流量仪表技术的现状、应用及发展

流量测量技术从古代到现代社会一直在不断发展和完善。流量测量主要作用于流体贸易计量核算、流程工业检测和控制。

流量测量主要方法有：利用伯努利方程原理来测量流量，以输出流体差压信号来反应流量；利用测量流速来得到流量称为速度式流量测量；利用一个一个标准小容积连续地测量流量称为容积式流量测量；以测量流体质量为目的的流量测量。 流量仪表是基于不同测量原理基础上发展出来用于流量的仪表。

一、流量仪表技术现状应用

流量仪表测量原理多样、仪表种类繁多、影响因素复杂，因而流量仪表测量的方法和原理多样且复杂。目前市场上主要流量仪表有：差压式流量计、容积式流量计、浮子流量计、叶轮式流量计、电磁流量计、流体振荡流量计、超声流量计、质量流量计。每一种流量计的测量方法都不能覆盖所有的介质，只能适用某一种、几种或某一类流体在某特定条件下的测量，每种仪表都有其优缺点和应用范围。

1.1 差压式流量计

差压式流量计是一种具有悠久历史,实践经验丰富成熟，标准规范完善，是品种规格齐全的一类流量测量仪表。差压式流量计是利用伯努利方程原理来测量，当充满管中的流体经管道内的差压装置时，流束将在差压装置处形成局部收缩，从而使流速增加，静压力低，于是在差压装置前后或喉部便产生了压差，介质流动的流量越大，产生的压差就越大，所以可以通过测量压差来衡量流体流量的大小。差压式流量计分为标准差压式差压流量计和非标准差压式差压流量计两大类，标准差压式流量计得到国际标准化组织和国际法制计量组织的认可，在国际间作为通用流量计互为认可, 20世纪50年代以前是唯一的天然气流量计,目前还占据比较重要的地位。

差压式流量计的优点有：

·结构简单、牢固，性能稳定可靠，使用期限长，价格低廉。

·检测件与差压显示仪表可分开不同生产厂生产，便于专业化形成规模经济生产，它们的结合非常灵活方便。

·标准型的检测件，是全世界通用的，并得到国际标准组织的认可。

·标准型差压装置无需实流校准即可投用，只要按标准设计加工不需要进行实际标定，也能在已知的不确定度范围内进行流量测量且能满足工程测量的需要。

差压式流量计的缺点有：

·测量准确度普遍偏低。

·范围度窄,一般仅3:1～4:1。

·现场安装条件要求高。

·压损大。

针对上述不足，近年国内生产厂推出一系列改进办法，如一体式差压流量计、定值节流件、可换孔板节流装置、采用标准喷嘴等等。根据差压式流量计的特点，要想在工作中获得准确测量结果，就必须全面掌握流量测量的方式、测量介质、测量装置、流体工况、检验标准等情况。可广泛应用于电力、化工、石化、石油、天然气、冶金轻工等，对于高温、高压介质的流量测量尤其具有优势。

1.2 容积式流量计

容积式流量计又称定排量流量计在流量仪表中是精度较高的一类，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，并进行重复不断地充满和排放该体积部分流体而累加测量出流体体积总量的流量仪表。

容积式流量计的优点:

·测量准确度高。

·安装管道条件对流量计计量精度没有影响，流量计前不需要直管段。

·可用于高黏度液体的测量。

·测量范围度宽。

·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。

容积式流量计的缺点:

·机械结构复杂,体积庞大。

·被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大。

·不适用于高、低温场合。

·大部分仪表只适用于洁净单相流体。

·产生噪声及振动。

在流量仪表中，容积式流量计使用历史悠久、有完备的标准规范，是精度很高的一类仪表，适于中小流量范围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。

1.3 浮子流量计

浮子流量计是仅次于差压式流量计应用范围最宽广的一类流量计,特别在小、微流量方面有举足轻重的作用。浮子流量计工作原理为：流量的变化和浮子在不同高度位置上对应的流通面积直接相关。被测流体从下向上经过变径管和浮子形成的流通面积时，浮子上下端产生的差压形成浮子上升的力，当浮子所受上升力大于浸在流通中浮子的重量时，浮子便上升，环通面积随之增大，环通面积处流速下降，浮子上下两端压差降低，作用于浮子的上升力也随之减小，直到上升力等于浸在流体中浮子的重量时，浮子便稳定在某一高度，通过读取

或检测浮子稳定的高度值即可获取流量数值。

浮子流量计的优点有：

·可以测量液体、气体、蒸汽等几乎所有流体的流量。

·结构简单，适合于流量的现场指示。

·作为现场指示型流量计，由于不需要电源，所以即使是易燃易爆环境其本质也是安全的。

·压力损失较小。

·对上游直管段要求低。

·不受液体中所含的各种杂音（电气的、化学的及流体的等）的影响。

·低价格，容易安装。

浮子流量计的缺点有：

·有可动部件，存在一些压力损失等。

·精度受流体物理参数变化的影响。

浮子流量计作为直观流动指示或测量精度要求不高的现场指示仪表，大量应用于石油、化工、冶金、电力、食品、制药、造纸等行业的液体、气体、蒸汽介质的测量与过程控制。

1.4 叶轮式流量计

叶轮式流量计是一种速度式流量仪表，标准规范亦十分完备，已经发展为多品种、全系列，多规格，批量生产规模的流量仪表。被测流体冲击叶片，使叶轮旋转，叶轮的转速随流量的变化而变化，即流量大，叶轮的转速也大。

叶轮式流量计的优点：

·准确度等级高。

·测量范围宽、重复性好。

·压力损失小。

·安装维修方便。

叶轮式流量计的缺点：

·由于有可动部件，不能长期保持校准特性，需要定期校验。

·流体物性（密度、黏度）对流量特性有较大的影响。

·对被测介质清洁度要求较高。

采用一种高效整流作用的整流器与叶轮流量传感器结合构成一体化的气体叶轮流量计，在上游侧阻流件为弯头或有半开截止阀条件下，只需要2D直管段长度，对于安装空间窄小是很突出的特点。在欧洲和美国叶轮流量计是继孔板流量计之后的第二个法定天然气流量计，已经发展为多品种、全系列，多规格，批量生产规模的天然气流量计，标准规范亦十分完备。叶轮式流量计在石油、化工、科研、国防和计量等各部门中也有广泛应用。

1.5 电磁流量计

电磁流量计根据法拉第电磁感应定律，当导体在磁场中切割磁力线时，将在两端产生感应电动势，其大小与流速成正比，据此可测出流量值。

电磁流量计最大的优点是：

·准确度等级高。

·结构简单管道中无任何阻力件，几乎没有压损。

·可测量液固两项流、纸浆、矿建、煤浆等。

·口径范围广。

电磁流量计最大的缺点：

·不能用来测量气体、蒸汽以及不导电的液体。

·不能用于高温介质测量。

·容易受到外界电磁干扰。

电磁流量计作为目前的新型仪表以其优异的测量性能获得了市场广泛认可，增量为目前最大的流量仪表之一。大量地应用于化工、环保、冶金、医药、造纸、给排水等工业技术和管理部门。

1.6 流体振动流量计

流体振动是流体特有的物理现象之一。在特定条件下根据流体振动的频率与流速之间存在的对应关系，采用测量流体振动频率的方法实现流量测量的仪表统称流体振动流量计。

流体振动流量计的优点：

·准确度等级高。

·无可动部件，可靠性高，寿命长。

·结构简单、安装方便、维护量少。

·适用范围广，可用于液体、气体、蒸汽的流量测量。

流体振动流量计的缺点：

·高温高压测量存在困难。

·外界振动对流量计正常工作有干扰。

流体振动流量计以涡流流量计、旋进旋涡流量计、射流流量计3种流量计为代表应用范围较广，已经成为通用流量计。

1.7 超声流量计

超声流量计是通过检测流体流动对超声束的作用以测量流量的仪表。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,均属无阻碍流量计,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。

超声流量计的优点:

·可做非接触式测量。

·为无流动阻挠测量,无压力损失。

·可测量非导电性液体。

·口径范围大。

缺点:

·测量高温介质还存在一定的局限性。

·对于流场温度性要求高。

·直管段长度有要求。

超声波测量流量的方法在发达国家已得到了广泛的应用，技术也已经成熟。目前液体超声波和气体超声波流量计市场增长迅速，在供热、电力、冶金、市政应用方面不断地扩大。

多声道气体超声流量计开始在天然气工业中应用，它以其优异的特性引起国际上很大重视，成为继孔板之后的一类重要的天然气流量仪表。

1.8 质量流量计

直接能测量质量值的流量计目前最为广泛的是科里奥利力质量流量计。科里奥利效应是指当质点在一个转动参考系内沿径向做相对运动时，会产生一种不同于通常离心力的惯性力作用在此质点上，称科里奥利力。由于科里奥利力的作用，在振管的横向将产生与振动频率相一致的强迫振动即摆动。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质量流量仪表称为科里奥利力质量流量计。基于科里奥利力原理的质量流量计的开发始于20 世纪50 年代，但直到20 世纪70 年代才有所突破。直接测量在旋转管道中流动的介质质量流量计是当今世界上最先进的流量仪表之一。

质量流量计的特点：

·直接测量质量流量，测量准确度高质量流量的测量，过去一般多采用间接式测量方法，即采用速度式流量计或体积式流量计测量介质体积流量，再引入多个中间参数的测量，然后进行运算和修正得到介质的质量流量的方法。由于这些测量方法引入的中间参数较多，因此引入的误差因素也较多，在一些对测量准确度要求不高的场合还可适合，但在一些测量准确度要求较高的场合就显得力不从心了。质量流量计的精度一般在10:1的量程比范围内都优于0.2%（R），

最高可达到0.05%（R）。显然与其他间接式测量质量流量的仪表相比，其准确度优势是非常明显的。正因为如此，现在对测量准确度要求较高的计量场合（如产品包装、装卸车计量等）质量流量计得到用户的青睐，凡有条件几乎都采用质量流量计用于计量。

·对测量介质的适应性强，可满足大部分介质的测量

质量流量计对测量介质的适应性强，几乎适应各种介质流量的测量，包括高黏度的介质、含有固形物的浆液、含有微量气体的液体、高低温介质、中高压气体等。高黏度介质的测量，质量流量计具有明显的优势。

这是由其结构特点（管路式流量计）及测量原理决定的。另外高黏度介质的管路很多需要进行管道保温处理，质量流量计的结构比较容易实现保温处理。质量流量计对测量介质的温度适应性也比较强。普通型的质量流量计适应介质温度一般为-50℃至+200℃，特殊高温型可达到+350℃、低温型可达到-240℃，可满足大部分流体介质流量的测量。

·同时测量介质密度及温度质量流量计不仅能高精度测量介质质量流量，还能测量介质的密度，同时还能辅助测量介质的温度。由此可以实现二组分混合介质的组分浓度测量及各自组分质量流量的测量，这是其他流量测量仪表难以实现的。

·结构简单、可靠性高、维护简便

质量流量计的测量传感器相当于介质管路没有可动部件及密封件，从而结构相对简单、可靠性高、维护简便。

·安装简单方便

不同于一般的速度式流量计，流场分布对质量流量计的正常测量没有影响。因此质量流量计的安装对上下游没有直管段长度要求，这就方便了质量流量计的安装和使用。

·可用于双向流的测量

质量流量计可用于双流向的测量，可以指示介质流动的方向，并可分别进行计量。这对有些场合（例如进出物料罐流量的测量）是非常有用的。

质量流量计的生产工艺相对较为复杂严格、所用材料相对要求较高价格较为昂贵，因此其价格较高。品质好、价格贵决定了其主要使用方向。以下为其若干典型应用。

·装卸车液体原料的计量

这里装卸车液体原料的计量指码头装卸船、火车罐车的装卸车、化工厂进出厂液体产品原料的装卸车计量等。这些场合过去一般或采用体积式流量计进行计量、或采用衡器进行计量。体积式流量计是机械式流量计，其量程比一般为3:1。其结构特点决定了使用中的机械磨损是不可避免的，介质中存有杂质有可能使流量计不能正常工作，而且使用中的压力损失是比较大的。这些计量场合一般为质量计量，使用体积式流量计时还需要进行体积、密度、质量的换算。衡器计量也存在去毛皮计算等多环节计量过程，带来一些不便。质量流量计在这些应用场合显示出突出的优点（直接测量质量流量、测量精度高、实时性强、计量方便等等），得到广泛的应用。

·重要原料的配比计量

化工生产中往往会涉及两种或多种物料的配比计量，这对优化化学反应及节省物料有着重要意义。在这些应用场合使用质量流量计进行计量有着明显的优势。不仅连续生产过程中物料的配比计量质量流量计得到越来越多的应用，在一些间歇性加料的生产过程中质量流量计也在逐步代替衡器等的计量得到越来越多的应用。

·沥青等高黏度物料的计量

高黏度物料的计量质量流量计具有较突出的优势，这是由其工作原理及结构特点决定的（管道式仪表、仪表内没有阻力件、便于实现保温等）。

·采油原油的计量

油田采油计量是比较复杂的工艺过程。传统的计量设备需要进行静态气液分离、油水分离等，设备占用面积较大、计量效率低。质量流量计配以管式气液分离器等专用设备，不仅可节省装置空间（这对海上钻井平台等意义较大），而且可以提高计量效率，实现在线连续计量。

·天然气计量

比较典型的天然气计量仪表就是加气机。天然气加气机中每个加气枪就配有一台质量流量计。这是因为只有质量流量计才能具有0.5%精度的气体计量功能。

·低温介质流量的测量

低温及超低温介质（如液化气）流量的测量是质量流量计又一个突出的优势。国内外有多家质量流量计的生产厂家侧重开发适用的超低温质量流量计产品供应市场。

·微小流量的测量

微小流量一般指小时流量小于100kg的流量。质量流量计在微小流量的测量也达到了0.5%的准确度。

总之，质量流量计显示了其他流量计不可比拟的多项使用优势，其应用范围越来越广。由于现在质量流量计价格较高，其应用受到了一些限制，大部分应用主要还是集中在较高价格物料的计量及特殊应用场合。

二、流量仪表主要特性

2.1 准确度

流量仪表的准确度由测量误差表示，测量误差包括基本误差和附加误差，它是两者合成的结果。仪表生产厂产品说明书所载的准确度一般是指基本误差，因此流量计在现场应用时尚需考虑附加误差的大小，有时附加误差远大于基本误差这是流量仪表的一个特点。

2.2 重复性

在相同测量条件下，对同一被测量进行连续多次测量所得结果之间的一致性。流量仪表的重复性与工作原理及制造和装配质量等有关，例如涡轮流量计的重复性比孔板流量计高，而同类型涡轮流量计，制造及装配质量好的重复性高，仪表生产厂在产品出厂前进行实流校验除确定仪表系数外，从流量计的重复性可以监测仪表的制造和装配质量。

2.3 范围度

过去曾称为量程比，最大流量与最小流量的比值，一般表达为某个数与1之比，例如，最大流量5 000m3/h，则范围度为 20:1。范围度是流量计的一个重要特性，在流量计选型中，它常起着重要的作用，但是人们现在更重视不但范围度宽，且要求其下限流量要低，而不是提高其流量上限。

2.4 线性度

校准曲线与规定直线的一致程度，线性度分为独立线性度、端基线性度和零基线性度，一般指独立线性度。对于宽流量范围脉冲输出的总量计量仪表，线性度是一个重要指标，使有可能在流量范围内用单一仪表常数，线性度差就会降低准确度。随着微机技术的发展，采用信号适配技术修正仪表系统非线性，从而提高仪表准确度和扩展流量范围。

2.5 稳定性

在规定的工作条件下，流量计性能在规定时间内保持不变的能力。

2.6 压力损失

除无阻碍流量检测件外，大部分流量计检测件在流通通道中设置静止或活动的检测元件或改变流动方向，从而产生随流量而变的不可恢复的压力损失。

三、仪表选型需要考虑的因素

3.1 仪表性能方面

精确度、重复性、线性度、范围度、压力损失、上下限流量、信号传输特性、响应时间等。

3.2 流体特性方面

流体压力、温度、密度、黏度、润滑性、化学性质、磨蚀、脏污、气体压缩系数、等熵指数、比热容、声速、混相流、脉动流等。

3.3 安装条件方面

管道布置方向、流动方向、上下游直管段长度、管径、维护空间、管道振动、接地、电源、辅助设备（过滤、排污）等。

3.4 环境条件方面

环境温度、湿度、安全性、电磁干扰、防爆等。

3.5 经济因素方面

购置费、安装费、维修费、校验费、运行费（能耗）、使用期限、备品备件等。

四、选型步骤

1）依据5个方面因素初选可用仪表。

2）采用淘汰法在比较中选出2~3种类型，排出次序。

3）尽量搜集有关资料，再次按5个方面进行评价，最后淘汰至一种仪表类型。

选型能否成功很大程度取决于选型人员对仪表性能、质量和测量对象特性的确切了解，并非用户对自己的测量对象都有准确的了解，许多选型的失败就是因为提供的参数不准不实所致，有些对象需经过深入调查才能搞清楚。

五、流量仪表发展趋势

随着市场需求发展和技术的进步，流量仪表将向着低功耗、高精度、高可靠性、模块化、智能化、网络化方向发展。对于整个系统，流量计只是提供气体测量数据系统的一部分，除此之外，还有能提供补充测量数据的辅助仪表系统（如压力传感器、温度传感器、气体密度计、气相色谱仪等），以及能按标准程序记录、储存和传输测量数据的计算数据收集和传输系统，甚至计算机网络。依靠网络技术实现远程化通讯、控制和管理，如SCADA系统的应用。

预付费管理方式将进一步采用安全可靠的一体化CPU卡流量计、并向价格可调、远程调价管理的方向发展。鉴于国内的供销关系的特点，动态密码技术、

事件记录技术、自诊断技术、抗强磁干扰技术等多项先进技术的采用，使传统的流量计功能不断完善，性能得到不断提升，安全性大幅提高，更适合于国内计量管理的需要。

节能环保已经成为当今社会的主题，流量仪表也会向着低功耗、节能方向发展。目前市场已经有两线制的电磁流量计、科氏质量流量计，电池供电的流量

计推出。低功耗、节能的流量仪表必然成为行业发展的新方向。

随着世界经济的发展，对能源和资源的计量将成为发展趋势，尤其对石油、煤、天然气、水介质等对流量计不间断计量需求越来越旺盛，对于高精度、高可靠性流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、高安全性、多功能方向发展。

2000年以前，中国商品天然气产量约为70亿m3，天然气长输管道长度约1000km， 只有独立的气田管网和局部输配管网，主要计量仪表为孔板、漩涡和容积式流量计，唯一的天然气计量标准是有关孔板节流装置的行业标准。到2008年，中国天然气产量已达760亿m3，天然气长输管道总里程达到30000km，初步形成的天然气管网输气能力达600亿m3。用于交接计量的主要仪表为超声、涡轮、容积式流量计等， 已经形成包括天然气计量系统技术要求、6种不同类型流量计计量天然气的标准体系。按照目前的发展规划，到2015年，仅中国石油每年的天然气产量就要达到1752亿m3，输气管道总里程达到42000km，输气能力达1500亿m3。计量方式由体积计量向能量方式转变。天然气的能量计量是当今天然气计量技术的一个发展方向，近年来，能量计量技术已在西欧和北美普遍应用，它是在体积测量的基础上，再配备天然气发热量的测量装置。在天然气贸易计量中，以能量的方式进行结算是最公平的方法。

随着物联网技术的发展，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。流量仪表传感器势必成为其中重要的一员，同时也将带动流量仪表向着智能化网络化方向发展。

六、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。