流量计量概念：如何实现准确计量？

1.流量计量的重要性

流量计量与国民经济、国防建设、科学研究有着密切的关系，做好这一工作对保证产品质量、提高生产效率、科学发展都具有重要的作用。特别是在工业生产自动化程度越来越高的今天，流量计量在国民经济中的地位与作用更加明显。

流量的定义是流经管道界面的流体数量与该流体数量通过该界面所花费的时间之商，通常用质量流量和体积流量来表示。质量流量是指流体数量用质量来表示的流量，而体积流量则是流体数量用体积来表示的流量。

流量计量的应用非常广泛，如热工流量计量是应用在热工行业的任何一个环节，否则将无法保证正常生产和贸易交往。比如在化工行业，流量计量不准确会造成化学成分分配比例失调，无法保证产品质量，严重的还会发生生产安全事故；而在电力行业中对液体、气体、蒸气等介质流量的测量和调解占有重要地位，流量的准确与否不仅对保证发电厂在最佳参数下运行具有很大的经济意义，而巨随着高温、高压、大容量机组的发展，流量测量已成为保证发电厂安全运行的重要环节……这些都要求热工流量测量装置不仅要做到准确计量，而巨还要及时地发出报警信号。

2.流量计的种类

流量计是测量流量的传感器与仪表，它是测量管道或明沟中液体、气体或蒸气等流体流量的工业自动化仪表，是工业测量中重要的仪表之一。随着工业生产的发展，对流量测量的准确度和范围的要求越来越高，流量测量技术日新月异。为了适应各种用途，各种类型的流量计相继问世。目前，已投入使用的流量计已超过100种。

从不同的角度出发，流量计有不同的分类方法。常用的分类方法有两种：一是按流量计的结构原理进行分类；二是按流量计采用的测量原理进行归纳分类。

（1）按流量计结构原理分类 按当前流量计产品的实际情况，根据流量计的结构原理，大致上可归纳为以下几种类型。

1）容积式流量计：容积式流量计相当于一个标准容积的容器，它接连不断地对流动介质进行度量。流量越大，度量的次数越多，输出的频率越高。容积式流量计的原理比较简单，适于测量高轴度、低雷诺数的流体。根据回转体形状的不同，目前生产的产品分为：适于测量液体流量的椭圆齿轮流量计、腰轮流量计（罗茨流量计）、旋转活塞和刮板式流量计；适于测量气体流量的伺服式容积流量计、皮膜式和转筒流量计等（见图2-1）。

图2-1 容积式流量计

a）腰轮流量计 b）椭圆齿轮流量计 c）内凸轮叶片流量计

2）叶轮式流量计：叶轮式流量计的工作原理是将叶轮置于被测流体中，受流体流动的冲击而旋转，以叶轮旋转的快慢来反映流量的大小。典型的叶轮式流量计是水表和涡轮流量计，其结构可以是机械传动输出式或电脉冲输出式。

图2-2所示为主要由法兰、前导向架、叶轮、后导向架、压紧圈和带放大器的磁电感应转换器等组成的蜗轮流量计。当被测流体流经传感器时，传感器内的叶轮借助于流体的动能而产生旋转，叶轮即周期性地改变磁电感应系统中的磁电阻，使通过线圈的磁通量周期性地发生变化而产生电脉冲信号，经放大器放大后传送至相应的流量积算仪表，进行流量或总量的测量。

3）差压式流量计（变压降式流量计）：如图2-3所示的差压式流量计由一次装置和二次装置组成，一次装置称为流量测量元件，它安装在被测流体的管道中，产生与流量（流速）成比例的压力差，供二次装置进行流量显示；二次装置称为显示仪表，它接收测量元件产生的差压信号，并将其转换为相应的流量进行显示。差压流量计的一次装置常为节流装置或动压测定装置（皮托管、均速管等）。二次装置为各种机械式、电子式、组合式差压计配以流量显示仪表。差压计的差压敏感元件多为弹性元件。由于差压和流量皇二次方根关系，故流量显示仪表都配有开二次方装置，以使流量刻度线性化。多数仪表还设有流量计算装置，以显示累积流量，以便经济核算。发电厂主蒸气、给水、凝结水等的流量测量都采用这种传感器。

图2-2 蜗轮流量计

图2-3 差压式流量计

图2-4 转子流量计

4）变面积式流量计（等压降式流量计）：放在上大下小的锥形流道中的浮子受到自下而上流动的流体作用力而移动。当此作用力与浮子的“显示重量”（浮子本身的重量减去它所受流体的浮力）相平衡时，浮子即静止。浮子静止的高度可作为流量大小的量度。由于流量计的通流截面积随浮子高度不同而异，而浮子稳定不动时上下部分的压力差相等，因此该种流量计称为变面积式流量计或等压降式流量计。这种流量计的典型仪表如图2-4所示的转子（浮子）流量计。

5）动量式流量计：利用测量流体的动量来反映流量大小的流量计称为动量式流量计。这种流量计的典型仪表是靶式和转动翼板式流量计。

6）冲量式流量计：利用冲量定理测量流量的流量计称为冲量式流量计，多用于测量颗粒状固体介质的流量，还用来测量泥浆、结晶型液体和研磨料等的流量。流量测量范围从每小时几公斤到近万吨。

7）电磁流量计：图2-5所示的电磁流量计是根据导电体在磁场中运动产生感应电动势，而感应电动势又和流量大小成正比，通过测量电动势来反映管道流量的原理而制成的。其测量精度和灵敏度都较高。工业上多用电磁流量计来测量水、矿浆等介质的流量，其可测最大管径达2m，巨压损极小。(www.xing528.com)

图2-5 电磁流量计

8）超声波流量计：超声波流量计是基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测介质的平均流速和声波本身速度的几何和的原理而设计的。它是由测量流速来反映流量大小的。超声波流量计虽然在1970年才出现，但由于它可以制成非接触形式，并可与超声波水位计联动进行开口流量测量，对流体又不产生扰动和阻力，所以很受欢迎，是一种很有发展前途的流量计。

图2-6所示的超声波流量计是利用时差法进行工作的，具体计算公式为

式中，C₀为零流量时声速；V为流速；L为换能器之间的距离。

图2-6 超声波流量计

图2-7 涡街流量计

9）流体振荡式流量计：流体振荡式流量计是利用流体在特定流道条件下流动时将产生振荡，巨振荡的频率与流速成比例这一原理设计的。当通流截面一定时，流速与流量成正比。因此，测量振荡频率即可测得流量。这种流量计是1970年开发和发展起来的，由于它兼有无转动部件和脉冲数宇输出的优点，很有发展前途。目前，典型的产品有涡街流量计（见图2-7）、旋进旋涡流量计。

10）质量流量计：由于流体的容积受温度、压力等参数的影响，用容积流量表示流量大小时需给出介质的参数。在介质参数不断变化的情况下，往往难以达到这一要求，而造成仪表显示值失真。因此，质量流量计就得到广泛的应用和重视。质量流量计分直接式和间接式两种。直接式质量流量计利用与质量流量直接有关的原理进行测量，目前常用的有量热式、角动量式、振动陀螺式、马格努斯效应式、科里奥利力式和动量矩式等质量流量计。间接式质量流量计是用密度计与容积流量直接相乘求得质量流量的。

图2-8所示为动量矩式质量流量计，仪表壳体内的两个叶轮分别装在两短轴上，中间有一隔离盘，在两叶轮的轮缘上有若干直叶片作为流体的通道。电动机以恒定角速度驱动主动叶轮，使流体具有与主动叶轮相同的角速度，并产生与质量流量成比例的动量矩，作用在从动叶轮上。从动叶轮因被弹簧限制不能旋转而吸收动量矩。因此，测出弹簧的制动力矩就可知道动量矩的变化，也即测得质量流量。

除了上述常用结构原理的流量计外，其他各种结构的流量计还有很多，如适用于明渠测流的各种堰式流量计、槽式流量计；适于大口径测流的插入式流量计；测量层流流量的层流流量计；适于二相流测量的相关法流量计；激光法、核磁共振法流量计以及多种示踪法、稀释法流量计等。随着科技的发展和实际应用需要，新型流量计将不断涌现，流量计的类型将更为齐全。

图2-8 质量流量计

（2）按测量原理分类

1）力学原理：属于此类原理的仪表有利用伯努利定理的差压式、转子式；利用动量定理的冲量式、可动管式；利用牛顿第二定律的直接质量式；利用流体动量原理的靶式；利用角动量定理的蜗轮式；利用流体振荡原理的旋涡式和涡街式；利用总静压力差的皮托管式以及容积式和堰、槽式等。

2）电学原理：用于此类原理的仪表有电磁式、差动电容式、电感式和应变电阻式等。

3）声学原理：利用声学原理进行流量测量的有超声波式和声学式（冲击波式）等。

4）热学原理：利用热学原理测量流量的有热量式、直接量热式和间接量热式等。

5）光学原理：激光式和光电式等是属于此类原理的仪表。

6）物理原理：核磁共振式和核辐射式等是属于此类原理的仪表。

7）其他原理：有标记原理（示踪原理、核磁共振原理）、相关原理等。