摘 要：流量儀表在國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)科學(xué)研究中扮演著重要角色。本文介紹了當(dāng)前主要流量儀表的種類及其原理，并分析了其各自的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用范圍，通過展望流量檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢，分析了未來流量儀表的發(fā)展方向并作出相關(guān)建議。

關(guān)鍵字：流量儀表 技術(shù)現(xiàn)狀 發(fā)展方向

信息作為物體或現(xiàn)象屬性的反映，是通過一定形式的信號反映出來。測量流體的流量，是民用以及工業(yè)參數(shù)測量中最復(fù)雜的一種測量，它在國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)科學(xué)研究中的地位非常重要。隨著我國工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對流體流量的測量提出了越來越多的要求，由于各種流體，如天然氣、石油、水等，都是重要的能源，特別是近幾年來，由于環(huán)境污染以及節(jié)能、智能管理系統(tǒng)的出現(xiàn)，無論是從質(zhì)量上還是從數(shù)量上，都更重視以過程狀態(tài)量為中心的現(xiàn)場信息。只有做到準(zhǔn)確的計(jì)量，才能做到“節(jié)能有數(shù)、耗能有據(jù)”。流量作為國民經(jīng)濟(jì)中十分重要參數(shù)測量，因此需要更好、更多的流量計(jì)量儀表。

2 流量儀表的種類及其原理

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代流量計(jì)量技術(shù)發(fā)展日新月異。基于各種測量原理生產(chǎn)、使用的流量儀表已經(jīng)超過100種。根據(jù)技術(shù)的劃分，可把目前使用的流量儀表分為兩類：傳統(tǒng)流量儀表和新技術(shù)流量儀表。

2.1 傳統(tǒng)流量儀表

傳統(tǒng)的流量儀表主要包括孔板流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、文丘里管流量計(jì)、容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、浮子流量計(jì)等。

2.1.1 孔板流量計(jì)

孔板流量計(jì)是一種差壓式流量計(jì)。起原理是當(dāng)流體流經(jīng)管道中的孔板時(shí)，流束將在孔板處形成局部收縮，流速增加，靜壓力降低，在孔板前后產(chǎn)生微小的靜壓力差，通過測量差壓值來確定流量。是目前測量液體、氣體和蒸汽流量較為常見的流量計(jì)。

優(yōu)點(diǎn)：適用于大口徑，無可動部件，耐用；使用時(shí)間長，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最全；制造容易，價(jià)格便宜。

缺點(diǎn)：測量范圍窄；壓力損失大；計(jì)量準(zhǔn)確度受安裝條件、人為因素影響；前后直管段要求長。

2.1.2 噴嘴流量計(jì)

噴嘴流量計(jì)是基于流體動力學(xué)中的Laval噴管原理設(shè)計(jì)和制造的，它在噴嘴出口壓力與入口壓力之比等于0.528時(shí)，噴嘴中氣流速度達(dá)到超音速，當(dāng)壓力比繼續(xù)下降時(shí)氣體流量保持不變。

優(yōu)點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)噴嘴歷史悠久，無可動部件，結(jié)構(gòu)簡單牢固，穩(wěn)定可靠，標(biāo)準(zhǔn)化程度高。

缺點(diǎn)：生產(chǎn)制造較復(fù)雜，單價(jià)較高。

2.1.3 文丘里管流量計(jì)

文丘里管是是一種標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，是根據(jù)文丘里效應(yīng)研制開發(fā)的一種節(jié)流式流量傳感器。文丘里管按結(jié)構(gòu)分為通用文丘里管和標(biāo)準(zhǔn)文丘里管。其測量原理是流體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時(shí)，流速將在文丘里管喉頸處收縮，使得流速增加，靜壓力降低，在文丘里管喉頸前后產(chǎn)生壓差。通過測量壓差的大小來計(jì)算流量的大小。

優(yōu)點(diǎn)：壓力損失小，計(jì)算準(zhǔn)確、能耗小，結(jié)構(gòu)簡單，易安裝。

缺點(diǎn)：僅適用于潔凈的氣體或液體的計(jì)量；長期使用時(shí)磨損嚴(yán)重，影響測量精度；量程比小；價(jià)格昂貴。

2.1.4 容積式流量計(jì)

容積式流量計(jì)是利用機(jī)械測量元件把流體連續(xù)分割成單個已知體積，并重復(fù)不斷地進(jìn)行充滿和排放該體積部分而累加計(jì)量出流體總量的流量儀表。廣泛應(yīng)用于測量石油類流體、飲料流體、氣體以及水的流量。在流量計(jì)中是精度最高的儀表之一。

容積式流量計(jì)按其測量元件分類，可分為雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)、橢圓齒輪流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì)、刮板流量計(jì)、往復(fù)活塞流量計(jì)、液封轉(zhuǎn)筒式流量計(jì)、圓盤流量計(jì)、濕式氣體流量計(jì)及膜式氣體流量計(jì)等。

優(yōu)點(diǎn)：計(jì)量精度高，安裝管道條件對計(jì)量精度沒有影響，可用于高粘度液體的測量，量程寬。

缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大；僅適用于潔凈單相流體；工作時(shí)產(chǎn)生噪音及振動；易磨損。

2.1.5 渦輪式流量計(jì)

渦輪流量計(jì)原理是一種速度式流量計(jì)，流體首先經(jīng)過特殊結(jié)構(gòu)的前導(dǎo)流件并加速，流體經(jīng)過渦輪并對渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩。渦輪的轉(zhuǎn)動角速度與流量成線性關(guān)系。信號檢測單元利用電磁感應(yīng)原理，將感應(yīng)出的脈沖信號經(jīng)前置放大器放大、整形并經(jīng)過溫、壓補(bǔ)償后計(jì)算得出瞬時(shí)體積流量和累積流量。

優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，高精確度，無零點(diǎn)漂移；量程寬，結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護(hù)方便。

缺點(diǎn)：易受流體流動特性和介質(zhì)種類的影響；長時(shí)間使用軸承易磨損，使得儀表特性受到影響。

2.1.6 電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)定律制成的用來測量導(dǎo)電介質(zhì)的流量計(jì)，是隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型流量測量儀表。由于其檢測元件在流量計(jì)管道外部，所以可將其測量高污染、高腐蝕介質(zhì)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新興的無電極電磁流量計(jì)抗泥漿噪聲強(qiáng)，能穩(wěn)定地測量低導(dǎo)電性流體。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、無可動部件、無壓力損失，可測量臟污介質(zhì)以及腐蝕性介質(zhì)，反應(yīng)靈敏，可測正反兩個方向流量。

缺點(diǎn)：不能測量氣體、蒸汽以及含有較多氣體的液體；不能測量電導(dǎo)率很低的液體介質(zhì)，普通工業(yè)用電磁流量計(jì)不能測量高溫介質(zhì)以及低溫介質(zhì)；易受外界電磁干擾。

2.1.7 浮子流量計(jì)

浮子流量計(jì)，又稱轉(zhuǎn)子流量計(jì)，浮子在垂直錐形管中隨著流量大小的變化而升降，改變它們之間的流通面積來進(jìn)行測量的體積流量儀表。浮子流量計(jì)是僅次于差壓式流量計(jì)應(yīng)用范圍最廣的一類流量計(jì)，特別在微小流量計(jì)量方面地位顯著。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、適用于小口徑、低流速、壓損低、量程寬且對直管段要求不高。

缺點(diǎn)：耐壓力低、玻璃管易碎。

2.2 新技術(shù)流量儀表

新技術(shù)流量儀表較有發(fā)展前途是：超聲波流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)和流體振動流量計(jì)。

2.2.1 超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)是利用流體對超聲波的影響來測量流量的儀表。是上世紀(jì)70年代伴隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展而得到快速發(fā)展以及應(yīng)用的一種非接觸式儀表。其是基于超聲波在流體中順流和逆流時(shí)傳播的速度差與流體的流速成正比的原理來測量流體流量。按原理可分為時(shí)差式、相差式、頻差式、多普勒超聲波流量計(jì)（適合于對兩相流的測量）。隨著技術(shù)的發(fā)展，Instromet公司把人工智能技術(shù)引入到超聲波傳感器中，實(shí)現(xiàn)了真正的高精度氣體流量測量。

優(yōu)點(diǎn)：無壓力損失，量程寬，可達(dá)400：1。

缺點(diǎn)：對入口速度敏感，所需支管段長度較長。

超聲波流量計(jì)以其自身的優(yōu)點(diǎn)近些年得到迅速發(fā)展和普及，特別適用于大口徑管道的測量，預(yù)計(jì)其今后會向便于攜帶，通用性更強(qiáng)以及不受測量環(huán)境影響兩個方向發(fā)展。

2.2.2 質(zhì)量流量計(jì)

質(zhì)量流量計(jì)可分直接式和間接式兩種。直接式質(zhì)量流量計(jì)利用與質(zhì)量流量相關(guān)的原理進(jìn)行測量。間接式質(zhì)量流量計(jì)則是利用密度計(jì)與容積流量直接相乘求得質(zhì)量流量。目前應(yīng)用最為廣泛的是直接式質(zhì)量流量計(jì)，分別是熱式質(zhì)量流量計(jì)和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)。

熱式質(zhì)量流量計(jì)是利用傳熱原理以即流動中的流體與熱源之間熱量交換關(guān)系來測量流量的儀表，其優(yōu)點(diǎn)是無活動部件以及低壓損；缺點(diǎn)是易受介質(zhì)成份的影響，故在天然氣測量方面沒有得到廣泛使用。

科里奧利流量計(jì)利用振動流體管內(nèi)產(chǎn)生與質(zhì)量流量相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)來進(jìn)行測量。其優(yōu)點(diǎn)是精度高、可以直接測量質(zhì)量流量及密度，使用戶不僅可獲知流體的容積而且可了解其組成。其缺點(diǎn)是壓損大，且易受流體的溫度和壓力的影響。由于其計(jì)量的高準(zhǔn)確度，是一種很有前途的質(zhì)量流量計(jì)。

2.2.3 流體振動流量計(jì)

流體振動流量計(jì)根據(jù)誘發(fā)流體振動的原理可分為旋渦型和射流型兩種。

旋渦型流體振動流量計(jì)包括渦街流量計(jì)和旋進(jìn)旋渦流量計(jì)，其基本工作原理是流體流過特定管道產(chǎn)生的旋渦振動頻率與流速成正比。

渦街流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)是壓損低，缺點(diǎn)是所需直管段長，易受管道震動影響。而旋進(jìn)旋渦流量計(jì)精度更高、所需直管段短、流量下限更低、抗干擾能力更強(qiáng)，缺點(diǎn)則是壓損大。

射流流量計(jì)的原理是基于高速氣流沿物體表面的拐角處附于表面的現(xiàn)象—柯恩達(dá)效應(yīng)。它將流體通過噴嘴形成高速射流從而在壁面產(chǎn)生附壁效應(yīng)，故稱為射流流量計(jì)。由于流體粘度會影響附壁效應(yīng)，故限制了其應(yīng)用。但由于其有流體放大的作用，故在小流量測量上具有較大優(yōu)勢。

3 流量儀表的發(fā)展方向

隨著科技的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集以及綜合控制和管理將是技術(shù)趨勢。流量儀表是傳輸現(xiàn)場信息的重要組成部分，這就需要以可靠性作為首要條件的輕便、多功能、穩(wěn)定性高和高精度的智能流量儀表。因此當(dāng)前流量計(jì)量的發(fā)展方向可歸為以下幾個方面：

3.1 基于新技術(shù)（超聲波、激光、電磁、核技術(shù)及微型計(jì)算機(jī)等）研制的新型流量計(jì)趨向電子化和數(shù)字化。如日本東京技術(shù)學(xué)院研制出適用于石油輸送管線低導(dǎo)電液體流量測量的靜電流量計(jì)；俄羅斯科學(xué)工程中心工業(yè)儀表公司開發(fā)的基于懸浮效應(yīng)理論的轉(zhuǎn)速表式流量儀表等等。傳統(tǒng)技術(shù)流量計(jì)市場呈逐漸下降趨勢，而新穎儀表如超聲、渦街、電磁和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)等新技術(shù)流量儀表所占比重將逐年增加。

3.2 結(jié)構(gòu)簡單、功能完善、安裝便捷、自動化程度高等方向?qū)墙窈罅髁績x表的主流趨勢。例如當(dāng)前發(fā)展最快的電磁流量計(jì)、超聲流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)都十分簡潔，并且功能強(qiáng)大，如超聲流量計(jì)可實(shí)現(xiàn)流體流量、密度、組分等信息的同時(shí)測量。

3.3 應(yīng)用于大流量、高粘性以及多相流高壓、低壓等苛刻流體環(huán)境的特殊測量方法，將會是以后研究的主要方向和流量測量技術(shù)的新突破口。

4 流量儀表的發(fā)展建議

伴隨著新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)以及微電子和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，流量儀表技術(shù)在各個方面發(fā)生著根本性的變革，不斷向著網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。可以預(yù)見，未來實(shí)現(xiàn)處理信息、存儲信息、人機(jī)對話、自診斷、網(wǎng)絡(luò)化以及遠(yuǎn)程測控等功能于一體的多功能智能化流量儀表將會是今后流量儀表發(fā)展的主流方向。