0 前言
流體就是能流動的物質，空氣、水、油等都屬于流體。無論是日常生活，還是工農業生產，流體和人類息息相關。因此，流量測量便成了人類了解流體性質并利用流體的必要條件。而流量計正是用來測量流體流量的一類儀表。正在使用的流量計已經超過百種，測量原理、應用范圍也各不相同。而且隨著工業生產和科學技術的發展，流量測量對象越來越多，精度要求越來越高，新的測量方法和測量儀表也不斷地涌現出來。這雖然擴大了人們的選擇范圍，但面對上百種有不同特點和要求，使用方法也不盡相同的流量計，如果不具備專業知識，很難選出適合自己的高性價比的產品。有人對美國正在使用的千余臺流量計做過調查，所選擇的測量方法約60%不是最合適的或使用不正確[1]。本文介紹流量計的分類和選擇。希望能為非流量儀表專業人員提供一種簡便易行的選用流量計方案。
1 流量計及其分類
流量計有體積流量計和質量流量計之分，專門測試體積流量的流量計稱為體積流量計；測量質量流量的流量計稱為質量流量計[2]。在液壓行業，體積流量直接關系到執行元件的運行速度，它與壓力的乘積就是系統功率。因而，體積流量更清楚地表達了系統的穩態和瞬態特性，體積流量計在這個領域也更受青睞。由于流體的體積受壓力和溫度的影響，在一些工業生產中，物料平衡、熱平衡以及儲存、買賣、經濟核算等所需要的往往是質量或重量[2]，因此，就沒有必要用體積流量乘以密度來換算，而是可以直接用質量流量計來測量。
此外，流量計所測得的流量又有累積流量和瞬時流量之分。累積流量是在一定時間內流出流體的總體積（或質量）。瞬時流量是某一時刻流體通過某橫截面的流量。現在已經有很多流量計通過改進測量算法可以同時顯示或輸出累積和瞬時流量。
現在，流量計的測量對象已經從液體、氣體擴展到了雙相、多相流體；測量溫度從高溫到極低溫；壓力有低壓、中壓、高壓甚至超高壓；測量粘度范圍、流量范圍都在不斷地擴大；流動狀態也涉及到層流、紊流、脈動流等等。因此，不可能用一種流量計完成所有的流量測量。為適應各種測量條件，老式流量計仍然在完善、使用，新的流量計則更是層出不窮。到目前為止，國內外還沒有一個統一的分類方法。一般按照用途分為指示型、記錄型、積算型、遠傳型等；也可以按照測量流體狀態分為微流量測量型、小流量測量型、脈動流測量型、雙向流測量型等；還可以按測量對象分為封閉管道式和明渠式兩大類。但常用的分類方法有兩種，一是按照測量原理來分類，二是按照流量計的結構原理來分類。
如圖1所示，按照測量原理可以把流量計分為七大類[3]。而用得泛、的還是按照測量結構和原理的分類法，見圖2[4]，流量計分為11大類。其中，相同原理的流量計又可按不同的結構劃分成小類，如差壓式流量計中的節流式流量計按照節流孔口的不同劃分為20小類；相同測量結構的流量計也可按不同的測量原理再分類，如渦街流量計都是在流體中垂直于流向的方向設置一根柱狀物的結構，但按照其測量產生卡門渦街頻率的原理不同又可分為應變式、應力式等7小類。這樣就可以把眾多的流量計按人們常用的名稱進行歸類，便于人們的選用。
2 流量計的選擇
面對數百種的流量儀表，針對不同的使用場合，如果沒有一個清晰的步序，貿然地做出選擇，很難選出最合適的儀表。在測量精度不高的場合選用高精度而昂貴的測量儀表，測量對象和測量范圍的不合適都是選用流量計時常見的錯誤。選用不當有時候還可能造成流量儀表損毀，如用螺桿流量計去測含固體雜質的液體，常會磨損螺桿或使其卡死。
正確地選用流量儀表，首先要明確使用目的，然后從儀表性能和被測流體性質兩方面來考察，再考慮安裝要求、環境，最后從經濟性的角度選出一種或幾種適合的流量計。最后從初選出的流量計中，選出性能、安裝要求、環境適應性的儀表（圖3）。下面按圖3中的各步序分別闡述。
（1）使用目的
流量計的使用目的應該很明確。即要知道測的是體積流量，還是質量流量；要測瞬時流量，還是累積流量。如液壓行業更關心體積流量和瞬時流量；物料平衡、交易中需要質量流量和累積流量。而流量計由于結構、原理上的差異往往只適用于一種流量的測量，或者是測量某一種流量精確，測量其他的流量則需要增加轉換設備或精度下降。像容積式流量計、渦輪流量計等靠計數或脈沖數來獲取累積流量值的儀表，適合計量總量。如果要用其計量瞬時流量，則要加計時裝置和相應的計算電路才能轉換為瞬時值。在轉換過程中因有效數位等因素必將降低其精度。而超聲流量計、電磁流量計原理上是靠測流速來換算出流量，更適合計量瞬時流量。
（2）被測流體狀態和性質
正是因為流體狀態和性質的多樣性。才有了適用于不同狀態、不同性質流體的測量儀表。所以必須清楚流體是氣態，還是液態；是單相流，還是多相流；流體流量范圍大致是多少；流體中是否含有固體雜質，濃度是多少；流體流過的是密閉管道，還是明渠或開口槽；還有流體的粘度、密度、雷諾數、導電性、腐蝕性等。以上因素中的某個或某幾個都會或多或少地影響到流量測量，必須充分予以考慮。
表1列出了常用流量計對于一些流體狀態和性質的適用性。可見，大部分流量計都是只針對某些狀態所設計的，因此選用時一定要注意。例如在液壓行業中，工作液往往是石油基液壓油，它是以石油精煉得到的礦物油為基礎與各類添加劑按適當比例調合而成的，電導率一般都在10-11Ω/cm左右。這樣。用來測導電液體流量的電磁流量計顯然就不適用了。所以選用流量計前，被測流體的狀態和性質必須搞清楚。
（3）儀表性能
儀表性能主要體現在精確度、重復性和線性度三個方面。其中精確度并不是越高越好，因為高精度的流量計往往價格和復雜程度也很高。一般來說，容積式流量計、電磁式流量計、超聲式流量計、渦輪式流量計和科氏質量流量計的精度都很高，誤差能達到0.5%R（測量值的百分率用%R表示，與之相對的%FS，為測量上限或量程的百分率。前者的精確度更具說服力）或更高，有的容積式流量計甚至可以達到0.05%。而插入式流量計一般精度比較低。其他的都比較適中。可以在精度不是很高的條件下選用。
表1 通常情況下流量計對流體狀態適應性
| | 清潔液 | 臟污液 | 氣體 | 高粘液 | 液氣混合 | 腐蝕液 | 范圍度 | 明渠液 | 非充滿管 |
| 差壓孔板 | √ | ① | √ | + | √ | √ | S | × | × |
| 差壓噴嘴 | √ | + | √ | + | √ | × | S | × | × |
| 差壓文氏管 | √ | + | √ | + | √ | × | S | × | × |
| 浮子式 | √ | × | √ | √ | × | ⑦ | M | × | × |
| 容積式 | √ | × | ④ | √ | × | ⑧ | M | × | × |
| 漩渦式 | √ | ② | √ | + | × | + | C | × | × |
| 渦輪式 | √ | × | √ | √ | √ | × | A | × | × |
| 電磁式 | √ | √ | × | × | + | √ | B | × | + |
| 超聲波式 | √ | ③ | + | + | × | ③ | C | + | × |
| 靶式 | √ | √ | × | + | √ | × | S | × | × |
| 熱式 | × | × | √ | × | × | × | M | × | × |
| 明渠式 | √ | √ | × | × | × | + | H | √ | √ |
| 科氏質量式 | √ | √ | ⑥ | √ | + | + | B | × | × |
注：“√"為適用，“+"為有條件可用，“×"為不適用，“S"為小范圍，“M"為中范圍，“H"為大范圍，“A"為小到中，“B"為中到大，“C"為小到大。①為圓缺孔板，②為渦街式，③為多普勒式，④為膜式，⑥為高壓氣體，⑦為玻璃錐管，⑧為需特殊材料制造。
重復性是指環境條件和介質參量等因素不變的情況下，對某量值在短時間內同方向進行多次測量的一致性。其常常受流體粘度、密度等參量變化的影響[1]。例如浮子流量計容易受流體密度影響；渦輪式流量計測量時由于粘度的變化需要重新調校和修正。此外。流量計輸出有線性和非線性平方根兩種。非線性誤差對于脈沖輸出、流量范圍又很大的總量型流量計的影響很大。而且非線性會影響到儀表的重復性。但現在通過信號適配技術已經基本上可以修正非線性。
在眾多的流量儀表中。容積式流量計、渦輪流量計和科氏質量流量計被認為是重復性、精度的產品[5]。可以用在性能要求較高的場合，但價格也較昂貴。
（4）安裝條件
安裝條件往往取決于現場空間、方位的要求。因為容積式、浮子式和渦輪式等流量計常常要求傳感器的安裝方向和流動方向分別是水平、垂直和水平，且對流體有過濾精度要求，有時需加過濾裝置；而除容積式、浮子式和科氏質量流量計以外的大部分流量計由于受流速畸變等因素影響，需要在上游或下游加一定長度的直管，消除對其的干擾，當受空間限制時，也有加流動調整器的；除渦輪式、電磁式、超聲式和部分差壓式流量計外，其余大多數流量計不能測雙向流。因此。很多流量計不能或者不適合安裝在給定的空間和方位上。
（5）環境因素
在儀表使用時，影響它的周圍環境因素主要是溫度，其次是電磁干擾。容積式流量計是用定容積容腔來衡量流量的，構成容腔的機械部件的材料一般是用鋼材制成。它在低溫下變脆、高溫時膨脹，使其低溫下的壓力受到限制，而高溫時容腔體積的變化又導致精度下降，可見其受溫度影響是很大的。除它之外。熱式流量計也受溫度影響較大，而科氏質量流量計、電磁式流量計和流體振動式流量計受的影響很小，其余則比較適中。
電磁干擾主要是由周圍環境中的電力、電氣設備開關引起的。超聲式流量計、流體振動式流量計和科氏流量計會受到一定的影響，其余的流量計受的影響不會太大。
（6）經濟性
流量計的費用主要是購置儀器的費用，運行維護費用也應當加以考慮。一般來講，容積式流量計中的轉子式由于機械活動部件較多，加工精度高，材料要求也高，從而購買價格昂貴。比如奧地利KRAL公司的低壓型的低端產品OME系列也需要近兩萬元人民幣。此外，超聲式流量計中的傳播速度式、科氏質量流量計、電磁式的價格也都比較高。運行和維護的費用主要體現在容積式、渦輪式等流量計需要加諸如過濾器等附件上。有時要求經常調校的流量計的流量校驗和調節的費用也需要考慮。
實際上，選用流量計只靠以上幾點還是不夠的，還要詳細地閱讀產品樣本，關注其技術的革新，并參考其他工程師的經驗。圖4為Cahners調查得出的工程師使用的8種流量計應用范圍比較[6]。圖5是工程師所關注的流量計各種因素的比較[7]。在綜合這些因素后，選出的流量計的性價比定是令人滿意的。
3 流量計的使用
選出一款合適的流量計只是步，只有正確的使用和維護才能充分發揮流量計的潛力，可靠長久地進行準確的測量工作。
首先，必須正確地安裝流量計。本文提到流量計常有嚴格的安裝要求，如加設過濾裝置或流體調整器。或設置上游和下游一定長度的直管。所以必須嚴格按照具體流量計的說明書的要求進行安裝。
其次，定期檢定和校準是保證流量計長期準確工作的保證。因為隨著流體性質和狀態的變化，流量計的重復性將受到影響，所以必須進行定期的檢定和調校。
再次，應該定期地檢修和清洗.對易損件要定期地檢查并更換。注意清洗流量計內的污垢，對于保護流量計不受損壞和保證精度都是有益的。
4 結束語
按照圖3給定的步序，從各個角度考慮，初步篩選出幾種流量計，再對初選的流量計進行比較，性能較出色、附加要求較少、費用較低的流量計便是最終所選的。然后再詳細閱讀選定產品的說明資料，最終確定選定結果。這是一個思路明晰、簡便易行的選擇方案，供相關的工程技術人員在選用流量計時參考。
參考文獻：
[1]蔡武昌，孫淮清，紀綱.流量測量方法和儀表的選用[M].北京：化學工業出版社.2001.
[2]應啟戛，趙學端.流量計檢測及儀表[M].上海：上海交通大學出版社.1987.
[3]劉欣榮.流量計[M].北京：水利電力出版社，1989.
[4]梁國偉，蔡武昌.流量測量技術及儀表.北京：機械工業出版社，2002.
[5]蘇文.淺談流量計的發展及現狀[J].中國儀器儀表，2002，（6）：1-4，9.
[6]MarkT Hoske. Product focus[J].Control engineering，2001.48（8）：72-80.
[7]Joseph L Foszcz. Selecting liquid flow meters[J].Plant engineering，1999，53（12）：44.
