作者：張晉賓，西南電力設(shè)計(jì)院

    測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)封閉管道或明渠有效截面流體量的傳感器/儀表即為流量測(cè)量?jī)x表。這一流體量可以用流體體積或質(zhì)量來(lái)表示，分別稱(chēng)之為體積流量q_v和質(zhì)量流量q_m。按采用的檢測(cè)方法不同，可將流量傳感器/儀表歸納為容積式、速度式和直接質(zhì)量流量式等。

 

    容積式流量測(cè)量?jī)x表是在單位時(shí)間內(nèi)以標(biāo)準(zhǔn)固定體積對(duì)流體進(jìn)行度量，以排出流體的固定容積數(shù)來(lái)計(jì)算體積流量的儀表，又稱(chēng)定排量流量計(jì)。工業(yè)上常用的有橢圓齒輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)等。特點(diǎn)是受流體流動(dòng)狀態(tài)影響小，精確度和重復(fù)性高，適于測(cè)量高黏度、低雷諾數(shù)的流體。

 

    在計(jì)量室內(nèi)裝有一對(duì)相互嚙合的橢圓齒輪。在進(jìn)出口流體差壓作用下產(chǎn)生交替相互驅(qū)動(dòng)，并各自繞軸做非勻角速度旋轉(zhuǎn)，被測(cè)流體通過(guò)橢圓齒輪和計(jì)量室之間的新月型空腔，一份接一份地排出。通過(guò)對(duì)齒輪轉(zhuǎn)數(shù)的計(jì)量，即可推算出流量值。

 

    在計(jì)量室內(nèi)裝有一對(duì)腰輪，在被測(cè)介質(zhì)進(jìn)出口差壓作用下旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)同軸驅(qū)動(dòng)齒輪交替相互帶動(dòng)，一份份排出腰輪與計(jì)量室之間空腔中的被測(cè)流體。通過(guò)對(duì)齒輪轉(zhuǎn)數(shù)的計(jì)數(shù)來(lái)推出流量值，又稱(chēng)羅茨流量計(jì)。

 

    速度式流量計(jì)是通過(guò)與恒定截面上的平均流速有關(guān)量的測(cè)量來(lái)顯示體積流量的。渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、均速管流量計(jì)、超聲流量計(jì)、電磁流量計(jì)和節(jié)流式流量計(jì)等均屬此類(lèi)。流體在管道截面上的流速分不對(duì)其精確度影響很大，因此要求流量計(jì)前后有較長(zhǎng)的直管段。

 

    當(dāng)被測(cè)流體通過(guò)時(shí)，沖擊渦輪葉片，使渦輪旋轉(zhuǎn)，在一定流量范圍內(nèi)和一定的流體黏度下，渦輪轉(zhuǎn)速與流體流速成正比，通過(guò)檢測(cè)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率來(lái)顯示體積流量。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精確度高和響應(yīng)靈敏等特點(diǎn)。

 

    在流體中放置一個(gè)旋渦發(fā)生體（如三角柱、圓柱）、在其下游兩側(cè)就會(huì)交替出現(xiàn)旋渦。在一定流量范圍內(nèi)旋渦釋放頻率與流速、流量成正比。旋渦頻率檢測(cè)方式有熱敏式、應(yīng)變式和壓電式等，其特點(diǎn)是測(cè)量范圍寬、壓力損失小、安裝方便，特別適合于大流量測(cè)量。

 

    其測(cè)量管迎流面上有多個(gè)全壓檢出孔，取得流動(dòng)截面上平均全壓，測(cè)量管背面取壓孔取得流動(dòng)背壓，用平均全壓和背壓之差來(lái)測(cè)量流動(dòng)截面上的平均流速和體積流量。其特點(diǎn)是壓損小，安裝維護(hù)方便，適用于測(cè)量大管徑流量。

 

    通過(guò)檢測(cè)超聲波聲能束或超聲脈沖與運(yùn)動(dòng)流體的相互作用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)流體流速和體積流量。檢測(cè)方法有傳播時(shí)間法、多普勒效應(yīng)法等。這是發(fā)展迅速的一種流量檢測(cè)技術(shù)，特別適用于大管徑流量測(cè)量、含固體顆粒兩相流測(cè)量、明渠流量測(cè)量等。

 

    基于法拉第電磁感應(yīng)工作原理，內(nèi)襯絕緣材料的非磁性管道兩側(cè)，設(shè)置一對(duì)磁極，當(dāng)導(dǎo)電流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流體切割磁力線(xiàn)，并在與磁場(chǎng)和管道軸線(xiàn)相垂直的管壁電極上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，它與截面上的平均流速成正比。測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小就可求得體積流量。其特點(diǎn)是測(cè)量范圍寬，壓力損失小，使用壽命長(zhǎng)，適合于導(dǎo)電流體及漿液流量測(cè)量，也可用于雙向的流量測(cè)量。

 

    在管道中設(shè)置使流體流束收縮的節(jié)流件，如孔板、噴嘴和文丘里管等，測(cè)量節(jié)流件兩側(cè)與流量平方成正比的差壓值，就可求得流量。流量測(cè)量用的節(jié)流裝置有幾種形式已標(biāo)準(zhǔn)化，只要按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工和安裝，就可得到流量與差壓之間的刻度關(guān)系，無(wú)需個(gè)別校驗(yàn)與分度。節(jié)流式流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)，能在高溫、高壓下工作，是目前工業(yè)上使用最多的流量計(jì)。但它的測(cè)量范圍小（量程比為3:1），安裝要求嚴(yán)格，壓力損失較大，刻度為非線(xiàn)性。

 

    質(zhì)量流量計(jì)是指儀表輸出信號(hào)直接代表單位時(shí)間流過(guò)的流體質(zhì)量，精確度不受流體密度、黏度等變化影響，又稱(chēng)直接式質(zhì)量流量計(jì)，如科里奧利質(zhì)量流量計(jì)、角動(dòng)量質(zhì)量流量計(jì)、熱式質(zhì)量流量計(jì)等。這類(lèi)儀表比較復(fù)雜，價(jià)格高，尚未普及，目前常用的是同時(shí)檢測(cè)流體體積流量和密度（或溫度和壓力），通過(guò)運(yùn)算得出質(zhì)量流量值，稱(chēng)之為推導(dǎo)式質(zhì)量流量計(jì)。

 

    流體在旋轉(zhuǎn)的管內(nèi)流動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)管壁產(chǎn)生科氏力，這類(lèi)流量計(jì)利用流體流過(guò)振動(dòng)管道時(shí)產(chǎn)生的科氏力物理效應(yīng)對(duì)管道兩端振動(dòng)相位的影響來(lái)測(cè)量流過(guò)管道的流體質(zhì)量流量。可測(cè)兩相流體，但通常不宜用于測(cè)液、氣二相流，對(duì)流速分布不敏感，無(wú)需前直管長(zhǎng)度安裝要求，量程比可達(dá)100:1。

 

    利用流動(dòng)中的流體與熱源（流體中加熱的物體或測(cè)量管外加熱體）之間因流體流動(dòng)造成的溫度場(chǎng)變化關(guān)系來(lái)測(cè)量流量的儀表。根據(jù)熱源及測(cè)溫元件與流體接觸方式的不同，可分為接觸式和非接觸式兩種。可測(cè)極低流速（可低至0.05m/s），無(wú)可動(dòng)部件，不存在阻塞問(wèn)題，但對(duì)流體的潔凈度和直管段有一定要求。

 

    概括而言，推動(dòng)流量測(cè)量傳感器發(fā)展的主要?jiǎng)恿κ牵焊呔燃翱煽啃孕枨蟆⒔档筒少?gòu)成本及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、技術(shù)提升因素等。

 

    以科里奧利質(zhì)量流量計(jì)為例，傳統(tǒng)測(cè)量管徑不超過(guò)DN50，不適宜于夾帶氣體的液體流量測(cè)量。現(xiàn)在GE Sensing、Endress+Hauser、KROHNE、Micro Motion等公司可提供DN400以上的產(chǎn)品。特別是德國(guó)KROHNE公司于2012年6月14日發(fā)布了世界上第一款具有先進(jìn)的夾帶氣體管理功能（EGM）的全新雙彎管科里奧利質(zhì)量流量計(jì)OPTIMASS 6400，解決了混合有氣體的液體流量測(cè)量的難題，且適用溫度范圍寬（-200°C～+400°C），壓力可高達(dá)20Mpa,可用于液體、氣體流量的計(jì)量。

 

    隨著科技進(jìn)步和市場(chǎng)需求，涌現(xiàn)出了許多新興流量測(cè)量技術(shù)，具代表性的有光學(xué)流量計(jì)和聲納流量計(jì)。

    光學(xué)流量計(jì)的檢測(cè)方法有多普勒效應(yīng)法和傳播時(shí)間法等。其中，激光多普勒光學(xué)流量計(jì)的工作原理是基于當(dāng)激光束照射到流動(dòng)的流體介質(zhì)顆粒時(shí)，將會(huì)發(fā)生與流體顆粒流動(dòng)速度成比例的波長(zhǎng)變化（即多普勒頻移效應(yīng)）的激光散射，通過(guò)測(cè)量其波長(zhǎng)變化進(jìn)而推導(dǎo)出流體流量。傳播時(shí)間式光學(xué)流量計(jì)是基于光閃爍技術(shù)來(lái)測(cè)量流量的，即當(dāng)流體介質(zhì)顆粒流過(guò)激光束時(shí)，引起激光散射并產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)光檢測(cè)器之間信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間，就可推導(dǎo)出流體顆粒的流速，其實(shí)質(zhì)上是基于光學(xué)激光傳播時(shí)間法的流速傳感器。具有寬的量程比（達(dá)1000:1），適應(yīng)低流速（最低為0.1m/s），測(cè)量不受被測(cè)介質(zhì)溫度、濕度、壓力、導(dǎo)熱性和構(gòu)成成份等因素的限制，測(cè)量精度和性能不受管道振動(dòng)和噪聲的影響，故光學(xué)流量計(jì)特別適用于具有流速變化幅度大、輸送管道管徑范圍寬（如煙囪、煙道、排放管或其它受限空間）的火炬氣、生物氣和氣體污染物排放等的測(cè)量，在環(huán)保、石油、化工等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。

    聲納流量計(jì)是一種基于聲納測(cè)速技術(shù)的傳感器。它不同于超聲波流量計(jì)，不受管垢、管道襯膠、流體磁性等的影響，可實(shí)現(xiàn)灰漿、污水、硫酸、氣/液等單相和多相流的非侵入式、高精度、高性能和高可靠的流量測(cè)量。美國(guó)CiDRA公司生產(chǎn)的SONARtrac®聲納式流量監(jiān)視裝置，它不僅可以測(cè)量單相流（如鹽水）和多相流（如高濃度灰漿），而且也可以在線(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量任何液相流體中所夾帶的氣體量，且所夾帶氣體量的測(cè)量范圍較寬（0%~20%），測(cè)量精度也高達(dá)0.01%。由于是動(dòng)態(tài)測(cè)量流體流動(dòng)紊流，故不存在漂移。產(chǎn)品出廠標(biāo)定后即可終生免除多次標(biāo)定的麻煩。

 

    大體而言，前述流量?jī)x表/傳感器中的差壓式（包括孔板、文丘里、噴嘴、均速管、楔形、道爾管、V錐等）、容積式、渦輪式等均采用傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，屬經(jīng)典流量技術(shù)儀表。科里奧利、電磁式、超聲波、渦街、熱式等屬于新技術(shù)型流量?jī)x表。相比較而言，新技術(shù)型流量傳感器精度較高，無(wú)活動(dòng)部件，不存在磨損問(wèn)題，且常為非插入式，無(wú)壓力損失，更節(jié)能，更可靠，因而成為流量?jī)x表制造商和研發(fā)機(jī)構(gòu)的主要關(guān)注點(diǎn)和研發(fā)投入點(diǎn)，并且其市場(chǎng)占有率也在逐年提高。據(jù)美國(guó)FlowResearch流量研究機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，科里奧利和超聲波等新式流量計(jì)的市場(chǎng)占有率在以每年6%到8%的比例增長(zhǎng)。

    此外，依托現(xiàn)代MEMS加工技術(shù)、半導(dǎo)體微電子技術(shù)、信息處理和通信技術(shù)的發(fā)展，新一代的流量傳感器大都集成有數(shù)字信號(hào)處理和通信等微處理器芯片，使其具備了自診斷、數(shù)據(jù)智能處理、人機(jī)對(duì)話(huà)等功能，實(shí)現(xiàn)了流量傳感器的智能化、多功能化、信息化和微型化。