流量仪表的分类和主要性能介绍 流量仪表技术指标

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。

流量仪表故障判断思路

　　流量仪表出现故障时，首先检查现场的导压管及阀门等管路附件，有无堵塞、泄漏现象，然后再检查变送器，如果现场仪表都正常，则为显示仪表有故障。

　　流量显示值变为最大时，对流量控制系统，可手动操作调节阀，看流量能否降下来，如果流量仍然降不下来，大多是仪表的原因，可先检查现场仪表有无故障。

　　流量测量、控制系统的流量显示值变为最小，除工艺原因外（如停车、停机泵、工艺管堵塞等），通常流量显示值是不应该为最小的，否则故障大多是由仪表原因造成的。

　　流量参数的波动较频繁时，为判断流量参数的波动原因，可将控制系统切至手动观察波动情况，如流量曲线波动仍较频繁，一般为工艺原因，如波动减小，一般是仪表原因或参数整定不当引起的。

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流量仪表 流量仪表故障判断思路_流量仪表 1 前言

流量是工业生产过程中常用的过程控制参数。目前，市场上大约有超过100种不同的流量仪表，不过其中有一些属于实验室仪表，不适合工业应用。随着科学技术的发展，新型的流量仪表还在不断涌现。用户应当首先了解流量仪表的性能特点， 再结合所应用场合的工况条件，选择性能合适的产品。

2 流量仪表的类型及特性

流量仪表的分类方法很多，至今国内外还没有统一的标准。表1列出了工业生产过程中常用的七大类流量仪表的型式及其主要性能特点。下面分别作简要介绍。

2.1 差压型

差压测量技术是目前应用广泛的一种流量测量方法，几乎能测量各种工况下单相流体和高温高压下流体的流量。20世纪70年代，这种技术曾占到市场份额的80%。今天，随着新技术的应用，这个比例已降至40%左右，仍占了近“半壁江山”。差压型流量计一般由节流装置、变送器两部份组成。节流装置常见的有孔板、喷嘴、毕托管、均速管等。节流装置的作用是使流经的流体收缩且在其上、下游产生差压。根据伯努利能量守恒定律和连续性方程可以得出：

式中，Q为体积流量；

ΔP为测得的节流件上、下游差压；

K为常数，它与节流件的几何形状、直径比以及流体的温度、压力、粘度、密度等因素有关。

由于是平方根关系，所以差压型流量仪表的测量范围一般不大，只有3∶1~5∶1。在此范围内，孔板的读数精度约为2%~3%， 文丘里管的读数精度约为3%~4%。各种节流装置中，孔板由于其结构简单，安装方便，所以较为常用。但是它对加工尺寸要求严格。只要按规范要求加工、安装，经检验合格后就可以在不确定度范围内进行流量测量，而不需要用实验检定。所有节流装置都有一个不可恢复的压力损失， 压损最大的是锐边孔板， 为仪表最大差压的25%~40%。毕托管的压损则很小，可以忽略不计，但它对流体形面的变化非常敏感。

2.2 变面积型

这种类型流量计的典型代表是转子流量计。对于3″以内的管道，此流量计效果较好。它的突出优点是直接就地测量时不用外加电源。转子流量计按其制造材料不同，分为玻璃转子流量计和金属管转子流量计两大类。玻璃转子流量计结构简单，转子位置清晰可见，易读数，多用于常温、常压、透明和腐蚀性介质，如空气、煤气、氩气等。金属管转子流量计一般带有磁性连接指示器，用于高温、高压的场合，并且能传输出标准信号与记录仪等配套使用，计量累积流量。目前市场上有一种带加载弹簧锥形头的垂直式变面积式流量计，它没有冷凝室和缓冲室，测量范围达到100∶1，并且是线性输出，最适于蒸汽的测量。

2.3 振荡型

涡街流量计是振荡型流量仪表的典型代表。它是在流体前进方向上放置一非流线形物体，流体在该物体后方形成两列规则的非对称漩涡列。漩涡列的频率与流速成一定比例。这种测量方法的特点是管道内无可动部件，读数重复性、可靠性好，使用寿命长，线性测量范围宽（气体约为30∶1，液体约为10∶1），几乎不受温度、压力、密度、粘度等变化的影响，压力损失小， 精度高（约0.5%~1%）。其工作温度可达300℃以上，工作压力可达30MPa以上。但流体流速分布情况和脉动流会影响测量精度。不同的介质可采用不同的漩涡感测技术，对于蒸汽可用振动盘式或压电晶体式，对于空气可采用热力式或超声波式，对于水，几乎所有感测技术都适用。和孔板一样，涡街流量计的流量系数也是由一组尺寸来决定的。

2.4 电磁型

这类流量计是利用导电的流体流经磁场时产生感应电压的大小来检测流量的。因此它只适用于导电介质（目前已有适用于导电率低至0.008μs/cm介质的产品）。从理论上讲，这种方法不受流体的温度、压力、密度和粘度的影响，量程比可达100∶1，精度约为0.5%。适用管径从2mm到3m。广泛应用于水、泥浆、纸浆或腐蚀性介质的流量。电磁型流量计由于信号微弱，满量程时，通常只有2.5~8mV，流量很小时仅有几毫伏。易受外界干扰。因此，要求变送器的外壳、屏蔽线、测量导管、变送器两端的管道都要接地并单独设置接地点，绝对不要连接在电机、电器等的公用地线上。

2.5 超声波型

这类流量计较为常见的是多普勒流量计和时差流量计。多普勒流量计是根据被测流体中移动目标所反射的声波频率的变化来检测流量的。此法适于测量高速流体，不宜测量低速流体，且精度较低，对管道内壁的光滑程度要求较高，但它的电路简单。

时差流量计是通过超声波在注流体中顺流和逆流传播的时间差来测量流量的。由于时差的数量级很小（一般为10~6s），因此，为保证测量精度，对电子线路的要求较高，从而仪表的成本相应增加。时差流量计一般适用于纯净且流速场均匀的层流液体。对于紊流液体，可采用多声束时差流量计。

2.6 动量矩型

这类流量计是根据动量矩守恒原理， 通过流体冲击旋转部件（叶轮、螺旋器等），使之旋转，而旋转部件的转速与流速成比例关系。再利用磁学、光学、机械计数等方法将转速转换成电信号， 从而计算出流量。

涡轮流量计是这类仪表中应用广泛且精度较高的一种。它适用于气体、液体介质，但在结构上略有不同。用于气体的，其叶轮角度较小， 而且叶片数量多。涡轮流量计的精度可达0.2%~0.5%，在狭小范围内可达0.1%。量程比约10∶1。压损小，耐压高。但它对流体的洁净度有一定要求，且易受流体密度和粘度的影响， 口径越小，影响越大。和孔板一样，要保证安装点前后有足够的直管段，以避免流体旋转而改变对叶片的作用角度。

2.7 正位移型

这类仪表的工作原理是根据旋转体每旋转一周，流体精确移动一个固定量来测量的。仪表的设计方式各异，如椭圆齿轮流量计、旋转活塞流量计、刮板流量计等等。椭圆齿轮流量计的量程比较大，可以达到20∶1，且精度高。但运动齿轮易被流体中的杂质卡死。旋转活塞流量计单位流通量大，但由于结构上的原因，泄漏量较大， 精度差。正位移型的流量计基本与流体粘度无关，适用于油脂类、水等介质，但不适用于蒸汽、空气等介质。

上述的每一种流量计各有自己的优、缺点，但是，即使是同一种型式的表，不同厂家提供的产品，其结构、性能也不尽相同。

3 流量计的选择

面对庞大的流量计家族， 要想选择一款经济实用的仪表，确非易事。其中要考虑的因素很多：精度、可靠性、费用、流体特性及其他种种因素。根据笔者多年仪表选型的实践，大致可参考以下4个方面：

（1）仪表的工作性能，包含：精度、可靠性、线性、量程范围、压降、输出信号特性、响应时间、瞬时量或累积量。

（2）流体的物理、化学特性，包含：液体或气体、流体温度、流体压力、流体密度、流体粘度、润滑度、化学特性、表面张力、压缩系数。

（3）现场安装条件及环境，包含：流向、管径、安装位置、环境温度、压力、湿度、直管段长度、电气连接、附件的安装、附近的电气干扰、脉动的影响、震动的影响。

（4）成本费用，包含：采购价格、安装费用、操作费用、维护费用、校验费用、仪表寿命、备件费用、操作工的培训费用。

用户在选择时，不可能面面俱到，要权衡利弊。不过， 最后的抉择往往是在成本费用和仪表性能之间。

4 结束语

随着生产工艺复杂程度和自动化程度的提高，会对流量测量及控制提出更新、更高和更多的要求，如5~7m特大口径、特大流量测量；超微小流量测量；钢水等高温介质的流量测量；液氮等超低温介质的流量测量，等等。近年来，核磁共振流量计、放射性同位素流量计等新型仪表已日臻完善，流量测量精度也在不断提高。

参考文献
[1]翟秀贞，谢纪绩.差压型流量计[M].北京：中国计量出版社，1995.
[2]范玉久等.化工测量及仪表[M].北京：化学工业出版社，1981.
[3]丁元杰，徐宝华，吴显明等.常用热工计量器具手册[M].北京：化工部上海化工计量测试中心，1989.

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