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摘  要： 本文說明了流量測量技術在工業生產中的重要性，寫出了流量測量方法的分類及相關概念。分析流量測量技術的發展現狀及趨勢，對四種常用流量計的機構及原理進行研究。介紹了流量測量技術在電廠中的應用，并寫出了流量計的選型需要考慮因素。對流量測量技術進行綜述。
關鍵字： 流量測量 流量計 原理 選型 趨勢

1 引言

流量測量是工業過程測量中的一個重要參數。在工業生產中承擔著兩類重要任務：其一為流體物資貿易核算儲運管理和污水廢氣排放控制的總量計量；其二為流程工業提高產品質量和生產效率，降低成本以及水利工程和環境保護等作必要的流量檢測和控制。

流量測量涉及廣泛的應用領域。過程測量、能源計量、環境保護、交通運輸等高耗能領域對流量測量的需求急速增長，為流量測量技術提出了新的要求。不僅要求流量測量儀表耐高溫高壓，而且能自動補償參數變化對測量精度的影響，從節約能源、成本核算、貿易往來及醫藥衛生等方面的特殊要求考慮，要求流量測量精度高、壓損小、可靠性高。新技術、新器件、新材料和新工藝及新軟件的開發應用，使得流量計的測量準確度越來越高，流量的測量范圍越來越廣。同時流量計對測量介質的要求在降低，適用范圍也越來越寬，智能化程度及可靠性得到了很大的提高。

2 流量的測量

2.1 流量測量的概念及方法分類

介質在單位時間內通過給定的通道或管道橫截面的量叫做通過該截面的流量。流量的讀數可以是質量單位或容積單位。流量也是總量除以時間的商。反之，總量可以看作流量與時間的積。流量與總量都是物理量，彼此通過時間相聯系。

流量測量方法大致可以歸納為以下四種：利用伯努利方程原理，通過測量流體差壓信號來反映流量的差壓式流量測量法，用這種方法制成的儀表如轉子流量計、靶式流量計、彎管流量計等；通過直接測量流體流速來得出流量的速度式流量測量法，用這種方法制成的儀表如渦輪流量計、渦街流量計、電磁流量計、超聲波流量計等；利用標準小容積來連續測量流量的容積式測量，用這種方法制成的儀表如橢圓齒輪流量計、腰輪流量計、刮板流量計等；以測量流體質量流量為目的的質量流量測量法，用這種方法制成的儀表如熱式質量流量計、科氏質量流量計、沖量式質量流量計等。

2.2 國內外新成果舉例

2007年清華大學高晉元教授發表《參數估計法測量兩相流流速》一文，提出運用模型參數估計可直接辨識隨機流動噪聲的渡越時間，能起到在時域對傳感器信號進行預濾波的作用，推動了我國在相關流量測量技術上的進步。

巴西的Pereira所設計的改進的音速噴嘴是一種新型的音速文丘里噴嘴。它的喉部和擴散管是分別加工的，因此便于制造，而且測量各部件的幾何形狀和尺寸也更方便；俄羅斯Kopp等人的基于流體動力學效應實現轉子懸浮的速度式流量傳感器，十分引人注目；日本Yamada等人將鎧裝溫度計插在孔板的差壓檢測部位，并測試其對差壓測量值的影響，結果發現對差壓測量放幾乎沒有影響。這就使帶溫壓自動補償功能的差壓變送器的開發成為可能。

3 常用流量計簡介

3.1 節流式流量計

節流式流量計是一種典型的差壓流量計。是目前工業生產中用來測量氣體、液體和蒸汽流量的最常用的一種流量儀表。節流式流量計通常由能將流體流量轉換成差壓信號的節流裝置及測量差壓并顯示流量的差壓計組成。如圖1所示。

節流式流量計基于流體流經管內固定的節流元件時，在節流件前后產生了差壓，根據測量與流量有一定關系的差壓而確定被測流量的
大小。

測量原理：把流體流動方程和連續性方程聯立得到體積流量公式如下：

式中：

p1、p2—選定兩截面上流體的靜壓力；

u1、u2—選定兩截面上流體的平均流速；

ρ1、ρ2—選定兩截面上流體的密度；

D、d'—選定兩截面上流束直徑；

由上式可知，在節流元件確定條件下，體積流量與差壓成正比，通過差壓檢測裝置檢測差壓后，經計算就可得到體積流量的值。

3.2 電磁流量計

電磁流量計廣泛應用于各種導電液體的體積流量測量，被測介質在測量管內，由于沒有阻滯部件，所以沒有壓力損失。而且此流量計無機械慣性，反應靈敏，可測范圍大，而且線性較好，測量精度高，可直接進行等分刻度，適用管徑范圍寬。

電磁流量計測量原理：設在均勻磁場中垂直于磁場方向放置一個直徑為D的管道。管道由不導磁材料制成，當導電的液體在導管中流動時，導電液體切割磁力線，因而在磁場及流動方向上產生感應電動勢，如安裝一對電極，則電極間產生與流速成正比的電位差。通過測量此電位差可求得流體流量。

流體流量方程為：

式中：

B—為磁感應強度；D—管道內徑；

u—流體平均流速；E—感應電勢。

由式可知，當測量管一定時，體積流量qv與比值E/B成正比，而與流體的狀態和物理參數無關，測量比值E/B即可得到體積流量qv。當磁感應強度B為恒定值時體積流量qv與感應電動勢E成正比。通過測量感應電動勢就可間接計算出流體體積流量。

3.3 渦街流量計

渦街流量計是60年代末出現的新型流量儀表。具有精度高、量程比寬、使用壽命長、壓力損失小等優點深受用戶的歡迎，發展十分迅速。

渦街流量計是利用流體振蕩的原理進行流量測量。在均勻流動的流體中，垂直地插入一個具有非流線型截面的柱體，稱為漩渦發生體，則在其兩側會產生旋轉方向相反、交替出現的漩渦，當每兩個旋渦之間的縱向距h和渦列間橫向距離L滿足一定的關系，即h/L=0.281時，這兩個旋渦列將是穩定的，稱之為“卡門渦街”，漩渦體產生頻率與流速的關系：

式中：

d—漩渦發生體的特征尺寸。則流體體積流量公式如下：

式中：f—漩渦產生的頻率；u—流體流速；d—直徑，漩渦發生體的特征尺；St—斯特羅哈爾數；D—管道內徑；A—在漩渦發生體處的流通截面積。

由上式可知，在斯特羅哈爾數為常數的基礎上，通過渦街流量計的體積流量與漩渦頻率成正比。通過檢測漩渦頻率，就可以計算出流體積流量。

3.4 超聲波流量計

超聲波在流動的流體中傳播時，就載上流體流速的信息，利用接收到的超聲波信號即可測量流體的流速與流量。具有無壓力損失、不擾流、輸出線性、量程比大等優點。超聲波流量計也存在些缺點：傳感器的安裝直接影響到計量的準確度，因此對安裝的要求十分嚴格；準確度小及電磁流量計結構較為復雜；故障排除較困難；抗干擾性較差；對安裝地點環境要求較高。

超聲波入射到管道流體中，順流傳播時間與逆流傳播時間之差與流體的流速有確定的對應關系。超聲波測流量的作用原理有傳播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、相關法、流速—液面法等多種方法。超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示系統組成。

4 流量測量技術在電廠中的應用

4.1 主蒸汽流量測量

火電機組主蒸汽流量的準確測量，對于機組的經濟性分析和節能降耗工作均具有重要的價值。對于主蒸汽流量的測量，傳統上主要采用直接測量法，即使用孔板流量計、渦街流量計等進行直接測量。直接測量主蒸汽流量的方法主要應用于小型的汽輪發電機組，對于高參數，特別是超臨界機組，采用直接測量方案在工藝及誤差控制方面都存在較大困難，并且節流損失也不容忽視。因此現今的大容量汽輪機組在系統設計時，為了減小節流損失，通常不設主蒸汽流量節流測量裝置，而是利用汽輪機DAS系統的有關參數間接換算得出主蒸汽流量，即采用間接測量法。

采用間接換算法方案，源于汽輪機理論中著名的Flugel公式。對于具有n級的汽輪機組在變工況下未達臨界時，級組前后參數與流量之間的關系可由下式表達：

上式中：Gr為變工況下的流量，G0為設計工況下的流量；T0、P0表示設計工況下的主蒸汽絕對溫度和壓力；T0r、P0r表示變工況下的主蒸汽絕對溫度和壓力；P2表示設計工況下的級后壓力，P2r表示變工況下的級后壓力。

當所取的級組較多且含凝汽式機組的末級時，由于排汽壓力值與級組進汽壓力值相比小得多，并且在級組前溫度變化較小時，溫度修正項接近于1，故上式可轉為更簡單的形式：

大容量汽輪機組數據采集系統（DAS）顯示的主蒸汽流量是根據調節級壓力等測量參數經過換算求得的。對上式的應用有著明確的條件限制：通流面積不變；級組內各級流量相同；級組內各級前溫度變化率相同；級組內不得串有其他非線性元件。

4.2 循環水流量測量

電廠循環水流量的測量，是測定冷卻水泵性能以及實現冷卻水泵優化調度的重要環節。目前，在測定凝汽器的冷卻水流量時，通常采用超聲波流量計或者根據凝汽器的熱平衡推算冷卻水流量。

在汽輪機凝汽器中，除汽輪機排汽外，還有低壓加熱器的疏水在凝汽器中放熱。放出的熱量被冷卻水吸收。由于疏水量較小，而且其在凝汽器中放熱量也較少，故忽略各種疏水在疑汽器中的放熱量。則由凝汽器的熱平衡，蒸汽凝結所放出的熱量等于冷卻水吸收的熱量，即：

其中，Dw為冷卻水流量；Dc為汽輪機的排氣量；hc-hc'為1Kg排氣在凝汽器中的放熱量，其數值大小可由汽輪機的熱力試驗確定。通常，按照實用精確度的原則，hc-hc'可以認為是常量，對于中間再熱式汽輪機為2300KJ/Kg，非中間再熱式汽輪機為2200KJ/Kg；cp為冷卻水的比熱；Δt為冷卻水在凝汽器中的溫升，其數值可以冷卻水入口及出口的溫度表記直接得到。由于凝汽式汽輪機最末級處于超臨界流動狀態，故運行中汽輪機排汽量與汽輪機最末段回熱抽汽壓力成正比，即：

式中：Dc0為汽輪機設計工況下的汽輪機排汽量；pe0為設計工況下汽輪機最末段回熱抽汽壓力；pe1為運行過程中實測的汽輪機最末段回熱抽汽壓力，Dc0、pe0可以根據汽輪機制造廠家提供的汽輪機熱力特性說明書中得到。

5 結論

盡管流量測量技術發展日趨成熟，但是在測量和應用方面依舊不盡人意，儀表種類繁多，不同場合要選不同類型的儀表，至今尚無一種儀表的可靠性和準確度能滿足多類要求。因此在選用流量測量儀表時，在滿足實際運行測量要求的基礎上，還要儀表的經濟型。總結儀表選用考慮的因素包括：測量環境、精確度、重復性、線性度、測量范圍、壓力損失、