摘 要： 本文說明了流量測量技術在工業(yè)生產(chǎn)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(fā)展現(xiàn)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(yè)過程測量中的一個重要參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)中承擔著兩類重要任務：其一為流體物資貿(mào)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(yè)提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率，降低成本以及水利工程和環(huán)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(huán)境保護、交通運輸?shù)雀吆哪茴I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(shù)變化對測量精度的影響，從節(jié)約能源、成本核算、貿(mào)易往來及醫(yī)藥衛(wèi)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(fā)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(nèi)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(shù)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(lián)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(xù)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(nèi)外新成果舉例 

  2007年清華大學高晉元教授發(fā)表《參數(shù)估計法測量兩相流流速》一文，提出運用模型參數(shù)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)成為可能。 

3 常用流量計簡介 

3.1 節(jié)流式流量計 

節(jié)流式流量計是一種典型的差壓流量計。是目前工業(yè)生產(chǎn)中用來測量氣體、液體和蒸汽流量的的一種流量儀表。節(jié)流式流量計通常由能將流體流量轉換成差壓信號的節(jié)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(jié)流式流量計基于流體流經(jīng)管內(nèi)固定的節(jié)流元件時，在節(jié)流件前后產(chǎn)生了差壓，根據(jù)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(xù)性方程聯(lián)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(jié)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(jīng)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(nèi)，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(chǎn)生感應電動勢，如安裝一對電極，則電極間產(chǎn)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(nèi)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(tài)和物理參數(shù)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(xiàn)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(yōu)點深受用戶的歡迎，發(fā)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(fā)生體，則在其兩側會產(chǎn)生旋轉方向相反、交替出現(xiàn)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(wěn)定的，稱之為“卡門渦街”，漩渦體產(chǎn)生頻率與流速的關系：

式中： 

d—漩渦發(fā)生體的特征尺寸。則流體體積流量公式如下：

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

由上式可知，在斯特羅哈爾數(shù)為常數(shù)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(yōu)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(huán)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(tǒng)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(jīng)濟性分析和節(jié)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(tǒng)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(fā)電機組，對于高參數(shù)，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(jié)流損失也不容忽視。因此現(xiàn)今的大容量汽輪機組在系統(tǒng)設計時，為了減小節(jié)流損失，通常不設主蒸汽流量節(jié)流測量裝置，而是利用汽輪機DAS系統(tǒng)的有關參數(shù)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(shù)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溫度和壓力；T0r、P0r表示變工況下的主蒸汽溫度和壓力；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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）顯示的主蒸汽流量是根據(jù)調(diào)節(jié)級壓力等測量參數(shù)經(jīng)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(nèi)各級流量相同；級組內(nèi)各級前溫度變化率相同；級組內(nèi)不得串有其他非線性元件。 

4.2 循環(huán)水流量測量 

電廠循環(huán)水流量的測量，是測定冷卻水泵性能以及實現(xiàn)冷卻水泵優(yōu)化調(diào)度的重要環(huán)節(jié)。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(jù)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(shù)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(shù)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(tài)，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(jù)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(fā)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(jīng)濟型?？偨Y儀表選用考慮的因素包括：測量環(huán)境、精確度、重復性、線性度、測量范圍、壓力損失、響應時間等。