流量仪表的特点、选用与发展

武汉华明源科技有限公司  黄离京

1 概述

1.1 作用与地位

流量仪表是衡量物质量变的工具。广泛用于工业领域,在流程工业中不仅可以改进产品质量,提高经济效益、管理水平,同时还为评估节能降耗、环保排污提供了重要依据。在自动化系统的仪表中，它的数量虽只占约1/5，但价格可达1/3。

1.2 市场评估

据“Flow Research”网2014年底有关全球流量仪表市场研究报告表明：2009~2014年期间，流量仪表年均增长率可达3.7%~4.2%，至2014年销售额估计可达到35亿~50亿美元。我国为调整产业结构，GDP增长略有下调定为7%,“十二五”期间，我国流量仪表市场的年增长率应会略高于国际市场，为6%左右，2014年销售额估计为45亿人民币。

“Flow Research”评估认为,近十余年,由于技术的进步,对流量仪表的准确度、可靠性提出了更高的要求,新型流量仪表的市场及研发均有较快的发展，年增长率可达7%，依次为超声、科氏、电磁、热式。传统流量仪表如节流装置、容积式、转子等市场为负增长,约为-2%。但节流装置由于可耐恶劣工况,成本低,数十年来装机容量很大，我国近七、八年以来对新型流量仪表的研发异常活跃,正逐步取代传统流量仪表，仍有较大的市场潜力。

2 流量仪表的原理、特点与发展

2.1 热式流量仪表

2.1.1原理

利用流体流动时与热源进行热交换测流量。根据交换方式可分为分布型与浸入型二种型式：

（1）分布型：绕在管道外的两组电热丝,有加热及检测二个作用，并组成惠斯登电桥。由恒流电源供给恒定热量。当流量为零时，管道内流体温度平衡，电桥无输出；当流体流动时，流体将上游部分热量带给下游，电热丝上的温度失去平衡，上下游电热丝电阻有差异；电桥产生输出电压，其大小正比于流量，流量越大，输出电压也越大，测电压可知流量。

（2）浸入型：二个热敏元件置于管道中，用功率恒定的电加热器，使热电阻温度高于流体的温度。其中一个裸露在流体中，流速的大小与热电阻的散热成正比，同时改变其电阻值。其中第二个被细管罩着的电阻不受流速影响，热阻值不变。因此，二个热电阻的温度差(即电阻差)，将反应流速(即流量)大小，同上理可通过电桥输出电压测流量。

2.1.2特点:

（1）可测极低流速，气体可低至0.05m/s，液体0.03 m/s。

（2）无可动部件，也不存在阻塞问题，工作可靠；

（3）由于传热与流体的质量密切相关，所以无需温度、压力补偿，直接测得质量流量；

（4）浸入式主要用在大口径, 口径范围( 15 ~ 4 0 0 0 m m ) , 流体可以为气体(<200℃)及液体；

（5）分布式主要用于小口径(2~15mm)；小流量(0.15L/M)；

（6） 对流体的洁净度仍有一定的要求，流体如有粘附物，会污染浸入式热敏元件；分布式如有沉淀物，将积于内壁，也会影响测量准确度；因而，应该视流体洁净程度，定期用酒精或者丙酮清洗探头部位。

（7） 要保证必要的准确度必需要较长的前直管段长度，特别是浸入式,前需10D；后需5D；

（8） 响应时间需1~2秒，用于工控系统可以调节控制系统参数以保证控制品质；

（9）准确度一般，热分布型±1~2%，浸入式±1.5%。

（10）热式流量仪表价格低于本文所述所有流量仪表，且安装维护优于本文所述仪表，从而降低控制设备所需材料及后期维护成本。

2.1.3应用领域:

（1）热分布式用于精细制造工艺中微小气体流量测量，如：半导体工业加工工艺、分析仪器、气体色谱仪和环境保护分析仪器中气体的采样流量测量;流程工业、光纤制造、医药保健中的微小气体流量测量；

（2）浸入式(或称插入式)，多用于较大口径，可测量干燥常温气体极低流速的流量测量以及液体测量；

（3）微小液体流量测量，多用于精细化工、石油化工、医药、食品工业中的试验性设备，如药液系统中的定流量配比控制，液化气注入的流量控制；

（4）工业生产冷却系统控制。

（5）消防水箱进出水控制。

2.1.4发展方向

（1）薄膜型：薄膜型微流量仪表,是在显微机械加工的电子器件及微电机系统(micro electro mechanical system，简称MEMS)，以取代热丝在流量测量上的应用。

（2）多点插入式：由于大管径内的流速分布极为复杂，测单点的热式流量仪表已无法满足准确度要求，必须采用多点(直线上多点，或截面上多点)，这类管道中的流速普遍较低(1.0~1.5M/S)，适应节能减排的需求，市场应有较大的潜力。

（3）热敏感应元件材料应用于传感器  Advtech流量仪表采用新型的半导体材料替代传统的热敏电阻型热敏元件，提高了传感器灵敏度（响应时间可在1秒内），降低了仪表功耗从而大大提高了仪表使用寿命。

2.2 电磁流量仪表

2.2.1原理

基于法拉第电磁感应定律，即导电液体在电磁场中将感应电动势，其大小与管道中液体的流速成正比，测得感应电动势大小，即可知液体流量。

2.2.2特点

（1）测量准确度不受液体密度、粘度、温度、压力的影响;

（2）表内无阻力件，可靠性高，几乎无永久压损;

（3）流速范围(0.3~1.5m/s)，口径3~3000mm;

（4）可测液、固二相流;

（5）准确度一般为±0.5%;

（6）仪表内衬根据用户需要可选择橡胶、氟塑料、工业陶瓷等，可测腐蚀性、高温等各种液体；

（7）无法测气体及油品及有机溶剂等不导电液体,为其较大的弱点。

2.2.3应用领域

由于其准确度高，可靠性良好，广泛应用于钢铁、冶金、石化、煤化、造纸、食品、市政工程、能源及水资源管理、污水排放等领域，销售台数虽不及节流、差压式流量仪表，但销售额远远高于其他流量仪表。

2.2.4发展方向

（1）优化权重函数，提高磁场效应。通过改善线圈形状、磁轭及磁靴的设计，流速分布不理想时，如采取必要的措施，仍能得到较好测量精确度。

（2）采用新型磁性材料，提高仪表测量灵敏度，降低电功耗，节约电能。

（3）采用新型材料衬里，如：新型氟塑料ETFE、橡胶EPDM，高纯氧化铝陶瓷，以应用于各种腐蚀、高温、冲刷、脏污流体的恶劣工况。

（4）扩大应用领域，如果电容检测可检测电导率低至5x10 -8 s/m的液体(一般为10 -5 s/m)。

l 二线制：二线制可以减小电缆,统一电源、节约成本、便于维护。

l 非满管：加一个液位检测器，可以有效解决污水排放的非满管流量测量。

l 插入型：解决大口径管道流量测量，成本低，安装维修简便，但准确度将降低。

2.3 超声波流量仪表

超声波流量仪表是近十年来发展最快的一种流量仪表，市场销售额年增长率达到10%以上，在全球能源匮乏的今天，它既可准确测天然气，又可测石油等贵重油品的流量，因而倍受青睐。在我国市场上，国外产品占据了主导地位。

2.3.1原理

早于1931年，美国Ruttgen就提出利用声学原理测流量，到1957年才真正进入实用阶段。原理有时差法、相位法、频差法、多普勒法等六、七种，应用较多的为以下二种：

（1）时差法 声波在流体中传播，顺流向时传播速度会增加，逆流向则会减少。利用传播速度之差可求得流速(管径D确定,则知流量)，主要用于单相、较洁净流体。

（2）多普勒法 多用于流体含有少量杂质的流体，将杂质的移动速度视为流体的速度 ,检测器发射的频率，作用在运动的杂质上将发生偏移，称多普勒频率(正比流速V)，测出即可知,乘以截面即为流量。

超声波仪表原理图

2.3.2特点:

（1）无任何阻力件、压损小、可靠性高；

（2）可以测气、液多种流体；

（3）准确度可高达±0.5%,重复性为0.1%；

（4）量程比可达100:1；

（5）可采用多声道以保证测量准确度，目前有：单声道(15D)，双声道(10D)，四声道(6D)。括号内的数值为保证准确度所必要的直管段长度；

（6）管径大小对价格影响不大，所以特别适用于大口径，******可至3米(液)；2米(气)；

（7）可测双向流；

（8）外夹式可不断流进行拆装，便于现场校验；

（9）已有标准,可进行干标；

（10）流体温度上限应小于200℃；压力上限为10Mpa；

（11）工业现场的噪声、流体组分的变化，对测量准确度均有较大影响；

（12）测液体较成熟，测气体难度较大，价格较贵。

2.3.3应用领域:

（1）因准确度高，广泛应用于能源(石油、天然气)，贵重气体(O2,H2,N2⋯⋯)，为化工产品贸易核算计量的******仪表；

（2）以进行非接触计量，常广泛用于高腐蚀、有毒的流体流量仪表量；

（3）广泛用于食品、医药及要求十分洁净的流体流量仪表量；

（4）多普勒法可以用于含有少量杂质的二相流，但杂质(气泡、固体悬浮物⋯⋯)不得大于20%。

2.3.4发展方向

（1）插入式：可以应用于特大的管道，在不断流的情况下进行拆装,便于维护，但准确度受管道内流速分布影响较大，在试验室标定后，直接用于现场会有较大误差。此外，仪表易受流体中微粒或高粘度介质的污染，降低其灵敏度。

（2）外夹式：采用夹具固定在管道外壁，可用于安装在任何材质、口径的管道上。有人设想将之作为标准表进行现场校验，但因受安装位置、管壁材质、厚度诸多因素的影响，准确度目前还较低(低于±2%)，所以作为标准表尚有待时日。

（3）可靠性：增加仪表在恶劣工况下(煤气中的焦油,粉尘的粘污)的可靠性;抗噪声能力，适用于更高温度的介质，提高换能器的耐温能力，加强自报警，自诊断等智能功能。

（4）降低成本：以便于大量推广应用。

2.4 科氏流量仪表

为近十年来发展速度仅次于超声的一种流量仪表，年增长率约为6%。美国艾默生集团(Emerson)旗下的高准(Micro Motion)公司于上世纪七十年代首先推出产品，市场在世界处于领先地位，声称至今在全球已销售了60万台科氏流量仪表，应用于各领域。并已在我国上海浦东建立了研发基地。

2.4.1原理

如流体质量m在直线运动时又处于旋转体系中，将产生与流速V及质量m成正比的科氏力，测得力的大小即可知流量大小。然而在旋转运动中测科氏力十分困难，目前的产品都是在一个U形管中部激振管道(图2)，其中的流体产生的科氏力使U形管二侧产生方向相反的扭曲,扭曲的幅度与流量成正比。用光学或电磁方法测出扭曲的幅度即可知质量流量的大小。

D系列科氏流量仪表原理图

2.4.2特点

（1）以直接准确测质量流量, 准确度可高达±0.2%，密度准确度可达0.0002g/CC;

（2）仪表内无任何阻力件，可测二相流体,但不宜用于测液、气二相流；

（3）对流速分布不敏感，无需前直管长度安装要求，仍具有很高准确度；

（4）温度范围- 2 4 0 ℃ ~ 2 0 0 ℃ , 压力(4~40MPa)，不适用于高温、低压流体；

（5）量程比可达100:1；

（6）易产生另零点漂移；

（7）压损受粘度影响较大，属于压损较大的流量仪表；

（8）因其工作原理，口径一般仅200毫米，高度已达2米；但德国E+H的巧妙设计当口径为250毫米，高度仅为0.7米;

（9）价格较贵，均为相同口径电磁流量仪表的5~8倍；

（10）由于基于振动原理工作，外界的振动对其影响较大。

2.4.3应用领域

因管道中无任何阻力件，又不受流体导电率的限制，且无安装直管段长度要求，所以应用领域较广泛,可以测多种流体，如牛顿流体、各种浆液、悬浮液、液化气。在当前现场直管段不足，又要求较高准确度的情况下，科氏流量仪表显示了独特的优越性。已广泛用于石油、石油化工、精密化工、食品、造纸、制药、橡胶等工业。

2.4.4发展方向

（1）提高智能功能: 美国高准公司(Micro Motion)宣布采用MVD(多变量数字)技术推出了3711型气体流量仪表算机，系统涵盖了APIMPS、AGA8的有关标准的气体数据；

（2）温度压力补偿：当温度、压力改变较大时,科氏流量仪表的刚度会受到影响，应进行补偿，以确保较高的准确度；

（3）减弱振动影响：外界的振动(如泵、管路系统、机械振动、水力噪声等)都会影响科氏流量仪表的工作，在设计时应采取抑制措施，如MFS-1000设计安装时采取了隔振措施。

（4）减小零点漂移：要尽力减小两根测量管的不对称性，出厂时应进行动平衡测试，然后进行补偿，安装时需减小附加在测量管上的应力，加强维护，清除测量管内的沉淀物。

2.5 涡街流量仪表

2.5.1原理

当流体通过钝体(或称漩涡发生体、阻流件)时，将在其后两侧产生交替的漩涡,这种现象称为卡曼涡街,涡街的频率f与流经钝体的流速v成正比,测得频率f,可知流量qv的大小。式中Sr是斯特劳哈系数,与Re有关;d为钝体迎流向宽度;D为管道内径。

检测涡街频率的方法有热敏式、超声式、应变式、应力式、电容式、光电式、电磁式多种。漩涡发生体有单体、多体，原则上应采用在较宽的雷诺数范围内产生稳定、可靠的漩涡,信噪比高,且便于加工、易与检测件组合,材质满足流体的要求，耐温、耐腐蚀等条件。

将频率的多种检测方法与各种漩涡发生体相互组合,形成了多种型号的涡街流量仪表。

2.5.2特点

（1）可适用于多种流体，气、液、蒸汽及部分混相流体(容积比率小于2%)。

（2）输出频率信号，与流体的容积流量成正比,不受流体组分、温度、压力、密度的影响。

（3）无可动部件，可靠性好。

（4）结构简单、牢固与二次表形成一体,安装、维修简便。

（5）量程比可达10:1以上,准确度可达±1ￚ2%，重复性0.2%,压损小。

（6）Re数小于20000时,涡街不稳定,不适用于高粘度、低流速、小口径的工况。

（7）涡街的产生受流速分布及漩涡的影响,因此上游必须有20D以上的直管段长度。

（8）不适用于管道机械振动的工况及脉动流。

（10）仪表系数分辨率低，口径越大分辨率越低，一般******为300毫米。

2.5.3应用领域

涡街流量仪表推向市场约在上世纪70年代，它是一种结构紧凑的仪表，可适用于液、气、蒸汽等多种流体,据统计,用于液体可选用仪表较多，液、气、蒸汽选用比例大致为3:3:4。后者多为低于400℃的饱和蒸汽。以下情况建议慎用:流速低、粘度高的流体，因其Re数较低,涡街信号不稳定；其次，插入式涡街的探头容易产生振动，信号也不稳定,选用应慎重。在我国流量仪表市场中，年产量约4万多台。

2.5.4发展方向

（1）信号处理技术数字化：采用跟踪滤波、自适应滤波和数字频谱分析，提高涡街流量仪表的准确度、抗干扰能力、扩大测量范围。

（2）结构一体化、功能智能化、检测多参数等均是今后的发展方向。

（3）优化安装：安装前直管段长度一般需20D以上,如仪表结构采用收缩管,不仅可加大流速，还可改善流场，均利于涡街信号的稳定。

（4）干标 :干标即干式标定(dry calibration)，是在气体静止没有流动的情况下，通过精确测量流量方程中的各个参量来进行的标定。不仅节约设备、经费，而且缩短生产周期。经国内外二十多年的努力,已取得显著成绩，开始实施。据美国“Fisher & Porter”公司评估,‘干标’的误差约为实流标定的一倍。

3 流量仪表的发展趋势

3.1 高精度、高可靠性

随着世界经济的发展，石油、煤、天然气等自然资源的分布不均、储量有限、过度消耗等现象，使能源短缺和气候问题成为摆在整个人类社会面前越来越棘手的问题。

面对全球对于节能环保的诉求和竞争日益激烈的市场环境，如何降低能耗、提高能效，从而提升企业竞争力成为相关行业关注的热点。石油、天然气等能源行业以及其他对流量仪表需求比较旺盛的行业，对于高精度、高可靠性流量测量仪表的要求以及相关技术的不断进步，将会推动流量仪表朝着更为精确、更为可靠的方向前进。

3.2 新型流量仪表主导市场

近年来，传统的机械式流量仪表（如节流式、靶式、容积式、浮子等流量仪表）在市场中的份额呈现出负增长的趋势，而新型流量仪表发展十分迅速，其中以热式流量仪表、电磁流量仪表、超声波流量仪表发展势头尤为强劲，它们是三类具有发展潜力的新型流量仪表。

这种趋势是由用户对于流量仪表产品要求的提高和传统流量仪表本身所存在的局限性所决定的。传统的机械式流量仪表，往往结构复杂、装置笨重、拆装不方便，且其机械零部件容易磨损变形。而电磁流量仪表、超声波流量仪表等新型流量仪表在测量管道中未设置任何阻碍件（如节流件、转动件等），其结构也十分简单、压力损失小，精度和可靠性也基本满足工业生产和工程应用的需要；另外，新型流量仪表相对传统流量仪表而言，其功能更为多样、全面，例如现在已经有许多超声波流量仪表不仅可以测量各种流体介质的流量，甚至可以测量流体的密度、组成成分以及所含热能等，实现多参数测量。

与传统的机械流量仪表相比，新型流量仪表具有诸多优点，因而其大有取代传统流量仪表的市场主导地位之势。但是，由于传统流量仪表的应用非常广泛，市场占有量很大，新型流量仪表取代其成为主流流量仪表产品将是一个长期的过程。

3.3 智能化、远程化

2009年，美国政府将物联网列为重振经济的两大重点之一；此后，我国政府也将物联网列为国家五大新兴战略性产业之一，并将其写入政府工作报告中。

人们普遍认为，物联网将是继互联网之后推动世界高速发展的引擎。

传感器技术是物联网主要的技术基础之一，未来随着物联网的高速推进，传感器技术领域也将会开启新的篇章。流量仪表作为传感器的一类，主要用于测量流体流量，而流量与温度、压力并称为三大检测参数，对流量的测量是广泛而普遍的。随着科学技术的发展，可能要求流量仪表具有更高的智能化程度，例如通过植入嵌入式系统软件和硬件，使流量仪表具有更强的检查诊断功能等；同时，根据物联网的概念，未来的流量仪表需要与互联网连接，进行信息的交换与通信，从而实现智能化识别、定位、跟踪以及远程监控和管理等。为了迎合物联网发展的需要，智能化和远程化也将成为流量仪表未来发展的一大趋势。

4 结束语

流量测量的发展贯穿于整个人类社会的历史进程中，流量作为工农业生产中最重要的检测参数之一，对于它的测量是广泛而普遍的。目前应用于工业生产中的流量仪表种类繁多，但它们皆有其各自的优缺点，所以在选用流量仪表时，要进行周密的分析与比较，选择适宜的流量仪表以达到预期的测量目的。

在全球倡导节能减排及信息化程度不断加深的背景下，流量仪表作为执行流量测量的具体装置，其发展也将是与时俱进的，因而如何使流量仪表在工业生产和科学研究中更加精准可靠、智能环保，为缓解能源问题、气候问题等及迎合物联网等新一代信息技术发展的需要贡献力量，将是摆在广大企业与科技工作者面前的重大任务。