流量測量是工業過程測量中的一個重要參數。在工業生產中承擔著兩類重要任務：其一為流體物資貿易核算儲運管理和污水廢氣排放控制的總量計量;其二為流程工業提高產品質量和生產效率，降低成本以及水利工程和環境保護等作必要的流量檢測和控制。

流量測量涉及廣泛的應用領域。過程測量、能源計量、環境保護、交通運輸等高耗能領域對流量測量的需求急速增長，為流量測量技術提出了新的要求。不僅要求流量測量儀表耐高溫高壓，而且能自動補償參數變化對測量精度的影響，從節約能源、成本核算、貿易往來及醫藥衛生等方面的特殊要求考慮，要求流量測量精度高、壓損小、可靠性高。

新技術、新器件、新材料和新工藝及新軟件的開發應用，使得流量計的測量準確度越來越高，流量的測量范圍越來越廣。同時流量計對測量介質的要求在降低，適用范圍也越來越寬，智能化程度及可靠性得到了很大的提高。

今天我們來說說幾種典型流體的流量測量技術。

微小流量的測量

半導體制造業、生物工程、精細化工等的興起，使流量測量向低端延伸，小流量計流量的要求在上世紀80∽90年代凸顯起來。何謂小流量?業界尚無公認的定義和界限，小流量因應用領域而異是一個模糊的概念。管道小流量測量體現于管徑小和流速低兩個層次，就流程工業而言，習慣上DN10甚至DN15以下管徑流量測量稱之小流量測量，通常其流量值液體為1L/min或0.06m3/h以下，流量儀表滿度流量時的流速低于0.1m/s。

1、測量方法

傳統小流量測量技術節流差壓(層流)法、浮子法和容積法等有了卓越的改進，新測量技術如超聲法、熱法、科里奧利法等也有成效地應于液體和氣體小流量測量。

2、特點

微小流量與一般流量測量相比較，具有以下特點。

1)雷諾數低

一般管道流動均為紊流流動，流量儀表也是針對紊流流動態設計的，而小流量儀表因管徑小常處于層流流動(例如管內徑6mm，流量0.05L/min，Re為1800或層流/紊流過渡區流態流動，小流量測量受使用中流體黏度變化影響頗大。

2)要用實際使用流體校準

液體流量儀表一般用水校準，氣體用空氣校準。若知道實際測量流體與校準流體間某些物性不同對示值有規律變化時，中大管徑流量儀表常以適當系數修正。但有些小流量儀表受黏度等流體物性影響大，須以實際使用流體校準。所幸流量小，用實際使用流體校準難度不大，但在作有害性流體校準時應注意安全和環境污染。

3)要求測量時防止污染流體

若測量潔凈氣體和純水常不允許接觸流體的儀表零件材料析出離子，例如半導體制備中儀表不能用金屬和玻璃制成，只能用塑料。流體中也不允許混入活動件的磨蝕塵粒。流量儀表流通通道要盡可能簡單，不應有潴留(指液體在體內不正常地聚集停留)部位，防止潴留介質變質。

4)氣泡和塵埃附著的影響

因管徑小黏性增加，液體中微細氣泡易在管系流動過程中積聚變大，使測量時指示不穩，精確度下降。流體中塵埃附著測量元件也要影響測量值，例如浮子流量計的浮子上沉積有肉眼覺察不出的附著層也會影響示值。

5)流量儀表品種使用上受到一定限制

在眾多測量原理流量儀表中，因各種原因小流量應用受到一些限制，當前能應用于小流量的品種如表格所示。

3、幾種小流量的測量儀表

1)差壓式

管路中接入差壓發生器(節流件)，測量其前后產生與 流速成比例的壓差，以此求取流量。在紊流時差壓與流速平方成正比，在層流時與流速成線性關系。小流量測量由層流元件(如瓦楞紙狀節流板)組成差壓發生器，以保證層流流動，這種差壓式儀表也稱層流流量計，最小可測流量5mL/min液體。差壓變送器內藏噴嘴或孔板也常用作小流量測量，最小可測量15mL/min液體。

本類儀表缺點是測量受黏度影響，并易堵塞，有潴留介質部位，接觸介質零部件不能全用塑料，應用局限較多。

2)浮子流量計

它利用浮子在垂直錐形管內隨著流量大小上下浮動改變流通面積，以浮子高度測定測量。若錐形度小，浮子密度和被測液體密度接近，滿度流量可小至10Ml/min;2mm直徑球形浮子儀表最小可至0.16Ml/min。結構簡單易制成全塑料儀表，應用于純水、潔凈氣體，但只是通過透明錐形管讀取流量值，無輸出信號作配比等流量控制。

日本曾發表可發信的小流量浮子流量計，稱做(Semiflow)流量計，如圖所示，浮子延伸下端為永久磁鐵7，由磁敏元件10檢出其位置。位置與輸出信號關系如圖所示。接觸液體部件均由氟塑料制成。最小規格的滿度流量為30mL/min，范圍度5:1，測量精度為±6%FS。

±1%R的意思精度是實際讀數的±1%，是個隨實際讀數變化的值，±2%FS的意思精度是滿量程的±2%，是個穩定的值。R是英文Read的第一個大寫字母，FS是英文FullSCAL(滿量程)的簡寫。

3)容積式流量計

小流量容積式流量計常見的有圓柱齒輪式和橢圓齒輪式儀表，通過磁性或光電檢出齒輪轉數，常用于測量石油制品，如動力機耗油量計量、潤滑油流量監測，以及各種添加劑注入量控制等。其優點是不受黏度、密度、流速分布影響，可測量高黏度液體;缺點是有活動部件會產生磨損微粒，壓損相對較大。

齒輪式儀表最小滿度流量為4L/min,精確度為±0.5%;橢圓齒輪式儀表最小滿度流量為0.1L/min，精確度為±2%，范圍度低黏度液體為10:1，中等黏度液體為100:1，高黏度液體則更高。

4)熱式流量計

它是在上世紀80年代初半導體制造業需求的推動下得到發展，現仍是其主要使用產業。熱式流量計是當前氣體小流量測量的主導品種，最小滿度流量為5mL/min(標準狀態)，測量精確度±(1-2)%FS。

近年市場上已有工業實用型液體熱式流量計，如荷蘭BronkHiTech公司、美國Brooks公司產品，最小滿度流量為0.034g/min，測量精確度+1%FS，響應時間1-3s。

若使用場所不容許加熱升溫，則可采用帕耳帖效應(Peltier Effect當有電流通過不同的導體組成的回路時,除產生不可逆的焦耳熱外,在不同導體的接頭處隨著電流方向的不同會分別出現吸熱、放熱現象。這是J.C.A.珀耳帖在1834年發現的。)制冷型熱式流量計，(美)Estech公司LF系列儀表滿度流量在0.01-100g/min范圍內有9種規格，響應時間2s。

熱式流量計測量質量流量，氣體儀表通常用空氣校準，空氣、氮氣等溫度壓力變化不大時(100℃，1Mpa以內)，測量值所受影響極小，測量其他氣體時用系數換算。若測量混合氣體的組分比率變化則要影響量值。

熱式流量計只能用于測量潔凈流體，微小流量型儀表測量管內徑小，僅0.5-0.8mm甚至0.2mm易堵塞。

5)超聲流量計

超聲流量計利用聲波在順流方向傳播速度增快，逆流方向減慢，同一傳播距離就有不同傳播時間，測量傳播時間差以求取流量，稱作傳播時間法超聲流量計。這種通用設計的儀表用于小管徑遇到的問題有：(1) 小口徑儀表聲程長度和所測時間過短，口徑小于50mm檢測有難度;(2)通常測量的是聲程在直徑位置上線平均流速，經轉換系數K換算成面平均流速，K隨雷諾系數而變，從層流區轉向紊流區K變化甚大，小管徑小流量儀表常落在層流轉向紊流區的過度區內。小流量超聲流量計需另辟途徑，趨避這兩不利因素。

超聲流量計測量液體若含有氣泡會使輸出大幅跳動，但近年帶微處理器的儀表做數學運算后，可防止輸出突然偏移這一缺點。

6)科里奧利質量流量計

它的特點是測量值不受流體物性影響，但壓力損失較大，較多用于液體，也可以用于中高壓氣體。荷蘭BronKhorst High-Tech公司Cori-Flow系列儀表有多種規格可測滿量程流量范圍為3.33g/min-600kg/h，最小流量0.33g/min，精確度±0.2∽1%R

7)電磁流量計

它的優點是測量通道是無阻擾的直管，無潴留部位。與液體接觸的僅是氟塑料內壁測量管和白金等電極，具有良好耐腐蝕性適宜于測各種藥液，但不能測低電導率≤-10E6S/cm的純水、酒精等。若僅從小流量這一視點作比較，電磁流量計不是強項，因為口徑小比常用口徑儀表小的多，流速不能用得過低，因此最小流量相對較大。小流量電磁流量計常用作注入藥液流量控制，如水廠用于原水和凝聚劑間流量配比控制。

ADMAG型微小電磁流量計規范中最小口徑DN2.5，滿度流量2.95L/min，此時平均流速10m/s，為管道常用經濟流速的5倍，精度為±0.5%R。

大流量的測量

隨著為提高效率推向大型化規模生產，流量儀表也經歷了一輪向大口徑擴展的變革，如電磁流量計口徑最大已經達3m，超聲流量計已經能用到5-10m管道。

大流量測量包括大口徑管路液體流量測量、氣體大流量測量等。

1、大口徑管路液體流量測量

(1)特點

①管路口徑大要求壓損越小越好。一般不允許用局部縮徑的方法提高流速。

②流速一般都不高。新設計安裝的管路，一般均選擇經濟流速。因為流速太低，勢必增加管路的投資，流速太高，會造成功力損耗大幅度增加，導致運行成本上升，都是不經濟的。但有些老管路，由于增產的需要而提高了流速。

③由于流速較低，流體中的污垢、淤泥等極易在管道內壁沉積。作系統設計時應考慮儀表與流體接觸部分的清洗。

④測量范圍度要求大。有些水管夜間和日間、冬季和夏季流量相差懸殊，多達1O-20倍，有些空調用水，到一定季節干脆就停用，因此，這些水的流量計就要求范圍度特別大。

⑤防護等級要求高。大口徑管路大多埋地敷設，為的是節省空間，在北方，也是防凍的需要。因此流量傳感器大多被安裝在儀表井內的管段上。由于雨水、井壁滲漏和管路外漏等原因常常引起井內水位上升而淹沒流量傳感器，所以設計時就應估計到這種情況，選用防持續浸水影響的流量傳感器，例如IP68的防護等級(由IEC(INTERNATIONALELECTROTECHNICAL COMMISSION)所起草。將電器依其防塵防濕氣之特性加以分級。)。

(2)儀表選型

①電磁流量計。

電磁流量計在大口徑水流量測量中占有極其重要的地位，這是因為該種儀表具有下列特點。

a.無可動部件，可靠性高，長期穩定性好。

b.無附加阻力。這一點對大口徑流量計有特別重要的意義

c.測量精確度高。典型產品在u≥1m/s時，精確度可達到±0.3%R甚至±0.2%R。

d.范圍度大。保證精確度的范圍度一般可達40：1，可測范圍可達200：1，例如IFM系列產品，在v=0.06m/s時，基本誤差仍可小于±2%R。

e.直管段要求相對較低。對于大口徑管路，這一點也很重要。有多種流量計要求前后直管達到30D，對于管徑1m以上的管路，就意味著須具備30m以上的直管段，這在多數情況下難以滿足。

f.有大口徑產品。國內最大可提供DN3000的產品，從而能滿足大口徑水流量測量的需要。

g.品種齊全。有防浸水型IP67及防持續浸水型IP68產品。

h.其不足之處是大口徑產品價格高，而且口徑越大價格增長得越快。盡管如此，像水廠、成品水和源水等計量，因牽涉到貿易結算，對計量精確度要求高，還是愿意花較多的錢選用電磁流量計。

②超聲流量計。

超聲流量計在大口徑管路的流量測量中占有重要地位，原因如下。

a.超聲流量計中的夾裝式，其價格與口徑無關，用來測量大口徑管路流量，投資較省。

b.超聲流量計能得到的測量精確度同管徑有關，管徑越大，有可能得到的精確度越高。有的供應商能提供帶測量管的多聲道時差式超聲流量計，精確度最高可達O.15級，但價格也相應升高。

c.既可測量導電液體，如水等，也可測量不導電液體。現在有很多單位添置數臺攜帶式(時差法)超聲流量計用于現場較大口徑液體流量計比對，一般都收到較好的效果。在DN≥150mm、v≥0.3m/s時，精確度可達±2%R。

③插入式流量計。

上述電磁流量計用在大口徑管道上，固然很好，但價格較貴，因此，在測量精確度要求不高的場合，插入式流量計就成為受歡迎的方法。

插入式流量計的價格只及滿管流量計的幾分之一到十幾分之一，是流量計的一種補充。另外，重量輕，壓損小，易于安裝和維修，是這種流量計的另一優點。

在大口徑管路流量計中，由于流速普遍較低，泥沙、污垢等容易在儀表表面沉積，因此，插入式流量計常常帶配套球閥，實現在不斷流情況下拆下儀表維護和檢查，從而提高測量系統的可靠性。

a.類型

插入式儀表有點流速計型和徑流速計型。其中插入式渦街、渦輪、電磁流量傳感器以及皮托管等屬點流速計型。差壓式均速管流量傳感器、熱式均速管流量傳感器等為徑流速型。

b.幾種插入式流量計的性能比較

插入式渦輪流量計。

價格較低，適合測量潔凈液體的流量。流體中含固體顆粒或黏稠物時，極易導致渦輪卡滯。流體中夾帶的纖維、四氟生料帶之類的異物，極易繞在渦輪葉片上，導致流量系數改變，而大口徑管路上要加裝網目數滿足要求的過濾器又不大現實，因而影響了人們對該種儀表的選用。

差壓式均速管流量計。

這種流量計在大口徑水流量測量中用得較多。主要原因是結構簡單，價格便宜，維修方便。因屬徑流速計型，只要儀表插入桿長度同管徑相吻合，儀表示值受管內流速分布的影響較小。

均速管在安裝時要特別注意引壓管中不能有氣體存在。

在水平管上的安裝位置。對于埋地敷設的大口徑管道，均速管要安裝在儀表井中，而配套的差壓計為了避免浸入水中，一般均安裝在地面上方。儀表投運時，分別打開差壓變送器的高低壓室上排氣口，排盡引壓管中的氣體，均速管測量到的信號就能準確地傳遞到變送器。

管道內水所溶解的氣體析出，同水的溫度和壓力的變化有關。水溫較高或壓力較低時，其氣體飽和溶解度比溫度較低或壓力較高時的氣體飽和溶解度小，所以水在輸送過程中，溫度升高和壓力降低都易引起它所溶解的氣體析出。

插入式渦街流量計。

這種儀表測量頭本身精確度可達±l%R，耐臟性比插入式渦輪流量計好，被測液體中有少量泥沙時也不會像均速管那樣容易引起故障，但受其測量原理的制約，用來測量水流量時，可測流速下限只能達到0.3m/s，因此，在測量對象的流速下限要求更低時，不能勝任。

2、氣體大流量的測量

氣體大管路流量的測量常見于城市煤氣、天然氣、風管、鍋爐和各種爐窯內的煙氣、石油煉廠和石化行業的火炬氣。這些流量的測量對經濟燃燒、保護環境以及貿易結算有著重要意義。

(1)氣體大流量測量的特點

a.口徑大，直管段往往難以保證

b.靜壓低，流速低，只允許有很小的壓力損失

c.流速變化范圍大，要求儀表具有較大的范圍度

d.流體含有粉塵，有時還含有焦油之類的黏稠物。

e.有些流體有腐蝕性。

f.氣體組分變化不定

g.流體溫度高

h.有些煙氣溫度降低后，溫度升高，甚至帶液。

(2)儀表選型

一般所述的插入式渦街流量計、插入式渦輪流量計、差壓均速管流量計，同樣適用于大口徑管道的氣體流量測量。但由于流體性質不同，應用時所存在的問題有明顯不同。

①插入式渦街流量計。

插入式渦街流量計的測量頭一般為DN50，對于常溫常壓條件下的空氣，可測流速下限約為6m/s。有很多測量對象，流速常常低于6m/s，尤其是水煤氣及某些馳放氣，由于氫含量較高，流體密度較小，旋渦對傳感器的推力相應變小，這時，能可靠測量的流速下限還要升高，所以，儀表往往滿足不了測量對象的要求。

渦街流量計指示的體積流量，不會因流體組分和溫度變化而產生密度變化的影響，但將壓力狀態下的體積流量換算到標準狀態，需要進行流體溫度、壓力和壓縮系數的補償。

在旋渦發生體的迎流面上如果附著很厚的黏稠物和灰塵，其形狀會發生變化，進而引起流量系數的變動，因此，需要定期拔出測量頭清除附著物。

②差壓式均速管流量計。

這種流量計在太口徑氣體流量測量中用得很普遍，其原因同大口徑水流量相似。差壓式均速管流量計在氣體流量測量中應用成敗的關鍵是引壓管不要被水滴堵住。由于定型的均速管產品所帶的切斷閥多半為針型閥，通徑較小，而流體中的水汽經冷凝變成液滴，如果針型間處理得不好或引壓管坡度欠合理，此液滴極易將通路封死。

差壓式均速管輸出的差壓信號一般都很小。當流體為常溫常壓的空氣時，如果流速為lOm/s，只能達到62.5Pa的差壓。這樣，一滴水滴將差壓傳輸通道封住，就足以將此差壓全部抵消掉。有的制造商將正負壓切斷閥改為通徑較大的直通閘閥，為保證儀表的可靠使用創造了條件。

差壓式均速管流量計不足之處主要有下列幾點。

a.流體組分變化時，密度相應變化，引起示值變化。而這種組分變化是隨機的，在沒有成分分析儀的情況下，難以將其對示值的影響予以清除。

b.相對流量較小時(一般以30%FS為界)誤差增大

c.由于難以逐臺測定其流量系數，因此難以通過JJG 640規程的檢定，一般不適宜用于貿易結算。

③插入式渦輪流量計。

用高靈敏度的插入式渦輪流量計測量潔凈氣體的流量，有很多明顯的優勢。其一是簡單可靠，價格較低;其二是線性分度，可測流速下限比渦街和均速管均低。

在這種儀表中，最重要的部分是軸承和軸，如果用一般材質制成，壽命不長。有些用戶選用瑞士專門技術制成的寶石軸承配上鎳基碳化鎢軸，壽命大大延長，換一次轉子組件和軸承最長的可用到5年，精確度仍在允許范圍±>0.3%R之內(用于油品測量)。

流體的清潔至關重要，黏稠的焦油和污垢會將轉子粘住或轉速減低。灰塵附著在渦輪上，流量系數要發生變化，因此，應定期清洗。

④熱式質量流量計。

熱式質量流量計一般是在圓形檢測桿(不銹鋼保護套管)的端部布置兩只熱敏元件(利用某些物體的物理性質隨溫度變化而發生變化的敏感材料制成)，其中參比熱敏元件同氣體的流動相隔離，而測量熱敏元件被放置在氣體的流路中，兩只熱敏元件被加熱到一定溫度，并組成惠斯登電橋(用來精確測量未知電阻器的電阻值)，當流路內的氣體流速增大時，測量熱敏元件被帶走的熱量增大，從而導致其溫度降低，阻值變小，橋路輸出相應增大。另外，流體壓力的增大和流體溫度的降低也都使敏感元件被帶走的熱量增大，最后使得橋路輸出與流體質量流量成正比。

由于測量熱敏元件的熱量損失主要是由氣體流動所引起，因此氣體組分的變化對流量示值影響很小。

這種儀表的最大優點是范圍度大，可達40：1。流體溫度最高可達到400℃。但由于熱絲與被測流體直接接觸，在流體含有油污之類的物質時，熱絲容易被污染而改變散熱條件，影響測量精確度，因此，有的公司推出帶清洗裝置的產品。

盡管流量測量技術發展日趨成熟，但是在測量和應用方面依舊不盡人意，儀表種類繁多，不同場合要選不同類型的儀表，至今尚無一種儀表的可靠性和準確度能滿足多類要求。

原文標題：典型流體的流量測量技術

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審核編輯：湯梓紅