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廈門宏控流量計(jì)的選型及應(yīng)用
摘 要：根據(jù)流量計(jì)的類型特征，重點(diǎn)介紹了9種流量計(jì)的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)，指出選用流量計(jì)時(shí)應(yīng)符合可靠性和經(jīng)濟(jì)性兩大原則，并就新工作原理流量儀表的研究和開發(fā)作了簡述。
關(guān)鍵字：流量計(jì) 類型特征 選型原則 研究開發(fā)
1 流量計(jì)的類型及特點(diǎn)
自然界中流體廣泛存在，常見的空氣、水和血液等均屬于流體。單位時(shí)間內(nèi)，流體流過管道或設(shè)備某處橫截面的數(shù)量稱為流量。流量測量是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工作，就流體對(duì)象而言，有各種液體、氣體和多相流體。測量條件差別也很大，進(jìn)行流量測量時(shí)的流體溫度范圍可自高溫至低溫乃至極低溫；壓力范圍可自超高壓至低壓；流量范圍可自大流量至微小流量；黏度范圍可自低黏度至高黏度；流態(tài)范圍有層流、紊流、脈動(dòng)流和各種多相流流型。因此，在具體進(jìn)行測量時(shí)應(yīng)根據(jù)測量對(duì)象和各種測量條件，采用相應(yīng)的流量測量方法。
測量流體流量的儀表統(tǒng)稱為流量計(jì)。流量測量方法和儀表的種類繁多，其測量原理結(jié)構(gòu)特性、適用范圍及使用方法各不相同。至今為止，可供工業(yè)用的流量儀表種類達(dá)60多種。品種如此之多的原因就在于至今還沒找到一種對(duì)任何流體、任何量程、任何流動(dòng)狀態(tài)以及任何使用條件都適用的流量儀表。
流量計(jì)的分類方式有多種，從原理上大體可分為差壓式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、速度式流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)等。本文將選差壓式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、浮子流量計(jì)、HKT渦輪流量計(jì)、HKE電磁流量計(jì)、HKGB渦街流量計(jì)等來分別闡述其原理和特點(diǎn)。
1.1 差壓式流量計(jì)
差壓式流量計(jì)是應(yīng)用流體流經(jīng)節(jié)流裝置所產(chǎn)生的靜壓差來測量流量的一種流量計(jì)。差壓式流量計(jì)由檢測件（一次裝置）、壓差信號(hào)管路和差壓計(jì)（二次裝置）組成，又稱節(jié)流式流量計(jì)，是目前應(yīng)用最廣的一類流量計(jì)。通常用節(jié)流裝置對(duì)差壓式流量計(jì)分類，如孔板流量計(jì)、文丘利管流量計(jì)和噴嘴等，節(jié)流裝置已標(biāo)準(zhǔn)化，稱為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置。二次裝置為各種機(jī)械、電子、機(jī)電一體式差壓計(jì)、差壓變送器及流量顯示儀表。它已發(fā)展為三化（系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化）程度很高的、種類規(guī)格龐雜的一大類儀表，它既可測量流量參數(shù)，也可測量其他參數(shù)，如壓力、物位、密度等。
差壓式流量計(jì)的檢測件按其作用原理可分為：節(jié)流裝置、水力阻力式、離心式、動(dòng)壓頭式、動(dòng)壓頭增益式及射流式六大類。差壓式流量計(jì)是一類應(yīng)用最廣泛的流量計(jì)，在各類流量儀表中其使用量占居首位。近年來，由于各種新型流量計(jì)的問世，它的使用量逐漸下降，但目前仍是最重要的一類流量計(jì)，適合于高溫流體流量的測量，可用于測量高溫液體、蒸汽和氣體，但其用以制造的鋼材及結(jié)構(gòu)必須和被測高溫流體的溫度和壓力相適應(yīng)。
差壓式流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)為：應(yīng)用最多的孔板式流量計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單牢固，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長；應(yīng)用范圍廣泛，至今尚無任何一類流量計(jì)可與之相比擬；檢測件與變送器、顯示儀表分別由不同廠家生產(chǎn)，便于規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。
差壓式流量計(jì)缺點(diǎn)為：測量精度普遍偏低；測量范圍窄，一般僅3:1-4:1；現(xiàn)場安裝條件要求高（上下游需有足夠長的直管段長度等）；壓力損失大（指孔板、噴嘴等）。
差壓式流量計(jì)應(yīng)用概況：差壓式流量計(jì)應(yīng)用范圍廣泛，在封閉管道的流量測量中，各種對(duì)象都有應(yīng)用。流體方面有單相、混相、潔凈、臟污、黏性流等；工作狀態(tài)方面有常壓、高壓、真空、常溫、高溫、低溫等；管徑方面可從幾毫米（mm）到幾米（m）；流動(dòng)條件方面有亞音速、音速、脈動(dòng)流等。它在各工業(yè)部門的用量約占流量計(jì)全部用量的1/4-1/3。
1.2 容積式流量計(jì)
容積式流量計(jì)又稱定排量流量計(jì)，簡稱PD流量計(jì)，在流量儀表中是精度最高的一類。容積式流量計(jì)的原理是利用機(jī)械測量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個(gè)已知的體積部分，根據(jù)測量室逐次重復(fù)地充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來測量流體體積總量。
容積式流量計(jì)形式眾多，應(yīng)根據(jù)所測流體的流量范圍、溫度、壓力、所用管徑、腐蝕性和黏度等選用。按其測量元件分類，可分為橢圓齒輪流量計(jì)、腰輪式流量計(jì)、刮板流量計(jì)、往復(fù)活塞流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì)、圓盤流量計(jì)、濕式氣體流量計(jì)、皮囊式流量計(jì)及伺服式流量計(jì)等。
容積式流量計(jì)與差壓式流量計(jì)、浮子流量計(jì)并列為三類使用量最大的流量計(jì)，常應(yīng)用于昂貴介質(zhì)（油品、天然氣等）的總量測量。
容積式流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)為：測量準(zhǔn)確度高；測量準(zhǔn)確度與流體種類、黏度、密度等物理量無關(guān)，也不受流動(dòng)狀態(tài)影響；量程比寬，可達(dá)10:1以上；直讀式儀表無需外部能源可直接獲得累計(jì)總量，清晰明了，操作簡便。
容積式流量計(jì)缺點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大；被測介質(zhì)種類、口徑、介質(zhì)工作狀態(tài)局限性較大；不適用于高、低溫場合；對(duì)被測介質(zhì)的清潔度要求嚴(yán)格，大部分儀表只適用于潔凈單相流體；產(chǎn)生噪聲及振動(dòng)。
1.3 浮子流量計(jì)
浮子流量計(jì)又稱轉(zhuǎn)子流量計(jì)，是變面積式流量計(jì)的一種，在一根由下向上擴(kuò)大的垂直錐管中，圓形橫截面的浮子的重力是由液體動(dòng)力承受的，從而使浮子可以在錐管內(nèi)自由地上升和下降。
浮子流量計(jì)是僅次于差壓式流量計(jì)應(yīng)用范圍最寬廣的一類流量計(jì)，特別在小、微流量方面有舉足輕重的作用。主要分為玻璃浮子流量計(jì)、電遠(yuǎn)傳金屬管浮子流量計(jì)、氣遠(yuǎn)傳金屬管浮子流量計(jì)等。
浮子流量計(jì)的特點(diǎn)：靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、直觀、使用方便、測量范圍大、價(jià)格低廉等；壓力損失較低。
1.4 HKT渦輪流量計(jì)
HKT渦輪流量計(jì)是速度式流量計(jì)中的主要種類，它采用多葉片的轉(zhuǎn)子（渦輪）感受流體平均流速，從而推導(dǎo)出流量或總量的儀表。一般由渦輪流量變送器（包括渦輪、磁電轉(zhuǎn)換裝置）前置放大器和顯示積算機(jī)構(gòu)兩部分組成，也可做成整體式。
HKT渦輪流量計(jì)和容積式流量計(jì)、HKC科里奧利質(zhì)量流量計(jì)稱為流量計(jì)中三類重復(fù)性、精度最佳的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于石油、有機(jī)液體、無機(jī)液體、液化氣、天然氣和低溫流體的流量測量。
HKT渦輪流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)為：高精度，在所有流量計(jì)中，屬于最精確的流量計(jì)；重復(fù)性好；無零點(diǎn)漂移，抗干擾能力好；范圍度寬；結(jié)構(gòu)緊湊。HKT渦輪流量計(jì)缺點(diǎn)為：不能長期保持校準(zhǔn)特性；流體物性對(duì)流量特性有較大影響。
1.5 HKE電磁流量計(jì)
HKE電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種測量導(dǎo)電性液體的儀表。它是利用導(dǎo)電體在磁場中流動(dòng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢，推算并顯示流量的流量計(jì)，通常由電磁傳感器、轉(zhuǎn)換器和顯示儀表組成。
HKE電磁流量計(jì)可用于測量電導(dǎo)率大于10-7S/m的多種導(dǎo)電液體的體積流量，特別適用于測量各種酸、堿、鹽等腐蝕性溶液；各種磨損性較大的礦漿、水泥漿；各種纖維溶液、低漿及對(duì)衛(wèi)生要求嚴(yán)格的酒、牛奶和糖漿等的流量，但不能用于測量氣體和蒸汽的流量。20世紀(jì)七八十年代電磁流量在技術(shù)上有重大突破，使它成為應(yīng)用廣泛的一類流量計(jì)，在流量儀表中其使用量不斷上升。
HKE電磁流量計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，大口徑儀表較多應(yīng)用于給排水工程；中小口徑常用于高要求或難測場合，如鋼鐵工業(yè)高爐風(fēng)口冷卻水控制，造紙工業(yè)測量紙漿液和黑液，化學(xué)工業(yè)的強(qiáng)腐蝕液，有色冶金工業(yè)的礦漿；小口徑、微小口徑常用于醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、生物化學(xué)等有衛(wèi)生要求的場所。
HKE電磁流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)為：測量通道是段光滑直管，不會(huì)阻塞，適用于測量含固體顆粒的液固二相流體；不產(chǎn)生流量檢測所造成的壓力損失，節(jié)能效果好；所測得體積流量實(shí)際上不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的明顯影響；流量范圍大，口徑范圍廣；可應(yīng)用腐蝕性流體。
HKE電磁流量計(jì)缺點(diǎn)為：不能測量電導(dǎo)率很低的液體，如石油制品；不能測量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體；不能用于較高溫度；成本較高。
1.6 HKGB渦街流量計(jì)
HKGB渦街流量計(jì)是在流體中安放一根非流線型旋渦發(fā)生體，流體在發(fā)生體兩側(cè)會(huì)周期性交替向下游分離釋放流體旋渦，并在下游形成兩串規(guī)則地交錯(cuò)排列的游渦隊(duì)列（卡門渦街）的儀表。HKGB渦街流量計(jì)由旋渦發(fā)生體、檢測器、放大器及轉(zhuǎn)換器組成，可以直接用數(shù)字輸出或與數(shù)字式顯示儀表等配套使用。HKGB渦街流量計(jì)按頻率檢出方式可分為：應(yīng)力式、應(yīng)變式、電容式、熱敏式、振動(dòng)體式、光電式及超聲式等。
HKGB渦街流量計(jì)是屬于最年輕的一類流量計(jì)，但其發(fā)展迅速，目前已成為通用的一類流量計(jì)。HKGB渦街流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)簡單牢固；適用流體種類多；精度較高；范圍寬；壓力損失小。
HKGB渦街流量計(jì)缺點(diǎn)為：不適用于低雷諾數(shù)測量；需較長直管段；儀表系數(shù)較低（與HKT渦輪流量計(jì)相比）；儀表在脈動(dòng)流、多相流中尚缺乏應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。
1.7 HKU超聲流量計(jì)
HKU超聲流量計(jì)是通過檢測流體流動(dòng)對(duì)超聲束（或超聲脈沖）的作用以測量流量的儀表。它是由超聲波換能器等構(gòu)成的檢測部分、電子線路（包括發(fā)射、接收電路和信號(hào)處理電路）以及指示、累積和記錄儀表組成。根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測的原理，HKU超聲流量計(jì)可分為傳播速度差法（直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法和頻差法）、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法、空間濾法及噪聲法等。
HKU超聲流量計(jì)和HKE電磁流量計(jì)一樣，因儀表流通通道未設(shè)置任何阻礙件，均屬無阻礙流量計(jì)，是適于解決流量測量困難問題的一類流量計(jì)，特別在大口徑流量測量方面有較突出的優(yōu)點(diǎn)，近年來它是發(fā)展迅速的一類流量計(jì)之一。傳播時(shí)間法主要應(yīng)用于工廠排放液、液化天然氣等；氣體應(yīng)用方面在高壓天然氣領(lǐng)域有使用良好的經(jīng)驗(yàn)；而多普勒法則適用于異相含量不太高的雙相流體，例如未處理污水、工廠排放液、臟流程液等，通常不適用于非常清潔的液體。
HKU超聲流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)為：可做非接觸式測量；為無流動(dòng)阻撓測量，無壓力損失；可測量非導(dǎo)電性液體，對(duì)無阻撓測量的HKE電磁流量計(jì)是一種補(bǔ)充。
HKU超聲流量計(jì)缺點(diǎn)為：傳播時(shí)間法只能用于清潔單相液體和氣體，而多普勒法只能用于測量含有一定量懸浮顆粒和氣泡的液體；多普勒法測量精度不高。
1.8 HKC科里奧利質(zhì)量流量計(jì)
HKC科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（以下簡稱CMF）是利用流體在振動(dòng)管中流動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質(zhì)量流量儀表。這種流量計(jì)可以測量單相流體，也可用以測量氣液兩相流和液固兩相流體的流量，但在測氣體流量時(shí)誤差較大。
我國CMF的應(yīng)用起步較晚，近年已有制造廠自行開發(fā)供應(yīng)市場，也有組建合資企業(yè)或引用國外技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。
1.9 HKM明渠流量計(jì)
與前述幾種流量計(jì)不同，它是在非滿管狀敞開渠道測量自由表面自然流的流量儀表。非滿管態(tài)流動(dòng)的水路稱作明渠，測量明渠中水流流量的稱作HKM明渠流量計(jì)（open channel flowmeter）。HKM明渠流量計(jì)除圓形外，還有U字形、梯形、矩形等多種形狀。HKM明渠流量計(jì)應(yīng)用場所有城市供水引水渠；火電廠引水和排水渠、污水治理流入和排放渠；工礦企業(yè)水排放以及水利工程和農(nóng)業(yè)灌溉用渠道。
2 流量計(jì)的選用
選用流量計(jì)時(shí)應(yīng)符合可靠性及經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)原則，要考慮的因素有被測流體種類、工作參數(shù)、物性、流動(dòng)狀態(tài)、流體相的組成、流量范圍、容許壓力損失、精度要求、價(jià)格限制、用途要求、安裝條件等。
流量刻度換算是指將實(shí)際工況下被測流體的流量換算成刻度情況下水或空氣的流量，然后按換算后的流量來選用流量計(jì)。
3 新工作原理流量儀表的研究和開發(fā)
3.1 靜電流量計(jì)（electrostatic flowmeter）
日本東京技術(shù)學(xué)院已研制成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)。靜電流量計(jì)的金屬測量管絕緣地與管系連接，測量電容器上靜電荷便可知道測量管內(nèi)的電荷。他們分別作了內(nèi)徑d4mm~d8mm銅、不銹鋼等金屬和塑料測量管儀表的實(shí)流試驗(yàn)，試驗(yàn)表明流量與電荷之間接近于線性。
3.2 復(fù)合效應(yīng)流量儀表（combined effects meter）
該儀表的工作原理是基于流體的動(dòng)量和壓力作用于儀表腔體產(chǎn)生的變形，測量復(fù)合效應(yīng)的變形求取流量。本儀表由美國GMI工程和管理學(xué)院開發(fā)。
3.3 轉(zhuǎn)速表式流量傳感器（tachmetric flowrate sensor）
由俄羅斯開發(fā)研制，主要基于懸浮效應(yīng)理論來研制。該儀表已有若干現(xiàn)場應(yīng)用成功的事例。
4 結(jié)語
由上述可知，流量計(jì)發(fā)展到今天雖然已日趨成熟，但其種類仍然極其繁多，由于流量測量的復(fù)雜性，至今尚無一種對(duì)于任何場合都適用的流量計(jì)。每種流量計(jì)都有其適用范圍，也都有局限性。這就要求我們：第一，在選擇儀表時(shí)，一定要熟悉儀表和被測對(duì)象兩方面的情況，并要兼顧考慮其他因素，這樣測量才會(huì)準(zhǔn)確；第二，盡快研制新型儀表，使其在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上更加完善。