1、流量計的發(fā)展　　

　　流量測量的發(fā)展可追溯到古代的水利工程和城市供水系統(tǒng)。古羅馬凱撒時代已采用孔板測量居民的飲用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法測量尼羅河的流量。我國著名的都江堰水利工程應用寶瓶口的水位觀測水量大小等等。17世紀托里拆利奠定差壓式流量計的理論基礎，這是流量測量的里程碑。自那以后，18、19世紀流量測量的許多類型儀表的雛形開始形成，如堰、示蹤法、皮托管、文丘里管、容積、渦輪及靶式流量計等。20世紀由于過程工業(yè)、能量計量、城市公用事業(yè)對流量測量的需求急劇增長，才促使儀表迅速發(fā)展，微電子技術和計算機技術的飛躍發(fā)展極大地推動儀表更新?lián)Q代，新型流量計如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。至今，據(jù)稱已有上百種流量計投向市場，現(xiàn)場使用中許多棘手的難題可望獲得解決。

　　我國開展近代流量測量技術的工作比較晚，早期所需的流量儀表均從國外進口。

　　流量測量是研究物質(zhì)量變的科學，質(zhì)量互變規(guī)律是事物聯(lián)系發(fā)展的基本規(guī)律，因此其測量對象已不限于傳統(tǒng)意義上的管道液體，凡需掌握量變的地方都有流量測量的問題。流量和壓力、溫度并列為三大檢測參數(shù)。對于一定的流體，只要知道這三個參數(shù)就可計算其具有的能量，在能量轉(zhuǎn)換的測量中必須檢測此三個參數(shù)。能量轉(zhuǎn)換是一切生產(chǎn)過程和科學實驗的基礎，因此流量和壓力、溫度儀表一樣得到最廣泛的應用。

2、流量計的應用領域　　

　　流量測量技術與儀表的應用大致有以下幾個領域。

　　一、工業(yè)生產(chǎn)過程

　　流量儀表是過程自動化儀表與裝置中的大類儀表之一，它被廣泛誚用于冶金、電力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、輕紡、食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護及人民日常生活等國民經(jīng)濟各個領域，是發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，節(jié)約能源，改進產(chǎn)品質(zhì)量，提高經(jīng)濟效益和管理水平的重要工具在國民經(jīng)濟中占有重要的地位。在過程自動化儀表與裝置中，流量儀表有兩大功用：作為過程自動化控制系統(tǒng)的檢測儀表和測量物料數(shù)量的總量表。

　　二、能源計量

　　能源分為一次能源（煤炭、原油、煤層氣、石油氣和天然氣）、二次能源（電力、焦炭、人工燃氣、成品油、液化石油氣、蒸汽）及載能工質(zhì)（壓縮空氣、氧、氮、氫、水）等。能源計量是科學管理能源，實現(xiàn)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟效益的重要手段。流量儀表是能源計量儀表的重要組成部分，水、人工燃氣、天然氣、蒸汽和油品這些常用的能源都使用著數(shù)量極其龐大的流量計，它們是能源管理和經(jīng)濟核算不可缺少的工具。

　　三、環(huán)境保護工程

　　煙氣，廢液、污水等的排放嚴重污染大氣和水資源，嚴重威脅人類生存環(huán)境。國家把可持續(xù)發(fā)展列為國策，環(huán)境保護將是21世紀的最大課題。空氣和水的污染要得到控制，必須加強管理，而管理的基礎是污染量的定量控制。

　　我國是以煤為主要能源的國家，全國有上百萬個煙囪不停地向大氣排放煙氣。煙氣排放控制是根治污染的重要項目，每個煙囪必須是安裝煙氣分析儀表和流量計，組成連櫝排放監(jiān)視系統(tǒng)。煙氣的流量沆量有很大因難，它的難度為煙囪尺寸大且形狀不規(guī)則，氣體組分變化不定，流速范圍大，臟污，灰塵，腐蝕，高溫，無直管段等。

　　四、交通運輸

　　有五種方式：鐵路公路、航空、水運、和管道運輸。其中管道運輸雖早已有之，但應用并不普遍。隨著環(huán)保問題的突出，管道運輸?shù)奶攸c引起人們的重視。管道貌岸然運輸必須裝備流量計，它是控制、分配和調(diào)度的眼睛，亦是安全監(jiān)沒和經(jīng)濟核算的必備工具。

　　五、生物技術

　　21世紀將迎來生命科學的世紀，以生物技術為特征的產(chǎn)業(yè)將獲得迅速發(fā)展。生物技術中需監(jiān)測計量的物質(zhì)很多，如血液，尿液等。儀表開發(fā)的難度極大，品種繁多。

　　六、科學實驗

　　科學實驗需要的流量計不但數(shù)量多，且品種極其繁雜。據(jù)統(tǒng)計流量計100多種中很大一部分是應科研之需用的，它們并不批量生產(chǎn)，在市面出售，許多科研機構和大企業(yè)皆設專門小組研制專用的流量計。

　　七、海洋氣象，江河湖泊

　　這些領域為敞開流道，一般需檢測流速，然后推算流量。流速計和流量計所依據(jù)的物理原理及流體力學基礎是共通的但是儀表原理及結構以及使用條件有很大差別。

3、流量計種類　

　　用以測量管路中流體流量(單位時間內(nèi)通過的流體體積)的儀表。有轉(zhuǎn)子流量計、節(jié)流式流量計、細縫流量計、容積流量計、電磁流量計、超聲波流量計和堰等。

　　流量測量方法和儀表的種類繁多,分類方法也很多。至今為止,可供工業(yè)用的流量儀表種類達60種之多。品種如此之多的原因就在于至今還沒找到一種對任何流體、任何量程、任何流動狀態(tài)以及任何使用條件都適用的流量儀表。

　　這60多種流量儀表,每種產(chǎn)品都有它特定的適用性,也都有它的局限性。按測量對象劃分就有封閉管道和明渠兩大類;按測量目的又可分為總量測量和流量測量,其儀表分別稱作總量表和流量計。

　　總量表測量一段時間內(nèi)流過管道的流量,是以短暫時間內(nèi)流過的總量除以該時間的商來表示,實際上流量計通常亦備有累積流量裝置,做總量表使用,而總量表亦備有流量發(fā)訊裝置。因此,以嚴格意義來分流量計和總量表已無實際意義。

　　按測量原理分有力學原理、熱學原理、聲學原理、電學原理、光學原理、原子物理學原理等。

　　按照目前最流行、最廣泛的分類法,即分為:容積式流量計、差壓式流量計、浮子流量計、渦輪流量計、電磁流量計、流體振蕩流量計中的渦街流量計、質(zhì)量流量計和插入式流量計、探針式流量計，來分別闡述各種流量計的原理、特點、應用概況及國內(nèi)外的發(fā)展情況。

3.1差壓式流量計　　差壓式流量計是根據(jù)安裝于管道中流量檢測件產(chǎn)生的差壓,已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來計算流量的儀表。

　　差壓式流量計由一次裝置(檢測件)和二次裝置(差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表)組成。通常以檢測件形式對差壓式流量計分類,如孔板流量計、文丘里流量計、均速管流量計等。

　　二次裝置為各種機械、電子、機電一體式差壓計,差壓變送器及流量顯示儀表。它已發(fā)展為三化(系列化、通用化及標準化)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),也可測量其它參數(shù)(如壓力、物位、密度等)。

　　差壓式流量計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、動壓頭式、動壓頭增益式及射流式幾大類。

　　檢測件又可按其標準化程度分為二大類:標準的和非標準的。

　　所謂標準檢測件是只要按照標準文件設計、制造、安裝和使用,無須經(jīng)實流標定即可確定其流量值和估算測量誤差。

　　非標準檢測件是成熟程度較差的,尚未列入國際標準中的檢測件。

　　差壓式流量計是一類應用最廣泛的流量計,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的問世,它的使用量百分數(shù)逐漸下降,但目前仍是最重要的一類流量計。

　　優(yōu)點:

　　(1)應用最多的孔板式流量計結構牢固,性能穩(wěn)定可靠,使用壽命長;

　　(2)應用范圍廣泛,至今尚無任何一類流量計可與之相比擬;

　　(3)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)濟生產(chǎn)。

　　缺點:

　　(1)測量精度普遍偏低;

　　(2)范圍度窄,一般僅3:1~4:1;

　　(3)現(xiàn)場安裝條件要求高;

　　(4)壓損大(指孔板、噴嘴等)。

　　注：一種新型產(chǎn)品：引進美國航天航空局而開發(fā)的平衡流量計，這種流量計的測量精度是傳統(tǒng)節(jié)流裝置的5-10倍，永久壓力損失1/3。壓力恢復快2倍，最小直管段可以小至1.5D，安裝和使用方便，大大減少流體運行的能力消耗。

　　應用概況:

　　差壓式流量計應用范圍特別廣泛,在封閉管道的流量測量中各種對象都有應用,如流體方面:單相、混相、潔凈、臟污、粘性流等;工作狀態(tài)方面:常壓、高壓、真空、常溫、高溫、低溫等;管徑方面:從幾mm到幾m;流動條件方面:亞音速、音速、脈動流等。它在各工業(yè)部門的用量約占流量計全部用量的1/4~1/3。

3.2 浮子流量計　　浮子流量計,又稱轉(zhuǎn)子流量計,是變面積式流量計的一種,在一根由下向上擴大的垂直錐管中,圓形橫截面的浮子的重力是由液體動力承受的,從而使浮子可以在錐管內(nèi)自由地上升和下降。

　　浮子流量計是僅次于差壓式流量計應用范圍最寬廣的一類流量計,特別在小、微流量方面有舉足輕重的作用。

　　80年代中期,日本、西歐、美國的銷售金額占流量儀表的15%~20%。中國產(chǎn)量1990年估計在12~14萬臺,其中95%以上為玻璃錐管浮子流量計。

　　特點:

　　(1)玻璃錐管浮子流量計結構簡單,使用方便,缺點是耐壓力低,有玻璃管易碎的較大風險;

　　(2)適用于小管徑和低流速;

　　(3)壓力損失較低。

3.3容積式流量計　　容積式流量計,又稱定排量流量計,簡稱PD流量計,在流量儀表中是精度最高的一類。它利用機械測量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個已知的體積部分,根據(jù)測量室逐次重復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。

　　容積式流量計按其測量元件分類,可分為橢圓齒輪流量計、刮板流量計、雙轉(zhuǎn)子流量計、旋轉(zhuǎn)活塞流量計、往復活塞流量計、圓盤流量計、液封轉(zhuǎn)筒式流量計、濕式氣量計及膜式氣量計等。

　　優(yōu)點:

　　(1)計量精度高;

　　(2)安裝管道條件對計量精度沒有影響;

　　(3)可用于高粘度液體的測量;

　　(4)范圍度寬;

　　(5)直讀式儀表無需外部能源可直接獲得累計,總量,清晰明了,操作簡便。

　　缺點:

　　(1)結果復雜,體積龐大;

　　(2)被測介質(zhì)種類、口徑、介質(zhì)工作狀態(tài)局限性較大;

　　(3)不適用于高、低溫場合;

　　(4)大部分儀表只適用于潔凈單相流體;

　　(5)產(chǎn)生噪聲及振動。

　　應用概況:

　　容積式流量計與差壓式流量計、浮子流量計并列為三類使用量最大的流量計,常應用于昂貴介質(zhì)(油品、天然氣等)的總量測量。

　　工業(yè)發(fā)達國家近年PD流量計(不包括家用煤氣表和家用水表)的銷售金額占流量儀表的13%~23%;我國約占20%,1990年產(chǎn)量(不包括家用煤氣表)估計為34萬臺,其中橢圓齒輪式和腰輪式分別約占70%和20%。

3.4 渦輪流量計　　渦輪流量計,是速度式流量計中的主要種類,它采用多葉片的轉(zhuǎn)子(渦輪)感受流體平均流速,從而且推導出流量或總量的儀表。

　　一般它由傳感器和顯示儀兩部分組成,也可做成整體式。

　　渦輪流量計和容積式流量計、科里奧利質(zhì)量流量計稱為流量計中三類重復性、精度最佳的產(chǎn)品,作為十大類型流量計之一,其產(chǎn)品已發(fā)展為多品種、多系列批量生產(chǎn)的規(guī)模。

　　優(yōu)點:

　　(1)高精度,在所有流量計中,屬于最精確的流量計;

　　(2)重復性好;

　　(3)元零點漂移,抗干擾能力好;

　　(4)范圍度寬;

　　(5)結構緊湊。

　　缺點:

　　(1)不能長期保持校準特性;

　　(2)流體物性對流量特性有較大影響。

　　應用概況:

　　渦輪流量計在以下一些測量對象獲得廣泛應用:石油、有機液體、無機液、液化氣、天然氣和低溫流體統(tǒng)在歐洲和美國,渦輪流量計在用量上是僅次于孔板流量計的天然計量儀表,僅荷蘭在天然氣管線上就采用了2600多臺各種尺寸,壓力從0.8~6.5MPa的氣體渦輪流量計,它們已成為優(yōu)良的天然氣計量儀表。

3.5電磁流量計　　電磁流量計是根據(jù)法拉弟電磁感應定律制成的一種測量導電性液體的儀表。

　　電磁流量計有一系列優(yōu)良特性,可以解決其它流量計不易應用的問題,如臟污流、腐蝕流的測量。

　　70、80年代電磁流量在技術上有重大突破,使它成為應用廣泛的一類流量計,在流量儀表中其使用量百分數(shù)不斷上升。

　　優(yōu)點:

　　(1)測量通道是段光滑直管,不會阻塞,適用于測量含固體顆粒的液固二相流體,如紙漿、泥漿、污水等;

　　(2)不產(chǎn)生流量檢測所造成的壓力損失,節(jié)能效果好;

　　(3)所測得體積流量實際上不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導率變化的明顯影響;

　　(4)流量范圍大,口徑范圍寬;

　　(5)可應用腐蝕性流體。

　　缺點:

　　(1)不能測量電導率很低的液體,如石油制品;

　　(2)不能測量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體;

　　(3)不能用于較高溫度。

　　應用概況:

　　電磁流量計應用領域廣泛,大口徑儀表較多應用于給排水工程;中小口徑常用于高要求或難測場合,如鋼鐵工業(yè)高爐風口冷卻水控制,造紙工業(yè)測量紙漿液和黑液,化學工業(yè)的強腐蝕液,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)、生物化學等有衛(wèi)生要求的場所。

3.6 渦街流量計　　渦街流量計是在流體中安放一根非流線型游渦發(fā)生體,流體在發(fā)生體兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則地交錯排列的游渦的儀表。

　　渦街流量計按頻率檢出方式可分為:應力式、應變式、電容式、熱敏式、振動體式、光電式及超聲式等。

　　渦街流量計是屬于最年輕的一類流量計,但其發(fā)展迅速,目前已成為通用的一類流量計。

　　優(yōu)點:

　　(1)結構簡單牢固;

　　(2)適用流體種類多;

　　(3)精度較高;

　　(4)范圍度寬;

　　(5)壓損小。

　　缺點:

　　(1)不適用于低雷諾數(shù)測量;

　　(2)需較長直管段;

　　(3)儀表系數(shù)較低(與渦輪流量計相比);

　　(4)儀表在脈動流、多相流中尚缺乏應用經(jīng)驗。

3.7 超聲流量計　　超聲流量計是通過檢測流體流動對超聲束(或超聲脈沖)的作用以測量流量的儀表。

　　根據(jù)對信號檢測的原理超聲流量計可分為傳播速度差法(直接時差法、時差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、互相關法、空間濾法及噪聲法等。

　　超聲流量計和電磁流量計一樣,因儀表流通通道未設置任何阻礙件,均屬無阻礙流量計,是適于解決流量測量困難問題的一類流量計,特別在大口徑流量測量方面有較突出的優(yōu)點,近年來它是發(fā)展迅速的一類流量計之一。

　　優(yōu)點:

　　(1)可做非接觸式測量;

　　(2)為無流動阻撓測量,無壓力損失;

　　(3)可測量非導電性液體,對無阻撓測量的電磁流量計是一種補充。

　　缺點:

　　(1)傳播時間法只能用于清潔液體和氣體;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;

　　(2)多普勒法測量精度不高。

　　應用概況:

　　(1)傳播時間法應用于清潔、單相液體和氣體。典型應用有工廠排放液、:怪液、液化天然氣等;

　　(2)氣體應用方面在高壓天然氣領域已有使用良好的經(jīng)驗;

　　(3)多普勒法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;通常不適用于非常清潔的液體。

3.8 科里奧利質(zhì)量流量計　　科里奧利質(zhì)量流量計(以下簡稱CMF)是利用流體在振動管中流動時,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。

　　我國CMF的應用起步較晚,近年已有幾家制造廠(如太行儀表廠)自行開發(fā)供應市場;還有幾家制造廠組建合資企業(yè)或引用國外技術生產(chǎn)系列儀表。

　　熱式氣體質(zhì)量流量計

　　熱式流量計傳感器包含兩個傳感元件，一個速度傳感器和一個溫度傳感器。它們自動地補償和校正氣體溫度變化。儀表的電加熱部分將速度傳感器加熱到高于工況溫度的某一個定值，使速度傳感器和測量工況溫度的傳感器之間形成恒定溫差。當保持溫差不變時，電加熱消耗的能量，也可以說熱消散值，與流過氣體的質(zhì)量流量成正比。

　　如：美國SIERRA

3.9 明渠流量計　　與前述幾種不同,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)流動的水路稱作明渠,測量明渠中水流流量的稱作明渠流量計(open channel flowmeter)。

　　明渠流量計除圓形外,還有U字形、梯形、矩形等多種形狀。

　　明渠流量計應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。有人估計1995臺,約占流量儀表整體的1.6%,但是國內(nèi)應用尚無估計數(shù)據(jù)。

4、新工作原理流量儀表的研究和開發(fā)　　

4.1 靜電流量計　　(electrostatic flowmeter)

　　日本東京技術學院研制適用于石油輸送管線低導電液體流量測量的靜電流量計。

　　靜電流量計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4~8mm銅、不銹鋼等金屬和塑料測量管儀表的實流試驗,試驗表明流量與電荷之間接近于線性。

4.2 復合效應流量儀表　　(combined effects meter)

　　該儀表的工作原理是基于流體的動量和壓力作用于儀表腔體產(chǎn)生的變形,測量復合效應的變形求取流量。本儀表由美國GMI工程和管理學院開發(fā),已申請兩項專利。

4.3 轉(zhuǎn)速表式流量傳感器　　(tachmetric flowrate sensor)

　　它是由俄羅斯科學工程中心工業(yè)儀表公司開發(fā)，是基于懸浮效應理論研制的。該儀表已在若干現(xiàn)場成功的應用(例如在核電站安裝2000余臺測量熱水流量，連續(xù)使用8年),且還在改進以擴大應用領域。

5、 幾種流量儀表應用和發(fā)展動向　　

5.1 科里奧利質(zhì)量流量計(CMF)　　國外CMF已發(fā)展30余系列，各系列開發(fā)在技術上著眼點在于:流量檢測測量管結構上設計創(chuàng)新;提高儀表零點穩(wěn)定性和精確度等性能;增加測量管撓度,提高靈敏度;改善測量管應力分布,降低疲勞損壞,加強抗振動干擾能力等。

5.2 電磁流量計(EMF)　　EMF從50年代初進入工業(yè)應用以來,使用領域日益擴展,80年代后期起在各國流量儀表銷售金額中已占16%~20%。

　　我國近年發(fā)展迅速,1994年銷售估計為6500~7500臺。國內(nèi)已生產(chǎn)最大口徑為2~6m的ENF,并有實流校驗口徑3m的設備能力。

5.3 渦街流量計(USF)　　USF在60年代后期進入工業(yè)應用,80年代后期起在各國流量儀表銷售金額中已占4%~6%。1992年世界范圍估計銷售量為3.54.8萬臺,同期國內(nèi)產(chǎn)品估計在8000~9000臺。

6、 結論　

　　由上述可知,流量計發(fā)展到今天雖然已日趨成熟,但其種類仍然極其繁多,至今尚無一種對于任何場合都適用的流量計。

　　每種流量計都有其適用范圍,也都有局限性。這就要求我們:

　　(1)在選擇儀表時,一定要熟悉儀表和被測對象兩方面的情況,并要兼顧考慮其它因素,這樣測量才會準確;

　　(2)努力研制新型儀表,使其在現(xiàn)有的基礎上更加完善。

　　差壓式流量計

　　差壓式流量計(以下簡稱DPF或流量計)是根據(jù)安裝于管道中流量檢測件產(chǎn)生的差壓、已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來測量流量的儀表。DPF由一次裝置(檢測件)和二次裝置(差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表)組成。通常以檢測件的型式對DPF分類，如孔扳流量計、文丘里管流量計及均速管流量計等。二次裝置為各種機械、電子、機電一體式差壓計，差壓變送器和流量顯示及計算儀表，它已發(fā)展為三化(系列化、通用化及標準化)程度很高的種類規(guī)格龐雜的一大類儀表。差壓計既可用于測量流量參數(shù)，也可測量其他參數(shù)(如壓力、物位、密度等)。

　　DPF按其檢測件的作用原理可分為節(jié)流式、動壓頭式、水力阻力式、離心式、動壓增益式和射流式等幾大類，其中以節(jié)流式和動壓頭式應用最為廣泛。

　　節(jié)流式DPF的檢測件按其標準化程度分為標準型和非標準型兩大類。所謂標準節(jié)流裝置是指按照標準文件設計、制造、安裝和使用，無須經(jīng)實流校準即可確定其流量值并估算流量測量誤差，非標準節(jié)流裝置是成熟程度較差，尚未列入標準文件中的檢測件。

　　標準型節(jié)流式DPF的發(fā)展經(jīng)過漫長的過程，早在20世紀20年代，美國和歐洲即開始進行大規(guī)模的節(jié)流裝置試驗研究。用得最普遍的節(jié)流裝置－－孔板和噴嘴開始標準化。現(xiàn)在標準噴嘴的一種型式ISA l932噴嘴，其幾何形狀就是30年代標準化的，而標準孔板亦曾稱為ISA l932孔板。節(jié)流裝置結構形式的標準化有很深遠的意義，因為只有節(jié)流裝置結構形式標準化了，才有可能把國際上眾多研究成果匯集到一起，它促進檢測件的理論和實踐向深度和廣度拓展，這是其他流量計所不及的。1980年ISO(國際標準化組織)正式通過國際標準ISO 5167，至此流量測量節(jié)流裝置第一個國際標準誕生了。ISO 5167總結了幾十年來國際上對為數(shù)有限的幾種節(jié)流裝置(孔板、噴嘴和文丘里管)的理論與試驗的研究成果，反映了此類檢測件的當代科學與生產(chǎn)的技術水平。但是從ISO 5167正式頒布之日起，它就暴露出許多亟待解決的問題，這些問題主要有以下幾個方面。

　　1)ISO 5167試驗數(shù)據(jù)的陳舊性 ISO 5167中采用的數(shù)據(jù)大多是30年代的試驗結果，今天無論節(jié)流裝置制造技術，流量試驗設備及實驗技術都有巨大的進步，重新進行系統(tǒng)地試驗以獲得更高精確度及更可靠的數(shù)據(jù)是必要的。進入80年代美國和歐洲都進行大規(guī)模的試驗，為修訂ISO 5167打下基礎。

　　2) ISO 5167中關于直管段長度規(guī)定的問題 在ISO投票通過ISO 5167時，美國投了反對票，其主要原因是對直管段長度的規(guī)定有不同意見，這個問題應是ISO 5167修訂的主要問題之一。

　　3) ISO 5167中各項規(guī)定的科學性問題 影響節(jié)流裝置流出系數(shù)的因素特別多，主要有孔徑與管徑的比值β、取壓裝置、雷諾數(shù)、節(jié)流件安裝偏心度、前后阻流件類型及直管段長度、孔板入口邊緣尖銳度、管壁粗糙度、流體流動湍流度等，眾多因素影響錯綜復雜，有的參數(shù)難以直接測量，因此標準中有些規(guī)定并非科學地確定，而是為了取得一致，不得不人為地確定。著名流量專家斯賓塞(E．A．Spencer)提出一系列應重新檢討的問題，如孔板平直度、同心度、直角邊緣尖銳度、管道粗糙度、上游流速分布及流動調(diào)整器的作用等。

　　4)關于節(jié)流式DPF測量精確度提高的問題 鑒于節(jié)流式DPF在流量計中占有重要地位，提高其測量精確度意義重大。歷次國際學術會議認為必須使流量測量工作者、流體力學與計算機技術工作者緊密合作共同攻關才能解決此問題。

　　20世紀80年代美國和歐洲開始進行大規(guī)模的孔板流量計試驗研究，歐洲為歐共體實驗計劃(EEC Experimental Program)，美國為API實驗計劃(API Experimental Program)。試驗的目的是用現(xiàn)代最新測試設備及試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理技術進行新一輪的范圍廣泛的試驗研究，為修訂ISO 5167打下技術基礎。1999年ISO發(fā)出ISO 5167的修訂稿(ISO／CD 5167-1-4)，該文件為委員會草案，它在技術內(nèi)容與編輯上都有很大改動，是一份全新的標準。本來預定于1999年7月在美國丹佛舉行的ISO／TC30／SC2會議上審查通過為DIS(標準草案)，但是會議認為尚有細節(jié)問題應再商榷而未能通過。新的ISO 5167標準何時正式頒布尚不得而知。ISO 5167新標準在標準的兩個核心內(nèi)容皆有實質(zhì)性變化，一是孔板的流出系數(shù)公式，用Reader-Harris/Gallagher計算式(R-G式)代替Stolz計算式，另一為節(jié)流裝置上游側(cè)直管段長度的規(guī)定以及流動調(diào)整器的使用等。

　　我們通常稱ISO 5167(GB／T2624)中所列節(jié)流裝置為標準節(jié)流裝置，其他的都稱為非標準節(jié)流裝置，應該指出，非標準節(jié)流裝置不僅是指那些節(jié)流裝置結構與標難節(jié)流裝置相異的，如果標準節(jié)流裝置在偏離標準條件下工作亦應稱為非標準節(jié)流裝置，例如，標準孔板在混相流或標準文丘里噴嘴在臨界流下工作的都是。

　　目前非標準節(jié)流裝置大致有以下一些種類：

　　1)低雷諾數(shù)用 1／4圓孔板，錐形入口孔板，雙重孔板，雙斜孔板，半圓孔板等；

　　2)臟污介質(zhì)用 圓缺孔板，偏心孔板，環(huán)狀孔板，楔形孔板，彎管節(jié)流件等；

　　3)低壓損用 羅洛斯管，道爾管，道爾孔板，雙重文丘里噴嘴，通用文丘里管，Vasy管等；

　　4)小管徑用 整體(內(nèi)藏)孔板；

　　5)端頭節(jié)流裝置 端頭孔板，端頭噴嘴，Borda管等；

　　6)寬范圍度節(jié)流裝置 彈性加載可變面積可變壓頭流量計(線性孔板)；

　　7)毛細管節(jié)流件 層流流量計；

　　8)脈動流節(jié)流裝置；

　　9)臨界流節(jié)流裝置 音速文丘里噴嘴；

　　10)混相流節(jié)流裝置。

　　節(jié)流式DPF現(xiàn)場應用的不斷拓展必然提出發(fā)展非標準節(jié)流裝置的要求，十余年來ISO亦在不斷制訂有關非標準節(jié)流裝置的技術文件，在它們不能成為正式標準之前作為技術報告發(fā)表�？梢灶A見，今后有可能若干較為成熟的非標準節(jié)流裝置會晉升為標準型的。

　　20世紀90年代中后期世界范圍內(nèi)各式DPF銷售量在流量儀表總量中臺數(shù)占50％-60％(每年約百萬臺)，金額占30％左右。我國銷售臺數(shù)約占流量儀表總量(不包括家用燃氣表和家用水表及玻璃管浮子流量計)的35％-42％(每年6萬-7萬臺)。

　　2 工作原理

　　2.1 基本原理

　　充滿管道的流體，當它流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時，如圖4.1所示，流速將在節(jié)流件處形成局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后便產(chǎn)生了壓差。流體流量愈大，產(chǎn)生的壓差愈大，這樣可依據(jù)壓差來衡量流量的大小。這種測量方法是以流動連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)為基礎的。壓差的大小不僅與流量還與其他許多因素有關，例如當節(jié)流裝置形式或管道內(nèi)流體的物理性質(zhì)(密度、粘度)不同時，在同樣大小的流量下產(chǎn)生的壓差也是不同的。

　　圖4.1 孔板附近的流速和壓力分布

　　2.2 流量方程

　　式中 qm－－質(zhì)量流量，kg/s;

　　qv－－體積流量，m3/s;

　　C－－流出系數(shù)；

　　ε－－可膨脹性系數(shù)；

　　β－－直徑比，β=d/D;

　　d－－工作條件下節(jié)流件的孔徑，m；

　　D－－工作條件下上游管道內(nèi)徑，m；

　　△P－－差壓，Pa；

　　ρl－－上游流體密度，kg/m3。

　　由上式可見，流量為C、ε、d、ρ、△P、β(D)6個參數(shù)的函數(shù)，此6個參數(shù)可分為實測量【d，ρ，△P，β(D)】和統(tǒng)計量(C、ε)兩類。

　　(1)實測量

　　1)d、D 式(4．1)中d與流量為平方關系，其精確度對流量總精度影響較大，誤差值一般應控制在±0．05％左右，還應計及工作溫度對材料熱膨脹的影響。標準規(guī)定管道內(nèi)徑D必須實測，需在上游管段的幾個截面上進行多次測量求其平均值，誤差不應大于±0．3％。除對數(shù)值測量精度要求較高外，還應考慮內(nèi)徑偏差會對節(jié)流件上游通道造成不正常節(jié)流現(xiàn)象所帶來的嚴重影響。因此，當不是成套供應節(jié)流裝置時，在現(xiàn)場配管應充分注意這個問題。

　　2)ρ ρ在流量方程中與△P是處于同等位置，亦就是說，當追求差壓變送器高精度等級時，絕不要忘記ρ的測量精度亦應與之相匹配。否則△P的提高將會被ρ的降低所抵消。

　　3)△P 差壓△P的精確測量不應只限于選用一臺高精度差壓變送器。實際上差壓變送器能否接受到真實的差壓值還決定于一系列因素，其中正確的取壓孔及引壓管線的制造、安裝及使用是保證獲得真實差壓值的關鍵，這些影響因素很多是難以定量或定性確定的，只有加強制造及安裝的規(guī)范化工作才能達到目的。

　　(2)統(tǒng)計量

　　1)C 統(tǒng)計量C是無法實測的量(指按標準設計制造安裝，不經(jīng)校準使用)，在現(xiàn)場使用時最復雜的情況出現(xiàn)在實際的C值與標準確定的C值不相符合。它們的偏離是由設計、制造、安裝及使用一系列因素造成的。應該明確，上述各環(huán)節(jié)全部嚴格遵循標準的規(guī)定，其實際值才會與標準確定的值相符合，現(xiàn)場是難以完全滿足這種要求的。

　　應該指出，與標準條件的偏離，有的可定量估算(可進行修正)，有的只能定性估計(不確定度的幅值與方向)。但是在現(xiàn)實中，有時不僅是一個條件偏離，這就帶來非常復雜的情況，因為一般資料中只介紹某一條件偏離引起的誤差。如果許多條件同時偏離，則缺少相關的資料可查。

　　2)ε 可膨脹性系數(shù)ε是對流體通過節(jié)流件時密度發(fā)生變化而引起的流出系數(shù)變化的修正，它的誤差由兩部分組成：其一為常用流量下ε的誤差，即標準確定值的誤差；其二為由于流量變化ε值將隨之波動帶來的誤差。一般在低靜壓高差壓情況，ε值有不可忽略的誤差。當△P／P≤0.04時，ε的誤差可忽略不計。

　　3 分 類

　　差壓式流量計分類如表4.1所示。

　　表4.1 差壓式流量計分類表

　　分類原則 分 類 類　型

　　按產(chǎn)生差壓的作用原理分類 1）節(jié)流式；2）動壓頭式；3）水力阻力式；4）離心式；5）動壓增益式；6）射流式

　　按結構形式分類 1）標準孔板；2）標準噴嘴；3）經(jīng)典文丘里管；4）文丘里噴嘴；5）錐形入口孔板；6）1/4圓孔板；7）圓缺孔板；8）偏心孔板；9）楔形孔板；10）整體（內(nèi)藏）孔板；11）線性孔板；12）環(huán)形孔板；13）道爾管；14）羅洛斯管；15）彎管；16）可換孔板節(jié)流裝置；17）臨界流節(jié)流裝置

　　按用途分類 1）標準節(jié)流裝置；2）低雷諾數(shù)節(jié)流裝置；3）臟污流節(jié)流裝置；4）低壓損節(jié)流裝置；5）小管徑節(jié)流裝置；6）寬范圍度節(jié)流裝置；7）臨界流節(jié)流裝置；

　　3.1 按產(chǎn)生差壓的作用原理分類

　　1)節(jié)流式 依據(jù)流體通過節(jié)流件使部分壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽芤援a(chǎn)生差壓的原理工作，其檢測件稱

　　之為節(jié)流裝置，是DPF的主要品種。

　　2)動壓頭式 依據(jù)動壓轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓的原理工作，如均速管流量計。

　　3)水力阻力式 依據(jù)流體阻力產(chǎn)生的壓差原理工作，檢測件為毛細管束，又稱層流流量計，一

　　般用于微小流量測量。

　　4)離心式 依據(jù)彎曲管或環(huán)狀管產(chǎn)生離心力原理形成的壓差工作，如彎管流量計，環(huán)形管流量

　　計等。

　　5)動壓增益式 依據(jù)動壓放大原理工作，如皮托-文丘里管。

　　6)射流式 依據(jù)流體射流撞擊產(chǎn)生原理工作，如射流式差壓流量計。

　　3.2 按結構形式分類

　　1) 標準孔板 又稱同心直角邊緣孔板，其軸向截面如圖4.2所示�？装迨且粔K加工成圓形同心的具有銳利直角邊緣的薄板�？装彘_孔的上游側(cè)邊緣應是銳利的直角。標準孔板有三種取壓方式：角接、法蘭及D-D/2取壓；如圖4.3所示。為從兩個方向的任一個方向測量流量，可采用對稱孔板，節(jié)流孔的兩個邊緣均符合直角邊緣孔板上游邊緣的特性，且孔板全部厚度不超過節(jié)流孔的厚度。

　　圖4.2 標準孔板

　　圖4.3 孔板的三種取壓方式

　　2) 標準噴嘴 有兩種結構形式：ISA 1932噴嘴和長徑噴嘴。

　　a. ISA 1932噴嘴（圖4.4） 上游面由垂直于軸的平面、廓形為圓周的兩段弧線所確定的收縮段、圓筒形喉部和凹槽組成的噴嘴。ISA 1932噴嘴的取壓方式僅角接取壓一種。

　　圖4.4 ISA 1932噴嘴

　　b. 長徑噴嘴（圖4.5） 上游面由垂直于軸的平面、廓形為1/4橢圓的收縮段、圓筒形喉部和可能有的凹槽或斜角組成的噴嘴。長徑噴嘴的取壓方式僅D-D/2取壓一種。

　　3） 經(jīng)典文丘里管 由入口圓筒段A、圓錐收縮段B、圓筒形喉部C和圓錐擴散段E組成，如圖4.6 所示。根據(jù)不同的加工方法，有以下結構形式：①具有粗鑄收縮段的；②具有機械加工收縮段的；③具有鐵板焊接收縮段的。不同結構形式的L1、L2、R1、R2與D、d的關系如表4.2所示。

　　4）文丘里噴嘴 由進口噴嘴、圓筒形喉部及擴散段組成，如圖4.7所示。

　　5）錐形入口孔板 錐形入口孔板與標準孔板相似，相當于一塊倒裝的標準孔板，其結構如圖4 . 8所示，取壓方式為角接取壓。

　　表4.2 L1、L2、R1、R2與D、d關系

　　注 粗 鑄 入 口 機械加工的入口 粗焊的鐵板入口

　　1 ±0.25D(100mm＜D＜150mm)

　　L1=0.5D±0.05D L1=0.5D±0.05D

　　2 L2=1D或0.25D+250mm兩個量中的小者 L2≥D(入口直徑) L2≥D(入口直徑)

　　3 R1=1.375D+20% R1＜0.25D R1=0,焊縫除外

　　4 R2=3.625d至3.8d R2＜0.25D R2=0,焊縫除外

　　超聲波流量計的基本原理及類型

　　超聲波在流動的流體中傳播時就載上流體流速的信息。因此通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。根據(jù)檢測的方式，可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關法等不同類型的超聲波流量計。起聲波流量計是近十幾年來隨著集成電路技術迅速發(fā)展才開始應用的一種

　　非接觸式儀表，適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。它與水位計聯(lián)動可進行敞開水流的流量測量。使用超聲波流量比不用在流體中安裝測量元件故不會改變流體的流動狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產(chǎn)管線運行因而是一種理想的節(jié)能型流量計。

　　眾所周知，目前的工業(yè)流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的問題，這是因為一般流量計隨著測量管徑的增大會帶來制造和運輸上的困難，造價提高、能損加大、安裝不僅這些缺點，超聲波流量計均可避免。因為各類超聲波流量計均可管外安裝、非接觸測流，儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關，而其它類型的流量計隨著口徑增加，造價大幅度增加，故口徑越大超聲波流量計比相同功能其它類型流量計的功能價格比越優(yōu)越。被認為是較好的大管徑流量測量儀表，多普勒法超聲波流量計可測雙相介質(zhì)的流量，故可用于下水道及排污水等臟污流的測量。在發(fā)電廠中，用便攜式超聲波流量計測量水輪機進水量、汽輪機循環(huán)水量等大管徑流量，比過去的皮脫管流速計方便得多。超聲被流量汁也可用于氣體測量。管徑的適用范圍從2cm到5m，從幾米寬的明渠、暗渠到500m寬的河流都可適用。

　　另外，超聲測量儀表的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，又可制成非接觸及便攜式測量儀表，故可解決其它類型儀表所難以測量的強腐蝕性、非導電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測量問題。另外，鑒于非接觸測量特點，再配以合理的電子線路，一臺儀表可適應多種管徑測量和多種流量范圍測量。超聲波流量計的適應能力也是其它儀表不可比擬的。超聲波流量計具有上述一些優(yōu)點因此它越來越受到重視并且向產(chǎn)品系列化、通用化發(fā)展，現(xiàn)已制成不同聲道的標準型、高溫型、防爆型、濕式型儀表以適應不同介質(zhì)，不同場合和不同管道條件的流量測量。

　　超聲波流量計目前所存在的缺點主要是可測流體的溫度范圍受超聲波換能鋁及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全。目前我國只能用于測量200℃以下的流體。另外，超聲波流量計的測量線路比一般流量計復雜。這是因為，一般工業(yè)計量中液體的流速常常是每秒幾米，而聲波在液體中的傳播速度約為1500m／s左右，被測流體流速(流量)變化帶給聲速的變化量最大也是10－3數(shù)量級．若要求測量流速的準確度為1％，則對聲速的測量準確度需為10-5～10-6數(shù)量級，因此必須有完善的測量線路才能實現(xiàn)，這也正是超聲波流量計只有在集成電路技術迅速發(fā)展的前題下才能得到實際應用的原因。

　　超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號供給顯示和積算儀表進行顯示和積算。這樣就實現(xiàn)了流量的檢測和顯示。

　　超聲波流量計常用壓電換能器。它利用壓電材料的壓電效應，采用適出的發(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振勸。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔�，以便檢測。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應，而接收換能器則是利用壓電效應。

　　超聲波流量計換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動。薄片直徑超過厚度的10倍，以保證振動的方向性。壓電元件材料多采用鋯鈦酸鉛。為固定壓電元件，使超聲波以合適的角度射入到流體中，需把元件故人聲楔中，構成換能器整體(又稱探頭)。聲楔的材料不僅要求強度高、耐老化，而且要求超聲波經(jīng)聲楔后能量損失小即透射系數(shù)接近1。常用的聲楔材料是有機玻璃，因為它透明，可以觀察到聲楔中壓電元件的組裝情況。另外，某些橡膠、塑料及膠木也可作聲楔材料。

　　超聲波流量計的電子線路包括發(fā)射、接收、信號處理和顯示電路。測得的瞬時流量和累積流量值用數(shù)字量或模擬量顯示。

　　根據(jù)對信號檢測的原理，目前超聲波流量計大致可分傳播速度差法(包括：直接時差法、時差法、相位差法、頻差法)波束偏移法、多普勒法、相關法、空間濾波法及噪聲法等類型，如圖所示。其中以噪聲法原理及結構最簡單，便于測量和攜帶，價格便宜但準確度較低，適于在流量測量準確度要求不高的場合使用。由于直接時差法、時差法、頻差法和相位差法的基本原理都是通過測量超聲波脈沖順流和逆流傳報時速度之差來反映流體的流速的，故又統(tǒng)稱為傳播速度差法。其中頻差法和時差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來的誤差，準確度較高，所以被廣泛采用。按照換能器的配置方法不同，傳播速度差撥又分為：Z法(透過法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。波束偏移法是利用超聲波束在流體中的傳播方向隨流體流速變化而產(chǎn)生偏移來反映流體流速的，低流速時，靈敏度很低適用性不大．多普勒法是利用聲學多普勒原理，通過測量不均勻流體中散射體散射的超聲波多普

　　勒頻移來確定流體流量的，適用于含懸浮顆粒、氣泡等流體流量測量。相關法是利用相關技術測量流量，原理上，此法的測量準確度與流體中的聲速無關，因而與流體溫度，濃度等無關，因而測量準確度高，適用范圍廣。但相關器價格貴，線路比較復雜。在微處理機普及應用后，這個缺點可以克服。噪聲法(聽音法)是利用管道內(nèi)流體流動時產(chǎn)生的噪聲與流體的流速有關的原理，通過檢測噪聲表示流速或流量值。其方法簡單，設備價格便宜，但準確度低。

　　以上幾種方法各有特點，應根據(jù)被測流體性質(zhì)．流速分布情況、管路安裝地點以及對測量準確度的要求等因素進行選擇。一般說來由于工業(yè)生產(chǎn)中工質(zhì)的溫度常不能保持恒定，故多采用頻差法及時差法。只有在管徑很大時才采用直接時差法。對換能器安裝方法的選擇原則一般是：當流體沿管軸平行流動時，選用Z法；當流動方向與管鈾不平行或管路安裝地點使換能器安裝間隔受到限制時，采用V法或X法。當流場分布不均勻而表前直管段又較短時，也可采用多聲道(例如雙聲道或四聲道)來克服流速擾動帶來的流量測量誤差。多普勒法適于測量兩相流，可避免常規(guī)儀表由懸浮�；驓馀菰斐傻亩氯�、磨損、附著而不能運行的弊病，因而得以迅速發(fā)展。隨著工業(yè)的發(fā)展及節(jié)能工作的開展，煤油混合(COM)、煤水泥合(CWM)燃料的輸送和應用以及燃料油加水助燃等節(jié)能方法的發(fā)展，都為多普勒超聲波流量計應用開辟廣闊前景。

　　流量計的種類很多，一般市場上用得比較廣泛的有：電磁流量計、渦街流量計、渦輪流量計、孔板流量計、V錐流量計、金屬轉(zhuǎn)子流量計、玻璃轉(zhuǎn)子流量計、旋進旋渦流量計、橢圓齒輪流量計、均速管流量計、超聲波流量計等。它們的安裝條件對直管段的要求V錐流量計是最低，而電磁、渦街、孔板等對直管段要求就較高，一般是前5D后3D,對于流量計前端有彎頭、閥門
等的直管段要求就更高，最高要求直管段是前50D后5D,因此在選購流量計時一定要考慮流量計現(xiàn)場安裝的環(huán)境、位置等因素，從而選擇更加適合現(xiàn)場工礦的流量計。