典型流体的流量测量技术

流量测量是工业过程测量中的一个重要参数。在工业生产中承担着两类重要任务：其一为流体物资贸易核算储运管理和污水废气排放控制的总量计量；其二为流程工业提高产品质量和生产效率，降低成本以及水利工程和环境保护等作必要的流量检测和控制。 

流量测量涉及广泛的应用领域。过程测量、能源计量、环境保护、交通运输等高耗能领域对流量测量的需求急速增长，为流量测量技术提出了新的要求。不仅要求流量测量仪表耐高温高压，而且能自动补偿参数变化对测量精度的影响，从节约能源、成本核算、贸易往来及医药卫生等方面的特殊要求考虑，要求流量测量精度高、压损小、可靠性高。

新技术、新器件、新材料和新工艺及新软件的开发应用，使得流量计的测量准确度越来越高，流量的测量范围越来越广。同时流量计对测量介质的要求在降低，适用范围也越来越宽，智能化程度及可靠性得到了很大的提高。 

今天我们来说说几种典型流体的流量测量技术。

微小流量的测量

半导体制造业、生物工程、精细化工等的兴起，使流量测量向低端延伸，小流量计流量的要求在上世纪80∽90年代凸显起来。何谓小流量？业界尚无公认的定义和界限，小流量因应用领域而异是一个模糊的概念。管道小流量测量体现于管径小和流速低两个层次，就流程工业而言，习惯上DN10甚至DN15以下管径流量测量称之小流量测量，通常其流量值液体为1L/min或0.06m³/h以下，流量仪表满度流量时的流速低于0.1m/s。

1、测量方法

传统小流量测量技术节流差压（层流）法、浮子法和容积法等有了卓越的改进，新测量技术如超声法、热法、科里奥利法等也有成效地应于液体和气体小流量测量。

2、特点

微小流量与一般流量测量相比较，具有以下特点。

1）雷诺数低

一般管道流动均为紊流流动，流量仪表也是针对紊流流动态设计的，而小流量仪表因管径小常处于层流流动（例如管内径6mm，流量0.05L/min，Re为1800或层流/紊流过渡区流态流动，小流量测量受使用中流体黏度变化影响颇大。

2）要用实际使用流体校准

液体流量仪表一般用水校准，气体用空气校准。若知道实际测量流体与校准流体间某些物性不同对示值有规律变化时，中大管径流量仪表常以适当系数修正。但有些小流量仪表受黏度等流体物性影响大，须以实际使用流体校准。所幸流量小，用实际使用流体校准难度不大，但在作有害性流体校准时应注意安全和环境污染。

3）要求测量时防止污染流体

若测量洁净气体和纯水常不允许接触流体的仪表零件材料析出离子，例如半导体制备中仪表不能用金属和玻璃制成，只能用塑料。流体中也不允许混入活动件的磨蚀尘粒。流量仪表流通通道要尽可能简单，不应有潴留（指液体在体内不正常地聚集停留）部位，防止潴留介质变质。

4）气泡和尘埃附着的影响

因管径小黏性增加，液体中微细气泡易在管系流动过程中积聚变大，使测量时指示不稳，精确度下降。流体中尘埃附着测量元件也要影响测量值，例如浮子流量计的浮子上沉积有肉眼觉察不出的附着层也会影响示值。

5）流量仪表品种使用上受到一定限制

在众多测量原理流量仪表中，因各种原因小流量应用受到一些限制，当前能应用于小流量的品种如表格所示。

3、几种小流量的测量仪表

1）差压式

管路中接入差压发生器（节流件），测量其前后产生与 流速成比例的压差，以此求取流量。在紊流时差压与流速平方成正比，在层流时与流速成线性关系。小流量测量由层流元件（如瓦楞纸状节流板）组成差压发生器，以保证层流流动，这种差压式仪表也称层流流量计，最小可测流量5mL/min液体。差压变送器内藏喷嘴或孔板也常用作小流量测量，最小可测量15mL/min液体。

本类仪表缺点是测量受黏度影响，并易堵塞，有潴留介质部位，接触介质零部件不能全用塑料，应用局限较多。

2）浮子流量计

它利用浮子在垂直锥形管内随着流量大小上下浮动改变流通面积，以浮子高度测定测量。若锥形度小，浮子密度和被测液体密度接近，满度流量可小至10Ml/min；2mm直径球形浮子仪表最小可至0.16Ml/min。结构简单易制成全塑料仪表，应用于纯水、洁净气体，但只是通过透明锥形管读取流量值，无输出信号作配比等流量控制。

日本曾发表可发信的小流量浮子流量计，称做（Semiflow）流量计，如图所示，浮子延伸下端为永久磁铁7，由磁敏元件10检出其位置。位置与输出信号关系如图所示。接触液体部件均由氟塑料制成。最小规格的满度流量为30mL/min，范围度5:1，测量精度为±6%FS。

±1%R的意思精度是实际读数的±1%，是个随实际读数变化的值，±2%FS的意思精度是满量程的±2%，是个稳定的值。R是英文Read的第一个大写字母，FS是英文FullSCAL（满量程）的简写。

3）容积式流量计

小流量容积式流量计常见的有圆柱齿轮式和椭圆齿轮式仪表，通过磁性或光电检出齿轮转数，常用于测量石油制品，如动力机耗油量计量、润滑油流量监测，以及各种添加剂注入量控制等。其优点是不受黏度、密度、流速分布影响，可测量高黏度液体；缺点是有活动部件会产生磨损微粒，压损相对较大。

齿轮式仪表最小满度流量为4L/min,精确度为±0.5%；椭圆齿轮式仪表最小满度流量为0.1L/min，精确度为±2%，范围度低黏度液体为10:1，中等黏度液体为100:1，高黏度液体则更高。

4）热式流量计

它是在上世纪80年代初半导体制造业需求的推动下得到发展，现仍是其主要使用产业。热式流量计是当前气体小流量测量的主导品种，最小满度流量为5mL/min（标准状态），测量精确度±（1-2）%FS。

近年市场上已有工业实用型液体热式流量计，如荷兰BronkHiTech公司、美国Brooks公司产品，最小满度流量为0.034g/min，测量精确度+1%FS，响应时间1-3s。

若使用场所不容许加热升温，则可采用帕耳帖效应（Peltier Effect当有电流通过不同的导体组成的回路时,除产生不可逆的焦耳热外,在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。这是J.C.A.珀耳帖在1834年发现的。）制冷型热式流量计，（美）Estech公司LF系列仪表满度流量在0.01-100g/min范围内有9种规格，响应时间2s。

热式流量计测量质量流量，气体仪表通常用空气校准，空气、氮气等温度压力变化不大时（100℃，1Mpa以内），测量值所受影响极小，测量其他气体时用系数换算。若测量混合气体的组分比率变化则要影响量值。

热式流量计只能用于测量洁净流体，微小流量型仪表测量管内径小，仅0.5-0.8mm甚至0.2mm易堵塞。

5）超声流量计

超声流量计利用声波在顺流方向传播速度增快，逆流方向减慢，同一传播距离就有不同传播时间，测量传播时间差以求取流量，称作传播时间法超声流量计。这种通用设计的仪表用于小管径遇到的问题有：(1) 小口径仪表声程长度和所测时间过短，口径小于50mm检测有难度；（2）通常测量的是声程在直径位置上线平均流速，经转换系数K换算成面平均流速，K随雷诺系数而变，从层流区转向紊流区K变化甚大，小管径小流量仪表常落在层流转向紊流区的过度区内。小流量超声流量计需另辟途径，趋避这两不利因素。

超声流量计测量液体若含有气泡会使输出大幅跳动，但近年带微处理器的仪表做数学运算后，可防止输出突然偏移这一缺点。

6）科里奥利质量流量计

它的特点是测量值不受流体物性影响，但压力损失较大，较多用于液体，也可以用于中高压气体。荷兰BronKhorst High-Tech公司Cori-Flow系列仪表有多种规格可测满量程流量范围为3.33g/min-600kg/h，最小流量0.33g/min，精确度±0.2∽1%R

7）电磁流量计

它的优点是测量通道是无阻扰的直管，无潴留部位。与液体接触的仅是氟塑料内壁测量管和白金等电极，具有良好耐腐蚀性适宜于测各种药液，但不能测低电导率≤-10E6S/cm的纯水、酒精等。若仅从小流量这一视点作比较，电磁流量计不是强项，因为口径小比常用口径仪表小的多，流速不能用得过低，因此最小流量相对较大。小流量电磁流量计常用作注入药液流量控制，如水厂用于原水和凝聚剂间流量配比控制。

ADMAG型微小电磁流量计规范中最小口径DN2.5，满度流量2.95L/min，此时平均流速10m/s，为管道常用经济流速的5倍，精度为±0.5%R。

大流量的测量

随着为提高效率推向大型化规模生产，流量仪表也经历了一轮向大口径扩展的变革，如电磁流量计口径最大已经达3m，超声流量计已经能用到5-10m管道。

大流量测量包括大口径管路液体流量测量、气体大流量测量等。

1、大口径管路液体流量测量

（1）特点

①管路口径大要求压损越小越好。一般不允许用局部缩径的方法提高流速。

②流速一般都不高。新设计安装的管路，一般均选择经济流速。因为流速太低，势必增加管路的投资，流速太高，会造成功力损耗大幅度增加，导致运行成本上升，都是不经济的。但有些老管路，由于增产的需要而提高了流速。

③由于流速较低，流体中的污垢、淤泥等极易在管道内壁沉积。作系统设计时应考虑仪表与流体接触部分的清洗。

④测量范围度要求大。有些水管夜间和日间、冬季和夏季流量相差悬殊，多达1O-20倍，有些空调用水，到一定季节干脆就停用，因此，这些水的流量计就要求范围度特别大。

⑤防护等级要求高。大口径管路大多埋地敷设，为的是节省空间，在北方，也是防冻的需要。因此流量传感器大多被安装在仪表井内的管段上。由于雨水、井壁渗漏和管路外漏等原因常常引起井内水位上升而淹没流量传感器，所以设计时就应估计到这种情况，选用防持续浸水影响的流量传感器，例如IP68的防护等级（由IEC（INTERNATIONALELECTROTECHNICAL COMMISSION）所起草。将电器依其防尘防湿气之特性加以分级。）。

（2）仪表选型

①电磁流量计。

电磁流量计在大口径水流量测量中占有极其重要的地位，这是因为该种仪表具有下列特点。

a.无可动部件，可靠性高，长期稳定性好。

b.无附加阻力。这一点对大口径流量计有特别重要的意义

c.测量精确度高。典型产品在u≥1m/s时，精确度可达到±0.3%R甚至±0.2%R。

d.范围度大。保证精确度的范围度一般可达40：1，可测范围可达200：1，例如IFM系列产品，在v=0.06m/s时，基本误差仍可小于±2%R。

e.直管段要求相对较低。对于大口径管路，这一点也很重要。有多种流量计要求前后直管达到30D，对于管径1m以上的管路，就意味着须具备30m以上的直管段，这在多数情况下难以满足。

f.有大口径产品。国内最大可提供DN3000的产品，从而能满足大口径水流量测量的需要。

g.品种齐全。有防浸水型IP67及防持续浸水型IP68产品。

h.其不足之处是大口径产品价格高，而且口径越大价格增长得越快。尽管如此，像水厂、成品水和源水等计量，因牵涉到贸易结算，对计量精确度要求高，还是愿意花较多的钱选用电磁流量计。

②超声流量计。

超声流量计在大口径管路的流量测量中占有重要地位，原因如下。

a.超声流量计中的夹装式，其价格与口径无关，用来测量大口径管路流量，投资较省。

b.超声流量计能得到的测量精确度同管径有关，管径越大，有可能得到的精确度越高。有的供应商能提供带测量管的多声道时差式超声流量计，精确度最高可达O.15级，但价格也相应升高。

c.既可测量导电液体，如水等，也可测量不导电液体。现在有很多单位添置数台携带式(时差法)超声流量计用于现场较大口径液体流量计比对，一般都收到较好的效果。在DN≥150mm、v≥0.3m/s时，精确度可达±2%R。

③插入式流量计。

上述电磁流量计用在大口径管道上，固然很好，但价格较贵，因此，在测量精确度要求不高的场合，插入式流量计就成为受欢迎的方法。

插入式流量计的价格只及满管流量计的几分之一到十几分之一，是流量计的一种补充。另外，重量轻，压损小，易于安装和维修，是这种流量计的另一优点。

在大口径管路流量计中，由于流速普遍较低，泥沙、污垢等容易在仪表表面沉积，因此，插入式流量计常常带配套球阀，实现在不断流情况下拆下仪表维护和检查，从而提高测量系统的可靠性。

a.类型

插入式仪表有点流速计型和径流速计型。其中插入式涡街、涡轮、电磁流量传感器以及皮托管等属点流速计型。差压式均速管流量传感器、热式均速管流量传感器等为径流速型。

b.几种插入式流量计的性能比较

插入式涡轮流量计。

价格较低，适合测量洁净液体的流量。流体中含固体颗粒或黏稠物时，极易导致涡轮卡滞。流体中夹带的纤维、四氟生料带之类的异物，极易绕在涡轮叶片上，导致流量系数改变，而大口径管路上要加装网目数满足要求的过滤器又不大现实，因而影响了人们对该种仪表的选用。

差压式均速管流量计。

这种流量计在大口径水流量测量中用得较多。主要原因是结构简单，价格便宜，维修方便。因属径流速计型，只要仪表插入杆长度同管径相吻合，仪表示值受管内流速分布的影响较小。

均速管在安装时要特别注意引压管中不能有气体存在。

在水平管上的安装位置。对于埋地敷设的大口径管道，均速管要安装在仪表井中，而配套的差压计为了避免浸入水中，一般均安装在地面上方。仪表投运时，分别打开差压变送器的高低压室上排气口，排尽引压管中的气体，均速管测量到的信号就能准确地传递到变送器。

管道内水所溶解的气体析出，同水的温度和压力的变化有关。水温较高或压力较低时，其气体饱和溶解度比温度较低或压力较高时的气体饱和溶解度小，所以水在输送过程中，温度升高和压力降低都易引起它所溶解的气体析出。

插入式涡街流量计。

这种仪表测量头本身精确度可达±l%R，耐脏性比插入式涡轮流量计好，被测液体中有少量泥沙时也不会像均速管那样容易引起故障，但受其测量原理的制约，用来测量水流量时，可测流速下限只能达到0.3m/s，因此，在测量对象的流速下限要求更低时，不能胜任。

2、气体大流量的测量

气体大管路流量的测量常见于城市煤气、天然气、风管、锅炉和各种炉窑内的烟气、石油炼厂和石化行业的火炬气。这些流量的测量对经济燃烧、保护环境以及贸易结算有着重要意义。

（1）气体大流量测量的特点

a.口径大，直管段往往难以保证

b.静压低，流速低，只允许有很小的压力损失

c.流速变化范围大，要求仪表具有较大的范围度

d.流体含有粉尘，有时还含有焦油之类的黏稠物。

e.有些流体有腐蚀性。

f.气体组分变化不定

g.流体温度高

h.有些烟气温度降低后，温度升高，甚至带液。

（2）仪表选型

一般所述的插入式涡街流量计、插入式涡轮流量计、差压均速管流量计，同样适用于大口径管道的气体流量测量。但由于流体性质不同，应用时所存在的问题有明显不同。

①插入式涡街流量计。

插入式涡街流量计的测量头一般为DN50，对于常温常压条件下的空气，可测流速下限约为6m/s。有很多测量对象，流速常常低于6m/s，尤其是水煤气及某些驰放气，由于氢含量较高，流体密度较小，旋涡对传感器的推力相应变小，这时，能可靠测量的流速下限还要升高，所以，仪表往往满足不了测量对象的要求。

涡街流量计指示的体积流量，不会因流体组分和温度变化而产生密度变化的影响，但将压力状态下的体积流量换算到标准状态，需要进行流体温度、压力和压缩系数的补偿。

在旋涡发生体的迎流面上如果附着很厚的黏稠物和灰尘，其形状会发生变化，进而引起流量系数的变动，因此，需要定期拔出测量头清除附着物。

②差压式均速管流量计。

这种流量计在太口径气体流量测量中用得很普遍，其原因同大口径水流量相似。差压式均速管流量计在气体流量测量中应用成败的关键是引压管不要被水滴堵住。由于定型的均速管产品所带的切断阀多半为针型阀，通径较小，而流体中的水汽经冷凝变成液滴，如果针型间处理得不好或引压管坡度欠合理，此液滴极易将通路封死。

差压式均速管输出的差压信号一般都很小。当流体为常温常压的空气时，如果流速为lOm/s，只能达到62.5Pa的差压。这样，一滴水滴将差压传输通道封住，就足以将此差压全部抵消掉。有的制造商将正负压切断阀改为通径较大的直通闸阀，为保证仪表的可靠使用创造了条件。

差压式均速管流量计不足之处主要有下列几点。

a.流体组分变化时，密度相应变化，引起示值变化。而这种组分变化是随机的，在没有成分分析仪的情况下，难以将其对示值的影响予以清除。

b.相对流量较小时(一般以30%FS为界)误差增大

c.由于难以逐台测定其流量系数，因此难以通过JJG 640规程的检定，一般不适宜用于贸易结算。

③插入式涡轮流量计。 

用高灵敏度的插入式涡轮流量计测量洁净气体的流量，有很多明显的优势。其一是简单可靠，价格较低；其二是线性分度，可测流速下限比涡街和均速管均低。

在这种仪表中，最重要的部分是轴承和轴，如果用一般材质制成，寿命不长。有些用户选用瑞士专门技术制成的宝石轴承配上镍基碳化钨轴，寿命大大延长，换一次转子组件和轴承最长的可用到5年，精确度仍在允许范围±>0.3%R之内(用于油品测量)。

流体的清洁至关重要，黏稠的焦油和污垢会将转子粘住或转速减低。灰尘附着在涡轮上，流量系数要发生变化，因此，应定期清洗。

④热式质量流量计。

热式质量流量计一般是在圆形检测杆(不锈钢保护套管)的端部布置两只热敏元件（利用某些物体的物理性质随温度变化而发生变化的敏感材料制成），其中参比热敏元件同气体的流动相隔离，而测量热敏元件被放置在气体的流路中，两只热敏元件被加热到一定温度，并组成惠斯登电桥（用来精确测量未知电阻器的电阻值），当流路内的气体流速增大时，测量热敏元件被带走的热量增大，从而导致其温度降低，阻值变小，桥路输出相应增大。另外，流体压力的增大和流体温度的降低也都使敏感元件被带走的热量增大，最后使得桥路输出与流体质量流量成正比。

由于测量热敏元件的热量损失主要是由气体流动所引起，因此气体组分的变化对流量示值影响很小。

这种仪表的最大优点是范围度大，可达40：1。流体温度最高可达到400℃。但由于热丝与被测流体直接接触，在流体含有油污之类的物质时，热丝容易被污染而改变散热条件，影响测量精确度，因此，有的公司推出带清洗装置的产品。