0 前言

    流體就是能流動(dòng)的物質(zhì)，空氣、水、油等都屬于流體。無論是日常生活，還是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，流體和人類息息相關(guān)。因此，流量測(cè)量便成了人類了解流體性質(zhì)并利用流體的必要條件。而流量計(jì)正是用來測(cè)量流體流量的一類儀表。正在使用的流量計(jì)已經(jīng)超過百種，測(cè)量原理、應(yīng)用范圍也各不相同。而且隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，流量測(cè)量對(duì)象越來越多，精度要求越來越高，新的測(cè)量方法和測(cè)量儀表也不斷地涌現(xiàn)出來。這雖然擴(kuò)大了人們的選擇范圍，但面對(duì)上百種有不同特點(diǎn)和要求，使用方法也不盡相同的流量計(jì)，如果不具備專業(yè)知識(shí)，很難選出適合自己的高性價(jià)比的產(chǎn)品。有人對(duì)美國正在使用的千余臺(tái)流量計(jì)做過調(diào)查，所選擇的測(cè)量方法約60%不是最合適的或使用不正確^[1]。本文介紹流量計(jì)的分類和選擇。希望能為非流量儀表專業(yè)人員提供一種簡(jiǎn)便易行的選用流量計(jì)方案。

    1 流量計(jì)及其分類

    流量計(jì)有體積流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)之分，專門測(cè)試體積流量的流量計(jì)稱為體積流量計(jì)；測(cè)量質(zhì)量流量的流量計(jì)稱為質(zhì)量流量計(jì)^[2]。在液壓行業(yè)，體積流量直接關(guān)系到執(zhí)行元件的運(yùn)行速度，它與壓力的乘積就是系統(tǒng)功率。因而，體積流量更清楚地表達(dá)了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性，體積流量計(jì)在這個(gè)領(lǐng)域也更受青睞。由于流體的體積受壓力和溫度的影響，在一些工業(yè)生產(chǎn)中，物料平衡、熱平衡以及儲(chǔ)存、買賣、經(jīng)濟(jì)核算等所需要的往往是質(zhì)量或重量^[2]，因此，就沒有必要用體積流量乘以密度來換算，而是可以直接用質(zhì)量流量計(jì)來測(cè)量。

    此外，流量計(jì)所測(cè)得的流量又有累積流量和瞬時(shí)流量之分。累積流量是在一定時(shí)間內(nèi)流出流體的總體積（或質(zhì)量）。瞬時(shí)流量是某一時(shí)刻流體通過某橫截面的流量?，F(xiàn)在已經(jīng)有很多流量計(jì)通過改進(jìn)測(cè)量算法可以同時(shí)顯示或輸出累積和瞬時(shí)流量。

    現(xiàn)在，流量計(jì)的測(cè)量對(duì)象已經(jīng)從液體、氣體擴(kuò)展到了雙相、多相流體；測(cè)量溫度從高溫到極低溫；壓力有低壓、中壓、高壓甚至超高壓；測(cè)量粘度范圍、流量范圍都在不斷地?cái)U(kuò)大；流動(dòng)狀態(tài)也涉及到層流、紊流、脈動(dòng)流等等。因此，不可能用一種流量計(jì)完成所有的流量測(cè)量。為適應(yīng)各種測(cè)量條件，老式流量計(jì)仍然在完善、使用，新的流量計(jì)則更是層出不窮。到目前為止，國內(nèi)外還沒有一個(gè)統(tǒng)一的分類方法。一般按照用途分為指示型、記錄型、積算型、遠(yuǎn)傳型等；也可以按照測(cè)量流體狀態(tài)分為微流量測(cè)量型、小流量測(cè)量型、脈動(dòng)流測(cè)量型、雙向流測(cè)量型等；還可以按測(cè)量對(duì)象分為封閉管道式和明渠式兩大類。但常用的分類方法有兩種，一是按照測(cè)量原理來分類，二是按照流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理來分類。

    如圖1所示，按照測(cè)量原理可以把流量計(jì)分為七大類^[3]。而用得最廣泛、最為流行的還是按照測(cè)量結(jié)構(gòu)和原理的分類法，見圖2^[4]，流量計(jì)分為11大類。其中，相同原理的流量計(jì)又可按不同的結(jié)構(gòu)劃分成小類，如差壓式流量計(jì)中的節(jié)流式流量計(jì)按照節(jié)流孔口的不同劃分為20小類；相同測(cè)量結(jié)構(gòu)的流量計(jì)也可按不同的測(cè)量原理再分類，如渦街流量計(jì)都是在流體中垂直于流向的方向設(shè)置一根柱狀物的結(jié)構(gòu)，但按照其測(cè)量產(chǎn)生卡門渦街頻率的原理不同又可分為應(yīng)變式、應(yīng)力式等7小類。這樣就可以把眾多的流量計(jì)按人們常用的名稱進(jìn)行歸類，便于人們的選用。

    2 流量計(jì)的選擇

    面對(duì)數(shù)百種的流量儀表，針對(duì)不同的使用場(chǎng)合，如果沒有一個(gè)清晰的步序，貿(mào)然地做出選擇，很難選出最合適的儀表。在測(cè)量精度不高的場(chǎng)合選用高精度而昂貴的測(cè)量儀表，測(cè)量對(duì)象和測(cè)量范圍的不合適都是選用流量計(jì)時(shí)常見的錯(cuò)誤。選用不當(dāng)有時(shí)候還可能造成流量儀表損毀，如用螺桿流量計(jì)去測(cè)含固體雜質(zhì)的液體，常會(huì)磨損螺桿或使其卡死。

    正確地選用流量儀表，首先要明確使用目的，然后從儀表性能和被測(cè)流體性質(zhì)兩方面來考察，再考慮安裝要求、環(huán)境，最后從經(jīng)濟(jì)性的角度選出一種或幾種適合的流量計(jì)。最后從初選出的流量計(jì)中，選出性能最好、安裝要求最低、環(huán)境適應(yīng)性最強(qiáng)的儀表（圖3）。下面按圖3中的各步序分別闡述。

    （1）使用目的

    流量計(jì)的使用目的應(yīng)該很明確。即要知道測(cè)的是體積流量，還是質(zhì)量流量；要測(cè)瞬時(shí)流量，還是累積流量。如液壓行業(yè)更關(guān)心體積流量和瞬時(shí)流量；物料平衡、交易中需要質(zhì)量流量和累積流量。而流量計(jì)由于結(jié)構(gòu)、原理上的差異往往只適用于一種流量的測(cè)量，或者是測(cè)量某一種流量最為精確，測(cè)量其他的流量則需要增加轉(zhuǎn)換設(shè)備或精度下降。像容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)等靠計(jì)數(shù)或脈沖數(shù)來獲取累積流量值的儀表，適合計(jì)量總量。如果要用其計(jì)量瞬時(shí)流量，則要加計(jì)時(shí)裝置和相應(yīng)的計(jì)算電路才能轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)值。在轉(zhuǎn)換過程中因有效數(shù)位等因素必將降低其精度。而超聲流量計(jì)、電磁流量計(jì)原理上是靠測(cè)流速來換算出流量，更適合計(jì)量瞬時(shí)流量。

    （2）被測(cè)流體狀態(tài)和性質(zhì)

    正是因?yàn)榱黧w狀態(tài)和性質(zhì)的多樣性。才有了適用于不同狀態(tài)、不同性質(zhì)流體的測(cè)量儀表。所以必須清楚流體是氣態(tài)，還是液態(tài)；是單相流，還是多相流；流體流量范圍大致是多少；流體中是否含有固體雜質(zhì)，濃度是多少；流體流過的是密閉管道，還是明渠或開口槽；還有流體的粘度、密度、雷諾數(shù)、導(dǎo)電性、腐蝕性等。以上因素中的某個(gè)或某幾個(gè)都會(huì)或多或少地影響到流量測(cè)量，必須充分予以考慮。

    表1列出了常用流量計(jì)對(duì)于一些流體狀態(tài)和性質(zhì)的適用性?？梢?，大部分流量計(jì)都是只針對(duì)某些狀態(tài)所設(shè)計(jì)的，因此選用時(shí)一定要注意。例如在液壓行業(yè)中，工作液往往是石油基液壓油，它是以石油精煉得到的礦物油為基礎(chǔ)與各類添加劑按適當(dāng)比例調(diào)合而成的，電導(dǎo)率一般都在10^-11Ω/cm左右。這樣。用來測(cè)導(dǎo)電液體流量的電磁流量計(jì)顯然就不適用了。所以選用流量計(jì)前，被測(cè)流體的狀態(tài)和性質(zhì)必須搞清楚。

    （3）儀表性能

    儀表性能主要體現(xiàn)在精確度、重復(fù)性和線性度三個(gè)方面。其中精確度并不是越高越好，因?yàn)楦呔鹊?a href="http://j3l.com.cn" target="_blank" class="autolink">流量計(jì)往往價(jià)格和復(fù)雜程度也很高。一般來說，容積式流量計(jì)、電磁式流量計(jì)、超聲式流量計(jì)、渦輪式流量計(jì)和科氏質(zhì)量流量計(jì)的精度都很高，誤差能達(dá)到0.5%R（測(cè)量值的百分率用%R表示，與之相對(duì)的%FS，為測(cè)量上限或量程的百分率。前者的精確度更具說服力）或更高，有的容積式流量計(jì)甚至可以達(dá)到0.05%。而插入式流量計(jì)一般精度比較低。其他的都比較適中。可以在精度不是很高的條件下選用。

    表1 通常情況下流量計(jì)對(duì)流體狀態(tài)適應(yīng)性

    注：“√”為適用，“+”為有條件可用，“×”為不適用，“S”為小范圍，“M”為中范圍，“H”為大范圍，“A”為小到中，“B”為中到大，“C”為小到大。①為圓缺孔板，②為渦街式，③為多普勒式，④為膜式，⑥為高壓氣體，⑦為玻璃錐管，⑧為需特殊材料制造。

    重復(fù)性是指環(huán)境條件和介質(zhì)參量等因素不變的情況下，對(duì)某一流量值在短時(shí)間內(nèi)同方向進(jìn)行多次測(cè)量的一致性。其常常受流體粘度、密度等參量變化的影響^[1]。例如浮子流量計(jì)容易受流體密度影響；渦輪式流量計(jì)測(cè)量時(shí)由于粘度的變化需要重新調(diào)校和修正。此外。流量計(jì)輸出有線性和非線性平方根兩種。非線性誤差對(duì)于脈沖輸出、流量范圍又很大的總量型流量計(jì)的影響很大。而且非線性會(huì)影響到儀表的重復(fù)性。但現(xiàn)在通過信號(hào)適配技術(shù)已經(jīng)基本上可以修正非線性。

    在眾多的流量儀表中。容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和科氏質(zhì)量流量計(jì)被認(rèn)為是重復(fù)性、精度最佳的產(chǎn)品[5]。可以用在性能要求較高的場(chǎng)合，但價(jià)格也較昂貴。

    （4）安裝條件

    安裝條件往往取決于現(xiàn)場(chǎng)空間、方位的要求。因?yàn)槿莘e式、浮子式和渦輪式等流量計(jì)常常要求傳感器的安裝方向和流動(dòng)方向分別是水平、垂直和水平，且對(duì)流體有過濾精度要求，有時(shí)需加過濾裝置；而除容積式、浮子式和科氏質(zhì)量流量計(jì)以外的大部分流量計(jì)由于受流速畸變等因素影響，需要在上游或下游加一定長度的直管，消除對(duì)其的干擾，當(dāng)受空間限制時(shí)，也有加流動(dòng)調(diào)整器的；除渦輪式、電磁式、超聲式和部分差壓式流量計(jì)外，其余大多數(shù)流量計(jì)不能測(cè)雙向流。因此。很多流量計(jì)不能或者不適合安裝在給定的空間和方位上。

    （5）環(huán)境因素

    在儀表使用時(shí)，影響它的周圍環(huán)境因素主要是溫度，其次是電磁干擾。容積式流量計(jì)是用定容積容腔來衡量流量的，構(gòu)成容腔的機(jī)械部件的材料一般是用鋼材制成。它在低溫下變脆、高溫時(shí)膨脹，使其低溫下的壓力受到限制，而高溫時(shí)容腔體積的變化又導(dǎo)致精度下降，可見其受溫度影響是很大的。除它之外。熱式流量計(jì)也受溫度影響較大，而科氏質(zhì)量流量計(jì)、電磁式流量計(jì)和流體振動(dòng)式流量計(jì)受的影響很小，其余則比較適中。

    電磁干擾主要是由周圍環(huán)境中的電力、電氣設(shè)備開關(guān)引起的。超聲式流量計(jì)、流體振動(dòng)式流量計(jì)和科氏流量計(jì)會(huì)受到一定的影響，其余的流量計(jì)受的影響不會(huì)太大。

    （6）經(jīng)濟(jì)性

    流量計(jì)的費(fèi)用主要是購置儀器的費(fèi)用，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也應(yīng)當(dāng)加以考慮。一般來講，容積式流量計(jì)中的轉(zhuǎn)子式由于機(jī)械活動(dòng)部件較多，加工精度高，材料要求也高，從而購買價(jià)格昂貴。比如奧地利KRAL公司的低壓型的低端產(chǎn)品OME系列也需要近兩萬元人民幣。此外，超聲式流量計(jì)中的傳播速度式、科氏質(zhì)量流量計(jì)、電磁式的價(jià)格也都比較高。運(yùn)行和維護(hù)的費(fèi)用主要體現(xiàn)在容積式、渦輪式等流量計(jì)需要加諸如過濾器等附件上。有時(shí)要求經(jīng)常調(diào)校的流量計(jì)的流量校驗(yàn)和調(diào)節(jié)的費(fèi)用也需要考慮。

    實(shí)際上，選用流量計(jì)只靠以上幾點(diǎn)還是不夠的，還要詳細(xì)地閱讀產(chǎn)品樣本，關(guān)注其技術(shù)的革新，并參考其他工程師的經(jīng)驗(yàn)。圖4為Cahners調(diào)查得出的工程師使用最廣的8種流量計(jì)應(yīng)用范圍比較^[6]。圖5是工程師所關(guān)注的流量計(jì)各種因素的比較^[7]。在綜合這些因素后，選出的流量計(jì)的性價(jià)比定是令人滿意的。

    3 流量計(jì)的使用

    選出一款合適的流量計(jì)只是第一步，只有正確的使用和維護(hù)才能充分發(fā)揮流量計(jì)的潛力，可靠長久地進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量工作。

    首先，必須正確地安裝流量計(jì)。本文提到流量計(jì)常有嚴(yán)格的安裝要求，如加設(shè)過濾裝置或流體調(diào)整器?；蛟O(shè)置上游和下游一定長度的直管。所以必須嚴(yán)格按照具體流量計(jì)的說明書的要求進(jìn)行安裝。

    其次，定期檢定和校準(zhǔn)是保證流量計(jì)長期準(zhǔn)確工作的保證。因?yàn)殡S著流體性質(zhì)和狀態(tài)的變化，流量計(jì)的重復(fù)性將受到影響，所以必須進(jìn)行定期的檢定和調(diào)校。

    再次，應(yīng)該定期地檢修和清洗.對(duì)易損件要定期地檢查并更換。注意清洗流量計(jì)內(nèi)的污垢，對(duì)于保護(hù)流量計(jì)不受損壞和保證精度都是有益的。

    4 結(jié)束語

    按照?qǐng)D3給定的步序，從各個(gè)角度考慮，初步篩選出幾種流量計(jì)，再對(duì)初選的流量計(jì)進(jìn)行比較，性能較出色、附加要求較少、費(fèi)用較低的流量計(jì)便是最終所選的。然后再詳細(xì)閱讀選定產(chǎn)品的說明資料，最終確定選定結(jié)果。這是一個(gè)思路明晰、簡(jiǎn)便易行的選擇方案，供相關(guān)的工程技術(shù)人員在選用流量計(jì)時(shí)參考。

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