工业流量仪表选型分析 流量仪表技术指标

摘 要： 工业生产过程中流量仪表种类较多，在实际应用选型时应充分考虑流量检测装置的安全性、测量介质的工况、仪表的准确度、经济性等多种因素，通过上述综合考虑做出合理选型。
关键字： 流量仪表 选型 介质工况 仪表准确度

1 前言

流量参数是工业生产检测过程中四大重要参数之一，同时也是最难测量的参数。国内外比较早是以孔板、喷嘴和文丘里管为代表的节流装置作为流量测量元件，配以导压管和差压变送器组成差压式流量计，并以此作为测量标准，即无须实验校准，通过查表计算确定差压与流量的关系，并可估算其测量误差。随着科技发展，新型的流量检测仪表迅速得到推广应用，根据其原理分为差压式流量计、容积式流量计、涡轮流量计、电磁流量计、浮子流量计、涡街流量计、超声波流量计、质量流量计，不同原理的流量计对应不同的介质和工况，实践选型中要综合各方面因素统一考虑。

2 流量计测量原理和应用范围

1）差压式流量计。差压式流量计由差压变送器和节流装置组成，通过测量介质流经节流装置时产生的静压差来确认流量数值，它是比较早的测量方式，其节流装置已形成标准［1］。标准节流装置以孔板、喷嘴和文丘里管为代表，随着节流装置的优化改进，各种非标准节流装置得到了广泛地应用和推广。可以测量液体、气体、蒸汽等介质，适应多种环境，广泛应用于冶金、石化、电力等行业。

2）容积式流量计。容积式流量计是利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。容积式流量计加工成本高、体积较大，对前后直管段无特殊要求，适应于洁净单相流体，可用于高黏度液体的测量（油品和天然气），精度较高。不适用于高、低温场合，需定期校准。

3）涡轮流量计。当流体流经传感器壳体时，流体的冲力使叶片旋转，在一定的条件下，转速与流速成正比，通过测量涡轮转速即可得知流体的流量。涡轮流量计安装要求严格，可以水平安装在管道上，安装场所要求无强电磁干扰与热辐射源。适应于洁净的气体、液体，精度等级高于0.2级，价格较贵，不适用于高、低温场合。

4）电磁流量计。电磁流量计原理是基于法拉第电磁感应定律。电磁流量计不受温度、压力、黏度、重度等外界因素影响，流量计本体没有可动部件，不受流体的影响，测量管内无收缩或凸出部件，对流体无压损，电磁流量计是导电液体测量的较佳选择，同时还能测量污水、浆状流体、固液两相、腐蚀性等导电介质。电磁流量计测量范围广，测量精度高，一般为0.5级。

5）浮子流量计。浮子流量计检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成，被测流体从下向上经过锥管和浮子形成环隙时，带动浮子上下变化，通过浮子的位置算出流量值。浮子流量计适用于小管径、低流速、小流量的测量。浮子流量计结构简单，价格较低，精度较低，现场指示流量使用方便。

6）超声波流量计。其原理是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传播时速度之差来测量流体的流速。流量计安装要求严格，对两点距离要求精确，同时要求直管段较长，属于非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量，如污水、明渠等流体。不适应于高温（200℃）介质，精度低（1～1.5级）。

7）涡街流量计。涡街流量计是应用流体振荡原理来测量流量的。涡街流量计适用于测量液体、气体或蒸汽，测量范围广，测量精度较高（0.5～1级）。在测量工况体积流量时受流体物性变化影响小，测量介质温度能达400℃，涡街流量计要求的直管段较长，安装处管道不能有振动，流体流动不能为脉动流。

8）质量流量计。质量流量计是依据科里奥利原理［2］。可测气体、液体、浆液。测量管路内无阻碍件和活动件，压损小，无上下游直管段要求，测量精度高（0.5～0.2级）。测量低密度介质和低压气体误差大，要求测量管道不能振动，流量传感器安装固定要求严格，适应小管径（＜200mm）测量，加工精度高，价格较高。

3 选型分析

流体流量是一个动态量，处于运动状态的流体内部不仅存在着粘性摩擦作用，还会产生不稳定的旋涡和二次流等复杂流动现象。测量仪表本身受到众多因素的影响，选型应根据流体工况特性、安装要求、环境条件、经济性等因素合理选型。

1）安全性能，即流量传感器在运行中不会发生机械强度或电气回路故障而引起事故。如高温高压流体其流量传感器一般选用无可动部件、强度高的标准节流装置（标准孔板、涡街、弯管等）或非接触式流量计，且材质要求耐磨，而不选用插入式流量计或结构强度低的靶式、涡轮流量计，以确保在高速汽流冲刷下不发生节流装置或传感器损坏造成介质泄露。测量腐蚀性介质时，根据腐蚀性强度选用合适内衬材质，可燃性气体的环境应选用防爆型仪表。

2）流体特性。流体特性主要指流体成分、温度、压力、黏度等。根据实际情况逐步确认选型范围。首先从成分（液体、气体、蒸汽、脏流污程度）区分，差压式流量计和涡街流量计基本适应以上流体。导电性液体可电磁流量计，小管径液体、气体测量可选用浮子流量计，洁净单相高黏度液体、气体的测量可选用容积式流量计。采用机械式（热胀冷缩）测量元件和电气绝缘材料限制的流量计，不适应高低温流体，如容积式流量计、涡轮流量计、电磁流量计、超声波流量计。流体压力变化，其密度发生变化导致测量数据变化，差压式流量计和涡街流量计需引入温压补偿修正测量数据。黏度主要受温度、压力影响，黏度变化改变流体的流动状态，从而影响流量计的流量系数，最终导致测量数据不准确。

3）安装环境。现场安装环境主要指测量管径大小、直管段长度、管道是否有振动、周围是否有强磁场干扰和高温辐射热等。管径＞800mm可选用插入式流量计；根据实际直管段长度可选用带自整流的节流装置，如V形锥、双文丘里；涡街流量计由于测量漩涡释放频率，故振动干扰大；强磁场对电磁流量计和电信号放大处理器干扰大，高温辐射造成电子元件发热影响使用寿命，可把测量元件部分和信号处理部分分开，即选用分体式流量计。

4）节能性。流体经过流量仪表前后的压损，压损值越小节能性越好。非接触式如超声波流量计、电磁流量计、弯管流量计无压损；差压式节流装置都存在压损；非标准节流装置压损相对较小，如涡街、威力巴、均速管、圆缺孔板、V形锥等；标准节流装置压损相对较大，如文丘里、标准孔板。

5）准确度和经济性。要求流量测量系统的误差小、精度等级高、重复性好、量程比宽。一般本身其性能相对稳定、重复性好、使用寿命较长、量程比范围宽的流量计有利于后期增加工艺设备测量参数调节，从而减少投资。系统精度高的流量计其价格相对要高，在保证工艺要求的准确度范围内，综合后期维修费用合理选择。流量计的标定非常重要，由于大部分类型的流量计其流量系数和仪表常数都是实体标定得出，标定系数的数据直接影响运行参数的准确性，因此要选择有能力进行实体标定的制造单位。

6）介质工况。生产过程中需特别注意的是流体的流向可能发生变化问题，有些工艺生产中流体流向会发生短暂改变，如双膛型石灰窑炉膛在燃烧和蓄热变换期间煤气需切断，为保护前方煤气加压，把连接煤气加压机进出口管道的回流阀打开，回流阀打开期间，管道内的压力瞬间降低，管道内残存煤气发生倒流现象，从而影响仪表的使用和安全。

7）工艺参数。根据工艺参数选择仪表的型号、规格。工艺参数是确定仪表具体型号、规格的最终依据，工艺参数要详细、清楚，稍有差错就会导致仪表测量数据不准确，甚至不能使用。例于低压流体（如煤气）工作压力变化引起流量变化较大，因而压力参数范围要小且准确。一般流量计耐压要高于现场工作压力一个等级，流体流速要达到流量计要求的最低流速，否则要缩径处理，流量检测元件材质要满足流体要求，量程范围应合适等。

综上所述，不同类型的仪表其内部结构、测量原理和方式都不相同，适用的工作条件也不一样，其使用方法、安装方法，每种型式都有它特有的优缺点。因此在流量计选型时要多方面考虑，对流量计的特性作全面比较，综合选择出适于生产要求、安全可靠、准确节能、经济耐用的流量仪表。

参考文献：
［1］孙延祚.论流量计的合理选型［C］//第十八届多国仪器仪表学术会议暨展览会学术论文集，2007.
［2］蔡武昌.新型流量检测仪表［M］.北京：化学工业出版社，2006. 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.

   关于智能远传型流量仪表的故障维修，首先应弄懂仪器仪表的基本原理，并掌握有关电子方面的知识和技能，而且应备好所有仪器仪表的说明书、图纸等技术资料，另外应养成一种良好的工作素质，从而在仪器仪表的维修工作中提率，减少失误。以下是对维修工作的九点建议：

       1、使用逻辑笔、示波器检测信号的时候，特别注意不能使探针同时接触两个测量引脚，因为这种情况的实质是在加电的情况下形成短路，仪器有坏的可能。

       2、用万用表欧姆档测量的时候，千万不要带电操作测量。

       3、在潮湿环境下检修仪表故障时，对印刷线路用万用表测其各点是否通畅很有必要，因为这种情况下的主要故障是铜箔腐蚀。

       4、检测电源中的滤波电容的时候，应该先将电解电容器的正负极短路一下，而且短路时不能用表笔线来代替导线对电容器进行放电，因为这样容易烧断芯线。可以取一只带灯头引线的220V，60～100W的灯，接于电容器的两端，在放电瞬间灯泡会闪光。

       5、不要带电插拔各种控制板和插头。因为在加电情况下，插拔控制板会产生较强的感应电动势，这时瞬间反击电压很高，很容易损坏相应的控制板和插头。

       6、检修仪表内部电路时，如果安装元件的接点和电路板上涂了绝缘清漆，测量各点参数时可用普通手缝针焊在万用表的表笔上，以便刺穿漆层直接测量各点，而不用大面积剥离漆层。

       7、修理精密仪器仪表时，如不慎将小零件弹飞，应首先判断可能飞落的地方，切勿东找一下，西翻一下，可采取磁铁扫描和视线扫描方法进行寻找。

       8、拆卸、调整仪表时，应记录原来的位置，以便复原。

       9、检修时不要盲目乱敲乱碰，以免扩大故障，越修越坏。

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