流量计

1概述

　　流量计英文名称是flowmeter，全国科学技术名词审定委员会把它定义为：指示被测流量和（或）在选定的时间间隔内流体总量的仪表。简单来说就是用于测量管道或明渠中流体流量的一种仪表，工程上常用单位m3/h，它可分为瞬时流量（FlowRate）和累计流量（TotalFlow），瞬时流量即单位时间内过封闭管道或明渠有效截面的量，流过的物质可以是气体、液体、固体；累计流量即为在某一段时间间隔内（一天、一周、一月、一年）流体流过封闭管道或明渠有效截面的累计量。通过瞬时流量对时间积分亦可求得累计流量，所以瞬时流量计和累计流量计之间也是可以相互转化的。

2发展历史

　　早在1738年，瑞士人丹尼尔伯努利以第一伯努利方程为基础利用差压法测量水流量。后来意大利人G.B.文丘里研究用文丘里管测量流量，并于1791年发表了研究结果。

　　1886年，美国人赫谢尔应用文丘里管制成了测量水流量的的实用测量装置。

　　20世纪初期到中期，原有的测量原理逐渐走向成熟，人们不再将思路局限在原有的测量方法上，而是开始了新的探索。

　　到了30年代，又出现了探讨用声波测量液体和气体的流速的方法声波测量流量的方法，但到第二次世界大战为止未获得很大进展，直到1955才有了应用声循环法的马克森流量计的问世，用于测量航空燃料的流量。

　　20世纪的60年代以后，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。

　　随着集成电路技术的迅速发展，具有锁相环路技术的超声（波）流量计也得到了普遍应用，微型计算机的广泛应用，进一步提高了流量测量的能力，如激光多普勒流速计应用微型计算机后，可处理较为复杂的信号。

　　超声波流量计

3发展趋势

　　在工业现场，测量流体流量的仪表统称为流量计或流量表。是工业测量中最重要的仪表之一。随着工业的发展，对流量测量的准确度和范围要求越来越高，为了适应多种用途，各种类型的流量计相继问世，广泛应用于石油天然气、石油化工、水处理、食品饮料、制药、能源、冶金、纸浆造纸和建筑材料等行业。

　　弗若斯特沙利文咨询公司运用360度全视角研究模型，着眼于全球，综合应用行业、科技技术发展、经济、竞争环境和行业用户等多项模块，对流量计市场进行全面研究。本文以靶式流量计、容积式流量计、涡轮流量计、差压式流量计、变面积式流量计、电磁流量计、超声波流量计、涡街流量计(典型的流体振荡式流量计)、科里奥利质量流量计和插入式热质量流量计作为研究对象，对市场进行分析。

　　2008年全球流量计的市场规模达到28.3亿美元，较2007年增长约3.9%。

　　在全球，流量计的主要生产商包括：毕托巴流量计（Bitobar），厦门宏控（HOMKOM），阿西布朗勃法瑞(ABB)，艾默生(Emerson)，恩德斯豪斯(EndressHauser或EH)，科隆(Krohne)，西门子(Siemens)，横河(Yokogawa)，以及通用电气(GeneralElectric)，霍尼韦尔(Honeywell)，英维思(Invensys)和山武(Yamatake)。

　　涡街流量计

4市场因数

　　驱动因素据国际能源署(IEA)预测，从2007至2030年全球需要对能源基础设施累计投资26.0万亿美元(以2007年美元价值计)。其中，电力行业投资13.6万亿美元，占总投资额的52.3%。到2030年，世界许多地方的石油、天然气和电力的基础设施将需要更换。从长期来看，可预见的能源投资将给流量计在石油天然气和能源行业板块的应用带来不小的发展空间。

　　面临激烈的竞争环境，以及为了应对全球节能减排的诉求，各个行业用户更加关注生产工厂的运行效率，尽可能降低能耗，以提高竞争力。因此，大量的投资被用于提升工厂的自动化水平和现场数据的采集和实时监控，以提升工厂的过程控制效率。诸如，在石油天然气和能源行业，密闭传输设施中需要性能可靠的流体测量设备;化工和制药行业中需要高精准的流量计等，种种趋势必将带动传感器和现场设备(包括流量计)的发展。

　　流量计中正在更多地引入电子技术，如数字信号处理(DSP)和微处理器，这使得流量计具备了自诊断功能，并且能够更好地与生产控制层面进行通信。性能的提高更好地满足了行业用户的需求，给流量计创造了更多的市场应用空间。

　　抑制因素当前全球经济形势有待进一步提振，工业品需求不旺盛。众多行业用户放缓新项目投资或者暂停设备更新升级，等待全球经济出现复苏迹象。所以，在短期内，这将会给流量计在其主要应用行业的发展前景带来一定影响。

　　全球流量计市场生产商众多，竞争异常激烈。同时，流量计生产商正面临着行业用户对价格较为苛刻的要求，为了能够使产品更好地渗透进入流量计应用的主要行业，生产商之间的价格竞争再所难免。这一现象在新兴经济体，尤其中国，很普遍。价格往往成为决定采购行为的最主要决定因素。长此以往，生产商更多关注价格策略，导致产品创新性不够，阻碍市场发展。

　　面临的挑战

　　传统的机械式流量计，例如差压式流量计、容积式流量计和变面积式流量计，已经处于普及化阶段，价格竞争激烈，利润空间日益减少，技术革新较少，市场相对成熟。Frost&Sullivan认为，实现产品的差异化和定制化生产是生产商在成熟市场的激烈竞争中的一个重要突破点。根据弗若斯特沙利文对行业用户的需求进行分析，用户群体希望生产商能够提供为生产过程带来切实利益的自动化设备。用户在产品应用过程中会产生具体的需求，例如：应用在石化行业的特殊环境中，需要坚固耐用的设计以及防爆认证;用户对直管设计的科氏流量计的需求等。如何有效获取用户实际需求，并且对传统产品进行改良，是对生产商差异化和定制化生产过程的一个不小挑战。

　　引导用户接受并使用新技术流量计，如SBL靶式流量计、超声波流量计、电磁流量计、质量流量计以及V锥流量计（孔板流量计）等等，是生产商把市场做大做强的又一个挑战。

　　此外，新技术流量计不断被引入各个行业的同时，快速有效的售后服务对生产商来说同样至关重要。尤其是运用基于基金会现场总线和ProfibusPA总线的流量计，对软件技术有一定要求，有效的服务能够为用户提供更适合的解决方案，并且贴近用户。

　　浮子流量计

　　展望未来

　　从机械式流量计到电子技术流量计的革新是流量计最重要的发展趋势之一。靶式流量计、电磁流量计、超声波流量计、涡街流量计和V锥流量计（孔板流量计）利用电气原理工作，从而避免了机械流量计工作中需要更换的运动机件。同时，自诊断功能被引入流量计中，使得流量仪表不仅仅是简单的测量工具，更多地为了系统维护的目的，例如：空管道侦测和自检验等。并且，在电子流量计中结合先进的通信技术后，使得控制人员能够远程实时获取生产现场的流量数据和历史数据。

　　据Frost&Sullivan的研究，当前全球约89.0%的流量计采用mAHART通信协议，因为采用mAHART通信协议的流量计在安装难度和操作要求上都低于采用现场总线协议的流量计，并且引入现场总线系统对用户来说也是一项不小的成本。但是，随着行业用户不断提高自动化水平，希望从流量测量中获取除了流量数据以外更多的信息，比如，诊断信息和状态检测等，这些数据传送都需要依赖现场总线支持。而且，西门子和艾默等厂商生正在着力推行现场总线协议的流量测量技术。相信，这必将推动现场总线协议流量计在各个行业的应用前景。

　　此外，无线技术流量计也正在逐步被用户所接受，恶劣环境中的流体测量对无线技术来说是一个很好的应用空间。不过，用户完全接受并普及无线技术流量计还需要一定的时间。

　　孔板流量计

5发展现状

　　由于缺乏国家在这行业体制机制强有力的支持，造成我国仪器仪表行业缺乏高层次的复合型人才，缺乏熟悉、精通各学科交叉的综合型人才。自主创新能力低下，自主知识产权匮乏。具体表现在国产高端自动化产品奇缺，市场竞争力不强。

　　现代计量是光、机、电、计算机和许多基础学科高度综合的产物，对新技术比较敏感，是现代产业产品中更新换代速度比较快的产品之一，每年都会有新产品推出，特别是在当今信息技术攻速发展的时代，竞争日趋激烈，发展速度稍微慢点就会被远远抛在后面。我国虽然已经进入21世纪，但许多东西还停留在80年代初的水平上，大型和高档的仪器设备几乎全部依靠进口，甚至有的专用仪器在国内还处于空白状态，中低端的产品质量保证上还有许多问题需要攻克。

　　因此，必须要有国家战略高度的规划和相关资源的大力支撑，才有机会去不断缩小差距。如果测试仪器企业无法做到一个比较大的规模，那么就很难具备和国际巨头一较长短的实力，而前期的成长需要巨额长期的资金投入。

6应用范围

　　流量计量广泛应用于工农业生产、国防建设、科学研究对外贸易以及人民生活各个领域之中。在石油工业生产中，从石油的开采、运输、炼冶加工直至贸易销售，流量计量贯穿于全过程中，任何一个环节都离不开流量计量，否则将无法保证石油工业的正常生产和贸易交往。在化工行业，流量计量不准确会造成化学成分分配比失调，无法保证产品质量，严重的还会发生生产安全事故。在电力工业生产中，对液体、气体、蒸汽等介质流量的测量和调节占有重要地位。流量计量的准确与否不仅对保证发电厂在最佳参数下运行具有很大的经济意义，而且随着高温高压大容量机组的发展，流量测量已成为保证发电厂安全运行的重要环节。如大容量锅炉瞬时给水流量中断或减少，都可能造成严重的干锅或爆管事故。这就要求流量测量装置不但应做到准确计量，而且要及时地发出报警信号。在钢铁工业生产中，炼钢过程中循环水和氧气(或空气)的流量测量是保证产品质量的重要参数之一。在轻工业、食品、纺织等行业中，也都离不开流量计量。

　　应用比较多的换能器是外夹式和插入式。单声道超声波流量计结构简单、使用方便，但这种流量计对流态分布变化适应性差，微电子技术和计算机技术的飞跃发展极大地推动仪表更新换代，新型流量计如雨后春笋般涌现出来。至今，据称已有上百种流量计投向市场，现场使用中许多棘手的难题可望获得解决。我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，被设置在测量流动通道6的上游端并相对于孔眼11和12，用于减少被测量的流体流入孔眼11和12;测量控制部件19，用于测量超声波换能器8和9之间的超声波的传播时间;及计算部件20，用于根据该测量控制部件19的信号计算流量。

　　流量计尽量避开铁磁性物体及具有强电磁场的设备(如大电机、大变压器的等)，以免磁场影响传感器的工作磁场和流量信号。传感器勺转换器间的流量信号线和激磁线。然而从雷电故障中损坏零部件的分析，引起故障的感应高电压和浪涌电流大部分足从控制室电源线路引入的，其他两条途径较少。由于电磁流量计测量含有悬浮固相或污脏体的机会远比其他流量仪表多，出现内壁附着层产生的故障概率也就相对较高。若附着层电导率与液体电导率相近。常见的调试期故障通常由安装不妥。

　　应用发展

　　科里奥利

　　科里奥利质量流量计（以下简称CMF）是利用流体在振动管中流动时，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。

　　中国CMF的应用起步较晚，已有几家制造厂自行开发供应市场；还有几家制造厂组建合资企业或引用国外技术生产系列仪表。

　　国外CMF已发展30余系列，各系列开发在技术上着眼点在于：流量检测测量管结构上设计创新：提高仪表零点稳定性和精确度等性能；增加测量管挠度，提高灵敏度：改善测量管应力分布，降低疲劳损坏，加强抗振动干扰能力等。

　　某些厂家研发出了可以测量气液两相的科里奥利仪表，可以应用在卸船，含气泡介质等原先传统仪表无法工作的场合。同时有一种MVD变送器可以实现仪表在线自校验，即无需将流量计拆下，利用对流量管刚性的检查，来判断现场仪表的性能。

　　电磁

　　EMF从50年代初进入工业应用以来，使用领域日益扩展，80年代后期起在各国流量仪表销售金额中已占16%~20%。

　　中国发展迅速，1994年销售估计为6500~7500台。国内已生产最大口径为2~6m的EMF，并有实流校验口径3m的设备能力。2008年销售额已经达到7700万美元，估计销售量在35万台以上。

　　涡街

　　USF在60年代后期进入工业应用，80年代后期起在各国流量仪表销售金额中已占4%～6%。1992年世界范围估计销售量为3548万台，同期国内产品估计在8000～9000台。

　　应用领域

　　流量测量技术与仪表的应用大致有以下几个领域。

　　工业生产

　　流量仪表是过程自动化仪表与装置中的大类仪表之一，它被广泛适用于冶金、电力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、轻纺、食品、医药、农业、环境保护及人民日常生活等国民经济各个领域，是发展工农业生产，节约能源，改进产品质量，提高经济效益和管理水平的重要工具在国民经济中占有重要的地位。在过程自动化仪表与装置中，流量仪表有两大功用：作为过程自动化控制系统的检测仪表和测量物料数量的总量表。

　　能源计量

　　能源分为一次能源（煤炭、原油、煤层气、石油气和天然气）、二次能源（电力、焦炭、人工燃气、成品油、液化石油气、蒸汽）及载能工质（压缩空气、氧、氮、氢、水）等。能源计量是科学管理能源，实现节能降耗，提高经济效益的重要手段。流量仪表是能源计量仪表的重要组成部分，水、人工燃气、天然气、蒸汽和油品这些常用的能源都使用着数量极其庞大的流量计，它们是能源管理和经济核算不可缺少的工具。

　　环境保护

　　烟气，废液、污水等的排放严重污染大气和水资源，严重威胁人类生存环境。国家把可持续发展列为国策，环境保护将是21世纪的最大课题。空气和水的污染要得到控制，必须加强管理，而管理的基础是污染量的定量控制，流量计在烟气排放、污水、废气处理流量计量方面有着不可替代的位置。

　　中国是以煤为主要能源的国家，全国有上百万个烟囱不停地向大气排放烟气。烟气排放控制是根治污染的重要项目，每个烟囱必须是安装烟气分析仪表和流量计，组成连椟排放监视系统。烟气的流量沆量有很大因难，它的难度为烟囱尺寸大且形状不规则，气体组分变化不定，流速范围大，脏污，灰尘，腐蚀，高温，无直管段等。

　　交通运输

　　有五种方式：铁路公路、航空、水运和管道运输。其中管道运输虽早已有之，但应用并不普遍。随着环保问题的突出，管道运输的特点引起人们的重视。管道运输必须装备流量计，它是控制、分配和调度的眼睛，亦是安全监没和经济核算的必备工具。

　　生物制药

　　21世纪将迎来生命科学的世纪，以生物技术为特征的产业将获得迅速发展。生物技术中需监测计量的物质很多，如血液，尿液等；医药行业对各种医药配方，液体制剂成分的控制流量仪表也是不和或缺的。仪表开发的难度极大，品种繁多。

　　科学实验

　　科学实验需要的流量计不但数量多，且品种极其繁杂。据统计流量计100多种中很大一部分是应科研之需用的，它们并不批量生产，在市面出售，许多科研机构和大企业皆设专门小组研制专用的流量计。

　　海洋、江河湖泊

　　这些领域为敞开流道，一般需检测流速，然后推算流量。流速计和流量计所依据的物理原理及流体力学基础是共通的但是仪表原理及结构以及使用前提有很大差别。