摘 要：根据流量计的类型特征，重点介绍了9种流量计的工作原理和优缺点，指出选用流量计时应符合可靠性和经济性两大原则，并就新工作原理流量仪表的研究和开发作了简述。

关键字：流量计 类型特征 选型原则 研究开发

    1 流量计的类型及特点

    自然界中流体广泛存在，常见的空气、水和血液等均属于流体。单位时间内，流体流过管道或设备某处横截面的数量称为流量。流量测量是一项极其复杂的工作，就流体对象而言，有各种液体、气体和多相流体。测量条件差别也很大，进行流量测量时的流体温度范围可自高温至低温乃至极低温；压力范围可自超高压至低压；流量范围可自大流量至微小流量；黏度范围可自低黏度至高黏度；流态范围有层流、紊流、脉动流和各种多相流流型。因此，在具体进行测量时应根据测量对象和各种测量条件，采用相应的流量测量方法。

    测量流体流量的仪表统称为流量计。流量测量方法和仪表的种类繁多，其测量原理结构特性、适用范围及使用方法各不相同。至今为止，可供工业用的流量仪表种类达60多种。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。

    流量计的分类方式有多种，从原理上大体可分为差压式流量计、容积式流量计、速度式流量计、质量流量计等。本文将选差压式流量计、容积式流量计、浮子流量计、HKT涡轮流量计、HKE电磁流量计、HKGB涡街流量计等来分别阐述其原理和特点。

    1.1 差压式流量计

    差压式流量计是应用流体流经节流装置所产生的静压差来测量流量的一种流量计。差压式流量计由检测件（一次装置）、压差信号管路和差压计（二次装置）组成，又称节流式流量计，是目前应用最广的一类流量计。通常用节流装置对差压式流量计分类，如孔板流量计、文丘利管流量计和喷嘴等，节流装置已标准化，称为标准节流装置。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计、差压变送器及流量显示仪表。它已发展为三化（系列化、通用化、标准化）程度很高的、种类规格庞杂的一大类仪表，它既可测量流量参数，也可测量其他参数，如压力、物位、密度等。

    差压式流量计的检测件按其作用原理可分为：节流装置、水力阻力式、离心式、动压头式、动压头增益式及射流式六大类。差压式流量计是一类应用最广泛的流量计，在各类流量仪表中其使用量占居首位。近年来，由于各种新型流量计的问世，它的使用量逐渐下降，但目前仍是最重要的一类流量计，适合于高温流体流量的测量，可用于测量高温液体、蒸汽和气体，但其用以制造的钢材及结构必须和被测高温流体的温度和压力相适应。

    差压式流量计优点为：应用最多的孔板式流量计，结构简单牢固，性能稳定可靠，使用寿命长；应用范围广泛，至今尚无任何一类流量计可与之相比拟；检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产，便于规模经济生产。

    差压式流量计缺点为：测量精度普遍偏低；测量范围窄，一般仅3:1-4:1；现场安装条件要求高（上下游需有足够长的直管段长度等）；压力损失大（指孔板、喷嘴等）。

    差压式流量计应用概况：差压式流量计应用范围广泛，在封闭管道的流量测量中，各种对象都有应用。流体方面有单相、混相、洁净、脏污、黏性流等；工作状态方面有常压、高压、真空、常温、高温、低温等；管径方面可从几毫米（mm）到几米（m）；流动条件方面有亚音速、音速、脉动流等。它在各工业部门的用量约占流量计全部用量的1/4-1/3。

    1.2 容积式流量计

    容积式流量计又称定排量流量计，简称PD流量计，在流量仪表中是精度最高的一类。容积式流量计的原理是利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。

    容积式流量计形式众多，应根据所测流体的流量范围、温度、压力、所用管径、腐蚀性和黏度等选用。按其测量元件分类，可分为椭圆齿轮流量计、腰轮式流量计、刮板流量计、往复活塞流量计、旋转活塞流量计、圆盘流量计、湿式气体流量计、皮囊式流量计及伺服式流量计等。

    容积式流量计与差压式流量计、浮子流量计并列为三类使用量最大的流量计，常应用于昂贵介质（油品、天然气等）的总量测量。

    容积式流量计优点为：测量准确度高；测量准确度与流体种类、黏度、密度等物理量无关，也不受流动状态影响；量程比宽，可达10:1以上；直读式仪表无需外部能源可直接获得累计总量，清晰明了，操作简便。

    容积式流量计缺点为：结构复杂，体积庞大；被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大；不适用于高、低温场合；对被测介质的清洁度要求严格，大部分仪表只适用于洁净单相流体；产生噪声及振动。

    1.3 浮子流量计

    浮子流量计又称转子流量计，是变面积式流量计的一种，在一根由下向上扩大的垂直锥管中，圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的，从而使浮子可以在锥管内自由地上升和下降。

    浮子流量计是仅次于差压式流量计应用范围最宽广的一类流量计，特别在小、微流量方面有举足轻重的作用。主要分为玻璃浮子流量计、电远传金属管浮子流量计、气远传金属管浮子流量计等。

    浮子流量计的特点：灵敏度高、结构简单、直观、使用方便、测量范围大、价格低廉等；压力损失较低。

    1.4 HKT涡轮流量计

    HKT涡轮流量计是速度式流量计中的主要种类，它采用多叶片的转子（涡轮）感受流体平均流速，从而推导出流量或总量的仪表。一般由涡轮流量变送器（包括涡轮、磁电转换装置）前置放大器和显示积算机构两部分组成，也可做成整体式。

    HKT涡轮流量计和容积式流量计、HKC科里奥利质量流量计称为流量计中三类重复性、精度最佳的产品，广泛应用于石油、有机液体、无机液体、液化气、天然气和低温流体的流量测量。

    HKT涡轮流量计优点为：高精度，在所有流量计中，属于最精确的流量计；重复性好；无零点漂移，抗干扰能力好；范围度宽；结构紧凑。HKT涡轮流量计缺点为：不能长期保持校准特性；流体物性对流量特性有较大影响。

    1.5 HKE电磁流量计

    HKE电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。它是利用导电体在磁场中流动所产生的感应电动势，推算并显示流量的流量计，通常由电磁传感器、转换器和显示仪表组成。

    HKE电磁流量计可用于测量电导率大于10^-7S/m的多种导电液体的体积流量，特别适用于测量各种酸、碱、盐等腐蚀性溶液；各种磨损性较大的矿浆、水泥浆；各种纤维溶液、低浆及对卫生要求严格的酒、牛奶和糖浆等的流量，但不能用于测量气体和蒸汽的流量。20世纪七八十年代电磁流量在技术上有重大突破，使它成为应用广泛的一类流量计，在流量仪表中其使用量不断上升。

    HKE电磁流量计应用领域广泛，大口径仪表较多应用于给排水工程；中小口径常用于高要求或难测场合，如钢铁工业高炉风口冷却水控制，造纸工业测量纸浆液和黑液，化学工业的强腐蚀液，有色冶金工业的矿浆；小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。

    HKE电磁流量计优点为：测量通道是段光滑直管，不会阻塞，适用于测量含固体颗粒的液固二相流体；不产生流量检测所造成的压力损失，节能效果好；所测得体积流量实际上不受流体密度、黏度、温度、压力和电导率变化的明显影响；流量范围大，口径范围广；可应用腐蚀性流体。

    HKE电磁流量计缺点为：不能测量电导率很低的液体，如石油制品；不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体；不能用于较高温度；成本较高。

    1.6 HKGB涡街流量计

    HKGB涡街流量计是在流体中安放一根非流线型旋涡发生体，流体在发生体两侧会周期性交替向下游分离释放流体旋涡，并在下游形成两串规则地交错排列的游涡队列（卡门涡街）的仪表。HKGB涡街流量计由旋涡发生体、检测器、放大器及转换器组成，可以直接用数字输出或与数字式显示仪表等配套使用。HKGB涡街流量计按频率检出方式可分为：应力式、应变式、电容式、热敏式、振动体式、光电式及超声式等。

    HKGB涡街流量计是属于最年轻的一类流量计，但其发展迅速，目前已成为通用的一类流量计。HKGB涡街流量计优点为：结构简单牢固；适用流体种类多；精度较高；范围宽；压力损失小。

    HKGB涡街流量计缺点为：不适用于低雷诺数测量；需较长直管段；仪表系数较低（与HKT涡轮流量计相比）；仪表在脉动流、多相流中尚缺乏应用经验。

    1.7 HKU超声流量计

    HKU超声流量计是通过检测流体流动对超声束（或超声脉冲）的作用以测量流量的仪表。它是由超声波换能器等构成的检测部分、电子线路（包括发射、接收电路和信号处理电路）以及指示、累积和记录仪表组成。根据对信号检测的原理，HKU超声流量计可分为传播速度差法（直接时差法、时差法、相位差法和频差法）、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。

    HKU超声流量计和HKE电磁流量计一样，因仪表流通通道未设置任何阻碍件，均属无阻碍流量计，是适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突出的优点，近年来它是发展迅速的一类流量计之一。传播时间法主要应用于工厂排放液、液化天然气等；气体应用方面在高压天然气领域有使用良好的经验；而多普勒法则适用于异相含量不太高的双相流体，例如未处理污水、工厂排放液、脏流程液等，通常不适用于非常清洁的液体。

    HKU超声流量计优点为：可做非接触式测量；为无流动阻挠测量，无压力损失；可测量非导电性液体，对无阻挠测量的HKE电磁流量计是一种补充。

    HKU超声流量计缺点为：传播时间法只能用于清洁单相液体和气体，而多普勒法只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体；多普勒法测量精度不高。

    1.8 HKC科里奥利质量流量计

    HKC科里奥利质量流量计（以下简称CMF）是利用流体在振动管中流动时，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。这种流量计可以测量单相流体，也可用以测量气液两相流和液固两相流体的流量，但在测气体流量时误差较大。

    我国CMF的应用起步较晚，近年已有制造厂自行开发供应市场，也有组建合资企业或引用国外技术进行生产。

    1.9 HKM明渠流量计

    与前述几种流量计不同，它是在非满管状敞开渠道测量自由表面自然流的流量仪表。非满管态流动的水路称作明渠，测量明渠中水流流量的称作HKM明渠流量计（open channel flowmeter）。HKM明渠流量计除圆形外，还有U字形、梯形、矩形等多种形状。HKM明渠流量计应用场所有城市供水引水渠；火电厂引水和排水渠、污水治理流入和排放渠；工矿企业水排放以及水利工程和农业灌溉用渠道。

    2 流量计的选用

    选用流量计时应符合可靠性及经济性两个原则，要考虑的因素有被测流体种类、工作参数、物性、流动状态、流体相的组成、流量范围、容许压力损失、精度要求、价格限制、用途要求、安装条件等。

    图1中的流量刻度换算是指将实际工况下被测流体的流量换算成刻度情况下水或空气的流量，然后按换算后的流量来选用流量计。

    3 新工作原理流量仪表的研究和开发

    3.1 静电流量计（electrostatic flowmeter）

    日本东京技术学院已研制成适用于石油输送管线低导电液体流量测量的静电流量计。静电流量计的金属测量管绝缘地与管系连接，测量电容器上静电荷便可知道测量管内的电荷。他们分别作了内径d4mm~d8mm铜、不锈钢等金属和塑料测量管仪表的实流试验，试验表明流量与电荷之间接近于线性。

    3.2 复合效应流量仪表（combined effects  meter）

    该仪表的工作原理是基于流体的动量和压力作用于仪表腔体产生的变形，测量复合效应的变形求取流量。本仪表由美国GMI工程和管理学院开发。

    3.3 转速表式流量传感器（tachmetric flowrate sensor）

    由俄罗斯开发研制，主要基于悬浮效应理论来研制。该仪表已有若干现场应用成功的事例。

    4 结语

    由上述可知，流量计发展到今天虽然已日趋成熟，但其种类仍然极其繁多，由于流量测量的复杂性，至今尚无一种对于任何场合都适用的流量计。每种流量计都有其适用范围，也都有局限性。这就要求我们：第一，在选择仪表时，一定要熟悉仪表和被测对象两方面的情况，并要兼顾考虑其他因素，这样测量才会准确；第二，尽快研制新型仪表，使其在现有的基础上更加完善。