一、 概述
        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.。
        2、市场评估  据“Flow Research”网2010年底有关全球流量仪表市场研究报告表明：尽管近二年全球受金融危机的影响，经济形势不容乐观，但为了应对资源的日益匮乏，节能减排的紧迫，流量仪表的市场仍逆市小幅上扬，预计自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*1。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，2010年销售额估计为45亿人民币*2。
        “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。
        3、会议热点*3、4  2010年10月在台北召开了第15届流量测量国际会议（FLOMEKO  2010）,发表论文108篇，其中：差压式34篇（31.5%）、标准装置28篇（26%）、超声15篇（13.8%）、热式8篇（7.4%）、电磁、科式各7篇（6.5%）、涡街、涡轮各6篇（5.5%）。
我国2010年在上海由中国计量测试学会主持召开了“全国流量学术交流会”，发表论文67篇，其中：标准装置19篇（26.8%）、节流13篇（19.4%）、超声7篇（10.4%）、非标准校验6篇（9%）、电磁3篇（4.4%），
        其他如：涡街、科氏、热式----等均仅有1~2篇。
        从以上学术会议发表的论文比重，可以看到国内外流量行业所关注的热点，要说明的是这两个会议都是由计量部门主持召开的，理所当然会给校验装置特别的关注。
二、流量仪表的原理、特点与发展*5、6
        由于影响流量仪表的因素很多，其原理、类型多达200余种，本文仅重点介绍以下几种：
        1、 电磁流量仪表
        ○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、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～），口径3～3000mm；
        (4)可测液、固二相流；
        ⑸准确度一般为±0.5%；
        ⑹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；
        ⑺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。
        ○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。
        ○4、发展方向
        ⑴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。
        ⑵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。
        ⑶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。
        ⑷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）。
        •二线制：二线制可以减小电缆，统一电源、节约成本、便于维护。
        •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。
        •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、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。
        ○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 。

图1、超声波仪表原理图

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图2、D系列科氏流量计原理图
1、支撑管  2、测量管  3、6位置检测器
4、电磁驱动器   5、外壳

        ○2、特点：
        ⑴无任何阻力件、压损小、可靠性高；
        ⑵可以测气、液多种流体；
        ⑶准确度可高达±0.5%，重复性为0.1%；
        ⑷量程比可达100:1；
        ⑸可采用多声道以保证测量准确度(图1)，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；
        ⑹管径大小对价格影响不大，所以特别适用于大口径，最大可至3米（液）；2米（气）；
        ⑺可测双向流；
        ⑻外夹式可不断流进行拆装，便于现场校验；
        ⑼已有标准，可进行干标；
        ⑽流体温度上限应小于200℃；压力上限为10Mpa；
        ⑾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；
        ⑿测液体较成熟，测气体难度较大，价格较贵。
        ○3、应用领域：
        ⑴ 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首选仪表；
        ⑵ 以进行非接触计量,常广泛用于高腐蚀、有毒的流体流量计量；
        ⑶ 泛用于食品、医药及要求十分洁净的流体流量计量；
        ⑷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%。
        ○4、发展方向
        ⑴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。
        ⑵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。
        ⑷降低成本：以便于大量推广应用。
        3、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60万台科氏流量计，应用于各领域。并已在我国上海浦东建立了研发基地。
        ○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。
        ○2、特点 
        ⑴ 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±；
        ⑵ 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；
        ⑶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；
        ⑷温度范围-240℃~200℃，压力（4~40MPa），不适用于高温、低压流体；
        ⑸量程比可达100:1；
        ⑹易产生另点漂移；
        ⑺压损受粘度影响较大，属于压损较大的流量仪表；
        ⑻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； 
        ⑼价格较贵，均为相同口径电磁流量计的5~8倍；
        ⑽由于基于振动原理工作，外界的振动对其影响较大。
        ○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。
        ○4、发展方向
        ⑴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型气体流量计算机，系统涵盖了APIMPS、AGA8的有关标准的气体数据；
        ⑵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；
        ⑶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。
        ⑷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。

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    4、热式流量仪表
        ○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：
        ⑴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：二个热电阻置于管道中，用功率恒定的电加热器，使热电阻温度高于流体的温度。其中一个裸露在气流中，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、特点：
        ⑴可测极低流速，气体可低至；
        ⑵无可动部件，也不存在阻塞问题，工作可靠；
        ⑶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；
        ⑷浸入式主要用在大口径，口径范围（40~4000mm），流体限于干燥常温气体（＜200℃）
        ⑹ 布式主要用于小口径（2~25mm）；小流量()；
        ⑹对流体的洁净度仍有一定要求，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；
        ⑺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20～30D，后需5D；
        ⑻响应时间需1～2秒，用于工控系统会恶化调节品质；
        ⑼准确度较低，热分布型±1～2%，浸入式±3%。
        ○3、应用领域：
        ⑴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；
        ⑵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；
        ⑶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.发展方向
        ⑴薄膜型：薄膜型微流量仪表，是在显微机械加工的电子器件，及微机电系统（micro electro mechanical system,简称MEMS），以取代热丝在流量测量上的应用。
        ⑵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，必需采用多点（直线上多点，或截面上多点），这类管道中的流速普遍较低（10～15M/S），从节能减排的需求，市场应有较大的潜力。

        5、涡街流量仪表
        ○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，涡街的频率与流经钝体的流速成正比,测得频率，可知流量的大小。

         
        式中Sr是斯特劳哈系数，与Re有关； 为钝体的迎流向宽度；D为管道内径。

图 3 涡街流量计原理图

        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计。

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    ○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±1~2%，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，因此上游必需有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。
        （9）仪表系数分辨率低，口径越大分辨率越低，一般最大为300毫米。
        ○3应用领域
        涡街流量计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4000C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。
        ○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，提高涡街流量计的准确度、
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。
        6、插入式流量仪表*7
        规模生产效益，近二、三十年以来工程日益扩大，现场管径日益增大，如热电厂的工艺管道已大至5~6米，满管流量计因过于笨重，已难以适应技术的发展，早期应用以取样原理为基础的插入式流量计又受到青睐，近三十年来又被广泛用于流量测量。
        ○1原理  按流量的定义：   ， 只要能准确测量管道中的流速V，管道截面A,就可知流量qv。因此，凡是可以测流速的仪表均可成为插入式流量计。如：皮托管、双文丘利管、测管、涡轮、涡街、热式、电磁均可做为测量头，成为插入式流量计。其中以皮托管为基础的测直线上多点流速的均速管（亦称阿纽巴或巴类，），在近三十年来在大口径测量上曾风光一时，占有较大市场。
        插入式流量计可以用极简单的方法，最低的成本，“解决”大管道流量测量的问题。看似好事，但弊已伏其中了。因为管道极大，十之八九不可能具有较长直管段，管内流速分布必然极其复杂（图4）、不仅没有规律，且有漩涡，怎么可能仅测一点或几点流速来涵盖整个截面的流速，准确地测量流量呢？因此公式中的平均流速 ，是很难用插入式流量计得到的，不少厂商只谈流速准确度而回避流速分布，有意或无意误导了用户。

图4   双弯头后的流速分布

图5  均速管测量原理图

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    ○2插入式流量仪表
        1、测点速 
         通过测一点流速推算流量*8 
         凡是可测流速的仪表，如皮托管；双文丘里管；测管；插入式涡街、涡轮；热式------均可成为这类仪表。 
        特点：结构简单，安装维修方便，压损小，价格便宜，但准确度不可能高。 
        厂商宣传在风洞中标定仅是流速，由于管道内流速分布十分复杂，无助于提高流量准确度*9。
        2、测直线上多点流速 *10  
        主要为均速管（图5）、热式。 
        均速管问世已四十年，在横截面性状上不断推陈出新，不少于十余种，厂商都大肆炒作其优越性。其实均速管的应用必需与管道相结合，否则它就不是流量计。影响测量准确度的因素主要应该是管道*11，它的前直管段长度是否足够长（流速分布），及管道内径是否精确。而厂商往往回避这个问题。均速管的截面形状最初为圆形，因“阻力危机”问题，出现了菱形、弹头形----十多种形状，其实就测量准确度而言，截面形状的影响相对于现场应用条件是很小的，厂家的宣传往往过分夸大其词。 
        当管径大至1~2米；流速大于 10m/s,雷诺数Re一般将大于106,已越过“阻力危机” ，则流速计截面仍可用圆管，如当前火电厂一次风管口径已达4~5米，完全没有必要选用均速管，在国外已有成功的案例*12 。.

        ○3影响准确度的因素（以差压式为例）
        
        式中    为速度分布系数；   阻塞系数； 干扰系数； 管道截面积
        输出差压； 流体密度； 流速计系数

        (1) 速度分布系数   是在充分发展紊流条件下，由管壁粗糙度与Re所引起的误差的修正系数，基本可以定量分析，带来的误差大约在1~3%之间；
        (2) 阻塞系数   是由于插入式仪表的测量杆（或均速管）及测量头，其迎风截面将改变管内的流速分布而引起的测量误差。研究表明：如果阻塞比S（仪表在管内的迎风截面/管道截面）小于可忽略不计;  <S

        从表1的测试数据表明：6A的技术性能优于6B，6C与6B相差无几。

图6  平衡式、整流式节流流量仪表

        ○5型式多样，性能难分伯仲。以上的这些节流式流量仪表（调整孔板、平衡式、整流式…..）均具有结构简单、可靠，加工简单易行，使用中都有对前直管段要求不高、又保持较高准确度的优点。目前还很难说哪一种产品具有显著的优势而独傲群雄，更不能说是某家独创。
        2推广应用的关键*17   近七、八年以来，新型节流流量仪表发展很快，加上厂商的炒作，大有取代标准节流仪表之势。但它终究还是个新生事物，在研发、生产及应用中缺乏经验，无序的生产与滥用势必会埋下事故隐患，（2005年大连内锥事故应为前车之鉴）。这种炒作以谋取暴利的做法已引起业内专家的忧虑，在肯定创新的前提下应尽快制定标准，为此建议如下：
        ○1节流件标准化   优化当前推出的各种“多孔孔板”节流件，只有这样才能简化测试项目。
        ○2积累测试数据   标准节流流量仪表的标准制定，花费了几十年时间，积累了成千上万在试验室测试的数据才可能制定标准。切不可随心所欲、闭门造车地制定标准，必需建立在试验的基础上。C. Hodges提出了一些建议以缩短这个过程*18。
        ○3阻力件影响试验  测试首先要在标准试验室中进行，然后还需在不同的阻力件，不同的安装长度下，
用数据来说明保证较高准确度所必要的直管段长度。

（特约编辑：毛新业）