流量测量仪器发展现状

中国矿业大学（徐州）

流量测量仪器系统概述

张延涛1，

（1. 中国矿业大学 电力工程学院，徐州 221116）

The summary of flow measuring instrument system

Zhang-Yantao1,Zhao-ting2,Zhu-xinrui3

（1. School of Electric Power Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China）

摘 要：随着工业生产和科学研究的发展,流量测量变得越来越重要。流量参数可谓工业生产过程、科学实验计量和进行各种经济核算所必须的重要参数,是能源计量的重要组成部分。特别是在热电厂石油、矿山、冶金、航空机械等领域[1-2],现在又扩展到医疗器械等领域[3-5]。通过流体流量的测量,人们可以了解掌握流动过程、进行生产工艺的自动控制、实行能源管理[6]从分析流量测量的意义出发,进一步阐述了流量传感器的类型、原理及其特点，根据实际现状,分析了流量测量仪表的发展方向。其中在流量测量环节中，以节流式流量计、速度式流量计、容积式流量计为主。

关键词：流量测量；仪表；自动控制；节流式流量计；速度式流量计；容积式流量计

Abstract: with the develop of industry and science, flow measuring instrument is becoming more and more important.Flow parameter is an important part of industry, science and all kinds of economic accounting. Especially in thermal power plant oil, mine,metallurgy, aviation machinery and so on. And now, it has extended into medical engine area. Through flow measuring instrument system, we can get access to the process of flow, take self-control over production process, and manage energy easily. Nevertheless, people can describe the type, principle and characteristic of flow sensor.

Keywords: flow measuring; instrument; self-control; throttling flow; velocity type flowmeter; volume type flowmeter

引言：由于流体性质、流动状态、流动条件以及感测机理的复杂性,造成了如今流量测量仪表的多样性，专用性和价格差异的悬殊性。作为其核心部分的流量传感器更是百花齐放,种类繁多而且发展较快。通过流体流量的测量，可以保证产品质量,提高生产效率,节约能源,尤其是在能源危机、工业自动化程度越来越高的当今时代,流量传感器在国民经济中的作用越来越明显。而今向数字化、智能化、多功能化、网络化发展是流量传感器将来发展的必然趋势,因此大力研究生产高质量的流量传感器是十分必要的。 1相关流量测量数学模型

对被测流体的不同假设,可以建立起不同的相关流量测量数学模型。模型大致可以分为两类:“凝固”流动模型和“非凝固”流动模型[7]。“凝固”模型假设是目前应用最多的相关流量测量模型。对于两相流或多相流体,“凝固”流动模型假设是指多相流在上下游传感器之间流动时,相间没有相对速度(滑脱速度),不存在浓度分布和速度分布。“凝固”流动模型是一种理想化的模型,实际上符合这种模型的流体是极少的。“非凝固”流动模型[8]有两种,其共同特点是考虑了上下游传感器距离的影响。第一种“非凝固”流动模型假设是将流动形态变化等效为在“凝固”流动形态的运动中叠加一个扩散过程;第二种“非凝固”流动模型是将流体质点的随机运动解释为以不同概率向上游或向下游方向的随机行走。需要指出的是,影响流体随机噪声产生机理的因素很多,因此,基于“凝固”及“非凝固”流动模型的相关流量测量模型在反映系统物理本质方面均有一定的局限性。国内天津大学徐苓安教授曾尝试过基于蒙特卡洛方法对两相流相关流量测量结果的

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仿真研究[9];曹理平教授提出过基于分散相速度分布、浓度分布、敏感场灵敏度分布的“非凝固”流动模型[10];这些研究对相关流量测量机理认识及相关测速物理意义解释起到了促进作用。由于多相流体与传感器敏感场作用机理的复杂性,现有的相关流量测量模型在揭示相关测速与待测流体实际流速间的本质关系方面还有一定的局限性,需要进一步探索基于新理论的相关流量测量方

法。

2 流量计总类概述：

流量标准装置是流量计量的基础,其主要组成部分为:流体源、动力、稳压、标准器、管路、被校表。以质量法水流量标准装置为例,其原理如图1所示。工作时,泵(动力)将水池(流体源)中的水抽到稳压容器内,经稳压后进入试验管路,经被校流量计后进入标准器,标准器可使用标准秤、标准量器或标准流量计。目前标准装置的发展趋势,是将试验装置与校准装置分开,试验装置在设计上比较强调对流体物性参数、流动状态等的研究,而校准装置则更注重计量性能,而对来流稳定性、直管段长度等要求较低。

2.1容积式

容积式流量传感器出现较早,它的结构比较简单,相当于用一个精密的标准容器对被测流体进行连续计量。被测流体流过时,推动转子旋转,2个驱动齿轮相互改变主从驱动关系作连续的、没有死点的不等速旋转运动。得知转子的旋转速度,就可以求出流体的流量。理论上,这种类型流量计的测量精度与流体的种类、黏度、密度等属性无关。测量误差一般为±(0.2%～0.5%)R,可作为工业流量计量的标准仪表。但当被测管道直径较大时,仪表本体显得过于笨重。 2.2涡轮式

涡轮流量传感器[11]是近30年发展起来的速度式测量仪表。其工作原理是将涡轮置于被测流体中,液体流动冲击涡轮叶片转动,涡轮的转速与流体的流量成正比。通过磁电转换装置将涡轮的转速转换为相应的电信号输出。涡轮流量传感器具有测量精度高、测量范围广等优点;但由于涡轮必须安装在管道内,对被测流体的清洁度要求较高;流体的温度、黏度、密度对测量精度影响较大;转动部件会带来轴承的磨损,影响传感器的使用寿命。 2.3差压式

差压式流量传感器生产历史较长，应用十分广泛,生产已标准化,种类也很多。如:孔板、音速喷嘴均速管，文丘里管等流量传感器，差压式流量传感器工作原理是利用当流体流过内置于管道中的节流件时,其前后会出现一个与流量有关的压力差值,通过测量压差值就可获得流量值其特点是节流件的机加工精度高,安装要求严格,其前后必须有足够长的直管道,保证流体流态稳定;流体压损大;对于低流速流体,产生的差压小,误差增大。

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2.4动量式

动量式流量计中最为典型的是靶式流量计,是20世纪60年代发展起来的产品,常用来测量较高黏度油料的流量，它的主体是一个圆盘型靶,液体流动时,流动质点冲击在靶上,使靶产生微小的位移,这个位移量反映了流量的大小。 2.5质量式

科理奥利质量流量传感器应用广泛,液体和气体测量均可适用,20世纪70年代产生于美国,利用流体力学的原理,建立流体质量流量与流体作用力之间的函数关系，要适用于液体测量,对于气体测量则要求在高压下,以确保质量流量在测量范围内,适于在管道口径小于200mm条件下的测量,当流体压力变化大时,测量误差增大。 2.6热线式

热式流量传感器[12-13]为流量计量带来了一场革命,实现了直接测量流体质量流量的目的。它利用传热学和流体力学理论,采用热平衡原理,建立热敏元件热量损失与流体流速、质量流量之间的函数关系,从而获得流体流速、流量。热式流量传感器主要有热线式、热敏电阻式、半导体集成电路式等多种,根据管道中热元件的热量耗散与流速、质量的关系实现流量的测量;表面热阻式,就是把热源放在管道的外侧,加热管内流体,通过测量流体热量的变化求出质量流量。虽然由于电子技术的飞速发展和各种补偿技术不断提高,使热线式流量传感器的精度大大提高,测量范围扩大,但热线式流量传感器一致性很差,难以进行批量生产:当测低流速流体时,热紊乱很大,热线抗污染腐蚀能力差,价格高，易损坏。测量中有电子噪声,导致它的响应速度下降。 2.7流体振荡式

卡门涡街流量传感器[14]是20世纪70年代发展起来的基于流体振荡原理的测量仪表,近年来发展迅速,它利用插入到流体中漩涡发生体产生的漩涡频率与流速有确定关系的原理,获得流量。其特点是流体压损小;可以用于液气、的测量,可测量流速及质量流量;对流态要求稳定,管道条件要求严格,必须在漩涡发生体前后有一定长度的直管段,价格比较高。 2.8超声波式

超声波流量传感器[15]是依据超声波在流体中传播时会载带流体流速信息的原理,适用于两相流流体测量,要求被测流体含有一定量的能反向超声波的介质,即流体中有固体粒子或气泡等两相介质.

3流量测量仪表的发展方向 2.1流量测量存在的问题

随着科学技术的发展,测量对象的日益增多,对流量的测量和控制也提出了更新、更多且更高的要求,许多流量测量的疑难问题需要解决。如:特大口径的流量,微小量,高温介质流量,高流速液体,高黏度介质流量测量等。现有的流量仪表往往达不到要求,有些甚至无法测量。这就促使人们不断去探索新的流量测量原理和技术,开发新型的流量仪表。目前,国外已经开始把许多新技术、新方法运用于流量测量中,如,应用稀释技术制成的核辐射流量计;用通过时间法制成的漩涡流量计;用多普勒效应制成的激光多普勒效应流量计和采用超声波技术制成的超声波流量计。这些流量计的出现使得流量的测量和控制达到了一个新的水平。相信随着半导体平面工艺、微机械加工工艺和光电子学技术的发展与应用,必将使流量测量技术的发展产生重大突破。 2.2流量仪表发展趋势

1)传感器输出信号的数字化,由于网络化发展正在兴起,生产过程中的控制、管理和维护的计算机集成系统CMMS(Contro1,Management,and MaintenanceSystem)对传感器的信号进行处理时,要求传感器的输出信号必须是数字信号,可以通过现场总线进行传输.目前国外许多行业都在大力推行传感器数字化和网络化,制定传感器输出信号标准。所以国内在研究开发流量传感器时应该有意识地设计符合这一要求的流量传感器。

2)智能化,将敏感元件与微处理器和信号处理电路集成到一个芯片上,有数字通信口能与微机

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连接,可以充分利用单片机的数据处理功能,减少随机和系统误差。具有自动校准功能;具有自检报警功能,检查各部件状态是否正常,以保证测量的正

确性;量程可自动调节。

3)多功能化,将流量测量与温度测量、液位测量、压力测量等功能中的一种或多种结合在一起。采用新技术、新材料,研制新的传感器。

4)高性能化,要求量程比宽,应用范围广,可靠性高,不接触测量,性价比高,传感器小型化,示值不受被测介质状态、参数及物理特性(温度、压力、密度、黏度等)变化的影响,安装维修方便,寿命长。

5)专用化,特殊流量传感器的研究如大流量、小流量、高黏度、高温流体、多相流体、高低压气流等。流量传感器的研究应与经济性紧密相连。发展热式流量传感器,利用光纤技术和光学理论发展光学式传感器,正是大势所趋。

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