流量計

1概述

　　流量計英文名稱是flowmeter，全國科學技術名詞審定委員會把它定義為：指示被測流量和（或）在選定的時間間隔內流體總量的儀表。簡單來說就是用于測量管道或明渠中流體流量的一種儀表，工程上常用單位m3/h，它可分為瞬時流量（FlowRate）和累計流量（TotalFlow），瞬時流量即單位時間內過封閉管道或明渠有效截面的量，流過的物質可以是氣體、液體、固體；累計流量即為在某一段時間間隔內（一天、一周、一月、一年）流體流過封閉管道或明渠有效截面的累計量。通過瞬時流量對時間積分亦可求得累計流量，所以瞬時流量計和累計流量計之間也是可以相互轉化的。

2發(fā)展歷史

　　早在1738年，瑞士人丹尼爾伯努利以第一伯努利方程為基礎利用差壓法測量水流量。后來意大利人G.B.文丘里研究用文丘里管測量流量，并于1791年發(fā)表了研究結果。

　　1886年，美國人赫謝爾應用文丘里管制成了測量水流量的的實用測量裝置。

　　20世紀初期到中期，原有的測量原理逐漸走向成熟，人們不再將思路局限在原有的測量方法上，而是開始了新的探索。

　　到了30年代，又出現(xiàn)了探討用聲波測量液體和氣體的流速的方法聲波測量流量的方法，但到第二次世界大戰(zhàn)為止未獲得很大進展，直到1955才有了應用聲循環(huán)法的馬克森流量計的問世，用于測量航空燃料的流量。

　　20世紀的60年代以后，測量儀表開始向精密化、小型化等方向發(fā)展。

　　隨著集成電路技術的迅速發(fā)展，具有鎖相環(huán)路技術的超聲（波）流量計也得到了普遍應用，微型計算機的廣泛應用，進一步提高了流量測量的能力，如激光多普勒流速計應用微型計算機后，可處理較為復雜的信號。

　　超聲波流量計

3發(fā)展趨勢

　　在工業(yè)現(xiàn)場，測量流體流量的儀表統(tǒng)稱為流量計或流量表。是工業(yè)測量中最重要的儀表之一。隨著工業(yè)的發(fā)展，對流量測量的準確度和范圍要求越來越高，為了適應多種用途，各種類型的流量計相繼問世，廣泛應用于石油天然氣、石油化工、水處理、食品飲料、制藥、能源、冶金、紙漿造紙和建筑材料等行業(yè)。

　　弗若斯特沙利文咨詢公司運用360度全視角研究模型，著眼于全球，綜合應用行業(yè)、科技技術發(fā)展、經(jīng)濟、競爭環(huán)境和行業(yè)用戶等多項模塊，對流量計市場進行全面研究。本文以靶式流量計、容積式流量計、渦輪流量計、差壓式流量計、變面積式流量計、電磁流量計、超聲波流量計、渦街流量計(典型的流體振蕩式流量計)、科里奧利質量流量計和插入式熱質量流量計作為研究對象，對市場進行分析。

　　2008年全球流量計的市場規(guī)模達到28.3億美元，較2007年增長約3.9%。

　　在全球，流量計的主要生產(chǎn)商包括：畢托巴流量計（Bitobar），廈門宏控（HOMKOM），阿西布朗勃法瑞(ABB)，艾默生(Emerson)，恩德斯豪斯(EndressHauser或EH)，科隆(Krohne)，西門子(Siemens)，橫河(Yokogawa)，以及通用電氣(GeneralElectric)，霍尼韋爾(Honeywell)，英維思(Invensys)和山武(Yamatake)。

　　渦街流量計

4市場因數(shù)

　　驅動因素據(jù)國際能源署(IEA)預測，從2007至2030年全球需要對能源基礎設施累計投資26.0萬億美元(以2007年美元價值計)。其中，電力行業(yè)投資13.6萬億美元，占總投資額的52.3%。到2030年，世界許多地方的石油、天然氣和電力的基礎設施將需要更換。從長期來看，可預見的能源投資將給流量計在石油天然氣和能源行業(yè)板塊的應用帶來不小的發(fā)展空間。

　　面臨激烈的競爭環(huán)境，以及為了應對全球節(jié)能減排的訴求，各個行業(yè)用戶更加關注生產(chǎn)工廠的運行效率，盡可能降低能耗，以提高競爭力。因此，大量的投資被用于提升工廠的自動化水平和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和實時監(jiān)控，以提升工廠的過程控制效率。諸如，在石油天然氣和能源行業(yè)，密閉傳輸設施中需要性能可靠的流體測量設備;化工和制藥行業(yè)中需要高精準的流量計等，種種趨勢必將帶動傳感器和現(xiàn)場設備(包括流量計)的發(fā)展。

　　流量計中正在更多地引入電子技術，如數(shù)字信號處理(DSP)和微處理器，這使得流量計具備了自診斷功能，并且能夠更好地與生產(chǎn)控制層面進行通信。性能的提高更好地滿足了行業(yè)用戶的需求，給流量計創(chuàng)造了更多的市場應用空間。

　　抑制因素當前全球經(jīng)濟形勢有待進一步提振，工業(yè)品需求不旺盛。眾多行業(yè)用戶放緩新項目投資或者暫停設備更新升級，等待全球經(jīng)濟出現(xiàn)復蘇跡象。所以，在短期內，這將會給流量計在其主要應用行業(yè)的發(fā)展前景帶來一定影響。

　　全球流量計市場生產(chǎn)商眾多，競爭異常激烈。同時，流量計生產(chǎn)商正面臨著行業(yè)用戶對價格較為苛刻的要求，為了能夠使產(chǎn)品更好地滲透進入流量計應用的主要行業(yè)，生產(chǎn)商之間的價格競爭再所難免。這一現(xiàn)象在新興經(jīng)濟體，尤其中國，很普遍。價格往往成為決定采購行為的最主要決定因素。長此以往，生產(chǎn)商更多關注價格策略，導致產(chǎn)品創(chuàng)新性不夠，阻礙市場發(fā)展。

　　面臨的挑戰(zhàn)

　　傳統(tǒng)的機械式流量計，例如差壓式流量計、容積式流量計和變面積式流量計，已經(jīng)處于普及化階段，價格競爭激烈，利潤空間日益減少，技術革新較少，市場相對成熟。Frost&Sullivan認為，實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化和定制化生產(chǎn)是生產(chǎn)商在成熟市場的激烈競爭中的一個重要突破點。根據(jù)弗若斯特沙利文對行業(yè)用戶的需求進行分析，用戶群體希望生產(chǎn)商能夠提供為生產(chǎn)過程帶來切實利益的自動化設備。用戶在產(chǎn)品應用過程中會產(chǎn)生具體的需求，例如：應用在石化行業(yè)的特殊環(huán)境中，需要堅固耐用的設計以及防爆認證;用戶對直管設計的科氏流量計的需求等。如何有效獲取用戶實際需求，并且對傳統(tǒng)產(chǎn)品進行改良，是對生產(chǎn)商差異化和定制化生產(chǎn)過程的一個不小挑戰(zhàn)。

　　引導用戶接受并使用新技術流量計，如SBL靶式流量計、超聲波流量計、電磁流量計、質量流量計以及V錐流量計（孔板流量計）等等，是生產(chǎn)商把市場做大做強的又一個挑戰(zhàn)。

　　此外，新技術流量計不斷被引入各個行業(yè)的同時，快速有效的售后服務對生產(chǎn)商來說同樣至關重要。尤其是運用基于基金會現(xiàn)場總線和ProfibusPA總線的流量計，對軟件技術有一定要求，有效的服務能夠為用戶提供更適合的解決方案，并且貼近用戶。

　　浮子流量計

　　展望未來

　　從機械式流量計到電子技術流量計的革新是流量計最重要的發(fā)展趨勢之一。靶式流量計、電磁流量計、超聲波流量計、渦街流量計和V錐流量計（孔板流量計）利用電氣原理工作，從而避免了機械流量計工作中需要更換的運動機件。同時，自診斷功能被引入流量計中，使得流量儀表不僅僅是簡單的測量工具，更多地為了系統(tǒng)維護的目的，例如：空管道偵測和自檢驗等。并且，在電子流量計中結合先進的通信技術后，使得控制人員能夠遠程實時獲取生產(chǎn)現(xiàn)場的流量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

　　據(jù)Frost&Sullivan的研究，當前全球約89.0%的流量計采用mAHART通信協(xié)議，因為采用mAHART通信協(xié)議的流量計在安裝難度和操作要求上都低于采用現(xiàn)場總線協(xié)議的流量計，并且引入現(xiàn)場總線系統(tǒng)對用戶來說也是一項不小的成本。但是，隨著行業(yè)用戶不斷提高自動化水平，希望從流量測量中獲取除了流量數(shù)據(jù)以外更多的信息，比如，診斷信息和狀態(tài)檢測等，這些數(shù)據(jù)傳送都需要依賴現(xiàn)場總線支持。而且，西門子和艾默等廠商生正在著力推行現(xiàn)場總線協(xié)議的流量測量技術。相信，這必將推動現(xiàn)場總線協(xié)議流量計在各個行業(yè)的應用前景。

　　此外，無線技術流量計也正在逐步被用戶所接受，惡劣環(huán)境中的流體測量對無線技術來說是一個很好的應用空間。不過，用戶完全接受并普及無線技術流量計還需要一定的時間。

　　孔板流量計

5發(fā)展現(xiàn)狀

　　由于缺乏國家在這行業(yè)體制機制強有力的支持，造成我國儀器儀表行業(yè)缺乏高層次的復合型人才，缺乏熟悉、精通各學科交叉的綜合型人才。自主創(chuàng)新能力低下，自主知識產(chǎn)權匱乏。具體表現(xiàn)在國產(chǎn)高端自動化產(chǎn)品奇缺，市場競爭力不強。

　　現(xiàn)代計量是光、機、電、計算機和許多基礎學科高度綜合的產(chǎn)物，對新技術比較敏感，是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品中更新?lián)Q代速度比較快的產(chǎn)品之一，每年都會有新產(chǎn)品推出，特別是在當今信息技術攻速發(fā)展的時代，競爭日趨激烈，發(fā)展速度稍微慢點就會被遠遠拋在后面。我國雖然已經(jīng)進入21世紀，但許多東西還停留在80年代初的水平上，大型和高檔的儀器設備幾乎全部依靠進口，甚至有的專用儀器在國內還處于空白狀態(tài)，中低端的產(chǎn)品質量保證上還有許多問題需要攻克。

　　因此，必須要有國家戰(zhàn)略高度的規(guī)劃和相關資源的大力支撐，才有機會去不斷縮小差距。如果測試儀器企業(yè)無法做到一個比較大的規(guī)模，那么就很難具備和國際巨頭一較長短的實力，而前期的成長需要巨額長期的資金投入。

6應用范圍

　　流量計量廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設、科學研究對外貿易以及人民生活各個領域之中。在石油工業(yè)生產(chǎn)中，從石油的開采、運輸、煉冶加工直至貿易銷售，流量計量貫穿于全過程中，任何一個環(huán)節(jié)都離不開流量計量，否則將無法保證石油工業(yè)的正常生產(chǎn)和貿易交往。在化工行業(yè)，流量計量不準確會造成化學成分分配比失調，無法保證產(chǎn)品質量，嚴重的還會發(fā)生生產(chǎn)安全事故。在電力工業(yè)生產(chǎn)中，對液體、氣體、蒸汽等介質流量的測量和調節(jié)占有重要地位。流量計量的準確與否不僅對保證發(fā)電廠在最佳參數(shù)下運行具有很大的經(jīng)濟意義，而且隨著高溫高壓大容量機組的發(fā)展，流量測量已成為保證發(fā)電廠安全運行的重要環(huán)節(jié)。如大容量鍋爐瞬時給水流量中斷或減少，都可能造成嚴重的干鍋或爆管事故。這就要求流量測量裝置不但應做到準確計量，而且要及時地發(fā)出報警信號。在鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中，煉鋼過程中循環(huán)水和氧氣(或空氣)的流量測量是保證產(chǎn)品質量的重要參數(shù)之一。在輕工業(yè)、食品、紡織等行業(yè)中，也都離不開流量計量。

　　應用比較多的換能器是外夾式和插入式。單聲道超聲波流量計結構簡單、使用方便，但這種流量計對流態(tài)分布變化適應性差，微電子技術和計算機技術的飛躍發(fā)展極大地推動儀表更新?lián)Q代，新型流量計如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。至今，據(jù)稱已有上百種流量計投向市場，現(xiàn)場使用中許多棘手的難題可望獲得解決。我國開展近代流量測量技術的工作比較晚，被設置在測量流動通道6的上游端并相對于孔眼11和12，用于減少被測量的流體流入孔眼11和12;測量控制部件19，用于測量超聲波換能器8和9之間的超聲波的傳播時間;及計算部件20，用于根據(jù)該測量控制部件19的信號計算流量。

　　流量計盡量避開鐵磁性物體及具有強電磁場的設備(如大電機、大變壓器的等)，以免磁場影響傳感器的工作磁場和流量信號。傳感器勺轉換器間的流量信號線和激磁線。然而從雷電故障中損壞零部件的分析，引起故障的感應高電壓和浪涌電流大部分足從控制室電源線路引入的，其他兩條途徑較少。由于電磁流量計測量含有懸浮固相或污臟體的機會遠比其他流量儀表多，出現(xiàn)內壁附著層產(chǎn)生的故障概率也就相對較高。若附著層電導率與液體電導率相近。常見的調試期故障通常由安裝不妥。

　　應用發(fā)展

　　科里奧利

　　科里奧利質量流量計（以下簡稱CMF）是利用流體在振動管中流動時，產(chǎn)生與質量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質量流量儀表。

　　中國CMF的應用起步較晚，已有幾家制造廠自行開發(fā)供應市場；還有幾家制造廠組建合資企業(yè)或引用國外技術生產(chǎn)系列儀表。

　　國外CMF已發(fā)展30余系列，各系列開發(fā)在技術上著眼點在于：流量檢測測量管結構上設計創(chuàng)新：提高儀表零點穩(wěn)定性和精確度等性能；增加測量管撓度，提高靈敏度：改善測量管應力分布，降低疲勞損壞，加強抗振動干擾能力等。

　　某些廠家研發(fā)出了可以測量氣液兩相的科里奧利儀表，可以應用在卸船，含氣泡介質等原先傳統(tǒng)儀表無法工作的場合。同時有一種MVD變送器可以實現(xiàn)儀表在線自校驗，即無需將流量計拆下，利用對流量管剛性的檢查，來判斷現(xiàn)場儀表的性能。

　　電磁

　　EMF從50年代初進入工業(yè)應用以來，使用領域日益擴展，80年代后期起在各國流量儀表銷售金額中已占16%~20%。

　　中國發(fā)展迅速，1994年銷售估計為6500~7500臺。國內已生產(chǎn)最大口徑為2~6m的EMF，并有實流校驗口徑3m的設備能力。2008年銷售額已經(jīng)達到7700萬美元，估計銷售量在35萬臺以上。

　　渦街

　　USF在60年代后期進入工業(yè)應用，80年代后期起在各國流量儀表銷售金額中已占4%～6%。1992年世界范圍估計銷售量為3548萬臺，同期國內產(chǎn)品估計在8000～9000臺。

　　應用領域

　　流量測量技術與儀表的應用大致有以下幾個領域。

　　工業(yè)生產(chǎn)

　　流量儀表是過程自動化儀表與裝置中的大類儀表之一，它被廣泛適用于冶金、電力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、輕紡、食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護及人民日常生活等國民經(jīng)濟各個領域，是發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，節(jié)約能源，改進產(chǎn)品質量，提高經(jīng)濟效益和管理水平的重要工具在國民經(jīng)濟中占有重要的地位。在過程自動化儀表與裝置中，流量儀表有兩大功用：作為過程自動化控制系統(tǒng)的檢測儀表和測量物料數(shù)量的總量表。

　　能源計量

　　能源分為一次能源（煤炭、原油、煤層氣、石油氣和天然氣）、二次能源（電力、焦炭、人工燃氣、成品油、液化石油氣、蒸汽）及載能工質（壓縮空氣、氧、氮、氫、水）等。能源計量是科學管理能源，實現(xiàn)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟效益的重要手段。流量儀表是能源計量儀表的重要組成部分，水、人工燃氣、天然氣、蒸汽和油品這些常用的能源都使用著數(shù)量極其龐大的流量計，它們是能源管理和經(jīng)濟核算不可缺少的工具。

　　環(huán)境保護

　　煙氣，廢液、污水等的排放嚴重污染大氣和水資源，嚴重威脅人類生存環(huán)境。國家把可持續(xù)發(fā)展列為國策，環(huán)境保護將是21世紀的最大課題?？諝夂退奈廴疽玫娇刂?，必須加強管理，而管理的基礎是污染量的定量控制，流量計在煙氣排放、污水、廢氣處理流量計量方面有著不可替代的位置。

　　中國是以煤為主要能源的國家，全國有上百萬個煙囪不停地向大氣排放煙氣。煙氣排放控制是根治污染的重要項目，每個煙囪必須是安裝煙氣分析儀表和流量計，組成連櫝排放監(jiān)視系統(tǒng)。煙氣的流量沆量有很大因難，它的難度為煙囪尺寸大且形狀不規(guī)則，氣體組分變化不定，流速范圍大，臟污，灰塵，腐蝕，高溫，無直管段等。

　　交通運輸

　　有五種方式：鐵路公路、航空、水運和管道運輸。其中管道運輸雖早已有之，但應用并不普遍。隨著環(huán)保問題的突出，管道運輸?shù)奶攸c引起人們的重視。管道運輸必須裝備流量計，它是控制、分配和調度的眼睛，亦是安全監(jiān)沒和經(jīng)濟核算的必備工具。

　　生物制藥

　　21世紀將迎來生命科學的世紀，以生物技術為特征的產(chǎn)業(yè)將獲得迅速發(fā)展。生物技術中需監(jiān)測計量的物質很多，如血液，尿液等；醫(yī)藥行業(yè)對各種醫(yī)藥配方，液體制劑成分的控制流量儀表也是不和或缺的。儀表開發(fā)的難度極大，品種繁多。

　　科學實驗

　　科學實驗需要的流量計不但數(shù)量多，且品種極其繁雜。據(jù)統(tǒng)計流量計100多種中很大一部分是應科研之需用的，它們并不批量生產(chǎn)，在市面出售，許多科研機構和大企業(yè)皆設專門小組研制專用的流量計。

　　海洋、江河湖泊

　　這些領域為敞開流道，一般需檢測流速，然后推算流量。流速計和流量計所依據(jù)的物理原理及流體力學基礎是共通的但是儀表原理及結構以及使用前提有很大差別。