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实验流体力学
流量测试技术的现状与展望
胡大朋
（扬州大学， 水利学院， 江苏 扬州 225009）
摘 要：随着微电子技术、微计算机技术应用到流量测试系统中，在流量测试技术发展已日趋成熟的今天，流量测试技术依然有着许多变化和发展。流量传感器趋向电子化和数字化，许多传统的测量技术得到了进一步的发展，这就引起流量测量仪表设计理念上的变化，使得传统的流量测量原理和方法被不断完善，同时为流量计量开拓了新的领域，超声波、激光、电磁、核技术及微计算机等一些新技术被引入流量计量领域中。
关键词：流量测量；流量计；优点；缺点；趋势

测量流体流量的仪表统称为流量计或流量表。流量计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。据统计已投入使用的流量计已超过100种，按测量原理分，主要有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。按照目前最流行、最广泛的分类法，又可分为：容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、涡街流量计、质量流量计和插入式流量计等。随着科学技术的发展和新技术普遍应用，超声波、激光、电磁、核技术及微计算机等一些新技术被引入流量计量领域，使得流量传感器趋向电子化和数字化，为流量计量开拓了新的领域。
一、现状
下面介绍一些常见的流量计，同时也对几种常见的流量计的原理和优缺点做了简单的说明。
1、电磁流量计
电磁流量计由电磁流量传感器、转换器以及显示仪表等组成，也可由电磁流量传感器和显示仪表直接组成。传感器的工作原理是基于电磁感应定律 。采用不导磁材料制成的流量测量导管，置于均匀磁场中，其内径为D，内壁衬有绝缘材料。导电液体在管道中流动时，作切割磁力线的运动，若所有流体质点都以平均流速 v 运动，则液体流速在整个管道截面上是均匀一致的。这样，就可把液体看成许多直径为D的连续运动着的薄圆盘。这种由液体组成的薄圆盘等效于长度为D的导电体，其切割磁力线的运动速度为v。
电磁流量计的优点：（1）电磁流量计可用来测量工业导电液体或浆液。（2）无压力损失。（3）测量范围大，电磁流量变送器的口径从2.5ｍｍ到2.6ｍ。（4）电磁流量计测量被测流体工作状态下的体积流量，测量原理中不涉及流体的温度、压力、密度和粘度的影响。
电磁流量计的缺点：（1）电磁流量计的应用有一定局限性，它只能测量导电介质的液体流量，不能测量非导电介质的流量。（2）电磁流量计是通过测量导电液体的速度确定工作状态下的体积流量。（3）电磁流量计的安装与调试比其它流量计复杂，且要求更严格。（4）电磁流量计用来测量带有污垢的粘性液体时，粘性物或沉淀物附着在测量管内壁或电极上，使变送器输出电势变化，带来测量误差，电极上污垢物达到一定厚度，可能导致仪表无法测量。
2、超声波流量计
超声波在流动的流体中传播时，可以载上流体流速的信息。因此，通过接收穿过流体的超声波就可以检测出流体的流速，从而计算出流量。超声波流量计按测量原理可以分为多种不同形式，主要有传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、旋涡法、相关法、流速-液面法等。下面主要介绍传播速度差法。声波在流体中传播时，处在顺流和逆流的不同条件下，其波速并不相同。顺流时，超声波的传播速度为在静止介质中的传播速度 c 加上流体的速度 v ，即传播速度为 (c＋v )；逆流时，它的传播速度为( c－v ) 。 测出超声波在顺流和逆流时的传播速度， 求出两者之差2v，就可求得流体的速度。测定超声波顺、逆流传播速度之差的方法主要有测量在超声波发生器上、下游等距离处接到超声信号的时间差、相位差或频率差等方法。
超声波流量计的优点：（1）超声波流量计是一种非接触式测量仪表，可用来测量不易接触、不易观察的流体流量和大管径流量。（2）可以测量强腐蚀性介质和非导电介质的流量。（3）超声波流量计的测量范围大，管径范围从20mm～５m.（4）超声波流量计可以测量各种液体和污水流量。（5）超声波流量计测量的体积流量不受被测流体的温度、压力、粘度及密度等热物性参数的影响。可以做成固定式和便携式两种形式。
超声波流量计的缺点：（1） 超声波流量计的温度测量范围不高，一般只能测量温度低于200℃的流体2）抗干扰能力差。易受气泡、结垢、泵及其它声源混入的超声杂音干扰、影响测量精度。（3）安装的不确定性，会给流量测量带来较大误差。（4）测量管道因结垢，会严重影响测量准确度，带来显著的测量误差，甚至在严重时仪表无流量显示。（5）可靠性、精度等级不高（一般为1.5～2.5级左右），重复性差。
3、涡街流量计
涡街流量计是利用流体振荡的原理进行流量测量。在均匀流动的流体中,垂直地插入一个具有非流线型截面的柱体,称为漩涡发生体，则在其两侧会产生旋转方向相反、交替出现的漩涡，当每两个旋涡之间的纵向距 h 和涡列间横向距离 L满足一定的关系，即 h/L= 0.281 时，这两个旋涡列将是稳定的，称之为“卡门涡街”，在斯特罗哈尔数为常数的基础上，通过涡街流量计的体积流量与漩涡频率成正比。通过检测漩涡频率，就可以计算出流体积流量。涡街流量计测量精度较高；量程比宽,可达30:1；使用寿命长，压力损失小，安装与维护比较方便；测量几乎不受流体参数变化的影响，用水或空气标定后的流量计无须校正即可用于其它介质的测量；易与数字仪表或计算机接口,对气体、液体和蒸汽介质均适用。但是涡街流量计测流量时，流体流速分布情况和脉动情况将影响测量准确度，因此适用于紊流流速分布变化小的情况，并要求流量计前后有足够长的直管段。
涡街流量计的优点：（1）涡街流量计无可动部件，测量元件结构简单，性能可靠，使用寿命长。（2）涡街流量计测量范围宽。量程比一般能达到1：10。（3） 涡街流量计的体积流量不受被测流体的温度、压力、密度或粘度等热工参数的影响。一般不需单独标定。它可以测量液体、气体或蒸汽的流量。（4）它造成的压力损失小。（5）准确度较高，重复性为0.5％，且维护量小。
涡街流量计的缺点：（1）涡街流量计工作状态下的体积流量不受被测流体温度、压力、密度等热工参数的影响。（2）造成流量测量误差的因素主要有：管道流速不均造成的测量误差；不能准确确定流体工况变化时的介质密度；将湿饱和蒸汽假设成干饱和蒸汽进行测量。（3）抗振性能差。外来振动会使涡街流量计产生测量误差，甚至不能正常工作。（4）对测量脏污介质适应性差。涡街流量计的发生体极易被介质脏污或被污物缠绕，改变几何体尺寸，对测量精度造成极大影响。
4、转子流量计
转子流量计是工业上和实验室最常用的一种流量计，又叫浮子流量计。它具有结构简单、直观、压力损失小，且恒定、维修方便等特点。适用于测量通过管道直径D<150 mm的小流量，也可以测量腐蚀性介质的流量。使用时流量计必须安装在垂直走向的管段上，流体介质自下而上地通过转子流量计。当测量流体的流量时，被测流体从锥形管下端流入，流体的流动冲击着转子，并对它产生一个作用力（这个力的大小随流量大小而变化）；当流量足够大时，所产生的作用力将转子托起，并使之升高。同时，被测流体流经转子与锥形管壁间的环形断面，从上端流出当被测流体流动时对转子的作用力，正好等于转子在流体中的重量时（称为显示重量），转子受力处于平衡状态而停留在某一高度。分析表明：转子在锥形管中的位置高度，与所通过的流量有着相互对应的关系。因此，观测转子在锥形管中的位置高度就可以求得相应的流量值。
转子流量计的优点：(1)玻璃锥管转子流量计结构简单，使用方便，缺点是耐压力低，有玻璃管易碎的较大风险；金属管转子流量计很好的解决了这个问题；(2)适用于小管径和低流速；(3)压力损失较低。 转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。
转子流量计的缺点：使用流体和出厂标定流体不同时，要作流量示值修正。液体用转子流量计通常以水标定，气体用空气标定，如实际使用流体密度、粘度与之不同，流量要偏离原分度值，要作换算修正。
二、流量测试技术的发展动向
各种不同测量原理，各种不同功能和结构设计的流量测量仪表有其不同的用途。至今还没有一种流量计是通用的。每一种流量计总会由于其测量原理的局限，对测量介质种类、测量介质特性(温度、压力、粘度、相态、导电性、腐蚀性)和流量变动特性的适应能力以及对环境条件适应能力等方面的原因，而在使用上受到限制。正因为如此，在新型流量测量仪表不断出现的同时，一些应用历史已经很长的传统流量测量仪表依然得到广泛的应用，继续在现代测量控制系统中发挥重要的作用。
（1） 转子流量计
由于开发了金属管浮子流量计和采用电磁信号传输技术而使应用范围大大扩展；
（2）电磁流量计
电磁流量计在石油化工、城市建设、环保事业方面用量很大;技术发展迅速。
口径系列日趋完整 。新型电磁流量计不断涌现：无电极电磁流量计，低电导率液体电磁流量计，不满管电磁流量计，电磁流量变送器，插入式电磁流量计，潜水型电磁流量计。
（3）超声波流量计
超声波流量计不但可用于液体还可用于气体，无运动部件，无阻力损失，流量范围大等优点满足了广大用户的需要。超声流量计的使用历史并不算很短，早期绝大多数用于液体(尤其是水)的流量测量。 超声波流量计可分为传播时间(差)法和多普勒(频移)法。后者产品精度较差(一般低于2级)而高精度的传播时间(差)法超声流量计(最高达0.5级)均采用多声道设计原理。
（4） 涡街流量计
涡街流量计是七十年代发展起来的一种新型流量计。由于种种原因，涡街流量计的使用规模没有象当年人们预计和期望的那样快速发展。在可预见的未来，涡街流量计不可能在流量计市场中占有更重要的地位。为了在现场用好涡街流量计，使涡街流量计的应用走上快速发展的道路，最根本的办法是开发结构简单，可靠性高，便于选用，不用调试的“傻瓜型”涡街流量计，这样的流量计可以避免上述三个基本环节中可能出现的问题，从而为涡街流量计的发展打下基础。
三、流量测试技术的展望
流量测量技术发展到今天虽然已日趋成熟,但其种类仍然不断增加、新的结构、新的用途的流量仪表不断涌现。每种流量计都有其适用范围,也都有局限性,至今尚无一种对于任何场合都适用的流量计。同时,由于流量测量技术的复杂化,以及科学技术的迅速发展给流量计量提出更新更高的要求,流量计量的现状远不能满足生产的需要,还有大量的流量计量技术问题有待进一步研究解决。特别对腐蚀性流体、脏污流体、高粘性流体、多相流体、微小流量等的检测,有待进一步发展更有效的测量手段。流量测量仪表的共同的发展趋势可以归纳为：l)提高仪表的可靠性。减少或取消运动部件，采用高可靠性的传感器和电子元器件，遵循可靠性原理的设计使仪表可靠性大幅度提高2)提高仪表的介质适应性和环境适应性；3)新的信号处理技术(如DSP)和新的信号传输技术的应用；4)现场仪表的傻瓜化和智能化，提高仪表的可用性。

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PRESENT SITUATION AND PROSPECT OF FLOW TESTING TECHNOLOGY
Hu dapeng
(Sch of Hydraulic Engineering, Yang zhou univ, Yangzhou 225009, China)
ABSTRACT: Nowadays , the flow measurement has developed and become mature , flow testing technology still has mang changes and developments , along with microelectronic technology , computer technology being applied to the flow measuring system .Flow sensor inclin to electronic and digital , and many of the traditional measuring technique obtain the future development . This just causes a flow measuring instrument desiging idea of change , and make the traditional measurement principle and method for flow measurement ceaseless and perfect . At the same time , opend up a new field , ultrasonic , laser , electromagnetic , nuclear technology , micro computer and some other new techniques have been introduced to the field of flow measurement .
Key words: Flow measurement; Flowmeter; Advantages; Disadvantages; Trend
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