浅谈流量计的技术现状及发展方向

摘 要：流量仪表在国民经济、国防建设科学研究中扮演着重要角色。本文介绍了当前主要流量仪表的种类及其原理，并分析了其各自的优缺点及应用范围，通过展望流量检测技术的发展趋势，分析了未来流量仪表的发展方向并作出相关建议。

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信息作为物体或现象属性的反映，是通过一定形式的信号反映出来。测量流体的流量，是民用以及工业参数测量中最复杂的一种测量，它在国民经济、国防建设科学研究中的地位非常重要。随着我国工农业的发展，对流体流量的测量提出了越来越多的要求，由于各种流体，如天然气、石油、水等，都是重要的能源，特别是近几年来，由于环境污染以及节能、智能管理系统的出现，无论是从质量上还是从数量上，都更重视以过程状态量为中心的现场信息。只有做到准确的计量，才能做到“节能有数、耗能有据”。流量作为国民经济中十分重要参数测量，因此需要更好、更多的流量计量仪表。

2 流量仪表的种类及其原理

随着工业技术的发展，现代流量计量技术发展日新月异。基于各种测量原理生产、使用的流量仪表已经超过100种。根据技术的划分，可把目前使用的流量仪表分为两类：传统流量仪表和新技术流量仪表。

2.1 传统流量仪表

传统的流量仪表主要包括孔板流量计、喷嘴流量计、文丘里管流量计、容积式流量计、涡轮流量计、电磁流量计、浮子流量计等。

2.1.1 孔板流量计

孔板流量计是一种差压式流量计。起原理是当流体流经管道中的孔板时，流束将在孔板处形成局部收缩，流速增加，静压力降低，在孔板前后产生微小的静压力差，通过测量差压值来确定流量。是目前测量液体、气体和蒸汽流量较为常见的流量计。

优点：适用于大口径，无可动部件，耐用；使用时间长，标准规定最全；制造容易，价格便宜。

缺点：测量范围窄；压力损失大；计量准确度受安装条件、人为因素影响；前后直管段要求长。

2.1.2 喷嘴流量计

喷嘴流量计是基于流体动力学中的Laval喷管原理设计和制造的，它在喷嘴出口压力与入口压力之比等于0.528时，喷嘴中气流速度达到超音速，当压力比继续下降时气体流量保持不变。

优点：标准喷嘴历史悠久，无可动部件，结构简单牢固，稳定可靠，标准化程度高。

缺点：生产制造较复杂，单价较高。

2.1.3 文丘里管流量计

文丘里管是是一种标准节流装置，是根据文丘里效应研制开发的一种节流式流量传感器。文丘里管按结构分为通用文丘里管和标准文丘里管。其测量原理是流体流经管道内的节流件时，流速将在文丘里管喉颈处收缩，使得流速增加，静压力降低，在文丘里管喉颈前后产生压差。通过测量压差的大小来计算流量的大小。

优点：压力损失小，计算准确、能耗小，结构简单，易安装。

缺点：仅适用于洁净的气体或液体的计量；长期使用时磨损严重，影响测量精度；量程比小；价格昂贵。

2.1.4 容积式流量计

容积式流量计是利用机械测量元件把流体连续分割成单个已知体积，并重复不断地进行充满和排放该体积部分而累加计量出流体总量的流量仪表。广泛应用于测量石油类流体、饮料流体、气体以及水的流量。在流量计中是精度最高的仪表之一。

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

优点：计量精度高，安装管道条件对计量精度没有影响，可用于高粘度液体的测量，量程宽。

缺点：结构复杂，体积庞大；仅适用于洁净单相流体；工作时产生噪音及振动；易磨损。

2.1.5 涡轮式流量计

涡轮流量计原理是一种速度式流量计，流体首先经过特殊结构的前导流件并加速，流体经过涡轮并对涡轮产生转动力矩。涡轮的转动角速度与流量成线性关系。信号检测单元利用电磁感应原理，将感应出的脉冲信号经前置放大器放大、整形并经过温、压补偿后计算得出瞬时体积流量和累积流量。

优点：抗干扰能力强，高精确度，无零点漂移；量程宽，结构简单，安装维护方便。

缺点：易受流体流动特性和介质种类的影响；长时间使用轴承易磨损，使得仪表特性受到影响。

2.1.6 电磁流量计

电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律制成的用来测量导电介质的流量计，是随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表。由于其检测元件在流量计管道外部，所以可将其测量高污染、高腐蚀介质。随着科学技术的发展，新兴的无电极电磁流量计抗泥浆噪声强，能稳定地测量低导电性流体。

优点：结构简单、无可动部件、无压力损失，可测量脏污介质以及腐蚀性介质，反应灵敏，可测正反两个方向流量。

缺点：不能测量气体、蒸汽以及含有较多气体的液体；不能测量电导率很低的液体介质，普通工业用电磁流量计不能测量高温介质以及低温介质；易受外界电磁干扰。

2.1.7 浮子流量计

浮子流量计，又称转子流量计，浮子在垂直锥形管中随着流量大小的变化而升降，改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表。浮子流量计是仅次于差压式流量计应用范围最广的一类流量计，特别在微小流量计量方面地位显著。

优点：结构简单、适用于小口径、低流速、压损低、量程宽且对直管段要求不高。

缺点：耐压力低、玻璃管易碎。

2.2 新技术流量仪表

新技术流量仪表较有发展前途是：超声波流量计、质量流量计和流体振动流量计。

2.2.1 超声波流量计

超声波流量计是利用流体对超声波的影响来测量流量的仪表。是上世纪70年代伴随着集成电路技术的发展而得到快速发展以及应用的一种非接触式仪表。其是基于超声波在流体中顺流和逆流时传播的速度差与流体的流速成正比的原理来测量流体流量。按原理可分为时差式、相差式、频差式、多普勒超声波流量计（适合于对两相流的测量）。随着技术的发展，Instromet公司把人工智能技术引入到超声波传感器中，实现了真正的高精度气体流量测量。

优点：无压力损失，量程宽，可达400：1。

缺点：对入口速度敏感，所需支管段长度较长。

超声波流量计以其自身的优点近些年得到迅速发展和普及，特别适用于大口径管道的测量，预计其今后会向便于携带，通用性更强以及不受测量环境影响两个方向发展。

2.2.2 质量流量计

质量流量计可分直接式和间接式两种。直接式质量流量计利用与质量流量相关的原理进行测量。间接式质量流量计则是利用密度计与容积流量直接相乘求得质量流量。目前应用最为广泛的是直接式质量流量计，分别是热式质量流量计和科里奥利质量流量计。

热式质量流量计是利用传热原理以即流动中的流体与热源之间热量交换关系来测量流量的仪表，其优点是无活动部件以及低压损；缺点是易受介质成份的影响，故在天然气测量方面没有得到广泛使用。

科里奥利流量计利用振动流体管内产生与质量流量相应的偏转来进行测量。其优点是精度高、可以直接测量质量流量及密度，使用户不仅可获知流体的容积而且可了解其组成。其缺点是压损大，且易受流体的温度和压力的影响。由于其计量的高准确度，是一种很有前途的质量流量计。

2.2.3 流体振动流量计

流体振动流量计根据诱发流体振动的原理可分为旋涡型和射流型两种。

旋涡型流体振动流量计包括涡街流量计和旋进旋涡流量计，其基本工作原理是流体流过特定管道产生的旋涡振动频率与流速成正比。

涡街流量计优点是压损低，缺点是所需直管段长，易受管道震动影响。而旋进旋涡流量计精度更高、所需直管段短、流量下限更低、抗干扰能力更强，缺点则是压损大。

射流流量计的原理是基于高速气流沿物体表面的拐角处附于表面的现象—柯恩达效应。它将流体通过喷嘴形成高速射流从而在壁面产生附壁效应，故称为射流流量计。由于流体粘度会影响附壁效应，故限制了其应用。但由于其有流体放大的作用，故在小流量测量上具有较大优势。

3 流量仪表的发展方向

随着科技的发展，实现数据的现场采集以及综合控制和管理将是技术趋势。流量仪表是传输现场信息的重要组成部分，这就需要以可靠性作为首要条件的轻便、多功能、稳定性高和高精度的智能流量仪表。因此当前流量计量的发展方向可归为以下几个方面：

3.1 基于新技术（超声波、激光、电磁、核技术及微型计算机等）研制的新型流量计趋向电子化和数字化。如日本东京技术学院研制出适用于石油输送管线低导电液体流量测量的静电流量计；俄罗斯科学工程中心工业仪表公司开发的基于悬浮效应理论的转速表式流量仪表等等。传统技术流量计市场呈逐渐下降趋势，而新颖仪表如超声、涡街、电磁和科里奥利质量流量计等新技术流量仪表所占比重将逐年增加。

3.2 结构简单、功能完善、安装便捷、自动化程度高等方向将会是今后流量仪表的主流趋势。例如当前发展最快的电磁流量计、超声流量计、科里奥利质量流量计，其机械结构都十分简洁，并且功能强大，如超声流量计可实现流体流量、密度、组分等信息的同时测量。

3.3 应用于大流量、高粘性以及多相流高压、低压等苛刻流体环境的特殊测量方法，将会是以后研究的主要方向和流量测量技术的新突破口。

4 流量仪表的发展建议

伴随着新材料、新工艺的不断出现以及微电子和通信技术的迅猛发展，流量仪表技术在各个方面发生着根本性的变革，不断向着网络化、数字化和智能化方向发展。可以预见，未来实现处理信息、存储信息、人机对话、自诊断、网络化以及远程测控等功能于一体的多功能智能化流量仪表将会是今后流量仪表发展的主流方向。