1，流量计的发展

　　流量测量的发展可追溯到古代的水利工程和城市供水系统。古罗马凯撒时代已采用孔板测量居民的饮用水水量。公元*0年左右古埃及用堰法测量尼罗河的流量。我国的都江堰水利工程应用宝瓶口的水位观测水量大小等等。17世纪托里拆利奠定差压式流量计的理论基础，这是流量测量的里程碑。自那以后，18、19世纪流量测量的许多类型仪表的雏形开始形成，如堰、示踪法、皮托管、文丘里管、容积、涡轮及靶式流量计等。20世纪由于过程工业、能量计量、城市公用事业对流量测量的需求急剧增长，才促使仪表迅速发展，微电子技术和计算机技术的飞跃发展极大地推动仪表更新换代，新型流量计如雨后春笋般涌现出来。至今，据称已有上百种流量计投向市场，现场使用中许多棘手的难题可望获得解决。
 

　　我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口。
 

　　流量测量是研究物质量变的科学，质量互变规律是事物发展的基本规律，因此其测量对象已不限于传统意义上的管道液体，凡需掌握量变的地方都有流量测量的问题。流量和压力、温度并列为三大检测参数。对于一定的流体，只要知道这三个参数就可计算其具有的能量，在能量转换的测量中必须检测此三个参数。能量转换是一切生产过程和科学实验的基础，因此流量和压力、温度仪表一样得到zui广泛的应用。

 

2，流量计的应用领域

　　流量测量技术与仪表的应用大致有以下几个领域。
 

　　一，工业生产过程
 

　　流量仪表是过程自动化仪表与装置中的大类仪表之一，它被广泛诮用于冶金、电力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、轻纺、食品、医药、农业、环境保护及人民日常生活等国民经济各个领域，是发展工农业生产，节约能源，改进产品质量，提高经济效益和管理水平的重要工具在国民经济中占有重要的地位。在过程自动化仪表与装置中，流量仪表有两大功用：作为过程自动化控制系统的检测仪表和测量物料数量的总量表。
 

　　二，能源计量
 

　　能源分为一次能源（煤炭、原油、煤层气、石油气和天然气）、二次能源（电力、焦炭、人工燃气、成品油、液化石油气、蒸汽）及载能工质（压缩空气、氧、氮、氢、水）等。能源计量是科学管理能源，实现节能降耗，提高经济效益的重要手段。流量仪表是能源计量仪表的重要组成部分，水、人工燃气、天然气、蒸汽和油品这些常用的能源都使用着数量极其庞大的流量计，它们是能源管理和经济核算*的工具。
 

　　三，环境保护工程
 

　　烟气，废液、污水等的排放严重污染大气和水资源，严重威胁人类生存环境。国家把可持续发展列为国策，环境保护将是21世纪的zui大课题。空气和水的污染要得到控制，必须加强管理，而管理的基础是污染量的定量控制。
 

　　我国是以煤为主要能源的国家，全国有上百万个烟囱不停地向大气排放烟气。烟气排放控制是*污染的重要项目，每个烟囱必须是安装烟气分析仪表和流量计，组成连椟排放监视系统。烟气的流量沆量有很大因难，它的难度为烟囱尺寸大且形状不规则，气体组分变化不定，流速范围大，脏污，灰尘，腐蚀，高温，无直管段等。
 

　　四，交通运输
 

　　有五种方式：铁路公路、航空、水运、和管道运输。其中管道运输虽早已有之，但应用并不普遍。随着环保问题的突出，管道运输的特点引起人们的重视。管道貌岸然运输必须装备流量计，它是控制、分配和调度的眼睛，亦是安全监没和经济核算的*工具。
 

　　五，生物技术
 

　　21世纪将迎来生命科学的世纪，以生物技术为特征的产业将获得迅速发展。生物技术中需监测计量的物质很多，如血液，尿液等。仪表开发的难度极大，品种繁多。
 

　　六，科学实验
 

　　科学实验需要的流量计不但数量多，且品种极其繁杂。据统计流量计100多种中很大一部分是应科研之需用的，它们并不批量生产，在市面出售，许多科研机构和大企业皆设专门小组研制的流量计。
 

　　七，海洋气象，江河湖泊
 

　　这些领域为敞开流道，一般需检测流速，然后推算流量。流速计和流量计所依据的物理原理及流体力学基础是共通的但是仪表原理及结构以及使用条件有很大差别。

 

3，流量计种类

　　用以测量管路中流体流量（单位时间内通过的流体体积）的仪表。有转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、电磁流量计、超声波流量计和堰等。
 

　　流量测量方法和仪表的种类繁多,分类方法也很多。至今为止,可供工业用的流量仪表种类达60种之多。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。
 

　　这60多种流量仪表,每种产品都有它特定的适用性,也都有它的局限性。按测量对象划分就有封闭管道和明渠两大类;按测量目的又可分为总量测量和流量测量,其仪表分别称作总量表和流量计。
 

　　总量表测量一段时间内流过管道的流量,是以短暂时间内流过的总量除以该时间的商来表示,实际上流量计通常亦备有累积流量装置,做总量表使用,而总量表亦备有流量发讯装置。因此,以严格意义来分流量计和总量表已无实际意义。
 

　　按测量原理分有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。
 

　　按照目前zui流行、zui广泛的分类法,即分为:容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计、探针式流量计，来分别阐述各种流量计的原理、特点、应用概况及国内外的发展情况。

 

3.1差压式流量计

　　差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压,已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。
 

　　差压式流量计由一次装置（检测件）和二次装置（差压转换和流量显示仪表）组成。通常以检测件形式对差压式流量计分类,如孔板流量计、文丘里流量计、均速管流量计等。
 

　　二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计,差压变送器及流量显示仪表。它已发展为三化（系列化、通用化及标准化）程度很高的、种类规格庞杂的一大类仪表,它既可测量流量参数,也可测量其它参数（如压力、物位、密度等）。
 

　　差压式流量计的检测件按其作用原理可分为:节流装置、水力阻力式、离心式、动压头式、动压头增益式及射流式几大类。
 

　　检测件又可按其标准化程度分为二大类:标准的和非标准的。
 

　　所谓标准检测件是只要按照标准文件设计、制造、安装和使用,无须经实流标定即可确定其流量值和估算测量误差。
 

　　非标准检测件是成熟程度较差的,尚未列入标准中的检测件。
 

　　差压式流量计是一类应用zui广泛的流量计,在各类流量仪表中其使用量占居*。近年来,由于各种新型流量计的问世,它的使用量百分数逐渐下降,但目前仍是zui重要的一类流量计。
 

　　优点:
 

　　（1）应用zui多的孔板式流量计结构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长;
 

　　（2）应用范围广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比拟;
 

　　（3）检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产,便于规模经济生产。
 

　　缺点:
 

　　（1）测量精度普遍偏低;
 

　　（2）范围度窄,一般仅3:1~4:1;
 

　　（3）现场安装条件要求高;
 

　　（4）压损大（指孔板、喷嘴等）。
 

　　注：一种新型产品：引进美国航天*而开发的平衡流量计，这种流量计的测量精度是传统节流装置的5-10倍，*压力损失1/3。压力恢复快2倍，zui小直管段可以小至1.5D，安装和使用方便，大大减少流体运行的能力消耗。
 

　　应用概况:
 

　　差压式流量计应用范围特别广泛,在封闭管道的流量测量中各种对象都有应用,如流体方面:单相、混相、洁净、脏污、粘性流等;工作状态方面:常压、高压、真空、常温、高温、低温等;管径方面:从几mm到几m;流动条件方面:亚音速、音速、脉动流等。它在各工业部门的用量约占流量计全部用量的1/4~1/3。

 

3.2 浮子流量计

　　浮子流量计,又称转子流量计,是变面积式流量计的一种,在一根由下向上扩大的垂直锥管中,圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的,从而使浮子可以在锥管内自由地上升和下降。
 

　　浮子流量计是仅次于差压式流量计应用范围zui宽广的一类流量计,特别在小、微流量方面有举足轻重的作用。
 

　　80年代中期,日本、西欧、美国的销售金额占流量仪表的15%~20%。中国产量1990年估计在12~14万台,其中95%以上为玻璃锥管浮子流量计。
 

　　特点:
 

　　（1）玻璃锥管浮子流量计结构简单,使用方便,缺点是耐压力低,有玻璃管易碎的较大风险;
 

　　（2）适用于小管径和低流速;
 

　　（3）压力损失较低。

 

3.3容积式流量计

　　容积式流量计,又称定排量流量计,简称PD流量计,在流量仪表中是精度zui高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分,根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。
 

　　容积式流量计按其测量元件分类,可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。
 

　　优点:
 

　　（1）计量精度高;
 

　　（2）安装管道条件对计量精度没有影响;
 

　　（3）可用于高粘度液体的测量;
 

　　（4）范围度宽;
 

　　（5）直读式仪表无需外部能源可直接获得累计,总量,清晰明了,操作简便。
 

　　缺点:
 

　　（1）结果复杂,体积庞大;
 

　　（2）被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大;
 

　　（3）不适用于高、低温场合;
 

　　（4）大部分仪表只适用于洁净单相流体;
 

　　（5）产生噪声及振动。
 

　　应用概况:
 

　　容积式流量计与差压式流量计、浮子流量计并列为三类使用量zui大的流量计,常应用于昂贵介质（油品、天然气等）的总量测量。
 

　　工业发达国家近年PD流量计（不包括家用煤气表和家用水表）的销售金额占流量仪表的13%~23%;我国约占20%,1990年产量（不包括家用煤气表）估计为34万台,其中椭圆齿轮式和腰轮式分别约占70%和20%。

 

3.4 涡轮流量计

　　涡轮流量计,是速度式流量计中的主要种类,它采用多叶片的转子（涡轮）感受流体平均流速,从而且推导出流量或总量的仪表。
 

　　一般它由传感器和显示仪两部分组成,也可做成整体式。
 

　　涡轮流量计和容积式流量计、科里奥利质量流量计称为流量计中三类重复性、精度*的产品,作为类型流量计之一,其产品已发展为多品种、多系列批量生产的规模。
 

　　优点:
 

　　（1）高精度,在所有流量计中,属于zui的流量计;
 

　　（2）重复性好;
 

　　（3）元零点漂移,抗*力好;
 

　　（4）范围度宽;
 

　　（5）结构紧凑。
 

　　缺点:
 

　　（1）不能长期保持校准特性;
 

　　（2）流体物性对流量特性有较大影响。
 

　　应用概况:
 

　　涡轮流量计在以下一些测量对象获得广泛应用:石油、有机液体、无机液、液化气、天然气和低温流体统在欧洲和美国,涡轮流量计在用量上是仅次于孔板流量计的天然计量仪表,仅荷兰在天然气管线上就采用了2600多台各种尺寸,压力从0.8~6.5MPa的气体涡轮流量计,它们已成为优良的天然气计量仪表。

 

3.5电磁流量计

　　电磁流量计是根据法拉弟电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。
 

　　电磁流量计有一系列优良特性,可以解决其它流量计不易应用的问题,如脏污流、腐蚀流的测量。
 

　　70、80年代电磁流量在技术上有重大突破,使它成为应用广泛的一类流量计,在流量仪表中其使用量百分数不断上升。
 

　　优点:
 

　　（1）测量通道是段光滑直管,不会阻塞,适用于测量含固体颗粒的液固二相流体,如纸浆、泥浆、污水等;
 

　　（2）不产生流量检测所造成的压力损失,节能效果好;
 

　　（3）所测得体积流量实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的明显影响;
 

　　（4）流量范围大,口径范围宽;
 

　　（5）可应用腐蚀性流体。
 

　　缺点:
 

　　（1）不能测量电导率很低的液体,如石油制品;
 

　　（2）不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体;
 

　　（3）不能用于较高温度。
 

　　应用概况:
 

　　电磁流量计应用领域广泛,大口径仪表较多应用于给排水工程;中小口径常用于高要求或难测场合,如钢铁工业高炉风口冷却水控制,造纸工业测量纸浆液和黑液,化学工业的强腐蚀液,有色冶金工业的矿浆;小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。

 

3.6 涡街流量计

　　涡街流量计是在流体中安放一根非流线型游涡发生体,流体在发生体两侧交替地分离释放出两串规则地交错排列的游涡的仪表。
 

　　涡街流量计按频率检出方式可分为:应力式、应变式、电容式、热敏式、振动体式、光电式及超声式等。
 

　　涡街流量计是属于zui年轻的一类流量计,但其发展迅速,目前已成为通用的一类流量计。
 

　　优点:
 

　　（1）结构简单牢固;
 

　　（2）适用流体种类多;
 

　　（3）精度较高;
 

　　（4）范围度宽;
 

　　（5）压损小。
 

　　缺点:
 

　　（1）不适用于低雷诺数测量;
 

　　（2）需较长直管段;
 

　　（3）仪表系数较低（与涡轮流量计相比）;
 

　　（4）仪表在脉动流、多相流中尚缺乏应用经验。

 

3.7 超声流量计

　　超声流量计是通过检测流体流动对超声束（或超声脉冲）的作用以测量流量的仪表。
 

　　根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法（直接时差法、时差法、相位差法和频差法）、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。
 

　　超声流量计和电磁流量计一样,因仪表流通通道未设置任何阻碍件,均属*流量计,是适于解决流量测量困难问题的一类流量计,特别在大口径流量测量方面有较突出的优点,近年来它是发展迅速的一类流量计之一。
 

　　优点:
 

　　（1）可做非接触式测量;
 

　　（2）为无流动阻挠测量,无压力损失;
 

　　（3）可测量非导电性液体,对无阻挠测量的电磁流量计是一种补充。
 

　　缺点:
 

　　（1）传播时间法只能用于清洁液体和气体;而多普勒法只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体;
 

　　（2）多普勒法测量精度不高。
 

　　应用概况:
 

　　（1）传播时间法应用于清洁、单相液体和气体。典型应用有工厂排放液、:怪液、液化天然气等;
 

　　（2）气体应用方面在高压天然气领域已有使用良好的经验;
 

　　（3）多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体,例如:未处理污水、工厂排放液、脏流程液;通常不适用于非常清洁的液体。

 

3.8 科里奥利质量流量计

　　科里奥利质量流量计（以下简称CMF）是利用流体在振动管中流动时,产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。
 

　　我国CMF的应用起步较晚,近年已有几家制造厂（如太行仪表厂）自行开发供应市场;还有几家制造厂组建合资企业或引用*生产系列仪表。
 

　　热式气体质量流量计
 

　　热式流量计传感器包含两个传感元件，一个速度传感器和一个温度传感器。它们自动地补偿和校正气体温度变化。仪表的电加热部分将速度传感器加热到高于工况温度的某一个定值，使速度传感器和测量工况温度的传感器之间形成恒定温差。当保持温差不变时，电加热消耗的能量，也可以说热消散值，与流过气体的质量流量成正比。
 

　　热式气体质量流量计即Mass Flow Meter（缩写为MFM），它是气体流量计量中新型仪表，区别于其它气体流量计不需要进行压力和温度修正，直接测量气体的质量流量，一支传感器可以做到量程从极低到高量程。它适合单一气体和固定比例多组份气体的测量。
 

　　热式气体质量流量计是用于测量和控制气体质量流量的新型仪表。可用于石油、化工、钢铁、冶金、电力、轻工、医药、环保等工业部门的空气、烃类气体、可燃性气体、烟道气体的监测。
 

　　特 点
 

　　可靠性高 重复性好 测量精度高 压损小
 

　　无活动部件 量程比宽 响应速度快 无须温压补偿
 

　　应 用
 

　　?工业管道中气体质量流量测量 ?烟囱排出的烟气流速测量
 

　　?煅烧炉烟道气流量测量 ?燃气过程中空气流量测量
 

　　?压缩空气流量测量 ?半道体芯片制造过程中气体流量测量
 

　　?污水处理中气体流量测量 ?加热通风和空调系统中的气体流量测量
 

　　?熔剂回收系统气体流量测量 ?燃烧锅炉中燃烧气体流量测量
 

　　?天然气、火炬气、氢气等气体流量测量
 

　　?啤酒生产过程中二氧化碳气体流量测量
 

　　?水泥、卷烟、玻璃厂生产过程中气体质量流量测量
 

　　如：美国SIERRA
 

　　中国DSN

 

3.9 明渠流量计

　　与前述几种不同,它是在非满管状敞开渠道测量自由表面自然流的流量仪表。
 

　　非满管态流动的水路称作明渠,测量明渠中水流流量的称作明渠流量计（open channel flowmeter）。
 

　　明渠流量计除圆形外,还有U字形、梯形、矩形等多种形状。
 

　　明渠流量计应用场所有城市供水引水渠;火电厂引水和排水渠、污水治理流入和排放渠;工矿企业水排放以及水利工程和农业灌溉用渠道。有人估计1995台,约占流量仪表整体的1.6%,但是国内应用尚无估计数据。

 

4, 新工作原理流量仪表的研究和开发

 

4.1 静电流量计

　　（electrostatic flowmeter）
 

　　日本东京技术学院研制适用于石油输送管线低导电液体流量测量的静电流量计。
 

　　静电流量计的金属测量管绝缘地与管系连接,测量电容器上静电荷便可知道测量管内的电荷。他们分别作了内径4~8mm铜、不锈钢等金属和塑料测量管仪表的实流试验,试验表明流量与电荷之间接近于线性。

 

4.2 复合效应流量仪表

　　（combined effects meter）
 

　　该仪表的工作原理是基于流体的动量和压力作用于仪表腔体产生的变形,测量复合效应的变形求取流量。本仪表由美国GMI工程和管理学院开发,已申请两项。

 

4.3 转速表式流量传感器

　　（tachmetric flowrate sensor）
 

　　它是由俄罗斯科学工程中心工业仪表公司开发，是基于悬浮效应理论研制的。该仪表已在若干现场成功的应用（例如在核电站安装2000余台测量热水流量，连续使用8年）,且还在改进以扩大应用领域。

 

5, 几种流量仪表应用和发展动向

 

5.1 科里奥利质量流量计（CMF）

　　国外CMF已发展30余系列，各系列开发在技术上着眼点在于:流量检测测量管结构上设计创新;提高仪表零点稳定性和度等性能;增加测量管挠度,提高灵敏度;改善测量管应力分布,降低疲劳损坏,加强抗振动*力等。

 

5.2 电磁流量计（EMF）

　　EMF从50年代初进入工业应用以来,使用领域日益扩展,80年代后期起在各国流量仪表销售金额中已占16%~20%。
 

　　我国近年发展迅速,1994年销售估计为6500~7500台。国内已生产zui大口径为2~6m的ENF,并有实流校验口径3m的设备能力。

 

5.3 涡街流量计（USF）

　　USF在60年代后期进入工业应用,80年代后期起在各国流量仪表销售金额中已占4%~6%。1992年世界范围估计销售量为3.54.8万台,同期国内产品估计在8000~9000台。
 

　　5.4威力巴流量计
 

　　威立巴流量计计采用了*符合空气动力学原理的工程结构设计，是一种在精度、功效及可靠方面达到了无比程度的传感元件。

 

6, 结论

　　由上述可知,流量计发展到今天虽然已日趋成熟,但其种类仍然极其繁多,至今尚无一种对于任何场合都适用的流量计。
 

　　每种流量计都有其适用范围,也都有局限性。这就要求我们:
 

　　（1）在选择仪表时,一定要熟悉仪表和被测对象两方面的情况,并要兼顾考虑其它因素,这样测量才会准确;
 

　　（2）努力研制新型仪表,使其在现有的基础上更加完善。
 

　　差压式流量计
 

　　差压式流量计（以下简称DPF或流量计）是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。DPF由一次装置（检测件）和二次装置（差压转换和流量显示仪表）组成。通常以检测件的型式对DPF分类，如孔扳流量计、文丘里管流量计及均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器和流量显示及计算仪表，它已发展为三化（系列化、通用化及标准化）程度很高的种类规格庞杂的一大类仪表。差压计既可用于测量流量参数，也可测量其他参数（如压力、物位、密度等）。
 

　　DPF按其检测件的作用原理可分为节流式、动压头式、水力阻力式、离心式、动压增益式和射流式等几大类，其中以节流式和动压头式应用。
 

　　节流式DPF的检测件按其标准化程度分为标准型和非标准型两大类。所谓标准节流装置是指按照标准文件设计、制造、安装和使用，无须经实流校准即可确定其流量值并估算流量测量误差，非标准节流装置是成熟程度较差，尚未列入标准文件中的检测件。
 

　　标准型节流式DPF的发展经过漫长的过程，早在20世纪20年代，美国和欧洲即开始进行大规模的节流装置试验研究。用得zui普遍的节流装置--孔板和喷嘴开始标准化。现在标准喷嘴的一种型式ISA l932喷嘴，其几何形状就是30年代标准化的，而标准孔板亦曾称为ISA l932孔板。节流装置结构形式的标准化有很深远的意义，因为只有节流装置结构形式标准化了，才有可能把上众多研究成果汇集到一起，它促进检测件的理论和实践向深度和广度拓展，这是其他流量计所不及的。1980年ISO（标准化组织）正式通过标准ISO 5167，至此流量测量节流装置*个标准诞生了。ISO 5167总结了几十年来上对为数有限的几种节流装置（孔板、喷嘴和文丘里管）的理论与试验的研究成果，反映了此类检测件的当代科学与生产的技术水平。但是从ISO 5167正式颁布之日起，它就暴露出许多亟待解决的问题，这些问题主要有以下几个方面。
 

　　1）ISO 5167试验数据的陈旧性 ISO 5167中采用的数据大多是30年代的试验结果，今天无论节流装置制造技术，流量试验设备及实验技术都有巨大的进步，重新进行系统地试验以获得更高度及更可靠的数据是必要的。进入80年代美国和欧洲都进行大规模的试验，为修订ISO 5167打下基础。
 

　　2） ISO 5167中关于直管段长度规定的问题 在ISO投票通过ISO 5167时，美国投了反对票，其主要原因是对直管段长度的规定有不同意见，这个问题应是ISO 5167修订的主要问题之一。
 

　　3） ISO 5167中各项规定的科学性问题 影响节流装置流出系数的因素特别多，主要有孔径与管径的比值β、取压装置、雷诺数、节流件安装偏心度、前后阻流件类型及直管段长度、孔板入口边缘尖锐度、管壁粗糙度、流体流动湍流度等，众多因素影响错综复杂，有的参数难以直接测量，因此标准中有些规定并非科学地确定，而是为了取得一致，不得不人为地确定。流量专家斯宾塞（E．A．Spencer）提出一系列应重新检讨的问题，如孔板平直度、同心度、直角边缘尖锐度、管道粗糙度、上游流速分布及流动调整器的作用等。
 

　　4）关于节流式DPF测量度提高的问题 鉴于节流式DPF在流量计中占有重要地位，提高其测量度意义重大。历次学术会议认为必须使流量测量工作者、流体力学与计算机技术工作者紧密合作共同攻关才能解决此问题。
 

　　20世纪80年代美国和欧洲开始进行大规模的孔板流量计试验研究，欧洲为欧共体实验计划（EEC Experimental Program），美国为API实验计划（API Experimental Program）。试验的目的是用现代测试设备及试验数据的统计处理技术进行新一轮的范围广泛的试验研究，为修订ISO 5167打下技术基础。1999年ISO发出ISO 5167的修订稿（ISO／CD 5167-1-4），该文件为委员会草案，它在技术内容与编辑上都有很大改动，是一份全新的标准。本来预定于1999年7月在美国丹佛举行的ISO／TC30／SC2会议上审查通过为DIS（标准草案），但是会议认为尚有细节问题应再商榷而未能通过。新的ISO 5167标准何时正式颁布尚不得而知。ISO 5167新标准在标准的两个核心内容皆有实质性变化，一是孔板的流出系数公式，用Reader-Harris/Gallagher计算式（R-G式）代替Stolz计算式，另一为节流装置上游侧直管段长度的规定以及流动调整器的使用等。
 

　　我们通常称ISO 5167（GB／T2624）中所列节流装置为标准节流装置，其他的都称为非标准节流装置，应该指出，非标准节流装置不仅是指那些节流装置结构与标难节流装置相异的，如果标准节流装置在偏离标准条件下工作亦应称为非标准节流装置，例如，标准孔板在混相流或标准文丘里喷嘴在临界流下工作的都是。
 

　　目前非标准节流装置大致有以下一些种类：
 

　　1）低雷诺数用 1／4圆孔板，锥形入口孔板，双重孔板，双斜孔板，半圆孔板等；
 

　　2）脏污介质用 圆缺孔板，偏心孔板，环状孔板，楔形孔板，弯管节流件等；
 

　　3）低压损用 罗洛斯管，道尔管，道尔孔板，双重文丘里喷嘴，通用文丘里管，Vasy管等；
 

　　4）小管径用 整体（内藏）孔板；
 

　　5）端头节流装置 端头孔板，端头喷嘴，Borda管等；
 

　　6）宽范围度节流装置 弹性加载可变面积可变压头流量计（线性孔板）；
 

　　7）毛细管节流件 层流流量计；
 

　　8）脉动流节流装置；
 

　　9）临界流节流装置 音速文丘里喷嘴；
 

　　10）混相流节流装置。
 

　　节流式DPF现场应用的不断拓展必然提出发展非标准节流装置的要求，十余年来ISO亦在不断制订有关非标准节流装置的技术文件，在它们不能成为正式标准之前作为技术报告发表。可以预见，今后有可能若干较为成熟的非标准节流装置会晋升为标准型的。
 

　　20世纪90年代中后期世界范围内各式DPF销售量在流量仪表总量中台数占50％-60％（每年约百万台），金额占30％左右。我国销售台数约占流量仪表总量（不包括*表和家用水表及玻璃管浮子流量计）的35％-42％（每年6万-7万台）。
 

　　2 工作原理
 

　　2.1 基本原理
 

　　充满管道的流体，当它流经管道内的节流件时，如图4.1所示，流速将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。这种测量方法是以流动连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）为基础的。压差的大小不仅与流量还与其他许多因素有关，例如当节流装置形式或管道内流体的物理性质（密度、粘度）不同时，在同样大小的流量下产生的压差也是不同的。
 

　　图4.1 孔板附近的流速和压力分布
 

　　2.2 流量方程
 

　　式中 qm--质量流量，kg/s;
 

　　qv--体积流量，m3/s;
 

　　C--流出系数；
 

　　ε--可膨胀性系数；
 

　　β--直径比，β=d/D;
 

　　d--工作条件下节流件的孔径，m；
 

　　D--工作条件下上游管道内径，m；
 

　　△P--差压，Pa；
 

　　ρl--上游流体密度，kg/m3。
 

　　由上式可见，流量为C、ε、d、ρ、△P、β（D）6个参数的函数，此6个参数可分为实测量[d，ρ，△P，β（D）]和统计量（C、ε）两类。
 

　　（1）实测量
 

　　1）d、D 式（4．1）中d与流量为平方关系，其度对流量总精度影响较大，误差值一般应控制在±0．05％左右，还应计及工作温度对材料热膨胀的影响。标准规定管道内径D必须实测，需在上游管段的几个截面上进行多次测量求其平均值，误差不应大于±0．3％。除对数值测量精度要求较高外，还应考虑内径偏差会对节流件上游通道造成不正常节流现象所带来的严重影响。因此，当不是成套供应节流装置时，在现场配管应充分注意这个问题。
 

　　2）ρ ρ在流量方程中与△P是处于同等位置，亦就是说，当追求差压变送器高精度等级时，绝不要忘记ρ的测量精度亦应与之相匹配。否则△P的提高将会被ρ的降低所抵消。
 

　　3）△P 差压△P的测量不应只限于选用一台高精度差压变送器。实际上差压变送器能否接受到真实的差压值还决定于一系列因素，其中正确的取压孔及引压管线的制造、安装及使用是保证获得真实差压值的关键，这些影响因素很多是难以定量或定性确定的，只有加强制造及安装的规范化工作才能达到目的。
 

　　（2）统计量
 

　　1）C 统计量C是无法实测的量（指按标准设计制造安装，不经校准使用），在现场使用时zui复杂的情况出现在实际的C值与标准确定的C值不相符合。它们的偏离是由设计、制造、安装及使用一系列因素造成的。应该明确，上述各环节全部严格遵循标准的规定，其实际值才会与标准确定的值相符合，现场是难以*这种要求的。
 

　　应该指出，与标准条件的偏离，有的可定量估算（可进行修正），有的只能定性估计（不确定度的幅值与方向）。但是在现实中，有时不仅是一个条件偏离，这就带来非常复杂的情况，因为一般资料中只介绍某一条件偏离引起的误差。如果许多条件同时偏离，则缺少相关的资料可查。
 

　　2）ε 可膨胀性系数ε是对流体通过节流件时密度发生变化而引起的流出系数变化的修正，它的误差由两部分组成：其一为常用流量下ε的误差，即标准确定值的误差；其二为由于流量变化ε值将随之波动带来的误差。一般在低静压高差压情况，ε值有不可忽略的误差。当△P／P≤0.04时，ε的误差可忽略不计。
 

　　3 分 类
 

　　差压式流量计分类如表4.1所示。
 

　　表4.1 差压式流量计分类表
 

　　分类原则 分 类 类　型
 

　　按产生差压的作用原理分类 1）节流式；2）动压头式；3）水力阻力式；4）离心式；5）动压增益式；6）射流式
 

　　按结构形式分类 1）标准孔板；2）标准喷嘴；3）经典文丘里管；4）文丘里喷嘴；5）锥形入口孔板；6）1/4圆孔板；7）圆缺孔板；8）偏心孔板；9）楔形孔板；10）整体（内藏）孔板；11）线性孔板；12）环形孔板；13）道尔管；14）罗洛斯管；15）弯管；16）可换孔板节流装置；17）临界流节流装置
 

　　按用途分类 1）标准节流装置；2）低雷诺数节流装置；3）脏污流节流装置；4）低压损节流装置；5）小管径节流装置；6）宽范围度节流装置；7）临界流节流装置；
 

　　3.1 按产生差压的作用原理分类
 

　　1）节流式 依据流体通过节流件使部分压力能转变为动能以产生差压的原理工作，其检测件称
 

　　之为节流装置，是DPF的主要品种。
 

　　2）动压头式 依据动压转变为静压的原理工作，如均速管流量计。
 

　　3）水力阻力式 依据流体阻力产生的压差原理工作，检测件为毛细管束，又称层流流量计，一
 

　　般用于微小流量测量。
 

　　4）离心式 依据弯曲管或环状管产生离心力原理形成的压差工作，如弯管流量计，环形管流量
 

　　计等。
 

　　5）动压增益式 依据动压放大原理工作，如皮托-文丘里管。
 

　　6）射流式 依据流体射流撞击产生原理工作，如射流式差压流量计。
 

　　3.2 按结构形式分类
 

　　1） 标准孔板 又称同心直角边缘孔板，其轴向截面如图4.2所示。孔板是一块加工成圆形同心的具有锐利直角边缘的薄板。孔板开孔的上游侧边缘应是锐利的直角。标准孔板有三种取压方式：角接、法兰及D-D/2取压；如图4.3所示。为从两个方向的任一个方向测量流量，可采用对称孔板，节流孔的两个边缘均符合直角边缘孔板上游边缘的特性，且孔板全部厚度不超过节流孔的厚度。
 

　　图4.2 标准孔板
 

　　图4.3 孔板的三种取压方式
 

　　2） 标准喷嘴 有两种结构形式：ISA 1932喷嘴和长径喷嘴。
 

　　a. ISA 1932喷嘴（图4.4） 上游面由垂直于轴的平面、廓形为圆周的两段弧线所确定的收缩段、圆筒形喉部和凹槽组成的喷嘴。ISA 1932喷嘴的取压方式仅角接取压一种。
 

　　图4.4 ISA 1932喷嘴
 

　　b. 长径喷嘴（图4.5） 上游面由垂直于轴的平面、廓形为1/4椭圆的收缩段、圆筒形喉部和可能有的凹槽或斜角组成的喷嘴。长径喷嘴的取压方式仅D-D/2取压一种。
 

　　3） 经典文丘里管 由入口圆筒段A、圆锥收缩段B、圆筒形喉部C和圆锥扩散段E组成，如图4.6 所示。根据不同的加工方法，有以下结构形式：①具有粗铸收缩段的；②具有机械加工收缩段的；③具有铁板焊接收缩段的。不同结构形式的L1、L2、R1、R2与D、d的关系如表4.2所示。
 

　　4）文丘里喷嘴 由进口喷嘴、圆筒形喉部及扩散段组成，如图4.7所示。
 

　　5）锥形入口孔板 锥形入口孔板与标准孔板相似，相当于一块倒装的标准孔板，其结构如图4 . 8所示，取压方式为角接取压。
 

　　表4.2 L1、L2、R1、R2与D、d关系
 

　　注 粗 铸 入 口 机械加工的入口 粗焊的铁板入口
 

　　1 ±0.25D（100mm＜D＜150mm）
 

　　L1=0.5D±0.05D L1=0.5D±0.05D
 

　　2 L2=1D或0.25D+250mm两个量中的小者 L2≥D（入口直径） L2≥D（入口直径）
 

　　3 R1=1.375D+20% R1＜0.25D R1=0,焊缝除外
 

　　4 R2=3.625d至3.8d R2＜0.25D R2=0,焊缝除外
 

　　图4.6 经典文丘里管
 

　　图4.7 文丘里喷嘴
 

　　图4.8 锥形入口孔板
 

　　1一环隙；2-夹持环；3一上游端面A；4-下游端面B；
 

　　5-轴线；6-流向；7-取压口；8-孔板；
 

　　X-带环隙的夹持环；Y-单独取压口
 

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　　超声波流量计的基本原理及类型
 

　　超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。起声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种
 

　　非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。
 

　　*，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不仅这些缺点，超声波流量计均可避免。因为各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计随着口径增加，造价大幅度增加，故口径越大超声波流量计比相同功能其它类型流量计的功能价格比越*。被认为是较好的大管径流量测量仪表，多普勒法超声波流量计可测双相介质的流量，故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。在发电厂中，用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量，比过去的皮脱管流速计方便得多。超声被流量汁也可用于气体测量。管径的适用范围从2cm到5m，从几米宽的明渠、暗渠到500m宽的河流都可适用。
 

　　另外，*表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。超声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展，现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量测量。
 

　　超声波流量计目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前我国只能用于测量200℃以下的流体。另外，超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1500m／s左右，被测流体流速（流量）变化带给声速的变化量zui大也是10－3数量级．若要求测量流速的准确度为1％，则对声速的测量准确度需为10-5～10-6数量级，因此必须有完善的测量线路才能实现，这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。
 

　　超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。
 

　　超声波流量计常用压电换能器。它利用压电材料的压电效应，采用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振劝。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电能，以便检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应。
 

　　超声波流量计换能器的压电元件常做成圆形薄片，沿厚度振动。薄片直径超过厚度的10倍，以保证振动的方向性。压电元件材料多采用锆钛酸铅。为固定压电元件，使超声波以合适的角度射入到流体中，需把元件故人声楔中，构成换能器整体（又称探头）。声楔的材料不仅要求强度高、耐老化，而且要求超声波经声楔后能量损失小即透射系数接近1。常用的声楔材料是有机玻璃，因为它透明，可以观察到声楔中压电元件的组装情况。另外，某些橡胶、塑料及胶木也可作声楔材料。
 

　　超声波流量计的电子线路包括发射、接收、信号处理和显示电路。测得的瞬时流量和累积流量值用数字量或模拟量显示。
 

　　根据对信号检测的原理，目前超声波流量计大致可分传播速度差法（包括：直接时差法、时差法、相位差法、频差法）波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型，如图所示。其中以噪声法原理及结构zui简单，便于测量和携带，价格便宜但准确度较低，适于在流量测量准确度要求不高的场合使用。由于直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传报时速度之差来反映流体的流速的，故又统称为传播速度差法。其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，所以被广泛采用。按照换能器的配置方法不同，传播速度差拨又分为：Z法（透过法）、V法（反射法）、X法（交叉法）等。波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的，低流速时，灵敏度很低适用性不大．多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普
 

　　勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。相关法是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度等无关，因而测量准确度高，适用范围广。但相关器价格贵，线路比较复杂。在微处理机普及应用后，这个缺点可以克服。噪声法（听音法）是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值。其方法简单，设备价格便宜，但准确度低。
 

　　以上几种方法各有特点，应根据被测流体性质．流速分布情况、管路安装地点以及对测量准确度的要求等因素进行选择。一般说来由于工业生产中工质的温度常不能保持恒定，故多采用频差法及时差法。只有在管径很大时才采用直接时差法。对换能器安装方法的选择原则一般是：当流体沿管轴平行流动时，选用Z法；当流动方向与管铀不平行或管路安装地点使换能器安装间隔受到限制时，采用V法或X法。当流场分布不均匀而表前直管段又较短时，也可采用多声道（例如双声道或四声道）来克服流速扰动带来的流量测量误差。多普勒法适于测量两相流，可避免常规仪表由悬浮粒或气泡造成的堵塞、磨损、附着而不能运行的弊病，因而得以迅速发展。随着工业的发展及节能工作的开展，煤油混合（COM）、煤水泥合（CWM）燃料的输送和应用以及燃料油加水助燃等节能方法的发展，都为多普勒超声波流量计应用开辟广阔前景。
 

　　流量计的种类很多，一般市场上用得比较广泛的有：电磁流量计、涡街流量计、涡轮流量计、孔板流量计、V锥流量计、金属转子流量计、玻璃转子流量计、旋进旋涡流量计、椭圆齿轮流量计、均速管流量计、超声波流量计等。它们的安装条件对直管段的要求V锥流量计是zui低，而电磁、涡街、孔板等对直管段要求就较高，一般是前5D后3D,对于流量计前端有弯头、阀门

等的直管段要求就更高，zui高要求直管段是前50D后5D,因此在选购流量计时一定要考虑流量计现场安装的环境、位置等因素，从而选择更加适合现场工矿的流量计。
 

　　现在流量计所需要的参数：
 

　　1、被测量的介质
 

　　2、被测量介质的温度
 

　　3、被测量介质的压力
 

　　4、被测量介质的流量
 

　　5、要求的测量精度
 

　　6、现场工矿情