摘 要： 在能源日益紧张的今天，对流量计的另一个要求是减小流量计本身产生的能量损失。在有些情况下，过高的压力损失还会使设备无法工作。电磁流量计、超声波流量计在管道中没有节流装置，理论上没有任何损失。然而，在实践中为了减小流量计上下游直管段，在管道中安置了流动调节器，目的是使管内流动尽快达到标准管流，以保证准确的测量。槽道流量计正是在这样的背景下产生的。由于流量计跨学科的特点，在流量计的研发中，一个共同的认识是，许多流量计(包括孔板)在标准装置中标定时可以获得理想的结果，而在实际应用中，由于管线上存在拐弯、阀门、泵等装置，实际性能水平往往会受到很大影响。发生这种情况的主要原因是被测量的流动无法达到标准装置中的流动状态。要想获得标准的管流，必须在流量计的上游安排(10~20)D的直管段，同时要在下游安排一定长度的直管段。为此，新的流量计研发要解决的重要问题是如何在非标准的流动中能够准确测量流量。所谓非标准的流动是相对充分发展的管流的偏离。在能源日益紧张的今天，对流量计的另一个要求是减小流量计本身产生的能量损失。在有些情况下，过高的压力损失还会使设备无法工作。电磁流量计、超声波流量计在管道中没有节流装置，理论上没有任何损失。然而，在实践中为了减小流量计上下游直管段，在管道中安置了流动调节器，目的是使管内流动尽快达到标准管流，以保证准确的测量。槽道流量计正是在这样的背景下产生的。一、槽道流量计的试验方法和特点在流量测量领域，随着现代电子技术的迅猛发展，二次仪表技术已经达到了很高的水平。然而，对管道流动流体力学特性的研究和应用并未引起人们的充分注意，仍然停留在比较初级的水平，越来越成为流量测量技术进步的瓶颈。对于任何流量计来说，获得准确的流量的基础是在流量计的上游获得标准的管流，而这一点在实际使用中难以做到，从而无法获得准确的计量。南京航空航天大学明晓教授从流体力学的源头出发，以流动控制的观点来解决问题。他提出了一种有着优秀流体力学特性的节流装置。该节流装置将管流迅速调整为环形槽道流动，以获得十分稳定的差压，该节流装置的流量计被命名为槽道流量计。他们对槽道流量计进行了大量的理论分析、数值模拟和实验研究，理论上证实了该流量计是迄今为止综合性能*的差压式流量计。目前，槽道流量计已获得国家专利。1.工作试验方法如图1所示，槽道流量计的节流件——纺锤体，沿测量管中心轴线安装。其几何形状根据流体力学试验方法精心设计，并采用基因算法进行优化，呈完美的流线型，理论上能完全避免流动分离和漩涡的产生，对流体的阻力达到*小。纺锤体中部适当位置有一等直径段，与测量管的内壁之间形成均匀的环形通道。槽道流量计的高压取自纺锤体头部对应的测量管壁处，低压取自环形槽道的中后部。

在纺锤体处，测量管的流通面积变小。管道中截面积大的地方流体流速低、压力高，截面积小的地方流速高、压力低。高压管所在位置的流通面积大、压力高，低压管所在位置的流通面积小、压力低。另外，流体具有黏性，与壁面摩擦造成流体总压沿流向下降。这两方面的作用使得高压孔与低压孔之间产生一个差压，而这个差压与流量存在某种确定的对应关系。因此，通过测量差压就可以计算出流量。槽道流量计的测量准确度很大程度上只受限于差压变送器和流量积算仪的准确度。

图2 槽道流量计测量试验方法和测量过程

图2形象地表示了槽道流量计的测量试验方法和测量过程。2.槽道流量计的性能特点(1)测量准确度高，重复性好槽道流量计将各种实际流动迅速调整为标准的槽道流动，取压点压力非常稳定；节流装置内整个流场没有分离发生，不会产生附加的压力波动。以水为介质时，测量准确度可优于0.2%，重复性优于0.1%，各检定点的示值误差如表1所示。

表1 各检定点的示值误差

（2)无直管段要求节流件纺锤体的强大整流作用，使得槽道流量计摆脱了前后直管段的限制，适用范围大为拓宽，安装成本大为降低。槽道流量计测量过程中，被测流体在接近纺锤体头部的时候，其速度分布即开始受到调整；随着流体流过纺锤体头部，其速度分布受调整的力度不断加大；当流体进入环形槽道以后，其速度分布开始被“标准化”；在环形槽道的中后部，即可形成环形槽道流动，如图3所示。

图3 纺锤体的整流效果

流场的压力分布与速度分布有着必然的联系。随着速度分布的“标准化”，压力分布也被“标准化”。在环形槽道区域，压力顺轴线方向线性下降，非常稳定，几乎不存在任何脉动。(3) 流量系数长期不变，节流装置寿命长节流件纺锤体呈完美的流线型，不易磨损，使得槽道流量计标定出厂后，流量系数即可终身使用，无须重复标定。节流装置的结构非常牢固，抗载荷、抗冲击，寿命几乎与管道寿命相同。(4)量程比宽槽道流量计的压力信号非常稳定，信噪比相当高，测量液体时其单表量程比可大于10∶1，特殊要求还可以扩展。(5)*性压力损失小流体顺滑地流过节流件，全流场无流动分离发生，所以节流装置对流体的阻力仅为摩擦阻力。当流体流过纺锤体后大部分压力得到恢复，如图4所示。因此在获得大的差压的同时，压力损失可比孔板流量计的小得多，如图5所示。

图4 压力与位移的关系

图5 孔板流量计与槽道流量计的比较

(6)适用于高温、高压、腐蚀性和脏污流体槽道流量计的工作温度和压力取决于管道和法兰的材料和等级，抗腐蚀性能取决于节流装置的材料和流体接触面处理，均可根据实际要求选择相应的槽道流量计型号。节流件纺锤体的流线型设计，使节流装置得以“自清洗”，无滞留区，有效避免脏物堆积。因此，槽道流量计适用于多种脏污流体。二、槽道流量计用于天然气计量的现场应用1.槽道流量计与孔板流量计的比对试验把DN100孔板流量计与DN100槽道流量计进行串联安装，通过记录仪表每天的显示数据，比较孔板流量计与槽道流量计显示数据的差别。安装试验地点为胜利油田河口采油厂天然气外输站，计量用途为埕东油田天然气外输量，计量介质是天然气，压力：Pmax=0.2MPa，Pmin=0.1MPa，P常用=0.15MPa；温度：tmax=65℃，tmin=12℃，t常用=40℃；天然气相对密度ρ=0.7365，流量Qmax=900m3/h，Qmin=500m3/h，安装示意图如图6所示。

图6 槽道流量计与孔板流量计比对试验安装图

两者的比对数据如图7所示(更换孔板后)。

图7 槽道流量计与孔板流量计的比对曲线

从试验数据可以看出，槽道流量计与孔板流量计连续10天计量的累计天然气量的综合相对误差为-1.4%。所以，孔板流量计与槽道流量计计量结果比较接近，从计量性能看槽道流量计可等同于孔板流量计使用，前直管段长度可以降低到5D。2.槽道流量计与涡轮流量计的比对试验把DN50槽道流量计与DN50涡轮流量计串联安装在油田现场，记录两台流量计显示的数据，计算两台流量计之间的误差，比较它们之间的差别。安装试验地点为胜利油田河口采油厂渤一站，计量用途为卡炉天然气消耗计量，计量介质是天然气，压力：Pmax=0.2MPa，Pmin=0.05MPa，P常用=0.16MPa；温度：tmax=50℃，tmin=3℃，t常用=15℃；天然气相对密度ρ=0.7637，流量Qmax=90m3/h，Qmin=200m3/h，安装示意图如图8所示。

图8 槽道流量计与涡轮流量计比对试验安装图

两者的比对数据如图9所示(天然气密度修正后)。从试验数据可以看出，槽道流量计与涡轮流量计连续10天计量的累计天然气量的综合相对误差为-0.5%。所以，槽道流量计与涡轮流量计计量结果基本一致，特别*4天计量结果一致，槽道流量计可等同于涡轮流量计使用，前直管段长度可以降低到5D。

图9 槽道流量计与涡轮流量计的比对曲线

3.槽道流量计长距离串联比对试验胜利油田桩西采油厂52配气站与增压站进行4000m长距离串联数据比对试验，试验自2006年10月12日开始，历经4个月的时间，10月12日~10月31号之间试验数据如图10所示。

图10 槽道流量计长距离比对试验曲线

从试验数据可以看出，连续20天计量的累计天然气量两台槽道流量计相对误差为0.74%。从历经4个月的试验过程，可以看出槽道流量计性能稳定，故障率低。三、结论试验表明，该流量计具有自整流的功能，可以大大缩短传统差压流量计所必需的上下游较长的直管段，直管段可以降低到5D，在现场应用中得到了验证。通过槽道流量计与孔板流量计串联比较，槽道流量计与涡轮流量计串联比较，计量结果比较接近，因此，槽道流量计的计量性能可以等同于孔板流量计和涡轮流量计使用。从近4个月的现场使用情况可以看出，槽道流量计具有以下特点：性能稳定、故障率低、抗干扰强、准确度高、量程范围宽等特点。 按介质分类：液体流量计和气体流量计按测量方式分类：速度式（如：涡街流量计，旋进旋涡流量计，涡轮流量计，超声波流量计等）；压差式流量计（孔板流量计，V锥流量计等）；容积式流量计（椭圆齿轮流量计，罗茨流量计，膜式煤气表等）；质量流量计（科氏力质量流量计，量热式质量流量计等）；明渠流量计（巴歇尔槽，三角堰等）1.速度式流量计2.差压式流量计是通过安装于是工业管道中流量检测元件产生的差压，将已知流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计差压式流量计算流量计。差压式流量计由一次检测件及二次仪表（差压转换器或变送器和流量显示仪表）组成。以检测件形式划分差压式流量计分类，有孔板流量计、文丘里流量计、均速管流量计等。二次仪表为各种机械、电子、机电一体式差压式流量计、差压变送器及流量显示仪表。差压式流量仪表是流量仪表大家族中应用*广泛的一中流量仪表，目前国内外已系列化、通用化、标准化，差压式流量计既可单独测量流量参数，也可测量其它参数（压力、物位、密度）等。差压式流量计的检测件按其作用试验方法可分为：节流装置、水利阻力、动压头式、动压头增益及射流式、以及离心式等几大类。 检测件有标准化型式或非标准两大类。标准型检测元件是以标准文件设计、制造、安装和使用，无需经实流标定即可确定其流量值和估算测量误差。而非标型检测元件一般尚未列入国际标准中检测元件。差压式流量计也是应用*广泛的一种流量仪表，在各种流量计使用量中占据首位。主要优点是：(1)应用*多的孔板式流量计结构牢固，性能稳定可靠，使用寿命长;(2)应用范围广泛，至今尚无任何*量计可与之比拟；(3)检测件与变送器、显示仪表分别由不同生产，便于规模经济生产。主要缺点是：(1)测量精度普遍偏低：(2)范围度窄，一般仅3：1～4：1；(3)现场安装条件要求高；(4)压损大（指孔板、喷嘴等）。3. 容积式流量计容积式流量计，又称定排量流量计，简称PD流量计，在流量仪表中是精度*高的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。容积式流量计按其测量元件分类：有椭圆齿轮流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、湿式气体计及膜盒式气体计、液封转筒式流量计等。主要优点：(1)计量精度高；(2)安装管道条件对计量精度没有影响；(3)可用于高粘度液体的测量；(4)范围度宽；(5)直读式仪表无需外部能源可直接获得累计，总量，清晰明了，操作简便。主要缺点：(1)结果复杂，体积庞大；(2)被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大；(3)不适用于高、低温场合；(4)大部分仪表只适用于洁净单相流体；(5)产生噪声及振动。浮子流量计4.浮子流量计，又称转子流量计，是变面积式流量计的一种，在一根由下向上扩大的垂直锥管中，圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的，从而使浮子可以在锥管内自由地上升和下降。浮子流量计是继差压式流量计之后应用较广泛的一类流量计，适用于微小流量监测。主要优点：(1)结构简单，使用方便；(2)适用于小管径和低流速；(3)压力损失较低。缺点：耐压力低，有玻璃管易碎。 涡轮流量计5.涡轮流量计是属于速度式流量计中主要品种，它的结构由多叶片的转子（涡轮）感应流体平均流速，从而计量出流量或总流量的仪表。其结构由传感器和显示仪两部分组成，有分体式和一体式两种。涡轮流量计和容积式流量计、科奥利质量流量计统称为流量计中三类重复性、精度*的品种。目前已朝多品种，多系列化发展。主要优点：(1)精度高，在所有流量计仪表中属于*精确的流量仪表；(2)重复性好；(3)无零点漂移，抗干扰性好；(4)测量范围度宽；(5)结构紧凑。主要缺点：(1)不能长期保持校准特性；(2)流体物性对流量特性影响较大。6. 涡衔流量计涡衔流量计的结构是在流体中安放一根非流线型游涡发生体，当流体在游涡发生体两侧交替分离释放出两串规则交错排列的游涡的仪表。涡衔流量计一般按频率检出方式，划分有：应力式、应变式、电容式、热敏式、光电式及超声波式、振动式等。)涡衔流量计属于国内外新型流量仪表。主要优点：(1)结构简单牢固；(2)适用于多流体种类的场合流量；(3)有较高测量精度；(4)测量范围度宽，且压损小。主要缺点：(1)不适应于低雷诺数流体测量；(2)需较长直管段；(3)与涡轮流量计相比，仪表系数较低。 7.电磁流量计电磁流量计由传感器及转换器及显示器等部分组成，电磁流量计根据法拉第电磁感应定律制成的一般测量导电流体的流量仪表。电磁流量计具有其它流量计不能比拟独特优势，特别适用如脏污流体及腐蚀流体的测量。电磁流量计在70-80年代 由于电磁流量在技术上有重大突破，使它成为现代工业领域广泛应用的流量监测仪表。主要优点：(1)由于测量通道是段光滑直管，不会阻塞，特别适用于固体颗粒的液固二相流体，如纸浆、污水、泥浆等；(2)无压损，节能效果好；(3)不受流体的湿度、密度、粘度、压力和电导率变化影响；(4)流量范围大，口径范围宽；(5)适用于腐蚀性流体的测量。主要缺点：(1)不适用测量由释放的石油制品流体；(2)不适用气体、蒸汽及含有较大气泡的液体；(3)不适用高温场合。8. 超声波流量计超声波流量计是基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测介质的平均流速和声波本身速度的几何和的试验方法而设计的。它也是由测流速来反映流量大小的。超声波流量计虽然在70年代才出现，但由于它可以制成非接触型式，并可与超声波水位计联动进行开口流量测量，对流体又不产生扰动和阻力，所以很受欢迎，是一种很有发展前途的流量计。超声波流量计的分类：1 多谱勒式超声波流量计：换能器1发射频率为f1的超声波信号，经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，以f2的频率反射到换能器2，这就是多谱勒将就，f2与f1之差即为多谱勒频差fd。设流体流速为v，超声波声速为c，多谱勒频移fd正比于流体流速v。当管道条件、换能器安装位置、发射频率、声速确定以后，c、f1、θ即为常数，流体流速和多谱勒频移成正比，通过测量频移就可得到流体流速，进而求得流体流量。2时差式超声波流量计： 时差式超声波流量计是利用声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一试验方法来测量流体流量的。

电磁流量计使用中的常见故障，有的是由于仪表本身元器件损坏引起的故障，有的是由于选用不当、安装不妥、环境条件、流体特性等因素造成的故障，如显示波动、精度下降甚至仪表损坏等。它一般可以分为两种类型：安装调试时出现的故障（调试期故障）和正常运行时出现的故障（运行期故障）。 （1）调试期故障调试期待故障一般出现在仪表安装调试阶段，一经排除，在以后相同条件下一般不会再出现。常见的调试期故障一般由安装不妥、环境干扰以及流体特性影响等原因引起。 1）安装方面通常是电磁流量传感器安装位置不正确引起的故障，常见的如将传感器安装在易积聚气体的管系点；或安装在自上而下的垂直管上，可能出现排空；或传感器后无背压，流体直接排入大气而形成测量管内非满管。 2）环境方面通常主要是管道杂散电流干扰，空间强电磁波干扰，大型电机磁场干扰等。管道杂散电流干扰通常采取良好的单独接地保护就可获得满意结果，但如遇到强大的杂散电流（如电解车间管道，有时在两电极上感应的交流电势峰值Vpp可高达1V），尚需采取另外措施和流量传感器与管道绝缘等。空间电磁波干扰一般经信号电缆引入，通常采用单层或多层屏蔽予以保护。 3）流体方面被测液体中含有均匀分布的微小气泡通常不影响电磁流量计的正常工作，但随着气泡的增大，仪表输出信号会出现波动，若气泡大到足以遮盖整个电极表面时，随着气泡流过电极会使电极回路瞬间断路而使输出信号出现更大的波动。低频方波励磁的电磁流量计测量固体含量过多浆液时，也将产生浆液噪声，使输出信号产生波动。测量混合介质时，如果在混合未均匀前就进入流量传感进行测量，也将使输出信号产生波动。电极材料与被测介质选配不当，也将由于化学作用或极化现象而影响正常测量。应根据仪表选用或有关手册正确选配电极材料。 （2）运行期故障运行期故障是电磁流量计经调试并正常运行一段时期后出现的故障，常见的运行期故障一般由流量传感器内壁附着层、雷电打击以及环境条件变化等因素引起。 1）传感器内壁附着层由于电磁流量计常用来测量脏污流体，运行一段时间后，常会在传感器内壁积聚附着层而产生故障。这些故障往往是由于附着层的电导率太大或太小造成的。若附着物为绝缘层，则电极回路将出现断路，仪表不能正常工作；若附着层电导率显著高于流体电导率，则电极回路将出现短路，仪表也不能正常工作。所以，应及时清除电磁流量计测量管内的附着结垢层。 2）雷电打击雷击容易在仪表线路中感应出高电压和浪涌电流，使仪表损坏。它主要通过电源线或励磁线圈或传感器与转换器之间的流量信号线等途径引入，尤其是从控制室电源线引入占绝大部分。 3）环境条件变化在调试期间由于环境条件尚好（例如没有干扰源），流量计工作正常，此时往往容易疏忽安装条件（例如接地并不怎么良好）。在这种情况下，一旦环境条件变化，运行期间出现新的干扰源（如在流量计附近管道上进行电焊，附近安装上大型变压器等），就会干扰仪表的正常工作，流量计的输出输出信号就会出现波动。