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一、 概述
        1、作用與地位   流量儀表是衡量物質量變的工具。廣泛用于工業領域，在流程工業中不僅可以改進產品質量，提高經濟效益、管理水平，同時還為評估節能降耗、環保排污提供了重要依據。在自動化系統的儀表中，它的數量雖只占約1/5;但價格可達1/3.。
        2、市場評估  據“Flow Research”網2010年底有關全球流量儀表市場研究報告表明：盡管近二年全球受金融危機的影響，經濟形勢不容樂觀，但為了應對資源的日益匱乏，節能減排的緊迫，流量儀表的市場仍逆市小幅上揚，預計自2009~2014年期間，流量儀表年均增長率可達3.7%~4.2%，至2014年銷售額估計可達到35億~50億美元*1。我國為調整產業結構，GDP增長略有下調定為7%，“十二五”期間，我國流量儀表市場的年增長率應會略高于國際市場，為6%左右，2010年銷售額估計為45億人民幣*2。
        “Flow Research”評估認為，近十余年，由于技術的進步，對流量儀表的準確度、可靠性提出了更高的要求，新型流量儀表的市場及研發均有較快的發展，年增長率可達7%，依次為超聲、科氏、電磁、熱式；傳統流量儀表如:節流裝置、容積式、轉子----等市場為負增長，約為-2%。但節流裝置由于可耐惡劣工況，成本低，數十年來裝機容量很大，我國近七、八年以來對新型流量儀表的研發異常活躍，正逐步取代傳統流量儀表，仍有較大的市場潛力。
        3、會議熱點*3、4  2010年10月在臺北召開了第15屆流量測量國際會議（FLOMEKO  2010）,發表論文108篇，其中：差壓式34篇（31.5%）、標準裝置28篇（26%）、超聲15篇（13.8%）、熱式8篇（7.4%）、電磁、科式各7篇（6.5%）、渦街、渦輪各6篇（5.5%）。
我國2010年在上海由中國計量測試學會主持召開了“全國流量學術交流會”，發表論文67篇，其中：標準裝置19篇（26.8%）、節流13篇（19.4%）、超聲7篇（10.4%）、非標準校驗6篇（9%）、電磁3篇（4.4%），
        其他如：渦街、科氏、熱式----等均僅有1~2篇。
        從以上學術會議發表的論文比重，可以看到國內外流量行業所關注的熱點，要說明的是這兩個會議都是由計量部門主持召開的，理所當然會給校驗裝置特別的關注。
二、流量儀表的原理、特點與發展*5、6
        由于影響流量儀表的因素很多，其原理、類型多達200余種，本文僅重點介紹以下幾種：
        1、 電磁流量儀表
        ○1、原理  基于法拉第電磁感應定律，即導電液體在電磁場中將感應電動勢，其大小與管道中液體的流速成正比，測得感應電動勢大小，即可知液體流量。
        ○2、特點                             
        (1)測量準確度不受液體密度、粘度、溫度、壓力的影響；
        (2)表內無阻力件，可靠性高，幾乎無永久壓損；
        (3)流速范圍(0.3～），口徑3～3000mm；
        (4)可測液、固二相流；
        ⑸準確度一般為±0.5%；
        ⑹儀表內襯根據用戶需要可選擇橡膠、氟塑料、工業陶瓷等，可測腐蝕性、高溫等各種液體；
        ⑺無法測氣體及油品及有機溶劑等不導電液體，為其較大的弱點。
        ○3、應用領域  由于其準確度高，可靠性良好，廣泛應用于鋼鐵、冶金、石化、煤化、造紙、食品、市政工程、能源及水資源管理、污水排放……等領域，銷售臺數雖不及節流、差壓式流量儀表，但銷售額遠遠高于其他流量儀表。
        ○4、發展方向
        ⑴優化權重函數，提高磁場效應。通過改善線圈形狀、磁軛及磁靴的設計，流速分布不理想時，如采取必要的措施，仍能得到較好測量精確度。
        ⑵采用新型磁性材料，提高儀表測量靈敏度，降低電功耗，節約電能。
        ⑶采用新型材料襯里，如：新型氟塑料ETFE、橡膠EPDM，高純氧化鋁陶瓷，以應用于各種腐蝕、高溫、沖刷、臟污流體的惡劣工況。
        ⑷擴大應用領域，如果電容檢測可檢測電導率低至5x10 -8 s/m的液體，（一般為10 -5 s/m）。
        ?二線制：二線制可以減小電纜，統一電源、節約成本、便于維護。
        ?非滿管：加一個液位檢測器，可以有效解決污水排放的非滿管流量測量。
        ?插入型：解決大口徑管道流量測量，成本低，安裝維修簡便，但準確度將降低。

        2、超聲波流量儀表
        超聲波流量儀表是近十年來發展最快的一種流量儀表，市場銷售額年增長率達到10%以上，在全球能源匱乏的今天，它既可準確測天然氣，又可測石油等貴重油品的流量，因而倍受青睞。在我國市場上，國外產品占據了主導地位。
        ○1、原理：早于1931年，美國Ruttgen就提出利用聲學原理測流量，到1957年才真正進入實用階段。原理有時差法、相位法、頻差法、多普勒法等六、七種，應用較多的為以下二種：
        （1）時差法  聲波在流體中傳播，順流向時傳播速度會增加，逆流向則會減少。利用傳播速度之差可求得流速 （管徑D確定,則知流量），主要用于單相、較潔凈流體。
        （2）多普勒法  多用于流體含有少量雜質的流體，將雜質的移動速度視為流體的速度 ，檢測器發射的頻率 ，作用在運動的雜質上將發生偏移，稱多普勒頻率 (正比流速V ), 測出 即可知 ，乘以截面即為流量 。

圖1、超聲波儀表原理圖

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圖2、D系列科氏流量計原理圖
1、支撐管  2、測量管  3、6位置檢測器
4、電磁驅動器   5、外殼

        ○2、特點：
        ⑴無任何阻力件、壓損小、可靠性高；
        ⑵可以測氣、液多種流體；
        ⑶準確度可高達±0.5%，重復性為0.1%；
        ⑷量程比可達100:1；
        ⑸可采用多聲道以保證測量準確度(圖1)，目前有：單聲道（15D），雙聲道（10D），四聲道（6D）。括號內的數值為保證準確度所必要的直管段長度；
        ⑹管徑大小對價格影響不大，所以特別適用于大口徑，最大可至3米（液）；2米（氣）；
        ⑺可測雙向流；
        ⑻外夾式可不斷流進行拆裝，便于現場校驗；
        ⑼已有標準，可進行干標；
        ⑽流體溫度上限應小于200℃；壓力上限為10Mpa；
        ⑾工業現場的噪聲、流體組分的變化，對測量準確度均有較大影響；
        ⑿測液體較成熟，測氣體難度較大，價格較貴。
        ○3、應用領域：
        ⑴ 因準確度高,廣泛應用于能源(石油、天然氣)，貴重氣體（O2，H2，N2……）,為化工產品貿易核算計量的首選儀表；
        ⑵ 以進行非接觸計量,常廣泛用于高腐蝕、有毒的流體流量計量；
        ⑶ 泛用于食品、醫藥及要求十分潔凈的流體流量計量；
        ⑷多普勒法可以用于含有少量雜質的二相流，但雜質（氣泡、固體懸浮物……）不得大于20%。
        ○4、發展方向
        ⑴插入式：可以應用于特大的管道，在不斷流的情況下進行拆裝，便于維護，但準確度受管道內流速分布影響較大，在試驗室標定后，直接用于現場會有較大誤差。此外，儀表易受流體中微粒或高粘度介質的污染,降低其靈敏度。
        ⑵外夾式：采用夾具固定在管道外壁，可用于安裝在任何材質、口徑的管道上。有人設想將之作為標準表進行現場校驗，但因受安裝位置、管壁材質、厚度諸多因素的影響，準確度目前還較低(低于±2%)，所以作為標準表尚有待時日。
        (3)可靠性：增加儀表在惡劣工況下(煤氣中的焦油,粉塵的粘污)的可靠性；抗噪聲能力，適用于更高
        溫度的介質，提高換能器的耐溫能力，加強自報警，自診斷等智能功能。
        ⑷降低成本：以便于大量推廣應用。
        3、科氏流量儀表 
        為近十年來發展速度僅次于超聲的一種流量儀表，年增長率約為6%。美國艾默生集團(Emerson)旗下的高準(Micro Motion)公司于上世紀七十年代首先推出產品，市場在世界處于領先地位，聲稱至今在全球已銷售了60萬臺科氏流量計，應用于各領域。并已在我國上海浦東建立了研發基地。
        ○1、原理  如流體質量m在直線運動時又處于旋轉體系中，將產生與流速V及質量m成正比的科氏力，測得力的大小即可知流量大小。然而在旋轉運動中測科氏力十分困難，目前的產品都是在一個U形管中部激振管道（圖2），其中的流體產生的科氏力使U形管二側產生方向相反的扭曲，扭曲的幅度與流量成正比。用光學或電磁方法測出扭曲的幅度即可知質量流量 的大小。
        ○2、特點 
        ⑴ 以直接準確測質量流量，準確度可高達±0.2%，密度準確度可達±；
        ⑵ 儀表內無任何阻力件，可測二相流體，但不宜用于測液、氣二相流；
        ⑶對流速分布不敏感，無需前直管長度安裝要求，仍具有很高準確度；
        ⑷溫度范圍-240℃~200℃，壓力（4~40MPa），不適用于高溫、低壓流體；
        ⑸量程比可達100:1；
        ⑹易產生另點漂移；
        ⑺壓損受粘度影響較大，屬于壓損較大的流量儀表；
        ⑻因其工作原理，口徑一般僅200毫米，高度已達2米；但德國E+H的巧妙設計當口徑為250毫米，高度僅為0.7米； 
        ⑼價格較貴，均為相同口徑電磁流量計的5~8倍；
        ⑽由于基于振動原理工作，外界的振動對其影響較大。
        ○3、應用領域
        因管道中無任何阻力件，又不受流體導電率的限制，且無安裝直管段長度要求，所以應用領域較廣泛，可以測多種流體，如牛頓流體、各種漿液、懸浮液、液化氣。在當前現場直管段不足，又要求較高準確度的情況下，科氏流量儀表顯示了獨特的優越性。已廣泛用于石油、石油化工、精密化工、食品、造紙、制藥、橡膠等工業。
        ○4、發展方向
        ⑴提高智能功能：美國高準公司（Micro Motion）宣布采用MVD（多變量數字）技術推出了3711型氣體流量計算機，系統涵蓋了APIMPS、AGA8的有關標準的氣體數據；
        ⑵溫度壓力補償：當溫度、壓力改變較大時，科氏流量儀表的剛度會受到影響，應進行補償，以確保較高的準確度；
        ⑶減弱振動影響：外界的振動（如泵、管路系統、機械振動、水力噪聲等）都會影響科氏流量儀表的工作，在設計時應采取抑制措施，如MFS-1000設計安裝時采取了隔振措施。
        ⑷減小零點漂移：要盡力減小兩根測量管的不對稱性，出廠時應進行動平衡測試，然后進行補償，安裝時需減小附加在測量管上的應力，加強維護，清除測量管內的沉淀物。

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    4、熱式流量儀表
        ○1、原理：利用流體流動時與熱源進行熱交換測流量。根據交換方式可分為分布型與浸入型二種型式：
        ⑴分布型：繞在管道外的兩組電熱絲，有加熱及檢測二個作用，并組成惠斯登電橋。由恒流電源供給恒定熱量。當流量為零時，管道內流體溫度平衡，電橋無輸出；當流體流動時，流體將上游部分熱量帶給下游，電熱絲上的溫度失去平衡，上下游電熱絲電阻有差異，電橋產生輸出電壓，其大小正比于流量，流量越大，輸出電壓也越大，測電壓可知流量。
        (2)浸入型：二個熱電阻置于管道中，用功率恒定的電加熱器，使熱電阻溫度高于流體的溫度。其中一個裸露在氣流中，流速的大小與熱電阻的散熱成正比，同時改變其電阻值。其中第二個被細管罩著的電阻不受流速影響，熱阻值不變。因此，二個熱電阻的溫度差（即電阻差），將反應流速（即流量）大小，同上理可通過電橋輸出電壓測流量。
        ○2、特點：
        ⑴可測極低流速，氣體可低至；
        ⑵無可動部件，也不存在阻塞問題，工作可靠；
        ⑶由于傳熱與流體的質量密切相關，所以無需溫度、壓力補償，直接測得質量流量；
        ⑷浸入式主要用在大口徑，口徑范圍（40~4000mm），流體限于干燥常溫氣體（＜200℃）
        ⑹ 布式主要用于小口徑（2~25mm）；小流量()；
        ⑹對流體的潔凈度仍有一定要求，流體如有粘附物，會污染浸入式熱敏元件；分布式如有沉淀物，將積于內壁，也會影響測量準確度；
        ⑺要保證必要的準確度必需要較長的前直管段長度，特別是浸入式，前需20～30D，后需5D；
        ⑻響應時間需1～2秒，用于工控系統會惡化調節品質；
        ⑼準確度較低，熱分布型±1～2%，浸入式±3%。
        ○3、應用領域：
        ⑴熱分布式用于精細制造工藝中微小氣體流量測量，如：半導體工業加工工藝、分析儀器、氣體色譜儀和環境保護分析儀器中氣體的采樣流量測量；流程工業、光纖制造、醫藥保健中的微小氣體流量測量；
        ⑵浸入式（或稱插入式），多用于較大口徑，可測量干燥、常溫氣體極低流速的流量測量；
        ⑶微小液體流量測量，多用于精細化工、石油化工、醫藥、食品工業中的試驗性設備，如藥液系統中的定流量配比控制，液化氣注入的流量控制……
        ○4.發展方向
        ⑴薄膜型：薄膜型微流量儀表，是在顯微機械加工的電子器件，及微機電系統（micro electro mechanical system,簡稱MEMS），以取代熱絲在流量測量上的應用。
        ⑵多點插入式：由于大管徑內的流速分布極為復雜，測單點的熱式流量儀表已無法滿足準確度要求，必需采用多點（直線上多點，或截面上多點），這類管道中的流速普遍較低（10～15M/S），從節能減排的需求，市場應有較大的潛力。

        5、渦街流量儀表
        ○1原理  當流體通過鈍體（或稱漩渦發生體、阻流件）時，將在其后兩側產生交替的漩渦，這種現象稱為卡曼渦街，渦街的頻率與流經鈍體的流速成正比,測得頻率，可知流量的大小。

         
        式中Sr是斯特勞哈系數，與Re有關； 為鈍體的迎流向寬度；D為管道內徑。

圖 3 渦街流量計原理圖

        檢測渦街頻率的方法有熱敏式、超聲式、應變式、應力式、電容式、光電式、電磁式……多種。漩渦發生體有單體、多體，原則上應采用在較寬的雷諾數范圍內產生穩定、可靠的漩渦，信噪比高，且便于加工、易與檢測件組合，材質滿足流體的要求，耐溫、耐腐蝕等條件。
        將頻率的多種檢測方法與各種漩渦發生體相互組合，形成了多種型號的渦街流量計。

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    ○2特點
        （1）可適用于多種流體，氣、液、蒸汽及部分混相流體（容積比率小于2%）。
        （2）輸出頻率信號，與流體的容積流量成正比，不受流體組分、溫度、壓力、密度的影響。
        （3）無可動部件，可靠性好,
        （4）結構簡單、牢固與二次表形成一體，安裝、維修簡便。
        （5）量程比可達10:1以上，準確度可達±1~2%，重復性0.2%，壓損小。
        （6）Re數小于20000時，渦街不穩定，不適用于高粘度、低流速、小口徑的工況。
        （7）渦街的產生受流速分布及漩渦的影響，因此上游必需有20D以上的直管段長度。
        （8）不適用于管道機械振動的工況及脈動流。
        （9）儀表系數分辨率低，口徑越大分辨率越低，一般最大為300毫米。
        ○3應用領域
        渦街流量計推向市場約在上世紀70年代，它是一種結構緊湊的儀表，可適用于液、氣、蒸汽多種流體，據統計，用于液體可選用儀表較多，液、氣、蒸汽選用比例大致為3：3、：4。后者多為低于4000C的飽和蒸汽。以下情況建議慎用：流速低、粘度高的流體，因其Re數較低，渦街信號不穩定；其次，插入式渦街的探頭容易產生振動，信號也不穩定，選用應慎重。在我國流量儀表市場中，年產量約4萬多臺。
        ○4發展方向  
        （1） 信號處理技術數字化  采用跟蹤濾波、自適應濾波和數字頻譜分析，提高渦街流量計的準確度、
抗干擾能力、擴大測量范圍。
        （2） 結構一體化、功能智能化、檢測多參數---等均是今后的發展方向。
        （3） 優化安裝  安裝前直管段長度一般需20D以上，如儀表結構采用收縮管，不僅可加大流速，還可改善流場，均利于渦街信號的穩定。
        （4） 干標 干標不僅節約設備、經費，而且縮短生產周期。經國內外二十多年的努力，已取得顯著成績，
開始實施。據美國“Fisher & Porter” 公司評估，‘干標’的誤差約為實流標定的一倍。
        6、插入式流量儀表*7
        規模生產效益，近二、三十年以來工程日益擴大，現場管徑日益增大，如熱電廠的工藝管道已大至5~6米，滿管流量計因過于笨重，已難以適應技術的發展，早期應用以取樣原理為基礎的插入式流量計又受到青睞，近三十年來又被廣泛用于流量測量。
        ○1原理  按流量的定義：   ， 只要能準確測量管道中的流速V，管道截面A,就可知流量qv。因此，凡是可以測流速的儀表均可成為插入式流量計。如：皮托管、雙文丘利管、測管、渦輪、渦街、熱式、電磁均可做為測量頭，成為插入式流量計。其中以皮托管為基礎的測直線上多點流速的均速管（亦稱阿紐巴或巴類，），在近三十年來在大口徑測量上曾風光一時，占有較大市場。
        插入式流量計可以用極簡單的方法，最低的成本，“解決”大管道流量測量的問題。看似好事，但弊已伏其中了。因為管道極大，十之八九不可能具有較長直管段，管內流速分布必然極其復雜（圖4）、不僅沒有規律，且有漩渦，怎么可能僅測一點或幾點流速來涵蓋整個截面的流速，準確地測量流量呢？因此公式中的平均流速 ，是很難用插入式流量計得到的，不少廠商只談流速準確度而回避流速分布，有意或無意誤導了用戶。

圖4   雙彎頭后的流速分布

圖5  均速管測量原理圖

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    ○2插入式流量儀表
        1、測點速 
         通過測一點流速推算流量*8 
         凡是可測流速的儀表，如皮托管；雙文丘里管；測管；插入式渦街、渦輪；熱式------均可成為這類儀表。 
        特點：結構簡單，安裝維修方便，壓損小，價格便宜，但準確度不可能高。 
        廠商宣傳在風洞中標定僅是流速，由于管道內流速分布十分復雜，無助于提高流量準確度*9。
        2、測直線上多點流速 *10  
        主要為均速管（圖5）、熱式。 
        均速管問世已四十年，在橫截面性狀上不斷推陳出新，不少于十余種，廠商都大肆炒作其優越性。其實均速管的應用必需與管道相結合，否則它就不是流量計。影響測量準確度的因素主要應該是管道*11，它的前直管段長度是否足夠長（流速分布），及管道內徑是否精確。而廠商往往回避這個問題。均速管的截面形狀最初為圓形，因“阻力危機”問題，出現了菱形、彈頭形----十多種形狀，其實就測量準確度而言，截面形狀的影響相對于現場應用條件是很小的，廠家的宣傳往往過分夸大其詞。 
        當管徑大至1~2米；流速大于 10m/s,雷諾數Re一般將大于106,已越過“阻力危機” ，則流速計截面仍可用圓管，如當前火電廠一次風管口徑已達4~5米，完全沒有必要選用均速管，在國外已有成功的案例*12 。.

        ○3影響準確度的因素（以差壓式為例）
        
        式中    為速度分布系數；   阻塞系數； 干擾系數； 管道截面積
        輸出差壓； 流體密度； 流速計系數

        (1) 速度分布系數   是在充分發展紊流條件下，由管壁粗糙度與Re所引起的誤差的修正系數，基本可以定量分析，帶來的誤差大約在1~3%之間；
        (2) 阻塞系數   是由于插入式儀表的測量桿（或均速管）及測量頭，其迎風截面將改變管內的流速分布而引起的測量誤差。研究表明：如果阻塞比S（儀表在管內的迎風截面/管道截面）小于可忽略不計;  <S

        從表1的測試數據表明：6A的技術性能優于6B，6C與6B相差無幾。

圖6  平衡式、整流式節流流量儀表

        ○5型式多樣，性能難分伯仲。以上的這些節流式流量儀表（調整孔板、平衡式、整流式…..）均具有結構簡單、可靠，加工簡單易行，使用中都有對前直管段要求不高、又保持較高準確度的優點。目前還很難說哪一種產品具有顯著的優勢而獨傲群雄，更不能說是某家獨創。
        2推廣應用的關鍵*17   近七、八年以來，新型節流流量儀表發展很快，加上廠商的炒作，大有取代標準節流儀表之勢。但它終究還是個新生事物，在研發、生產及應用中缺乏經驗，無序的生產與濫用勢必會埋下事故隱患，（2005年大連內錐事故應為前車之鑒）。這種炒作以謀取暴利的做法已引起業內專家的憂慮，在肯定創新的前提下應盡快制定標準，為此建議如下：
        ○1節流件標準化   優化當前推出的各種“多孔孔板”節流件，只有這樣才能簡化測試項目。
        ○2積累測試數據   標準節流流量儀表的標準制定，花費了幾十年時間，積累了成千上萬在試驗室測試的數據才可能制定標準。切不可隨心所欲、閉門造車地制定標準，必需建立在試驗的基礎上。C. Hodges提出了一些建議以縮短這個過程*18。
        ○3阻力件影響試驗  測試首先要在標準試驗室中進行，然后還需在不同的阻力件，不同的安裝長度下，
用數據來說明保證較高準確度所必要的直管段長度。

（特約編輯：毛新業）