常见的几种流量计的工作原理及应用介绍

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差压流量计

差压流量计是一种应用广泛的流量测量仪器，约占流量测量仪器总数的70%。它由节流装置和差压变送器组成。当充有圆管的流体流经节流部件(如孔板)时，流束在孔板处形成局部收缩。由于流速的增加和静压的降低，孔板前后产生一个压差，该压差与流速的平方成正比。

孔板流量计，也称为差压流量计，由一个主检测件(节流件)和一个辅助装置(差压变送器和流量累加器)组成，用于测量气体、蒸汽和液体的流量。它具有结构简单、维护方便、性能稳定、使用可靠的特点。节流孔板节流装置是一种标准节流部件，可根据以下国家标准直接生产，无需校准。

①国家标准GB 2622006中流量测量节流装置的设计、安装和使用。

②国际标准IS0 5167规定的各种节流装置。

③化学工业部标准GJ 5187G-HK06。

填充在管道中的流体流过管道中的节流装置，导致节流元件附近的局部收缩，增加流速并在上游侧和下游侧之间产生静压差(见图1)。

图1流体流经节流装置时压力和流量的变化

在已知相关参数的情况下，根据流量连续性原理和伯努利方程，可以推导出压差与流量的关系，从而得到流量。

其中p是节流装置前后的压差，q是瞬时流量。由于流体的性质，节流装置测得的压差和流量之间的关系是平方根和平方根之间的关系。

目前，几种典型的流量测量设备被广泛使用，如电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计等。

电磁流量计

电磁流量计是20世纪五六十年代随着电子技术的发展而迅速发展起来的一种新型流量测量仪器。电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的，用于测量导电液体的体积流量。电磁流量计因其独特的优点，已广泛应用于工业过程中各种导电液体的流量测量，如酸、碱、盐等各种腐蚀性介质；电磁流量计的各种泥浆流量测量形成了独特的应用领域。

在结构上，电磁流量计由电磁流量传感器和转换器组成。传感器安装在工业过程管道上，其功能是将流入管道的液体体积流量值线性转换成感应电势信号，并通过传输线将信号发送给转换器。转换器安装在离传感器不远的地方，它放大传感器发出的流量信号，并将其转换成与流量信号成比例的标准电信号，用于显示、累积和调节控制。

图2电磁流量计测量的基本原理

电磁流量计的测量原理是基于法拉第电磁感应定律。流量计的测量管是内衬绝缘材料的非磁性合金短管。两个电极沿管径方向穿过管壁并固定在测量管上。电极尖端基本上与衬里的内表面齐平。当激励线圈被两个波脉冲激励时，在垂直于测量管轴线的方向上将产生磁通量密度为b的工作磁场。此时，如果具有一定电导率的流体流过测量管，切割磁力线将感应电动势e。电动势e与磁通量密度b、测量管内径d和平均流速u的乘积成正比..电动势e(流量信号)由电极检测，并通过电缆发送到转换器。转换器放大流量信号后，可以显示流体流量，并输出脉冲和模拟电流等信号进行流量控制和调节。

E =电极间的信号电压，用E=KBdu公式表示，v；k是系数；b是磁通量密度，t；d是测量管的内径，m；u是平均流速，m/s；在这个公式中，k和d是常数，因为激励电流是常数，b也是常数。从E=KBdu，可以知道体积流量Q与信号电压E成比例，即，由流量引起的信号电压E与体积流量Q成线性关系..因此，只要测量e，就可以确定流量q，这是电磁流量计的基本工作原理。

由E=KBdu可知，液-固两相流体介质的温度、密度、压力、电导率和液-固组成比不会影响测量结果。至于流动状态，只要符合轴对称流动(如层流或湍流)，就不会影响测量结果。因此，电磁流量计是一种真正的体积流量计。对于制造商和用户来说，任何其他导电流体介质的体积流量只有在用普通水进行实际校准后才能测量，无需任何校正。这是电磁流量计的一个突出优点，其他任何流量计都没有。

测量管中没有运动部件和节流部件，因此几乎没有压力损失，应该注意的是，测量条件必须满足以下假设:

(1)该场是均匀分布的恒定磁场；

②被测流体的速度分布是轴对称的；

③被测液体是非磁性的；

④被测液体的电导率均匀且各向同性。

图3模块化电磁流量计

中国有许多电磁流量计制造商。经过几十年的技术模仿和创新，国产电流流量计的质量有了很大的提高。一些制造商推出了高质量和更人性化功能的“模块化电磁流量计”。本文仅简要介绍这些产品。

YR-DC11智能电磁流量计是我国第一台模块化设计、窗口、核心部件在线更换、长度可调、故障自诊断的全智能流量计。这六项核心专利技术与其他制造商生产的传统模拟或智能电磁流量计有很大不同，特别是在测量精度的可靠性和稳定性，以及修改流量计测量范围、使用功能和使用寿命的能力方面。电磁流量计设计了一种全功能、实用、直观、易操作的背光宽温中文液晶显示器。

模块化电磁流量计的特点:

1、集成、拆分两用，随机选择；

2.流体状态是可见的，因此不再可能猜测(通过窗口可以看到流量计中的介质是否已满，并且一眼就可以看到)

3.长度可自由调节，非常适合现场使用(可直接替代国内外任何厂家的产品，无需改变现场管道的长度)；

4.在线带压拆卸，维护方便(用户可以在线更换流量计电极等部件，故障产品不需要返厂，不耽误生产)；

5.模块化设计，售后零等待(输入替换零件的参数，流量计中央处理器自动调试到出厂状态)；

6.进一步智能化，提供可靠保障(流量计配有故障自诊断，方便用户直观判断故障位置和原因)；

图4带窗口的电磁流量计

涡街流量计

涡街流量计是在流体中放置一个(或多个)浮体，流体在浮体的两侧交替地分离和释放两个规则的涡流。在一定的流量范围内，涡流分离频率与管道中的平均流速成正比，流体的流量可以通过用各种检测元件测量涡流频率来计算。

值得注意的是，涡街流量计仍然是一种发展中的流量计，尽管它的理论基础和实践经验都很差。迄今为止，zui基本的流动方程往往引用卡门涡街理论，这一理论和一些定量关系是通过卡门在气体风洞(均匀流场)中的实验得到的，不同于封闭管道中三维不均匀流场的旋涡分离规律。至于实际经验，需要通过长期应用来积累。一般流量计工厂校准是在实验室参考条件下进行的，在现场偏离这些条件是不可避免的。在制造商的标准和数据中，工作条件的偏差会导致多少额外的误差仍然不清楚。这些都表明流量计的快速发展需要基础研究工作的跟上，否则在实践中会出现一些意想不到的问题。

涡街流量计的原理:在流体中设置一个涡流发生器(节流器)，在涡流发生器的两侧交替产生规则的涡流。这种涡流被称为卡门涡街(见图5)，涡流发生器的下游是非对称排列的。

图5涡街流量计的原理

根据卡门涡街原理，有以下关系:

其中m是涡流探空体两侧的弓形面积与管道横截面面积之比；d是表面路径；d是涡流发生器的迎面宽度；f是涡流出现的频率；U1是涡流发生器两侧的平均流速；Sr是斯特鲁哈尔数；u是被测介质流的平均速度。

管道中的体积流量qv为:

其中k为流量计的仪表系数，单位为脉冲数/m3。k不仅与涡流发生器和管道的几何尺寸有关，还与斯特鲁哈尔数有关。斯特鲁哈尔数是一个无量纲参数，它与涡流发生器的形状和雷诺数有关。图6显示了圆柱形涡流发生器的斯特鲁哈尔数与管道雷诺数之间的关系。

图6漫步数与雷诺数的关系曲线

从图6可以看出，在re = 2× 104 ~ 7× 105的范围内，Sr可视为一个常数，这是仪器的正常工作范围。测量气体流量时，涡街流量计的流量计公式为:

公式中，qvm指标准状态下的体积流量(0℃或20℃，101.325千帕)；Pn是标准状态下的绝对压力；p工况下的绝对压力；Tn标准状态下的热力学温度；t是工作条件下的气体压缩系数；z是工作条件下的气体压缩系数。

涡街流量计输出的脉冲频率信号不受流体物理性质和成分变化的影响，在一定的雷诺数范围内，仪表系数只与涡流发生器和管道的形状和尺寸有关。然而，质量流量需要在物料平衡和能量计量中进行检测。此时，流量计应同时检测体积流量和流体密度，流体的物理性质和成分将对流量计量产生直接影响。

图7智能涡街流量计

涡街流量计由传感器和转换器组成，如图7所示。传感器包括涡流发生器、检测元件、仪表本体等。转换器包括前置放大器、滤波整形电路、数模转换器、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。近年来，智能流量计还在转换器中安装了微处理器、显示通讯等功能模块。

超声波流量计

当超声波在流动的流体中传播时，携带了流体流速的信息，因此接收到的超声波可以检测流体流速并将其转换成流速。根据检测方法，可分为不同类型的超声波流量计，如传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法和相关法。超声波流量计是近十年来随着集成电路技术的快速发展而应用的一种非接触式仪表。它适用于测量难以接触和观察的流体和大管道的流量。它可以结合水位计测量开放水流的流速。超声波流量计不需要在流体中安装测量元件，因此它不会改变流体的流动状态并产生额外的阻力。仪表的安装和维护不会影响生产管道的运行，是一种理想的节能流量计。

目前，工业流量测量普遍存在大直径、大流量测量困难的问题，这是因为随着测量管径的增加，普通流量计将导致制造和运输困难、成本增加、能量损失增加、安装不便等。超声波流量计可以避免这些缺点。由于各种超声波流量计都可以安装在管道外进行非接触式流量测量，仪器的成本与被测管道的直径无关，而其他类型流量计的成本随着直径的增加而大大增加。

超声波流量计被认为是一种很好的大直径流量测量仪器，多普勒超声波流量计可以测量两相介质的流量，因此它可以用来测量污水管和污水等脏流。在电厂中，使用便携式超声波流量计测量汽轮机的进水量和汽轮机的循环水要方便得多。超声波流量计也可用于气体测量。管径适用范围为5米，从几米宽的明渠和涵洞到500米宽的河流。

文丘里管

文丘里管(见图8)是新一代差压式流量测量仪器。其基本测量原理与标准孔板相同，是一种基于伯努利方程和流量连续性方程的流量测量方法。内文丘里管由圆形测量管和置于测量管内并与测量管同轴的特殊芯体组成。特殊芯的径向外表面具有与传统文丘里管的内表面相似的几何轮廓，并与测量管的内表面形成不同直径的环形流动间隙。流体流经内文氏管的节流过程与经典文氏管和环形孔板的节流过程基本相似。内文丘里管的这种结构特征使其在使用过程中没有类似于节流孔节流部件的尖锐边缘磨损和结垢问题，并且可以在节流之前有效地调节(校正)管中流体速度分布的流动梯度和各种可能的非轴对称速度分布，从而实现高精度和高稳定性的流量测量。

图8文丘里管

文丘里管根据其结构分为内置文丘里管和插入式文丘里管。在钢铁厂热风炉助燃空气、冷风和煤气(高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气)的测量以及火电厂锅炉一次风和二次风大直径低流量管道仪表的测量中取得了良好的效果。它解决了目前工业企业中各种低压、大直径、低流量气体流量的精确测量问题，是一种测量范围广、安装方便的流体测量装置。

文丘里管的测量原理:当充满管道的流体流经管道中的节流元件时，文丘里管的喉部会形成局部收缩，从而使流量增加，静压降低，从而在文丘里管喉部前后产生压差。流体流速越大，压差越大，所以流速可以根据压差来测量。这种测量方法基于流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)。

其中qm为质量流量(kg/s)。Qv是体积流量(m3/s)；c是流出系数；ε是膨胀系数；d是节流件的开口直径；β是直径比，β= d/d；d是管道的内径；ρ1是测量流体的密度，kg/m；△P为压差。

阿牛巴流量计

阿牛巴流量计(又称笛形平均管流量计和托巴管流量计)属于差压式流量计。采用皮托管测量原理，测量挡板上游动压与下游静压之间形成的压差，达到测量流量的目的。测量管径在DN20和DN12000之间。阿牛巴流量计主要用于测量工业过程中的液体、燃气、蒸汽、气体等各种能源，具有很高的稳定性和重复性。阿牛杆式流量计的设计理论符合伯努利方程，可由JG 640-90进行测试。

测量原理:当流体流经探头时，在探头前部产生一个高压分布区，高压分布区的压力略高于管道的静压。根据伯努利方程，当流体流过探头时，速度增加，在探头后部产生低压分布区，低压分布区的压力略低于管道的静压。当流体流过探头后，探头后部会产生部分真空，探头两侧会出现涡流。截面形状、表面粗糙度和低压取压孔的位置是决定探头性能的关键因素。低压信号的稳定性和准确性对平均探头的准确性和性能起着决定性的作用。阿牛棒平均速度流量探头可以准确地检测由流体平均速度引起的平均压差。在巴平均流速测流仪的高低压区，有多对按一定标准布置的压力孔，可以准确测量平均流速。

图9阿牛酒吧

目前，阿牛巴流量计需要的参数有被测介质、被测介质温度、被测介质压力、被测介质流量和被测介质粘度。

阿牛巴流量计的输出为差压信号，可与测量差压的仪器仪表配合使用，能准确测量圆管和矩形管中的各种液体、气体和蒸汽(过热蒸汽和饱和蒸汽)。被测管道的尺寸范围为ф 20-3000毫米。阿牛巴流量计已成功应用于电力工业(包括核工业)、化工、石油化工和金属冶炼等行业。其适用范围如下。

A.气体运输和液体运输。

能量研究，蒸汽锅炉热效率，水泵效率，气体压缩机效率和燃料消耗。

过程控制输入和输出，比率/平衡；通过冷却水或空气蒸汽加热。

D.化学工业中的饲养。

E.负载平衡泵、压缩机、冷却器和过滤器。

与差压流量计相比，阿牛巴流量计具有以下优点。

一、精度高、稳定性好

阿牛巴流量计的精度为1%，稳定性为0.1%。它能长时间保持非常稳定的压差信号输出，保证输出压差信号与管道流量之间的映射关系。这是因为磨损、腐蚀、附着油污、灰尘等因素对阿牛巴流量计的流量系数影响不大，但这些因素增加了孔板的流量系数，流量系数将增加到20%以上，由此产生的误差也将达到20%以上。由此可见，阿牛巴流量计的精度长期稳定。

设计合理，安装方便经济

阿牛巴流量计重量轻，易于安装和拆卸，不需要起重工具。该系列的部分产品可在被测管道连续流动、不停输的情况下安装或拆卸，可节约可观的安装成本。例如，当流量计安装在直径为200毫米的管道上时，阿牛巴流量计只有一个长度为150毫米的焊缝，而孔板有两个总长度为1200毫米的焊缝。就工时而言，安装阿牛流量计仅需要1.5个工时，而安装孔板需要12个工时。

C.有利于管道布置

阿牛巴流量计不仅适用于圆形管道，也适用于矩形管道和埋在地下任何深度的管道。阿牛巴流量计的上游和下游直管段的长度远小于孔板的长度。当它安装在弯管后面时，仍然可以获得稳定和高精度。这是阿牛巴流量计的独特优势，为管道尤其是大口径管道的布置设计带来了极大的灵活性，并节约了成本。

d、压力损失小，能量损失少

永久压力损失就是功率损失。阿牛巴流量计的永久压力损失仅占压差的2%-15%，而普通孔板的永久压力损失占压差的40%-80%。随着管径的增大，阿牛巴流量计的永久压力损失可以忽略不计。例如，在直径为1000毫米的管道中使用阿牛巴流量计，每年的能量损失只有几百元，而使用孔板时，每年的能量损失高达2万多元，这对今天的节能非常有意义。

皮托管

皮托管，也称为“皮托管”和“风速管”，在英语中是皮托管。皮托管是一种测量气流总压和静压以确定气流速度的管状装置，由法国皮托管发明。严格地说，皮托管只测量气流的总压，也称为总压管；当总压和静压同时测量时，称为风速计，但通常称为风速计皮托管。

(1)皮托管的结构

头部为半球形，后面是双层外壳。当测量速度时，压头与流入流量对准，压头中心的小孔(总压孔)感受流入流量的总压P0，该总压P0通过内管传递到压力表。头部后面的外壳壁8D上均匀开有一排孔(静压孔)，来流的静压P被感应并通过外壳传递到压力表。对于不可压缩流，马赫数和速度可以根据伯努利方程和能量方程计算。然而，在超音速流中，皮托管头部出现孤立激波，总压孔感受波后的总压，很难测量来流的静压，因此皮托管不再适用。总压力孔有一定的面积，它感觉到的是驻点附近的平均压力，这个压力比总压力稍低。静压孔感受到的静压也有一定的误差，其他的，如制造和安装也有误差，所以在计算流量时应该加上一个修正系数ξ。ξ的值通常在0.91.05的范围内，这是通过在已知速度的气流中校准或通过标准皮托管校准来确定的。皮托管结构简单，使用方便，应用广泛。例如，皮托管通常安装在飞机头部或机翼前缘，用来测量相对空气的飞行速度，也称为皮托管。

②皮托管的使用

皮托管不仅用于测量飞机速度，还具有许多其他功能。在科研、生产、教学、环保、隧道、矿井通风和能源管理等部门，皮托管通常用于测量通风管道、工业管道和炉膛烟道中的气流速度，其流量可以通过换算确定，也可以测量管道中的水流速度。用皮托管测量速度和确定流量有可靠的理论依据，使用方便准确，是一种经典而广泛的测量方法。此外，它还可以用来测量流体的压力。

交通实际应用中的一些技巧

①交通积累

在实际应用中，经常需要知道气体或液体的累积流量。累积流量是在特定时间内通过特定部分的液体流量的总和，这是众所周知的。但是计算机控制系统和流量积算仪如何实现这一功能呢？我们知道系统的一个指标是采样周期，也就是说，计算机多久从现场采集一次数据？通用系统软件可以自行定义该值，例如5000。然后，首先，我们将瞬时流量Lt/h转换为t/s形式的测量值，然后使用积分算法计算流量累积。积分时间设置为5欧姆，这意味着收集的瞬时流量l每5欧姆累积一次。

②小信号切除

在实际工程应用中，由于生产条件的不同，例如在设备运行的初始阶段，管道中可能会有少量的水流动，导致瞬时流量不为零。然而，我们不需要记录这些数据，所以我们需要在累积计算期间自动移除这样的值，即，小信号切割。例如，当流量大于某个设定值时，累计计算开始，该设定值需要根据经验和过程进行设置。一般逻辑如下:当瞬时流量大于小流量A时，加法器的使能端有效，否则，加法器不工作。

③累积清算

由于计算机中的溢出问题，累加值不能无限增加，所以我们需要清除它并在特定时间内再次累加，这样我们就可以增加自动清零或手动清零的功能来改进累加算法。自动清零可以以每天、每周或每月为一个周期，并且可以在逻辑控制中增加对当前时间的判断。

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