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流量仪表发展趋势和应用进展 流量仪表技术指标

时间：2020-07-29    来源：仪多多仪器网    作者：仪多多商城     
摘要：本文论述流量测量仪表在多参数测量，低价普及化等发展趋势以及几种流量仪表应用方面的进展。
关键词：流量仪表 发展趋势 应用进展

一、 发展趋势

1、 流量传感器（trancduccer）的多参数测量

流量检测元件或流量传感元件（sensor）除感受流量外，还可能感受其他变量，并由此衍生其他功能，可简化流程的检测系统，减少仪表数量和连接管线，降低费用。流程管道开孔的减少降低潜在泄漏故障。

a. 里奥利质量流量计

b. 电磁流量计

非满管电磁流量计在测量平均流速的同时还必须测量管内液体高度。利用两励磁绕组分别正向和反向串接，产生两种不同磁场强度和磁场分布下测得的流速信号电势，两电势之间的比值与液位高度有一定的函数关系。

c. 涡街流量计

涡街流量计旋涡发生体分离的旋涡频率f正比于流速v（f= k1 v，k1为系数），同时感受与ρv2成正比的升力F（F=k2ρv2，ρ为流体密度，k2为系数）。以f除以F，在乘流通面积A，编可求得质量流量qm，即

qm=（F/f）A=（k2ρv2/k1v）A=kρvA

式中 k——仪表系数k=k2/k2。

d. 超声流量计

超声质量流量计试图在传播时间法超声体积流量计的基础上，在利用超声测得第二参量液体声阻抗和密度，演算后得质量流量。

2、配用第二参量检测元件（或独立的第二参量传感器）组合测量质量流量或其他参量

a. 科里奥利质量流量计配用差压变送器测量粘度
b. 涡街流量计配用差压变送器测量质量流量
c. 气体体积流量计内装压力/温度传感元件测量质量流量
d. 电磁流量计内装温度检测元件修正体积温度影响

日本山武公司最近推向市场的电磁流量计，就有电极内装pt电阻温度检测件，以解决这类问题。

3、压式仪表的差压发生体和差压变压变送器一体化

将差压变送器直接与喷嘴等节流装置或均速管装在一起，省略了在现场布引压管线工程，改善动态特性，减少维护工作和故障率，降低初置费用和运行费用。据日本对1996~1997年间新建四家工厂的调查，所用近400台差压式流量仪表中，一体化直接安装型仪表已占三分之一。

4、开发普及型仪表

适度降低测量精确度等性能，取消原为通用功能改为选择功能以简化仪表组成，设计成较窄应用范围的仪表，从而降低价格扩大用户面。

a. 科里奥利质量流量计设计普及型

科里奥利质量流量降低精确度（量程误差从±0.2%左右降低到±0.5%），功能减少，实际普及型仪表。

b. 电磁流量计从流程工业转向居住民用领域

降低电磁流量计测量精确度等性能，如基本误差定位在±2%，设计成具有水表特点的电磁水表。在日本这类电磁式水表已纳入日本水表标准。

c. 超声家用燃气表

国外民用计量天然气价格低廉的超声流量计以形成规模生产。平均价格约为流程工业用超声流量计平均价格的1/30。

二、 应用进展

成熟仪表应用上受到限制的某一领域，在技术上有所突破后，开发出相适应的改进型仪表，使得在该领域有较快发展，下文讨论几种流量仪表应用领域的进展。

1、超声流量计

近年超声流量计应用于气体（包括蒸汽）、储存交接（custody transfer，常简称CT）和财贸核算、民用住宅天然气消费计量三个领域有较大进展。

a. 气体应用

当前国外能源开发，天然气比石油发展快，促进了过去发展缓慢的气体超声流量计发展。有人估计工业用超声流量计，当前已有近15%用于气体。

近年还见到国外至少有3家制造厂向市场推出应用于蒸汽的超声流量计，用一棒传送声速信号到远离蒸汽的超生换能器，可测高达480℃的过热蒸汽。

b. 进入储存交接和财贸核算应用领域

超声流量计采用多声道测量（4~8声道）技术和短管流量传感器结构设计，并实流校准，测量精确度大幅的提高，液体用仪表精度等级有高达0.15级，气体用仪表普遍为0.5级。今后必然将逐步替代有活动部件的仪表。

1999年北京已在进京高压天然气输送管线上装用超声流量计，与原装有的孔板差压流量计对比，显现出其优越的使用性能，得到各方面的认可。

c. 进入住宅天然气消耗计量应用领域

90年中期国外超声家用燃气表已达到取代应用150余年的膜式煤气表的规模。有人估计世界范围近年销售量已接近40万台/年。

2、电磁流量计

a. 非满管电磁流量计

传统电磁流量计只能测量满管液体流量，非满管电磁流量计应用于具有自由表面自然流的下水排放领域，并提高该领域的测量精确度。将传统非满管流或明渠流流量误差从±（3~5）%FS降低到±（1~2）%FS。

b. 测量更低点导率的液体

现在可测量比传统电磁流量计电导率阈值低2~3个数量级的液体，如以前不能测量的甘油、乙二醇等。除此之外，本类仪表几乎不存在浆液噪生和流动噪声，也不会产生电极表面效应形成的噪声。衬里内表面覆盖油脂等非导电层或结薄绝缘垢层也不会影响测量。

c. 低功耗和二线制电磁流量计有较快发展

二线制不需另外外接激磁回路，仅用4mADC电流提供仪表所需功率，通常仅数十毫瓦。低功耗电磁流量计使有可能采用干电池或太阳电池，更方便地将电磁流量计装用于无市电供电的场所。

d. 二维（方向）电磁流速计和多测量点插入式电磁流量计

置于船体外部的船舶电磁航速仪是插入式电磁流量计的雏形。后来插入式电磁流量计在大中型管道中却有较大发展，也有用于明渠，称作电磁流速计（electromagnetic current meter）。但在河道流或水利试验模型不仅要测量流速还要知道流速方向。二维电磁流速记又称向量流速计，使电磁流量仪表族可以进入水文试验应用领域。

此外插入式电磁流量计还参照匀速管的设计思路，在插入杆上置多套电磁流速测量单元，提高测量精度，使插入式电磁流是计在大管经应用处于有利地位。

3、热式质量流量计

热式质量流量计过去主要是热分布式，应用于气体小流量测量，较多应用于半导体工业，热处理炉、分析仪器等氢、氧、氨等流量测量和控制以及阀门制造过程中测定泄漏量等。国外近年热消散效应的侵入式和插入式热式流量计应用与环境保护和流程工业大中型管道发展迅速。径向分段排列多组检测元件组成的检测杆，较多以插入方式应用于HVAC（暖气通风空调）工程大中型管道；还应用于锅炉大管道进风量和烟道排气量监测SO2和NOX排放总量。

微小液体质量热式流量计虽然已有20余年历史，但在工业上应用直到近几年才较快发展，现在已有几家制造厂生产多种型号热分布式热式流量计投入市场。当前主要应用于化学、石化、食品等流程工业实验性装置。例如：药液配比系统中定流量配比控制，液化气注入过程中液流测量和控制。 一、流量仪表的历史、现状及发展趋势

我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，60年代开始涡轮、电磁流量计的生产。至今，从事流量仪表研究和生产的单位已有200多家，90年代更进入了快速发展时期。流量仪表是一种仪表性能强烈依赖于使用条件的仪表，国际流量界人士曾言，流量计是使用比制造要艰难得多的少数仪表之一，虽然实验室它可以得到极高的精确度，但是在使用现场若条件变化，一切全都白废。流量计出厂检验其误差是±0.5%，可是在使用中却有可能造成±3～±10%的误差。其原因则多种多样，如量程选择不对，上下游直管道长度不足，液体中含气量较大，检测件腐蚀磨损，积垢及堵塞等等。应该说流量是一个测量系统的问题，在这个系统中包括检测装置、显示装置、前后测量管及辅助设备等。所以流量计本身性能好并不能保证获得要求的精确度，它要求整个测量系统符合规定的要求才行。综合而论，完善的流量计应适应的条件大致如下：

(1) 检测体可以无阻碍物，用可随意移动更换安装点。
(2) 夹装在管道外面，不需截开管路与流体。
(3) 仪表流量计量方程简捷，并可推算未知数据，且无需实流校验。
(4) 频率脉冲输出信号，数字式仪表，便于远传，且抗干扰、方便的与计算机联接。
(5) 仪表输出信号不受流体介质特性和流体，流动特性的影响。
(6) 仪表重复性好、范围度宽、线性好。
(7) 仪表可靠性高，价格适中，维修简单等。

目前，很难说那种类型仪表兼备上述各项条件，只是依据测量条件，或多或少兼顾其适用性。


图1 封闭普通流量计分类

正确合理的选择流量测量仪表并非易事，在对美国工业现场安装的流量仪表检查中，发现约半数以上的仪表选用不是较为合适的或使用不太正确，而在这些仪表中又约有半数以上虽然采用合适的测量方法，却被错误地布置和安装。因此，我们在选择时要充分考虑到各方面的因素。如：性能要求、流体特性、安装要求、环境条件和费用等等。

二、流量仪表分类及主要性能

下面就目前市场上的主要流量仪表分类及主要性能及适应条件做个简要介绍：

1 差压流量计

差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压，已知的液体条件和检测件与管道的几何尺寸不测量的仪表。如孔板流量计、文丘里管流量计及均速管流量计等。近年来，在国际范围内，差压流量在流量仪表总量中台数约占到50%-60%。我国的销售台数约为40%左右。差压流量计的精度在很大程度上决定于现场的使用条件。主要是流体的物性参数及和流体流动特性。整套流量计的精度还决定于差压变送器和流量显示仪的精度。因此，差压流量计是一种从设计、制造到安装使用要求很严格的仪表，在任何的环节失误都会产生很大的误差。另外，差压流量计输出信号与流量为平方关系，是非线性仪表，范围度较窄。压力损失大也是它的弱点之一。在安装条件方面，和其它推理式流量一样，要求有较长的直管段。

2 容积式流量计

容积式流量计是利用机械测量文件把液体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据计量室多次，重复地充满和排放该体积部分与流体的次数不测量液体体积总量。在流量仪表中是精度最高的一类。在国际市场上，其销售额在工业发展发达国家中占流量仪表的20%左右，我国销售额大约在20%左右。容积式流量计其优点如下：

精确度高，基本误差一般为±0.5%；特殊的可达±0.2%左右；
没有前置直管段的要求，这一点在现场使用中有重要意义；
可用在高粘度流体的测量，范围度宽，一般为10:1到5:1；
层直读式仪表，无需外部能源，操作方便。
任何仪表有其优点，也有其局限性，容积式流量计的缺点主要表现在：

结构复杂，体积大，笨重，故一般只适用于中小口径；
对被测介质种类，介质工况、局限性较大，适应范围窄；
安全性差，如检测活动件卡死，流体就无法通过；
部分形式容积式流量计在测量过程中会给流动带来脉动。
由于精度高，在石化、医药、食品以及能源等工业部门计量昂贵介质时。然而，由于需要定期维护，因此在放射性有毒流体等不允许人们接近的维护的场所不宜采用。目前，容积式流量计作为贸易结算储运交接仪表。

3 浮子流量计

浮子流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降，改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表。又称转子流量计。80年代，西方发达国家该种流量计的销售额约占流量仪表的10%-18%。我国约为15%左右。浮子流量计适用于小管径和低流速。常用仪表口径40-50mm以下，最小口径做到1.5-4mm。浮子流量计对直管段要求不高，并有较宽的流量范围度。目前，被广泛地应用在电力、石化、冶金等流程工业和污水处理等公用事业。主要用作直观流动指示或测量精度要求不高的现场指示仪表。

4 涡轮流量计

涡轮流量计是叶轮式流量(流速)计的主要品种，叶轮式流量计还有风速计、水表等。该流量计在石油、各种液体及天然气、煤气等领域有着广泛应用。90年代中期在世界范围内，其销售额在流量仪表总线中约占9%左右。而我国在90年代其年销售量约在2万台以下。主要特点：

高精度，对于液体一般为±0.25%R－±0.5%R,而介质为气体，一般为±1%-±1.5%R；
重复性好，短期重复性可达0.05%-0.2%,因此在贸易结算中是优先选用的流量计；
输出脉冲频率信号，无零点漂移，抗干扰能力强；
范围度宽，结构紧凑轻巧，安装维护方便；
难以长期保持较好的特性，需定期检验；
一般液体随粘度的增大，流量计测量下限值提高，范围度缩小，线性度变差；
流体物性(密度、粘度)对仪表特性有较大影响，受流速分布畸变和　转流的影响较大；
不适于脉动流和混和流的测量，同时，对被测介质的清洁度要求较高等。
5 电磁流量计

电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。近年来，发展速度较快，95年全球产量估计在13万台以上。其优缺点如下：

由于测量通通是一段无阻流检测件的光滑直管，不易阻塞适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相液体，如纸浆、泥浆等；
所测得的体积流量，不受流体密度、粘度、压力等变化明显的影响；
对直管段的要求较之其它流量仪表不高；
可测正、反双向流量，也可测脉动流量，并可应用于腐蚀性流体；
不能测量电导率很低的液体；
不能测量气体、蒸汽和含有较多大气泡的液体等。
目前，电磁流量计，其大口径仪表较多应用于给排水工程，中小口径常用于固液双相等难测流体，或高要求场所。如工业纸浆、矿浆、化学工业的强腐蚀液等。小口径、微小口径则常用于医药工业、食品工业、生物工程等有卫生要求的场所。

6 涡街流量计

70至80年代是涡街流量计迅速发展时期，开发出众多类型阻流体及检测性的涡街流量计，并大量投放市场。我国涡街在发展高峰期，曾达到数十家，应该说，涡街流量计尚属发展中的产品，无论在理论基础或是实验经验尚较差，目前最基本的流量方程经常引用卡曼涡街理论。优点和局限性：

优点：

结构简单牢固，安装维护方便；
适用的流体种类多。如液体、气体、蒸汽和部分混相流体；
精度较高、范围较宽、压损小。
局限性：

不适用于低雷诺数测量，故在高粘充、低流速、小口径情况下应用受到限制；
旋涡分离的稳定性受流速的影响。要求有足够的直管段；
力敏检测法对管道机械振动较敏感，不宜用于强振动场所；
仪表在脉动流、混相流中尚欠缺理论研究和实践经验；
涡街流量计在多年使用中，其效果并不理想，大致原因在产品的质量、选型不当，以及现场调整问题。
7 超声波流量计

由于超声波测量原因是长度与时间二个基本量的结合，其导出量溯源性较好，有可能据此建立流量的基准。超声波流量计的优缺点和局限性：

优点：

非接触测量，无需停产安装，这是在工业用流量仪表中具有的独特优点，适用于管网流动状况评估测定；
超声波流量计为无流动阻挠测量，故管　内无压力损失；
对于大型管道，不仅能带来方便的安装，更带来可观的经济效益。
局限性：

由于外装器不能用于衬里或结垢太厚的管道，以及不能用于衬里与内管壁剥离的管道(近年来，汇中公司开发出的插入式测量彻底的解决了这个问题。且能实现不停产安装、调试)。

超声波流量计以其独有的特性而迅速得到了广泛的应用。有数据显示到90年代中期全球年产量超过30000台，其它主要流量仪表还有科里奥利质量流量计、热式质量流量计、明渠流量计等。

　流量仪表的生产厂家在技术文件中都注明了准确度，它应是在试验室经严格的程序标定后确定的，但在现场条件下，大多数流量仪表都难达到这个准确度。

　　1.1 直管段长度对准确度的影响



　　1.2 直管段长度不足长期被忽视


　　 2 流动调整器（flowconditioners）

　　 2.1 流动调整器可改善流速分布




　　 3 多孔平衡节流装置

　　3.1 基本原理



　　 3.2 多孔平衡流量装置


　　 3.3 前直管段长度的表述

　　对于以上这些技术参数是否如厂商宣传的那么完美值得商榷，也有待实践证实。特别有关所需直管长度的表述，行业中一般确定为自节流件前端面（即多孔孔板）至上游阻力件出口的距离为前直管段长度，而多孔平衡流量计是由多孔孔板与短管组合成一个整体供货的。它所指的上游直管段0.5D是指平衡流量计进口法兰与阻力件之间的距离，平衡流量计的短管长度是（2～10D），是要占有现场直管段的，如此表述无论有意无意，效果是误导用户，而不是实事求是。

　　4 多孔整流式节流装置
 




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