通用流量计之列。

涡街流量计的测量原理如图3所示。在流体中安置一个非流线型旋涡发生体，流体流经发生体两侧时交替地分离，产生两列规则的、交错排列的旋涡。在一定的雷诺数范围内，旋涡频率与涡街流量计的体积流量成正比，因而可通过检测旋涡频率来得出流体流量的大小。

图3 涡街流量计原理示意图Fig.3 The principle of vortex flow meter

涡街流量计对外界的干扰、振动以及流体流动状态非常敏感，通常其不能准确测量出低流速流体的流量。目前，国内外学者主要利用数字信号处理技术来处理这个问题，如功率谱分析方法、小波分析方法等［9］。

2.1.4 容积式流量计

容积式流量计与差压式流量计、浮子流量计一起并称为三类使用量最大的流量计。在流量仪表中，容积式流量计是精度很高的一类仪表，因而被广泛应用于原油、柴油、液化石油气、天然气以及煤气等昂贵介质的总量测量。

容积式流量计是利用固定的小容积来反复计量流过流量计的流体体积，即通过流体逐次重复地充满和排放计量室的累加次数来测量流体体积的总量。

容积式流量计常用于国内外贸易结算，对于其基本误差，目前主要采用流量计系数法和基本误差法两种方法加以处理［10］。

2.1.5 浮子流量计

浮子流量计是流量仪表中应用范围较为广泛的一类，仅次于差压式流量计，目前被广泛应用于电力、冶金、石化以及污水处理等领域的流量测量，尤其在小管径、低流速、微流量的测量领域，浮子流量计发挥着重要的作用。

浮子流量计的测量原理是内置于锥形管中轴线方向的浮子的位置随着流量的变化而升降，通过改变它们之间的流通面积来测量流体的体积流量。

在实际应用中，浮子流量计的压力损失不是恒定的，而是随流量变化而变化的。对于相同口径的孔板和锥管浮子流量计，前者的压力损失要明显大于后者［11］。

2.1.6 涡轮流量计

涡轮流量计(简称TUF)是速度式(叶轮式)流量计的主要品种。它适用于高温、高压、低温及微流量等流体介质的测量。

涡轮流量计利用放置于流体中的叶轮的旋转角速度与流体平均流速成正比的关系，通过测量叶轮的转速来推算管道中流体体积流量的大小。

涡轮流量计具有可动部件，因而易磨损、易发生故障，并且其不适用于测量脏污介质，也不适宜长期连续使用，故应避免长时间超负荷运行，并定期对其进行维护。

2.2 新型流量计

2.2.1 电磁流量计

电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律制成的一种新型流量计，目前被广泛地应用于易燃易爆液体，各种酸、碱、盐等腐蚀性液体以及带有浆液和掺杂固体颗粒等流体流量的测量，并且它还具有可正反双向测量的特点。

电磁流量计的测量原理基于法拉第电磁感应定律，即通过测量流体流动时切割磁力线所产生的电动势来推算流体流量。电磁流量计原理如图4所示。

图4 电磁流量计原理示意图Fig.4 The principle of electromagnetic flow meter

电磁流量计主要用于测量导电性液体介质的体积流量，通常要求导电性液体介质的电导率至少为20 μs/cm［12］。

2.2.2 超声波流量计

超声波流量计(简称USF)是20世纪70年代发展起来的一种非接触式流量仪表。它对于所测的流体介质几乎没有要求，不仅适用于液体和气体介质的测量，也适用于双相介质的测量，尤其适用于解决大流量、大口径、暗渠、强腐蚀性等流体流量测量困难的问题。

超声波流量计主要是通过检测超生波穿过流体介质时所搭载的信息来测量流体流量。

目前，超声波流量计存在的局限性在于其所能测量的流体介质温度受制于换能器与耦合材料(换能器与管道之间)的耐高温程度，而目前我国研制的超声波流量计只能测量200℃以下的流体介质［13］。

2.2.3 科里奥利质量流量计

科里奥利质量流量计(简称CMF)是基于流体在振动的测量管中流动时会产生与流体质量流量成正比的科里奥利力这一原理制成的、一种直接式的质量流量计。

与前面所述的各种流量计不同，科里奥利质量流量计能够直接测量流体介质的质量流量，而不受其他参数(如温度、压力、流体性质等)的影响［14］。

2.2.4 激光流量计

激光流量计是根据激光的多普勒效应制成的一类新型流量计。

瑞士Digmesa公司研制生产的激光流量计被誉为“全球范围内的全新测量技术”。该流量计使用玻璃制测量管道，其内径为4 mm，测量时激光测量件不接触介质，适用于以酒精与水为基本组成成分的液体介质的测量［15］。

3 流量计的发展趋势

3.1 高精度、高可靠性

随着世界经济的发展，石油、煤、天然气等自然资源的分布不均、储量有限、过度消耗等现象，使能源短缺和气候问题成为摆在整个人类社会面前越来越棘手的问题。

面对全球对于节能环保的诉求和竞争日益激烈的市场环境，如何降低能耗、提高能效，从而提升企业竞争力成为相关行业关注的热点。石油、天然气等能源行业以及其他对流量计需求比较旺盛的行业，对于高精度、高可靠性流量测量仪表的要求以及相关技术的不断进步，将会推动流量计朝着更为精确、更为可靠的方向前进。

3.2 新型流量计主导市场

近年来，传统的机械式流量计(如节流式、靶式、容积式、浮子等流量计)在市场中的份额呈现出负增长的趋势，而新型流量计发展十分迅速，其中以电磁流量计、超声波流量计和科里奥利质量流量计发展势头尤为强劲，它们是三类具有发展潜力的新型流量计。

这种趋势是由用户对于流量计产品要求的提高和传统流量计本身所存在的局限性所决定的。传统的机械式流量计，往往结构复杂、装置笨重、拆装不方便，且其机械零部件容易磨损变形。而电磁流量计、超声波流量计等新型流量计在测量管道中未设置任何阻碍件(如节流件、转动件等)，其结构也十分简单、压力损失小，精度和可靠性也基本满足工业生产和工程应用的需要;另外，新型流量计相对传统流量计而言，其功能更为多样、全面，例如现在已经有许多超声波流量计不仅可以测量各种流体介质的流量，甚至可以测量流体的密度、组成成分以及所含热能等，实现多参数测量。

与传统的机械流量计相比，新型流量计具有诸多优点，因而其大有取代传统流量计的市场主导地位之势。但是，由于传统流量计的应用非常广泛，市场占有量很大，新型流量计取代其成为主流流量计产品将是一个长期的过程。

3.3 智能化、远程化

2009年，美国政府将物联网列为重振经济的两大重点之一;此后，我国政府也将物联网列为国家五大新兴战略性产业之一，并将其写入政府工作报告中。

人们普遍认为，物联网将是继互联网之后推动世界高速发展的引擎。

传感器技术是物联网主要的技术基础之一，未来随着物联网的高速推进，传感器技术领域也将会开启新的篇章。流量计作为传感器的一类，主要用于测量流体流量，而流量与温度、压力并称为三大检测参数，对流量的测量是广泛而普遍的。随着科学技术的发展，可能要求流量计具有更高的智能化程度，例如通过植入嵌入式系统软件和硬件，使流量计具有更强的检查诊断功能等;同时，根据物联网的概念，未来的流量计需要与互联网连接，进行信息的交换与通信，从而实现智能化识别、定位、跟踪以及远程监控和管理等。为了迎合物联网发展的需要，智能化和远程化也将成为流量计未来发展的一大趋势。

4 结束语

流量测量的发展贯穿于整个人类社会的历史进程中，流量作为工农业生产中最重要的检测参数之一，对于它的测量是广泛而普遍的。目前应用于工业生产中的流量仪表种类繁多，但它们皆有其各自的优缺点，所以在选用流量仪表时，要进行周密的分析与比较，选择适宜的流量仪表以达到预期的测量目的。

在全球倡导节能减排及信息化程度不断加深的背景下，流量计作为执行流量测量的具体装置，其发展也将是与时俱进的，因而如何使流量计在工业生产和科学研究中更加精准可靠、智能环保，为缓解能源问题、气候问题等及迎合物联网等新一代信息技术发展的需要贡献力量，将是摆在广大企业与科技工作者面前的重大任务。

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［2］梁国伟，蔡武昌，盛健，等.流量测量技术及仪表［M］.北京:机械工业出版社，2002:1－13.

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