流量計(jì)的發(fā)展史

1，流量計(jì)的發(fā)展

　　流量測(cè)量的發(fā)展可追溯到古代的水利工程和城市供水系統(tǒng)。古羅馬凱撒時(shí)代已采用孔板測(cè)量居民的飲用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法測(cè)量尼羅河的流量。我國(guó)的都江堰水利工程應(yīng)用寶瓶口的水位觀測(cè)水量大小等等。17世紀(jì)托里拆利奠定差壓式流量計(jì)的理論基礎(chǔ)，這是流量測(cè)量的里程碑。自那以后，18、19世紀(jì)流量測(cè)量的許多類(lèi)型儀表的雛形開(kāi)始形成，如堰、示蹤法、皮托管、文丘里管、容積、渦輪及靶式流量計(jì)等。20世紀(jì)由于過(guò)程工業(yè)、能量計(jì)量、城市公用事業(yè)對(duì)流量測(cè)量的需求急劇增長(zhǎng)，才促使儀表迅速發(fā)展，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展極大地推動(dòng)儀表更新?lián)Q代，新型流量計(jì)如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)。至今，據(jù)稱(chēng)已有上百種流量計(jì)投向市場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)使用中許多棘手的難題可望獲得解決。

　　我國(guó)開(kāi)展近代流量測(cè)量技術(shù)的工作比較晚，早期所需的流量?jī)x表均從國(guó)外進(jìn)口。

　　流量測(cè)量是研究物質(zhì)量變的科學(xué)，質(zhì)量互變規(guī)律是事物發(fā)展的基本規(guī)律，因此其測(cè)量對(duì)象已不限于傳統(tǒng)意義上的管道液體，凡需掌握量變的地方都有流量測(cè)量的問(wèn)題。流量和壓力、溫度并列為三大檢測(cè)參數(shù)。對(duì)于一定的流體，只要知道這三個(gè)參數(shù)就可計(jì)算其具有的能量，在能量轉(zhuǎn)換的測(cè)量中必須檢測(cè)此三個(gè)參數(shù)。能量轉(zhuǎn)換是一切生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，因此流量和壓力、溫度儀表一樣得到zui廣泛的應(yīng)用。

2，流量計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域

　　流量測(cè)量技術(shù)與儀表的應(yīng)用大致有以下幾個(gè)領(lǐng)域。

　　一，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程

　　流量?jī)x表是過(guò)程自動(dòng)化儀表與裝置中的大類(lèi)儀表之一，它被廣泛誚用于冶金、電力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、輕紡、食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)及人民日常生活等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，是發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，節(jié)約能源，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益和管理水平的重要工具在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。在過(guò)程自動(dòng)化儀表與裝置中，流量?jī)x表有兩大功用：作為過(guò)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)的檢測(cè)儀表和測(cè)量物料數(shù)量的總量表。

　　二，能源計(jì)量

　　能源分為一次能源（煤炭、原油、煤層氣、石油氣和天然氣）、二次能源（電力、焦炭、人工燃?xì)狻⒊善酚汀⒁夯蜌狻⒄羝┘拜d能工質(zhì)（壓縮空氣、氧、氮、氫、水）等。能源計(jì)量是科學(xué)管理能源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。流量?jī)x表是能源計(jì)量?jī)x表的重要組成部分，水、人工燃?xì)狻⑻烊粴狻⒄羝陀推愤@些常用的能源都使用著數(shù)量極其龐大的流量計(jì)，它們是能源管理和經(jīng)濟(jì)核算*的工具。

　　三，環(huán)境保護(hù)工程

　　煙氣，廢液、污水等的排放嚴(yán)重污染大氣和水資源，嚴(yán)重威脅人類(lèi)生存環(huán)境。國(guó)家把可持續(xù)發(fā)展列為國(guó)策，環(huán)境保護(hù)將是21世紀(jì)的zui大課題。空氣和水的污染要得到控制，必須加強(qiáng)管理，而管理的基礎(chǔ)是污染量的定量控制。

　　我國(guó)是以煤為主要能源的國(guó)家，全國(guó)有上百萬(wàn)個(gè)煙囪不停地向大氣排放煙氣。煙氣排放控制是*污染的重要項(xiàng)目，每個(gè)煙囪必須是安裝煙氣分析儀表和流量計(jì)，組成連櫝排放監(jiān)視系統(tǒng)。煙氣的流量沆量有很大因難，它的難度為煙囪尺寸大且形狀不規(guī)則，氣體組分變化不定，流速范圍大，臟污，灰塵，腐蝕，高溫，無(wú)直管段等。

　　四，交通運(yùn)輸

　　有五種方式：鐵路公路、航空、水運(yùn)、和管道運(yùn)輸。其中管道運(yùn)輸雖早已有之，但應(yīng)用并不普遍。隨著環(huán)保問(wèn)題的突出，管道運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)引起人們的重視。管道運(yùn)輸必須裝備流量計(jì)，它是控制、分配和調(diào)度的眼睛，亦是安全監(jiān)沒(méi)和經(jīng)濟(jì)核算的*工具。

　　五，生物技術(shù)

　　21世紀(jì)將迎來(lái)生命科學(xué)的世紀(jì)，以生物技術(shù)為特征的產(chǎn)業(yè)將獲得迅速發(fā)展。生物技術(shù)中需監(jiān)測(cè)計(jì)量的物質(zhì)很多，如血液，尿液等。儀表開(kāi)發(fā)的難度極大，品種繁多。

　　六，科學(xué)實(shí)驗(yàn)

　　科學(xué)實(shí)驗(yàn)需要的流量計(jì)不但數(shù)量多，且品種極其繁雜。據(jù)統(tǒng)計(jì)流量計(jì)100多種中很大一部分是應(yīng)科研之需用的，它們并不批量生產(chǎn)，在市面出售，許多科研機(jī)構(gòu)和大企業(yè)皆設(shè)專(zhuān)門(mén)小組研制的流量計(jì)。

　　七，海洋氣象，江河湖泊

　　這些領(lǐng)域?yàn)槌ㄩ_(kāi)流道，一般需檢測(cè)流速，然后推算流量。流速計(jì)和流量計(jì)所依據(jù)的物理原理及流體力學(xué)基礎(chǔ)是共通的但是儀表原理及結(jié)構(gòu)以及使用條件有很大差別。

3，流量計(jì)種類(lèi)

　　用以測(cè)量管路中流體流量(單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的流體體積)的儀表。有轉(zhuǎn)子流量計(jì)、節(jié)流式流量計(jì)、細(xì)縫流量計(jì)、容積流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)和堰等。 

　　流量測(cè)量方法和儀表的種類(lèi)繁多,分類(lèi)方法也很多。至今為止,可供工業(yè)用的流量?jī)x表種類(lèi)達(dá)60種之多。品種如此之多的原因就在于至今還沒(méi)找到一種對(duì)任何流體、任何量程、任何流動(dòng)狀態(tài)以及任何使用條件都適用的流量?jī)x表。

　　這60多種流量?jī)x表,每種產(chǎn)品都有它特定的適用性,也都有它的局限性。按測(cè)量對(duì)象劃分就有封閉管道和明渠兩大類(lèi);按測(cè)量目的又可分為總量測(cè)量和流量測(cè)量,其儀表分別稱(chēng)作總量表和流量計(jì)^[2]。 

　　總量表測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道的流量,是以短暫時(shí)間內(nèi)流過(guò)的總量除以該時(shí)間的商來(lái)表示,實(shí)際上流量計(jì)通常亦備有累積流量裝置,做總量表使用,而總量表亦備有流量發(fā)訊裝置。因此,以嚴(yán)格意義來(lái)分流量計(jì)和總量表已無(wú)實(shí)際意義。 

　　按測(cè)量原理分有力學(xué)原理、熱學(xué)原理、聲學(xué)原理、電學(xué)原理、光學(xué)原理、原子物理學(xué)原理等。 

　　按照目前zui流行、zui廣泛的分類(lèi)法,即分為:容積式流量計(jì)、差壓式流量計(jì)、浮子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、流體振蕩流量計(jì)中的渦街流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)和插入式流量計(jì)、探針式流量計(jì)，來(lái)分別闡述各種流量計(jì)的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用概況及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況。

3.1差壓式流量計(jì)

　　差壓式流量計(jì)是根據(jù)安裝于管道中流量檢測(cè)件產(chǎn)生的差壓,已知的流體條件和檢測(cè)件與管道的幾何尺寸來(lái)計(jì)算流量的儀表。

　　差壓式流量計(jì)由一次裝置(檢測(cè)件)和二次裝置(差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表)組成。通常以檢測(cè)件形式對(duì)差壓式流量計(jì)分類(lèi),如孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、均速管流量計(jì)等。 

　　二次裝置為各種機(jī)械、電子、機(jī)電一體式差壓計(jì),差壓變送器及流量顯示儀表。它已發(fā)展為三化(系列化、通用化及標(biāo)準(zhǔn)化)程度很高的、種類(lèi)規(guī)格龐雜的一大類(lèi)儀表,它既可測(cè)量流量參數(shù),也可測(cè)量其它參數(shù)(如壓力、物位、密度等)。 

　　差壓式流量計(jì)的檢測(cè)件按其作用原理可分為:節(jié)流裝置、水力阻力式、離心式、動(dòng)壓頭式、動(dòng)壓頭增益式及射流式幾大類(lèi)。 

　　檢測(cè)件又可按其標(biāo)準(zhǔn)化程度分為二大類(lèi):標(biāo)準(zhǔn)的和非標(biāo)準(zhǔn)的。 

　　所謂標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)件是只要按照標(biāo)準(zhǔn)文件設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用,無(wú)須經(jīng)實(shí)流標(biāo)定即可確定其流量值和估算測(cè)量誤差。 

　　非標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)件是成熟程度較差的,尚未列入標(biāo)準(zhǔn)中的檢測(cè)件。

　　差壓式流量計(jì)是一類(lèi)應(yīng)用zui廣泛的流量計(jì),在各類(lèi)流量?jī)x表中其使用量占居*。近年來(lái),由于各種新型流量計(jì)的問(wèn)世,它的使用量百分?jǐn)?shù)逐漸下降,但目前仍是zui重要的一類(lèi)流量計(jì)。 

　　優(yōu)點(diǎn): 

　　(1)應(yīng)用zui多的孔板式流量計(jì)結(jié)構(gòu)牢固,性能穩(wěn)定可靠,使用壽命長(zhǎng); 

　　(2)應(yīng)用范圍廣泛,至今尚無(wú)任何一類(lèi)流量計(jì)可與之相比擬; 

　　(3)檢測(cè)件與變送器、顯示儀表分別由不同廠家生產(chǎn),便于規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。 

　　缺點(diǎn): 

　　(1)測(cè)量精度普遍偏低; 

　　(2)范圍度窄,一般僅3:1~4:1; 

　　(3)現(xiàn)場(chǎng)安裝條件要求高; 

　　(4)壓損大(指孔板、噴嘴等)。 

　　注：一種新型產(chǎn)品：引進(jìn)美國(guó)航天*而開(kāi)發(fā)的平衡流量計(jì)，這種流量計(jì)的測(cè)量精度是傳統(tǒng)節(jié)流裝置的5-10倍，*壓力損失1/3。壓力恢復(fù)快2倍，zui小直管段可以小至1.5D，安裝和使用方便，大大減少流體運(yùn)行的能力消耗。

　　應(yīng)用概況: 

　　差壓式流量計(jì)應(yīng)用范圍特別廣泛,在封閉管道的流量測(cè)量中各種對(duì)象都有應(yīng)用,如流體方面:單相、混相、潔凈、臟污、粘性流等;工作狀態(tài)方面:常壓、高壓、真空、常溫、高溫、低溫等;管徑方面:從幾mm到幾m;流動(dòng)條件方面:亞音速、音速、脈動(dòng)流等。它在各工業(yè)部門(mén)的用量約占流量計(jì)全部用量的1/4~1/3。 

3.2 浮子流量計(jì)

　　浮子流量計(jì),又稱(chēng)轉(zhuǎn)子流量計(jì),是變面積式流量計(jì)^[5]的一種,在一根由下向上擴(kuò)大的垂直錐管中,圓形橫截面的浮子的重力是由液體動(dòng)力承受的,從而使浮子可以在錐管內(nèi)自由地上升和下降。 

　　浮子流量計(jì)是僅次于差壓式流量計(jì)應(yīng)用范圍zui寬廣的一類(lèi)流量計(jì),特別在小、微流量方面有舉足輕重的作用。 

　　80年代中期,日本、西歐、美國(guó)的銷(xiāo)售金額占流量?jī)x表的15%~20%。中國(guó)產(chǎn)量1990年估計(jì)在12~14萬(wàn)臺(tái),其中95%以上為玻璃錐管浮子流量計(jì)。 

　　特點(diǎn): 

　　(1)玻璃錐管浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便,缺點(diǎn)是耐壓力低,有玻璃管易碎的較大風(fēng)險(xiǎn); 

　　(2)適用于小管徑和低流速; 

　　(3)壓力損失較低。

3.3容積式流量計(jì)

　　容積式流量計(jì),又稱(chēng)定排量流量計(jì),簡(jiǎn)稱(chēng)PD流量計(jì),在流量?jī)x表中是精度zui高的一類(lèi)。它利用機(jī)械測(cè)量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個(gè)已知的體積部分,根據(jù)測(cè)量室逐次重復(fù)地充滿(mǎn)和排放該體積部分流體的次數(shù)來(lái)測(cè)量流體體積總量。 

　　容積式流量計(jì)按其測(cè)量元件分類(lèi),可分為橢圓齒輪流量計(jì)、刮板流量計(jì)、雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì)、往復(fù)活塞流量計(jì)、圓盤(pán)流量計(jì)、液封轉(zhuǎn)筒式流量計(jì)、濕式氣量計(jì)及膜式氣量計(jì)等。 

　　優(yōu)點(diǎn): 

　　(1)計(jì)量精度高; 

　　(2)安裝管道條件對(duì)計(jì)量精度沒(méi)有影響; 

　　(3)可用于高粘度液體的測(cè)量; 

　　(4)范圍度寬; 

　　(5)直讀式儀表無(wú)需外部能源可直接獲得累計(jì),總量,清晰明了,操作簡(jiǎn)便。 

　　缺點(diǎn): 

　　(1)結(jié)果復(fù)雜,體積龐大; 

　　(2)被測(cè)介質(zhì)種類(lèi)、口徑、介質(zhì)工作狀態(tài)局限性較大; 

　　(3)不適用于高、低溫場(chǎng)合; 

　　(4)大部分儀表只適用于潔凈單相流體; 

　　(5)產(chǎn)生噪聲及振動(dòng)。

　　應(yīng)用概況: 

　　容積式流量計(jì)與差壓式流量計(jì)、浮子流量計(jì)并列為三類(lèi)使用量zui大的流量計(jì),常應(yīng)用于昂貴介質(zhì)(油品、天然氣等)的總量測(cè)量。

　　工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家近年PD流量計(jì)(不包括家用煤氣表和家用水表)的銷(xiāo)售金額占流量?jī)x表的13%~23%;我國(guó)約占20%,1990年產(chǎn)量(不包括家用煤氣表)估計(jì)為34萬(wàn)臺(tái),其中橢圓齒輪式和腰輪式分別約占70%和20%。

3.4 渦輪流量計(jì)

　　渦輪流量計(jì),是速度式流量計(jì)中的主要種類(lèi),它采用多葉片的轉(zhuǎn)子(渦輪)感受流體平均流速,從而且推導(dǎo)出流量或總量的儀表。 

　　一般它由傳感器和顯示儀兩部分組成,也可做成整體式。 

　　渦輪流量計(jì)和容積式流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)稱(chēng)為流量計(jì)中三類(lèi)重復(fù)性、精度*的產(chǎn)品,作為類(lèi)型流量計(jì)之一,其產(chǎn)品已發(fā)展為多品種、多系列批量生產(chǎn)的規(guī)模。 

　　優(yōu)點(diǎn): 

　　(1)高精度,在所有流量計(jì)中,屬于zui的流量計(jì); 

　　(2)重復(fù)性好; 

　　(3)元零點(diǎn)漂移,抗*力好; 

　　(4)范圍度寬; 

　　(5)結(jié)構(gòu)緊湊。 

　　缺點(diǎn): 

　　(1)不能長(zhǎng)期保持校準(zhǔn)特性; 

　　(2)流體物性對(duì)流量特性有較大影響。 

　　應(yīng)用概況: 

　　渦輪流量計(jì)在以下一些測(cè)量對(duì)象獲得廣泛應(yīng)用:石油、有機(jī)液體、無(wú)機(jī)液、液化氣、天然氣和低溫流體統(tǒng)在歐洲和美國(guó),渦輪流量計(jì)在用量上是僅次于孔板流量計(jì)的天然計(jì)量?jī)x表,僅荷蘭在天然氣管線上就采用了2600多臺(tái)各種尺寸,壓力從0.8~6.5MPa的氣體渦輪流量計(jì),它們已成為優(yōu)良的天然氣計(jì)量?jī)x表。

3.5電磁流量計(jì)

　　電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律制成的一種測(cè)量導(dǎo)電性液體的儀表。 

　　電磁流量計(jì)有一系列優(yōu)良特性,可以解決其它流量計(jì)不易應(yīng)用的問(wèn)題,如臟污流、腐蝕流的測(cè)量。 

　　70、80年代電磁流量在技術(shù)上有重大突破,使它成為應(yīng)用廣泛的一類(lèi)流量計(jì),在流量?jī)x表中其使用量百分?jǐn)?shù)不斷上升。 

　　優(yōu)點(diǎn): 

　　(1)測(cè)量通道是段光滑直管,不會(huì)阻塞,適用于測(cè)量含固體顆粒的液固二相流體,如紙漿、泥漿、污水等;