流量仪表类型和选用要点
蔡武昌先生，中国仪器仪表行业协会流量仪表专业委员会教授级高工
摘要：本文介绍了流量测量领域的各种测量仪表的类型，市场规模概况，并对各类 流量仪表逐一介绍，为刚涉足自动化仪表的人员启蒙读物。
关键词：流量计，体积流量，质量流量，流量测控，总量计量。
一、 前言
流量是流程测控、物流储运交接以及公用民生收费等领域诸多测量参数（温度、压力、流量、物位、物性、成份等）中占有重要位置和较大比例。测量流量的仪表品种繁多，以适应各种条件的需求。现在普遍使用的品种估计在100种以上，诸如以流路形态区分，有封闭管道和敞开流道（明渠）两大类；有以流量测控为主，或以总量计量为主，或兼有流量测控和总量计量；又有许多测量原理/方法、结构/型式等等。本文试图对市场上所供应常用品种作些分析，归纳若干类型，概要论述各类型适用范围、优势、亮点以及局限性或缺点。
二、 品种类型
各种流量仪表如前所述按测量对象流路形态区分为封闭管道流和敞开通道（明渠）流两大领域；按测量原理/方法习惯上区分为10余大类；按用途/目的分为流程流量监控和核算交接总量计量两类。类型谱系如图1所示。
1、差压式 2、浮子式 3、容积式 4、涡轮叶轮式 5、电磁式 6、旋涡式 7、超声式 8、插入式 体积流量流量测控 连续流程 封闭管道 批量处理 贸易储运 图1 常用流量仪表谱系
2.1 按流路形态分类，有封闭管道用和明渠用两类。明渠类包括非满管（亦称暗渠）流。封闭管道用流量仪表品种多用量大，明渠用流量仪表无论品种和用量都较少。20世纪90年代中期国外有人估计全球工业和公用事业（不包括农业灌溉、水利业）明渠流量仪表年销售台数占流量仪表整体的1.6%，
流量仪表 9、科里奥利式 10、热式 11、间接质量式 质量流量 总量计量 公用业核算收费 明渠/ 非满管 流路形态 堰/流槽+液位计 流速计+液位计 测量原理/方法 用途/目的
若考虑较多简易堰等仪表由使用方自行配置，实际年装用数可能还要多些。明渠流量计下文不再演绎。
2.2 按测量原理/方法分类，封闭管道通常分为差压式、浮子式（又称面积式、变面积式）、容积式（又称定排量式）、涡叶轮式、电磁式、漩涡式（又称流体振荡式）、插入式、科里奥利质量式、热式和间接质量式。人们习称20世纪初及以前发展的差压式、浮子式、容积式、叶轮式、插入式为传统流量仪表。20世纪50年代及以后开发或进入工业实用的电磁式、超声式、科里奥利式、热式以及叶轮式中的涡轮流量计等为新技术（或称新型流量计）。不同测量原理流量仪表按所测流量是体积流量还是质量流量归纳为体积流量计和质量流量计两大类。质量流量计所测流量不受流体密度影响。 2.3 按用途/目的分类，主要分为流量测量/控制和总量计量两类，流量测控的仪表要求可靠性高、重复性好，总量计量仪表涉及贸易核算，还要求高准确度。浮子式、插入式、差压式等只适合于流量测控；容积式、涡轮式、科里奥利式等适合于总量计量和流量测控中批量处理（batch processing）。有些仪表开发初期其性能还只能适用于流量测控，经一段时期改进提高，用作总量计量的比例增加，如电磁式、科里奥利式、漩涡式。
三、 市场规模
3.1 年销售金额
工业用流量仪表销售通常不包括家用水表和家用燃气表。笔者在文献[1]中参考各界研究估计的国内市场容量和增长率，合计本土生产部分和进口部分，2007年在65亿~75亿元之间，约占全球的（15~20）%之间。
3.2 年销售台数
不包括家用水表和家用燃气表（有数百万台），也不包括简易的透明锥形管浮子流量计（数十万台），2008年估计在65万~75万台之间。2005年前后各主要品种所占比例如表1所示，其中差压式流量仪表以差压变送器为代表。
表1 2005年前后国内各类流量仪表销售台数所占比例（%） 差压 科里奥利浮子式 容积式 涡轮式 电磁式 旋涡式 超声式 热式 变送器 质量式 42~51 4.8~5.4 11~14 7~10 10~11 10~12 1.8~2.2 0.8~1 1~1.2 说明 1、 以差压变送器为代表差压式，大部分用于差压式流量测量，小部分用于测量液位、 密度、绝对压力等； 2、 浮子式不包含数十万台透明锥形管浮子流量计。
3.3 年增长率
前几年国内流量仪表整体增长率在（15~20）%之间，今后几年估计仍将保持这一势头，或受欧美金融危机带给经济实体的影响，可能有所下降。若考虑前几年国际主要生产流量仪表企业纷纷在中国设厂建立生产基地（如上海松江科隆，苏州横河，苏州E+H，上海ABB、大连西门子传感器与通信公司，南京艾默生亚洲流量技术中心以及合肥奥巴尔等）形成的产能和运作，有些在中国销售，有些还关闭其本国或国外生产基地转移至中国，再返销本国和向全球销售，因此也有可能超过20%。 各类品种增长率不尽相同，2003年有研究报告预测2002~2007年间全球流量仪表整体CAGR（年度增长率）为2.1%，其中新技术仪表为6.2%，传统仪表为-2.25%[2]；2004年出版《Flow Handbook》预测流量仪表整体CAGR为(2~4)%，新技术仪表为8%[3]。 还有若干单独品种的市场调查报告预测增长率，例如预测2002~2007年间超声波流量计全球CAGR为7.9%[4]；2003~2008年间科里奥利流量计CAGR为8.9%[5]；2006~2011年间电磁流量计CAGR为3.5%。国内市场也是这一趋势，传统仪表虽然未出现负增长，但增长缓慢而新技术仪表增长较快，前几年电磁式、超声式、科里奥利式增长率均超过整体，曾有超过30%者。
3.4 选用排序
《Control Engineering》和Reed Research 2007年就流量仪表选型、推荐或购置品种向技术专家作了网络调查，276位做了回答，经排序电磁流量计、质量流量计、孔板流量计依次居于前6位，其中仅孔板流量计为传统仪表，余5种均为新技术仪表[6]，2001年所作相似调查排序，超声流量计尚处第11位，6年间提前了5位。
四、 理想流量计
为适应各业众多要求，至今发展了如上所述各类流量仪表，人们仍然感到有许多流量测量问题难以解决，试图开发一种理想流量计以解决各种需求，再总结归纳各类流量仪表所有优点，提出以下一些理想流量计的主要条件。
1、 测量时毋需截断管道或对管道打孔等“动手术”，检测件夹装在管道外部，能随意移动到任何位
置作无损伤无侵扰测量。
2、 为无障碍检测，不改变原流向，不在流通通道中设置活动件等阻碍物。 3、 流量计算方程简单，可外推到未知领域而毋需实流校验。
4、 毋需逐台仪表实流校准（验），或在一、两种介质中校验推演到其他介质；或只需“ 干法校
准”。
5、 仪表输出信号不受介质工况和物性影响，流动状态（流速分布、旋转流等）影响和环境条件影
响。
6、 仪表重复性好，稳定性好，可靠性高，线性好，范围度宽。 7、 流量检测件输出信号直接反映质量流量。
某类流量计与理想流量计比照，对其中一些条件较适合，而对另一些条件适应性较差或不具备。下文将讨论各类流量计和应用适应性和局限性。
五、 各类流量仪表分论
5.1 差压式流量计
差压式流量计习惯简称DP(differential pressure) ，是根据在管道中的流量检测元件所产生的差压来测量流量的仪表。在差压式流量计中用得最多的是节流检测件中已标准化的标准孔板、标准喷嘴/长径喷嘴、经典文丘里管/文丘里喷嘴，在充分实验数据和研究成果的基础上，积累了丰富实践经验，只要按照标准规定的几何形状，计算确定的尺寸制造和安装，毋需实流校准作量值传递，就可以达到基本误差≤±1%FS的测量精度。这一特征是标准节流件差压流量计的亮点，在当代流量仪表中经国际标准和我国国家标准认可的唯一品种。
以前标准节流件差压流量计既用于流量监测/控制，也用于总量核算交接计量，自新技术仪表发展以来，总量计量领域特别是测量液体，已渐被电磁式、超声式、科里奥利式等替代。但是当前还被广泛应用于高压蒸汽、天然气的总量交接计量。
目前普遍认为差压式流量仪表仅适用于流量测量/控制，有些国家规定均速管等差压流量计不能用于总量交接计量。由于测量原理上流量信号与差压平方根成正比关系，差压式流量计范围度较窄，仅（4~3）: 1，不能用于流量变化幅度大的管系，孔板流量计和喷嘴流量计压力损失（即测量本身所需耗能） 较大。
5.2 浮子流量计
浮子流量计又称转子流量计，欧美称变面积（VA, variable area）流量计，日本称面积流量计，是由一根向上扩大的垂直圆锥形管和放在中间圆形浮子组成的，有就地指示的透明锥形管式和能远传信号的金属锥形管式两类。
浮子流量计适用小管径（口径50或80mm以下，最小1~4mm），低流速（液体满度流量流速透明管式为0.1-0.6m/s，金属管式0.5~1.5m/s）。透明管式结构简单，价格低廉，常用作流量指示监测；有输出信号的金属管式常用于管道混合配比流量控制。
浮子流量计只用于流量监测控制，一般不用于总量交接计量，属于中低等级精度（基本误差±（2~4）%FS）。
5.3 容积式流量计
容积式流量计在欧美称定（正）排量（Positive displacement，简称PD）流量计，是利用机械测量元件把流体分割成单个已知体积，并重复不断地充满和排放该部分体积而累加，计量出流体总量的流量仪表。
流量仪表类型和选用要点
