1 前言
流量是工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的過程控制參數(shù)。目前，市場上大約有超過100種不同的流量儀表，不過其中有一些屬于實驗室儀表，不適合工業(yè)應用。隨著科學技術的發(fā)展，新型的流量儀表還在不斷涌現(xiàn)。用戶應當首先了解流量儀表的性能特點， 再結合所應用場合的工況條件，選擇性能合適的產(chǎn)品。
2 流量儀表的類型及特性
流量儀表的分類方法很多，至今國內(nèi)外還沒有統(tǒng)一的標準。表1列出了工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的七大類流量儀表的型式及其主要性能特點。下面分別作簡要介紹。
2.1 差壓型
差壓測量技術是目前應用最廣泛的一種流量測量方法，幾乎能測量各種工況下單相流體和高溫高壓下流體的流量。20世紀70年代，這種技術曾占到市場份額的80%。今天，隨著新技術的應用，這個比例已降至40%左右，仍占了近“半壁江山”。差壓型流量計一般由節(jié)流裝置、變送器兩部份組成。節(jié)流裝置常見的有孔板、噴嘴、畢托管、均速管等。節(jié)流裝置的作用是使流經(jīng)的流體收縮且在其上、下游產(chǎn)生差壓。根據(jù)伯努利能量守恒定律和連續(xù)性方程可以得出：
式中，Q為體積流量；
ΔP為測得的節(jié)流件上、下游差壓；
K為常數(shù)，它與節(jié)流件的幾何形狀、直徑比以及流體的溫度、壓力、粘度、密度等因素有關。
由于是平方根關系，所以差壓型流量儀表的測量范圍一般不大，只有3∶1~5∶1。在此范圍內(nèi)，孔板的讀數(shù)精度約為2%~3%， 文丘里管的讀數(shù)精度約為3%~4%。各種節(jié)流裝置中，孔板由于其結構簡單，安裝方便，所以最為常用。但是它對加工尺寸要求嚴格。只要按規(guī)范要求加工、安裝，經(jīng)檢驗合格后就可以在不確定度范圍內(nèi)進行流量測量，而不需要用實驗檢定。所有節(jié)流裝置都有一個不可恢復的壓力損失， 壓損最大的是銳邊孔板， 為儀表最大差壓的25%~40%。畢托管的壓損則很小，可以忽略不計，但它對流體形面的變化非常敏感。
2.2 變面積型
這種類型流量計的典型代表是轉(zhuǎn)子流量計。對于3″以內(nèi)的管道，此流量計效果較好。它的突出優(yōu)點是直接就地測量時不用外加電源。轉(zhuǎn)子流量計按其制造材料不同，分為玻璃轉(zhuǎn)子流量計和金屬管轉(zhuǎn)子流量計兩大類。玻璃轉(zhuǎn)子流量計結構簡單，轉(zhuǎn)子位置清晰可見，易讀數(shù)，多用于常溫、常壓、透明和腐蝕性介質(zhì)，如空氣、煤氣、氬氣等。金屬管轉(zhuǎn)子流量計一般帶有磁性連接指示器，用于高溫、高壓的場合，并且能傳輸出標準信號與記錄儀等配套使用，計量累積流量。目前市場上有一種帶加載彈簧錐形頭的垂直式變面積式流量計，它沒有冷凝室和緩沖室，測量范圍達到100∶1，并且是線性輸出，最適于蒸汽的測量。
2.3 振蕩型
渦街流量計是振蕩型流量儀表的典型代表。它是在流體前進方向上放置一非流線形物體，流體在該物體后方形成兩列規(guī)則的非對稱漩渦列。漩渦列的頻率與流速成一定比例。這種測量方法的特點是管道內(nèi)無可動部件，讀數(shù)重復性、可靠性好，使用壽命長，線性測量范圍寬（氣體約為30∶1，液體約為10∶1），幾乎不受溫度、壓力、密度、粘度等變化的影響，壓力損失小， 精度高（約0.5%~1%）。其工作溫度可達300℃以上，工作壓力可達30MPa以上。但流體流速分布情況和脈動流會影響測量精度。不同的介質(zhì)可采用不同的漩渦感測技術，對于蒸汽可用振動盤式或壓電晶體式，對于空氣可采用熱力式或超聲波式，對于水，幾乎所有感測技術都適用。和孔板一樣，渦街流量計的流量系數(shù)也是由一組尺寸來決定的。
2.4 電磁型
這類流量計是利用導電的流體流經(jīng)磁場時產(chǎn)生感應電壓的大小來檢測流量的。因此它只適用于導電介質(zhì)（目前已有適用于導電率低至0.008μs/cm介質(zhì)的產(chǎn)品）。從理論上講，這種方法不受流體的溫度、壓力、密度和粘度的影響，量程比可達100∶1，精度約為0.5%。適用管徑從2mm到3m。廣泛應用于水、泥漿、紙漿或腐蝕性介質(zhì)的流量。電磁型流量計由于信號微弱，滿量程時，通常只有2.5~8mV，流量很小時僅有幾毫伏。易受外界干擾。因此，要求變送器的外殼、屏蔽線、測量導管、變送器兩端的管道都要接地并單獨設置接地點，絕對不要連接在電機、電器等的公用地線上。
2.5 超聲波型
這類流量計最常見的是多普勒流量計和時差流量計。多普勒流量計是根據(jù)被測流體中移動目標所反射的聲波頻率的變化來檢測流量的。此法適于測量高速流體，不宜測量低速流體，且精度較低，對管道內(nèi)壁的光滑程度要求較高，但它的電路簡單。
時差流量計是通過超聲波在注流體中順流和逆流傳播的時間差來測量流量的。由于時差的數(shù)量級很小（一般為10~6s），因此，為保證測量精度，對電子線路的要求較高，從而儀表的成本相應增加。時差流量計一般適用于純凈且流速場均勻的層流液體。對于紊流液體，可采用多聲束時差流量計。
2.6 動量矩型
這類流量計是根據(jù)動量矩守恒原理， 通過流體沖擊旋轉(zhuǎn)部件（葉輪、螺旋器等），使之旋轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)速與流速成比例關系。再利用磁學、光學、機械計數(shù)等方法將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電信號， 從而計算出流量。
渦輪流量計是這類儀表中應用最廣泛且精度較高的一種。它適用于氣體、液體介質(zhì)，但在結構上略有不同。用于氣體的，其葉輪角度較小， 而且葉片數(shù)量多。渦輪流量計的精度可達0.2%~0.5%，在狹小范圍內(nèi)可達0.1%。量程比約10∶1。壓損小，耐壓高。但它對流體的潔凈度有一定要求，且易受流體密度和粘度的影響， 口徑越小，影響越大。和孔板一樣，要保證安裝點前后有足夠的直管段，以避免流體旋轉(zhuǎn)而改變對葉片的作用角度。
2.7 正位移型
這類儀表的工作原理是根據(jù)旋轉(zhuǎn)體每旋轉(zhuǎn)一周，流體精確移動一個固定量來測量的。儀表的設計方式各異，如橢圓齒輪流量計、旋轉(zhuǎn)活塞流量計、刮板流量計等等。橢圓齒輪流量計的量程比較大，可以達到20∶1，且精度高。但運動齒輪易被流體中的雜質(zhì)卡死。旋轉(zhuǎn)活塞流量計單位流通量大，但由于結構上的原因，泄漏量較大， 精度差。正位移型的流量計基本與流體粘度無關，適用于油脂類、水等介質(zhì)，但不適用于蒸汽、空氣等介質(zhì)。
上述的每一種流量計各有自己的優(yōu)、缺點，但是，即使是同一種型式的表，不同廠家提供的產(chǎn)品，其結構、性能也不盡相同。
3 流量計的選擇
面對龐大的流量計家族， 要想選擇一款經(jīng)濟實用的儀表，確非易事。其中要考慮的因素很多：精度、可靠性、費用、流體特性及其他種種因素。根據(jù)筆者多年儀表選型的實踐，大致可參考以下4個方面：
（1）儀表的工作性能，包含：精度、可靠性、線性、量程范圍、壓降、輸出信號特性、響應時間、瞬時量或累積量。
（2）流體的物理、化學特性，包含：液體或氣體、流體溫度、流體壓力、流體密度、流體粘度、潤滑度、化學特性、表面張力、壓縮系數(shù)。
（3）現(xiàn)場安裝條件及環(huán)境，包含：流向、管徑、安裝位置、環(huán)境溫度、壓力、濕度、直管段長度、電氣連接、附件的安裝、附近的電氣干擾、脈動的影響、震動的影響。
（4）成本費用，包含：采購價格、安裝費用、操作費用、維護費用、校驗費用、儀表壽命、備件費用、操作工的培訓費用。
用戶在選擇時，不可能面面俱到，要權衡利弊。不過， 最后的抉擇往往是在成本費用和儀表性能之間。
4 結束語
隨著生產(chǎn)工藝復雜程度和自動化程度的提高，會對流量測量及控制提出更新、更高和更多的要求，如5~7m特大口徑、特大流量測量；超微小流量測量；鋼水等高溫介質(zhì)的流量測量；液氮等超低溫介質(zhì)的流量測量，等等。近年來，核磁共振流量計、放射性同位素流量計等新型儀表已日臻完善，流量測量精度也在不斷提高。
參考文獻
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