流量計(jì)

1概述

　　流量計(jì)英文名稱是flowmeter，全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會把它定義為：指示被測流量和（或）在選定的時間間隔內(nèi)流體總量的儀表。簡單來說就是用于測量管道或明渠中流體流量的一種儀表，工程上常用單位m3/h，它可分為瞬時流量（FlowRate）和累計(jì)流量（TotalFlow），瞬時流量即單位時間內(nèi)過封閉管道或明渠有效截面的量，流過的物質(zhì)可以是氣體、液體、固體；累計(jì)流量即為在某一段時間間隔內(nèi)（一天、一周、一月、一年）流體流過封閉管道或明渠有效截面的累計(jì)量。通過瞬時流量對時間積分亦可求得累計(jì)流量，所以瞬時流量計(jì)和累計(jì)流量計(jì)之間也是可以相互轉(zhuǎn)化的。

2發(fā)展歷史

　　早在1738年，瑞士人丹尼爾伯努利以第一伯努利方程為基礎(chǔ)利用差壓法測量水流量。后來意大利人G.B.文丘里研究用文丘里管測量流量，并于1791年發(fā)表了研究結(jié)果。

　　1886年，美國人赫謝爾應(yīng)用文丘里管制成了測量水流量的的實(shí)用測量裝置。

　　20世紀(jì)初期到中期，原有的測量原理逐漸走向成熟，人們不再將思路局限在原有的測量方法上，而是開始了新的探索。

　　到了30年代，又出現(xiàn)了探討用聲波測量液體和氣體的流速的方法聲波測量流量的方法，但到第二次世界大戰(zhàn)為止未獲得很大進(jìn)展，直到1955才有了應(yīng)用聲循環(huán)法的馬克森流量計(jì)的問世，用于測量航空燃料的流量。

　　20世紀(jì)的60年代以后，測量儀表開始向精密化、小型化等方向發(fā)展。

　　隨著集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，具有鎖相環(huán)路技術(shù)的超聲（波）流量計(jì)也得到了普遍應(yīng)用，微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，進(jìn)一步提高了流量測量的能力，如激光多普勒流速計(jì)應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)后，可處理較為復(fù)雜的信號。

　　超聲波流量計(jì)

3發(fā)展趨勢

　　在工業(yè)現(xiàn)場，測量流體流量的儀表統(tǒng)稱為流量計(jì)或流量表。是工業(yè)測量中最重要的儀表之一。隨著工業(yè)的發(fā)展，對流量測量的準(zhǔn)確度和范圍要求越來越高，為了適應(yīng)多種用途，各種類型的流量計(jì)相繼問世，廣泛應(yīng)用于石油天然氣、石油化工、水處理、食品飲料、制藥、能源、冶金、紙漿造紙和建筑材料等行業(yè)。

　　弗若斯特沙利文咨詢公司運(yùn)用360度全視角研究模型，著眼于全球，綜合應(yīng)用行業(yè)、科技技術(shù)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)、競爭環(huán)境和行業(yè)用戶等多項(xiàng)模塊，對流量計(jì)市場進(jìn)行全面研究。本文以靶式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、差壓式流量計(jì)、變面積式流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、渦街流量計(jì)(典型的流體振蕩式流量計(jì))、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)和插入式熱質(zhì)量流量計(jì)作為研究對象，對市場進(jìn)行分析。

　　2008年全球流量計(jì)的市場規(guī)模達(dá)到28.3億美元，較2007年增長約3.9%。

　　在全球，流量計(jì)的主要生產(chǎn)商包括：畢托巴流量計(jì)（Bitobar），廈門宏控（HOMKOM），阿西布朗勃法瑞(ABB)，艾默生(Emerson)，恩德斯豪斯(EndressHauser或EH)，科隆(Krohne)，西門子(Siemens)，橫河(Yokogawa)，以及通用電氣(GeneralElectric)，霍尼韋爾(Honeywell)，英維思(Invensys)和山武(Yamatake)。

　　渦街流量計(jì)

4市場因數(shù)

　　驅(qū)動因素?fù)?jù)國際能源署(IEA)預(yù)測，從2007至2030年全球需要對能源基礎(chǔ)設(shè)施累計(jì)投資26.0萬億美元(以2007年美元價值計(jì))。其中，電力行業(yè)投資13.6萬億美元，占總投資額的52.3%。到2030年，世界許多地方的石油、天然氣和電力的基礎(chǔ)設(shè)施將需要更換。從長期來看，可預(yù)見的能源投資將給流量計(jì)在石油天然氣和能源行業(yè)板塊的應(yīng)用帶來不小的發(fā)展空間。

　　面臨激烈的競爭環(huán)境，以及為了應(yīng)對全球節(jié)能減排的訴求，各個行業(yè)用戶更加關(guān)注生產(chǎn)工廠的運(yùn)行效率，盡可能降低能耗，以提高競爭力。因此，大量的投資被用于提升工廠的自動化水平和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時監(jiān)控，以提升工廠的過程控制效率。諸如，在石油天然氣和能源行業(yè)，密閉傳輸設(shè)施中需要性能可靠的流體測量設(shè)備;化工和制藥行業(yè)中需要高精準(zhǔn)的流量計(jì)等，種種趨勢必將帶動傳感器和現(xiàn)場設(shè)備(包括流量計(jì))的發(fā)展。

　　流量計(jì)中正在更多地引入電子技術(shù)，如數(shù)字信號處理(DSP)和微處理器，這使得流量計(jì)具備了自診斷功能，并且能夠更好地與生產(chǎn)控制層面進(jìn)行通信。性能的提高更好地滿足了行業(yè)用戶的需求，給流量計(jì)創(chuàng)造了更多的市場應(yīng)用空間。

　　抑制因素當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)形勢有待進(jìn)一步提振，工業(yè)品需求不旺盛。眾多行業(yè)用戶放緩新項(xiàng)目投資或者暫停設(shè)備更新升級，等待全球經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)復(fù)蘇跡象。所以，在短期內(nèi)，這將會給流量計(jì)在其主要應(yīng)用行業(yè)的發(fā)展前景帶來一定影響。

　　全球流量計(jì)市場生產(chǎn)商眾多，競爭異常激烈。同時，流量計(jì)生產(chǎn)商正面臨著行業(yè)用戶對價格較為苛刻的要求，為了能夠使產(chǎn)品更好地滲透進(jìn)入流量計(jì)應(yīng)用的主要行業(yè)，生產(chǎn)商之間的價格競爭再所難免。這一現(xiàn)象在新興經(jīng)濟(jì)體，尤其中國，很普遍。價格往往成為決定采購行為的最主要決定因素。長此以往，生產(chǎn)商更多關(guān)注價格策略，導(dǎo)致產(chǎn)品創(chuàng)新性不夠，阻礙市場發(fā)展。

　　面臨的挑戰(zhàn)

　　傳統(tǒng)的機(jī)械式流量計(jì)，例如差壓式流量計(jì)、容積式流量計(jì)和變面積式流量計(jì)，已經(jīng)處于普及化階段，價格競爭激烈，利潤空間日益減少，技術(shù)革新較少，市場相對成熟。Frost&Sullivan認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化和定制化生產(chǎn)是生產(chǎn)商在成熟市場的激烈競爭中的一個重要突破點(diǎn)。根據(jù)弗若斯特沙利文對行業(yè)用戶的需求進(jìn)行分析，用戶群體希望生產(chǎn)商能夠提供為生產(chǎn)過程帶來切實(shí)利益的自動化設(shè)備。用戶在產(chǎn)品應(yīng)用過程中會產(chǎn)生具體的需求，例如：應(yīng)用在石化行業(yè)的特殊環(huán)境中，需要堅(jiān)固耐用的設(shè)計(jì)以及防爆認(rèn)證;用戶對直管設(shè)計(jì)的科氏流量計(jì)的需求等。如何有效獲取用戶實(shí)際需求，并且對傳統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行改良，是對生產(chǎn)商差異化和定制化生產(chǎn)過程的一個不小挑戰(zhàn)。

　　引導(dǎo)用戶接受并使用新技術(shù)流量計(jì)，如SBL靶式流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、電磁流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)以及V錐流量計(jì)（孔板流量計(jì)）等等，是生產(chǎn)商把市場做大做強(qiáng)的又一個挑戰(zhàn)。

　　此外，新技術(shù)流量計(jì)不斷被引入各個行業(yè)的同時，快速有效的售后服務(wù)對生產(chǎn)商來說同樣至關(guān)重要。尤其是運(yùn)用基于基金會現(xiàn)場總線和ProfibusPA總線的流量計(jì)，對軟件技術(shù)有一定要求，有效的服務(wù)能夠?yàn)橛脩籼峁└m合的解決方案，并且貼近用戶。

　　浮子流量計(jì)

　　展望未來

　　從機(jī)械式流量計(jì)到電子技術(shù)流量計(jì)的革新是流量計(jì)最重要的發(fā)展趨勢之一。靶式流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、渦街流量計(jì)和V錐流量計(jì)（孔板流量計(jì)）利用電氣原理工作，從而避免了機(jī)械流量計(jì)工作中需要更換的運(yùn)動機(jī)件。同時，自診斷功能被引入流量計(jì)中，使得流量儀表不僅僅是簡單的測量工具，更多地為了系統(tǒng)維護(hù)的目的，例如：空管道偵測和自檢驗(yàn)等。并且，在電子流量計(jì)中結(jié)合先進(jìn)的通信技術(shù)后，使得控制人員能夠遠(yuǎn)程實(shí)時獲取生產(chǎn)現(xiàn)場的流量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

　　據(jù)Frost&Sullivan的研究，當(dāng)前全球約89.0%的流量計(jì)采用mAHART通信協(xié)議，因?yàn)椴捎胢AHART通信協(xié)議的流量計(jì)在安裝難度和操作要求上都低于采用現(xiàn)場總線協(xié)議的流量計(jì)，并且引入現(xiàn)場總線系統(tǒng)對用戶來說也是一項(xiàng)不小的成本。但是，隨著行業(yè)用戶不斷提高自動化水平，希望從流量測量中獲取除了流量數(shù)據(jù)以外更多的信息，比如，診斷信息和狀態(tài)檢測等，這些數(shù)據(jù)傳送都需要依賴現(xiàn)場總線支持。而且，西門子和艾默等廠商生正在著力推行現(xiàn)場總線協(xié)議的流量測量技術(shù)。相信，這必將推動現(xiàn)場總線協(xié)議流量計(jì)在各個行業(yè)的應(yīng)用前景。

　　此外，無線技術(shù)流量計(jì)也正在逐步被用戶所接受，惡劣環(huán)境中的流體測量對無線技術(shù)來說是一個很好的應(yīng)用空間。不過，用戶完全接受并普及無線技術(shù)流量計(jì)還需要一定的時間。

　　孔板流量計(jì)

5發(fā)展現(xiàn)狀

　　由于缺乏國家在這行業(yè)體制機(jī)制強(qiáng)有力的支持，造成我國儀器儀表行業(yè)缺乏高層次的復(fù)合型人才，缺乏熟悉、精通各學(xué)科交叉的綜合型人才。自主創(chuàng)新能力低下，自主知識產(chǎn)權(quán)匱乏。具體表現(xiàn)在國產(chǎn)高端自動化產(chǎn)品奇缺，市場競爭力不強(qiáng)。

　　現(xiàn)代計(jì)量是光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)和許多基礎(chǔ)學(xué)科高度綜合的產(chǎn)物，對新技術(shù)比較敏感，是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品中更新?lián)Q代速度比較快的產(chǎn)品之一，每年都會有新產(chǎn)品推出，特別是在當(dāng)今信息技術(shù)攻速發(fā)展的時代，競爭日趨激烈，發(fā)展速度稍微慢點(diǎn)就會被遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在后面。我國雖然已經(jīng)進(jìn)入21世紀(jì)，但許多東西還停留在80年代初的水平上，大型和高檔的儀器設(shè)備幾乎全部依靠進(jìn)口，甚至有的專用儀器在國內(nèi)還處于空白狀態(tài)，中低端的產(chǎn)品質(zhì)量保證上還有許多問題需要攻克。

　　因此，必須要有國家戰(zhàn)略高度的規(guī)劃和相關(guān)資源的大力支撐，才有機(jī)會去不斷縮小差距。如果測試儀器企業(yè)無法做到一個比較大的規(guī)模，那么就很難具備和國際巨頭一較長短的實(shí)力，而前期的成長需要巨額長期的資金投入。

6應(yīng)用范圍

　　流量計(jì)量廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)、科學(xué)研究對外貿(mào)易以及人民生活各個領(lǐng)域之中。在石油工業(yè)生產(chǎn)中，從石油的開采、運(yùn)輸、煉冶加工直至貿(mào)易銷售，流量計(jì)量貫穿于全過程中，任何一個環(huán)節(jié)都離不開流量計(jì)量，否則將無法保證石油工業(yè)的正常生產(chǎn)和貿(mào)易交往。在化工行業(yè)，流量計(jì)量不準(zhǔn)確會造成化學(xué)成分分配比失調(diào)，無法保證產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重的還會發(fā)生生產(chǎn)安全事故。在電力工業(yè)生產(chǎn)中，對液體、氣體、蒸汽等介質(zhì)流量的測量和調(diào)節(jié)占有重要地位。流量計(jì)量的準(zhǔn)確與否不僅對保證發(fā)電廠在最佳參數(shù)下運(yùn)行具有很大的經(jīng)濟(jì)意義，而且隨著高溫高壓大容量機(jī)組的發(fā)展，流量測量已成為保證發(fā)電廠安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。如大容量鍋爐瞬時給水流量中斷或減少，都可能造成嚴(yán)重的干鍋或爆管事故。這就要求流量測量裝置不但應(yīng)做到準(zhǔn)確計(jì)量，而且要及時地發(fā)出報(bào)警信號。在鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中，煉鋼過程中循環(huán)水和氧氣(或空氣)的流量測量是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要參數(shù)之一。在輕工業(yè)、食品、紡織等行業(yè)中，也都離不開流量計(jì)量。

　　應(yīng)用比較多的換能器是外夾式和插入式。單聲道超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，但這種流量計(jì)對流態(tài)分布變化適應(yīng)性差，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展極大地推動儀表更新?lián)Q代，新型流量計(jì)如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。至今，據(jù)稱已有上百種流量計(jì)投向市場，現(xiàn)場使用中許多棘手的難題可望獲得解決。我國開展近代流量測量技術(shù)的工作比較晚，被設(shè)置在測量流動通道6的上游端并相對于孔眼11和12，用于減少被測量的流體流入孔眼11和12;測量控制部件19，用于測量超聲波換能器8和9之間的超聲波的傳播時間;及計(jì)算部件20，用于根據(jù)該測量控制部件19的信號計(jì)算流量。

　　流量計(jì)盡量避開鐵磁性物體及具有強(qiáng)電磁場的設(shè)備(如大電機(jī)、大變壓器的等)，以免磁場影響傳感器的工作磁場和流量信號。傳感器勺轉(zhuǎn)換器間的流量信號線和激磁線。然而從雷電故障中損壞零部件的分析，引起故障的感應(yīng)高電壓和浪涌電流大部分足從控制室電源線路引入的，其他兩條途徑較少。由于電磁流量計(jì)測量含有懸浮固相或污臟體的機(jī)會遠(yuǎn)比其他流量儀表多，出現(xiàn)內(nèi)壁附著層產(chǎn)生的故障概率也就相對較高。若附著層電導(dǎo)率與液體電導(dǎo)率相近。常見的調(diào)試期故障通常由安裝不妥。

　　應(yīng)用發(fā)展

　　科里奧利

　　科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（以下簡稱CMF）是利用流體在振動管中流動時，產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質(zhì)量流量儀表。

　　中國CMF的應(yīng)用起步較晚，已有幾家制造廠自行開發(fā)供應(yīng)市場；還有幾家制造廠組建合資企業(yè)或引用國外技術(shù)生產(chǎn)系列儀表。

　　國外CMF已發(fā)展30余系列，各系列開發(fā)在技術(shù)上著眼點(diǎn)在于：流量檢測測量管結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)創(chuàng)新：提高儀表零點(diǎn)穩(wěn)定性和精確度等性能；增加測量管撓度，提高靈敏度：改善測量管應(yīng)力分布，降低疲勞損壞，加強(qiáng)抗振動干擾能力等。

　　某些廠家研發(fā)出了可以測量氣液兩相的科里奧利儀表，可以應(yīng)用在卸船，含氣泡介質(zhì)等原先傳統(tǒng)儀表無法工作的場合。同時有一種MVD變送器可以實(shí)現(xiàn)儀表在線自校驗(yàn)，即無需將流量計(jì)拆下，利用對流量管剛性的檢查，來判斷現(xiàn)場儀表的性能。

　　電磁

　　EMF從50年代初進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用以來，使用領(lǐng)域日益擴(kuò)展，80年代后期起在各國流量儀表銷售金額中已占16%~20%。

　　中國發(fā)展迅速，1994年銷售估計(jì)為6500~7500臺。國內(nèi)已生產(chǎn)最大口徑為2~6m的EMF，并有實(shí)流校驗(yàn)口徑3m的設(shè)備能力。2008年銷售額已經(jīng)達(dá)到7700萬美元，估計(jì)銷售量在35萬臺以上。

　　渦街

　　USF在60年代后期進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用，80年代后期起在各國流量儀表銷售金額中已占4%～6%。1992年世界范圍估計(jì)銷售量為3548萬臺，同期國內(nèi)產(chǎn)品估計(jì)在8000～9000臺。

　　應(yīng)用領(lǐng)域

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

　　工業(yè)生產(chǎn)

　　流量儀表是過程自動化儀表與裝置中的大類儀表之一，它被廣泛適用于冶金、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民經(jīng)濟(jì)各個領(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民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。在過程自動化儀表與裝置中，流量儀表有兩大功用：作為過程自動化控制系統(tǒng)的檢測儀表和測量物料數(shù)量的總量表。

　　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)?、成品油、液化石油氣、蒸汽）及載能工質(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。流量儀表是能源計(jì)量儀表的重要組成部分，水、人工燃?xì)狻⑻烊粴?、蒸汽和油品這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)核算不可缺少的工具。

　　環(huán)境保護(hù)

　　煙氣，廢液、污水等的排放嚴(yán)重污染大氣和水資源，嚴(yán)重威脅人類生存環(huán)境。國家把可持續(xù)發(fā)展列為國策，環(huán)境保護(hù)將是21世紀(jì)的最大課題?？諝夂退奈廴疽玫娇刂?，必須加強(qiáng)管理，而管理的基礎(chǔ)是污染量的定量控制，流量計(jì)在煙氣排放、污水、廢氣處理流量計(jì)量方面有著不可替代的位置。

　　中國是以煤為主要能源的國家，全國有上百萬個煙囪不停地向大氣排放煙氣。煙氣排放控制是根治污染的重要項(xiàng)目，每個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，無直管段等。

　　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)沒和經(jīng)濟(jì)核算的必備工具。

　　生物制藥

　　21世紀(jì)將迎來生命科學(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)測計(jì)量的物質(zhì)很多，如血液，尿液等；醫(yī)藥行業(yè)對各種醫(yī)藥配方，液體制劑成分的控制流量儀表也是不和或缺的。儀表開發(fā)的難度極大，品種繁多。

　　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)專門小組研制專用的流量計(jì)。

　　海洋、江河湖泊

　　這些領(lǐng)域?yàn)槌ㄩ_流道，一般需檢測流速，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)以及使用前提有很大差別。