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流量測量應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)展
作者：www.69qo.com 發(fā)布時間：2020-08-21 00:02
本文論述近年流量測量應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)展，包括應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，如超聲流量計(jì)應(yīng)用于天然氣交接計(jì)量，電磁流量計(jì)應(yīng)用于非滿管流，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)用于雙組分液濃度測量等。闡述人們重視經(jīng)濟(jì)效益如何從減少測量誤差損失，降低運(yùn)行費(fèi)用，削減初置費(fèi)三個層次考慮，論文還回顧安裝條件和介質(zhì)參量對流量測量影響的研究成果。
一、 前言
近50年來開發(fā)了許多新測量原理的流量測量方法和儀表，從而應(yīng)用領(lǐng)域有很大擴(kuò)展，進(jìn)入許多過去的禁區(qū)，如可以不對管道作任何改動就可作非接觸測量。過去某些流量儀表用來測量某些特殊對象的流量時，感到很困難；如今，因技術(shù)上有所突破而變得容易，但是，環(huán)保工程等新興產(chǎn)業(yè)提出的要求，現(xiàn)有手段不能滿足，尚待開發(fā)。經(jīng)流量儀表流轉(zhuǎn)財(cái)富為數(shù)甚巨，就以我國生產(chǎn)一億多噸石油及后續(xù)成品的交接計(jì)量，流轉(zhuǎn)財(cái)富以1012數(shù)量級（方億）元來計(jì)算，0.1%～0.2%計(jì)量損失就高達(dá)數(shù)十億元。流量儀表精度雖已提高到0.1～0.2級，似乎還不滿足，還要精益求精，儀表價格再高還是愿意購置。但對量大面廣的儀表則盡量降低包括儀表購置費(fèi)在內(nèi)的各項(xiàng)費(fèi)用。流量儀表應(yīng)用技術(shù)中克服或減少管線安裝影響是長期探索的工作，流體參量變化對流量儀表測量值的影響是用戶非常關(guān)心的問題，近年又有不少收獲，本文擬就這些方面作些討論。
二、 環(huán)保業(yè)應(yīng)用展望
環(huán)境保護(hù)中，污水中的污染物不僅要控制其排放百分比含量，更重要的是控制其排放總量，為此要求計(jì)量污水排放總量。我國工業(yè)污水排放計(jì)量的明渠污水流量儀表，80年代中期各制造廠已相繼開發(fā)，1987年開始國家環(huán)保局開展調(diào)查考評10余家制造廠所提供的商品。經(jīng)兩年余實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場考評，國家環(huán)保局認(rèn)為明渠污水流量儀表立足于國內(nèi)是可能的。10年后的今天儀表性能更趨完善，品種增多，在國家環(huán)境保護(hù)政策推動下，環(huán)保業(yè)對流量儀表需求增加頗快。
雖然國內(nèi)已有污水流量儀表和總需氧量（TOC），汞、鉻、鎘等金屬離子和砷、苯胺、酚鹽等污染物含量的在線分析儀器，但要使用方各自設(shè)計(jì)，在現(xiàn)場配套裝配，尚無由制造廠專門設(shè)計(jì)，工廠化裝配調(diào)試成套供應(yīng)污染物排放總量的儀表總成，這是需要開發(fā)且頗具前途的項(xiàng)目。
廢氣中的污染物主要指鍋爐等排放的煙道氣和汽車尾氣中的SO2、NO2、H2S、O2等。1990年美國空氣清潔法修正案規(guī)定要電廠降低會形成酸雨的二氧化硫和氮氧化合物排放總量。美國環(huán)境保護(hù)局規(guī)定773家電廠約2500臺鍋爐在1995年1月1日前必須裝上連續(xù)排放監(jiān)控系統(tǒng)（CEMS）。但是我國尚未頒布相似的法規(guī)。
現(xiàn)在適用測量煙道氣流量的國產(chǎn)儀表，僅開封儀表廠的TH/TR系列熱式氣流量計(jì)，但僅適用于350mm以下中小管徑，尚缺乏適合電廠大型煙道用儀表，國外產(chǎn)品代理銷售則品種甚多。同污水排放一樣，下一步還應(yīng)開發(fā)與在線分析儀表配套的氣體污染物排放總量監(jiān)控儀表總成。
直接測量汽車廢氣排放量是一個非常困難的技術(shù)難題，因?yàn)樗鶞y量的是高溫，且含有水汽、塵埃的強(qiáng)烈脈動流的流量，國外尚處于探索階段。
三、 成熟儀表應(yīng)用的擴(kuò)展
針對經(jīng)典或新穎儀表在某一領(lǐng)域應(yīng)用受到的限制，經(jīng)局部適應(yīng)性改進(jìn)，且技術(shù)有上所突破而使得在該領(lǐng)域應(yīng)用有迅速的發(fā)展。例如差壓式流量儀表對于粘性液體低雷諾數(shù)（Re=104以下）運(yùn)行段和固體含量濃度較高漿液所受限制，自出現(xiàn)楔形管再配以密封毛細(xì)管傳送的差壓變送器后，差壓式流量儀表在這一應(yīng)用領(lǐng)域就得到了擴(kuò)展。又如，超聲流量計(jì)應(yīng)用于天然氣貿(mào)易交接由于測量精度不及渦輪流量計(jì)而長期未被接受；傳統(tǒng)電磁流量計(jì)不能測量非滿管液流量，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)前幾年還不能用于中壓氣體，只適用于測量高壓氣體等等。近年這些儀表在技術(shù)上均有所突破，在所述領(lǐng)域的應(yīng)用有較快發(fā)展。
1． 適用于天然氣存儲交接（custody transfer）計(jì)量的超聲流量計(jì)
由于超聲波在固體與氣體界面上的傳播效率低，管道外夾裝超聲換能器（探頭）難以從管壁傳送足夠的聲能，因此目前還沒有外夾裝式氣體超聲流量計(jì)。氣體用超聲流量計(jì)商品始于80年代初，大部分由測量短管和插入管壁換能器組成一體的形式出現(xiàn)，由于測量精度較低（1.5%～2%FS），過去未能在價格昂貴的天然氣貿(mào)易結(jié)算計(jì)量領(lǐng)域取得一席之地，近年則出現(xiàn)多種型號精度較高的氣體超聲流量計(jì)。
德國Krohne公司的ALTOSONIC GFM 700型系平行雙聲道Z法（即一側(cè)換能器斜方向發(fā)射聲波到對面一側(cè)換能器接收）布置于弦位置上，測量誤差為±2%R，口徑范圍50～800mm，它對上游直管段長度要求較低，Z約為單聲道的1/2～1/4。
德國Elster Handel公司的USM型是雙聲V法反射。其特點(diǎn)是發(fā)射換能器發(fā)射聲束散射至對面一側(cè)換能器接收）布置于弦位置上，測量誤差為±2%R，上游直管段長度要求很低，僅需3倍管徑長度，下游僅需2倍。
日本奧巴爾公司1997年有上海展示的Posonic-1型系單聲道V法(即發(fā)射聲波經(jīng)對面管壁反射到同側(cè)另一換能器接收)傳播方式。經(jīng)雷諾數(shù)修正后的測量誤差為≤±1%R，口徑范圍為50～250mm。
RVG公司在1995年INTERKAMA展覽會上，1997年ACHEMA（化學(xué)工業(yè)裝備展覽會）上展示四聲道組合傳播聲波，兩個聲道是V法反射布置，為流量測量的基本信號；另兩個聲道之一的聲束是按直徑途徑傳播，之二的聲束是按三角形反射途徑傳播，作為流速分布修正的輔助信號。最小測量誤差為≤±0.5%R，口徑范圍為200～1000mm[5]。
據(jù)1998年赴歐考察燃?xì)饬髁繙y量成員介紹，歐洲用于天然氣計(jì)量的主流流量儀表有：①孔板差壓式；②腰輪等容積式；③渦輪式；④渦街式；⑤超聲式。當(dāng)前德國和荷蘭的專家對這些儀表的看法是：孔板差壓式不推薦，但氣田的高壓氣向外輸送計(jì)量，當(dāng)前它還是唯一選用的品種；渦街式和超聲式推薦但不推廣，待積累應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)；渦輪式和容積式僅適用于中低壓力較小管徑場所。筆者認(rèn)為超聲流量計(jì)將有向大口徑高壓天然氣流量測量與孔板差壓式競一高低之趨勢。
2． 非滿管電磁流量計(jì)[6]
非滿管電磁流量計(jì)的問世，使非滿管圓形管的測量誤差從傳統(tǒng)槽式流量儀表的3%~5%FS降低到1%～2%FS。自1992年Fischer+Porter公司首家向人們展示非滿管電磁流量計(jì)以來，迄今共有4家制造廠的4種型號儀表推向市場。口徑范圍為150～1000mm。
非滿管電磁流量計(jì)仍以法拉弟電磁感應(yīng)定律測量流速，再利用某種方法測量流通截面液位高度從而求得流通面積，兩者相乘獲得流量。上述4種型號儀表中有兩種型號產(chǎn)品是利用上下兩組激磁線圈串接激磁和單線圈激磁（或正向和反向串接激磁），產(chǎn)生兩種磁場分布和強(qiáng)度，測得兩個流量信號，兩者之間的比與液位高度有一定函數(shù)關(guān)系，間接求得液位高度。第3種型號的兩激磁線圓軸線處于水平線，磁力線與地平線平行，一個電極置于測量管底部，流量信號取其與測量管端部接地環(huán)間電位差，該電位差與液位高度、流速兩者均成比例，不需作液位高度與流速演算就可得流量，第4種型號液位高度的測量原理與電容式液位計(jì)相同。
由于國內(nèi)尚無非滿管電磁流量計(jì)生產(chǎn)，國外廠商及其代理要價甚高，為傳統(tǒng)儀表的二三倍以上。
除上述流量傳感器外形與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似的非滿管電磁流量計(jì)外，還有以電磁流速檢測元件和固態(tài)液位檢測元件組成一體的扁平型傳感器，置于安裝環(huán)的底部，安裝環(huán)放進(jìn)待測流量的非滿管管道內(nèi)。上海蘇州河污水治理工程曾嘗試用于測量污水流量。
3． 低電導(dǎo)率電磁流量計(jì)
低電導(dǎo)率電磁流量計(jì)的電極不與被測液體接觸，大面積電極緊貼襯里外壁，以電容耦合方式檢測流量信號，可測量比傳統(tǒng)儀表低2～3個數(shù)量級，即可測電導(dǎo)率≥5×10-8S/cm的液體，例如純水、液氨（不是氨水）、甘油、乙二醇等，以前不能測量或測量困難的液體，國外產(chǎn)品也有稱之為無電極電磁流量計(jì)者。
這種儀表在襯里有絕緣層生成的情況下仍能工作，若用傳統(tǒng)接觸電極電磁流量計(jì)，電極表面將被絕緣層覆蓋使電路斷路而無法工作，這一優(yōu)點(diǎn)在擴(kuò)大應(yīng)用范圍所起的作用，更大于降低電導(dǎo)率所起作用。
四、 流量傳感器多參數(shù)測量
所謂多參數(shù)測量，即利用傳感元件從被測對象按不同物理現(xiàn)象感受到一個以上變量，使流量傳感（變送）器功能擴(kuò)展。例如科里奧利質(zhì)量流量計(jì)測量振動管頻率相位差，得到質(zhì)量流量；測振動管諧振頻率得密度。或者在流量傳感器加另一傳感元件（或傳感器）測量另一個變量，擴(kuò)展功能或補(bǔ)償另一個變量受其他量的影響，提高測量精度等性能。
1． 差壓變送器
新穎的差壓變送器可同時測量差壓、靜壓和溫度，并經(jīng)計(jì)算單元作氣體壓力、溫度修正，或測氣體質(zhì)量流量。這已為人們所熟悉，減少了獨(dú)立的傳感器數(shù)量，簡化管線工程，降低安裝費(fèi)用；減少管線開孔，降低潛在泄露點(diǎn)，提高整體可靠性。
2． 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)
科里奧利質(zhì)量流量計(jì)利用測量管二半部分振動頻率相位差正比于質(zhì)量流量以測流量，利用測量管諧振頻率與管中被測介質(zhì)密度間的函數(shù)關(guān)系求取密度。科里奧利質(zhì)量流量計(jì)還從兩個基本參數(shù)質(zhì)量流量qm和密度ρ衍生得出體積流量qv；若被測液體是兩種有一定密度差的混合液體，還可經(jīng)密度演算得出一種液體在混合液中的濃度。
例如江蘇油田用科里奧利質(zhì)量流量計(jì)測量井口出油經(jīng)氣液分離后的油水混合液的質(zhì)量流量，在測量的同時測出油含量濃度，經(jīng)演算獲得原油質(zhì)量流量，已有5年以上的使用經(jīng)驗(yàn)。又如在給水工業(yè)測量凝聚劑硫酸鋁（明礬）濃度，求取硫酸鋁貿(mào)易交接總量，防止僅測溶液質(zhì)量流量時供方有意稀釋的滲假行為。
在流程工業(yè)中還可利用密度測量控制容器內(nèi)混合配比或反應(yīng)過程是否達(dá)到期所需濃度；也可以判斷管道中所流液體類別，指令分流到下游各自管系[10 22]。
3． 超聲流量計(jì)
超聲流量計(jì)利用超聲波在不同液體中傳播速度之間有差別的物性（例如石油聲速為1295m/s，水為1388m/s），在測量流量的同時鑒別管道中液體類別。例如：歐洲在船舶卸油入庫常用超聲流量計(jì)測量入庫流量，同時判斷輸送的液體是石油還是油船的倉底水。
英國Cranfield大學(xué)研究試圖用于航空業(yè)的超聲質(zhì)量流量計(jì)，它是在傳播時間法超聲體積流量計(jì)的基礎(chǔ)上，再利用超聲測得第二參量液體阻抗和密度，演算得質(zhì)量流量。原型樣機(jī)水油實(shí)驗(yàn)表明，流量1800kg/h范圍度50：1時可獲±1%的精度。
4． 渦街流量計(jì)
渦街流量計(jì)利用旋渦發(fā)生體產(chǎn)生的卡門旋渦頻率f和流速v成正比的原理求得體積流量qv=k1VA(其中k1為系數(shù)，A為流通面積)，再利用旋渦發(fā)生體受到的與ρv2成正比的振蕩升力F=K2ρv2(其中k1為系數(shù)，ρ為密度)，兩者相除得質(zhì)量流量qm=(k2ρv2/k1v)A=k3ρv(其中k3為系數(shù))。日本橫河電機(jī)已推出這類渦街式質(zhì)量流量計(jì)。
我國重慶工業(yè)自動化儀表研究所則利用旋渦發(fā)生體形成差壓（ΔP）與ρv2的關(guān)系，配以差壓變送器取得第二參數(shù)，作上述相似演算，求取質(zhì)量流量。該研究所已有LUHG型渦街差壓質(zhì)量流量計(jì)推向市場。
五、重視經(jīng)濟(jì)效益
流過流量儀表的能源和物料都是昂貴的資源，人們重視應(yīng)用流量儀表后的整體經(jīng)濟(jì)效益，選用流量儀表經(jīng)濟(jì)因素常處下主導(dǎo)地位。流量儀表的經(jīng)濟(jì)效益分為三個層次：第一層次是儀表測量誤差引起多付或少收的損失；第二層次是運(yùn)行費(fèi)用，包括泵送能耗費(fèi)，定期校準(zhǔn)費(fèi)和維修費(fèi)；第三層次是初裝費(fèi)用，包括儀表購置費(fèi)、管線配件費(fèi)和工程調(diào)試費(fèi)等。
1． 減少儀表測量誤差引起的損失
對儲存交接、貿(mào)易結(jié)算等使用的儀表，用戶總是選擇測量精度最高的儀表。關(guān)鍵測量工作所使用的儀表即使其價格昂貴至數(shù)十萬元仍愿采用，因?yàn)榕c所減少的損失相比，還是一個小數(shù)。
30年前相對高精度流量儀表的基本誤差普遍為（1%～1.5%）FS，最高為0.5%R，到當(dāng)代則普遍為（0.5%～1%）R，最高為（0.1%～0.5%）R。但實(shí)際上應(yīng)綜合考慮測量系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的精度，例如非實(shí)流校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)孔板的不確定度為1%～1.5%，若選用0.1%差壓變送器的實(shí)際意義不大，配用0.5%者足矣！
輸送交接管線物料除選用高精度儀表外，還非常普遍實(shí)行發(fā)送方和接收方各裝一臺儀表的雙表制，相互核對。即使測量廢污水也常如此，因?yàn)槲鬯卫韱挝皇杖〉奈鬯幚碣M(fèi)常數(shù)倍甚至十余倍潔凈生活和工業(yè)用水的價格。
2． 降低運(yùn)行費(fèi)用
為降低流量傳感器因測量產(chǎn)生壓力損失的泵送能耗費(fèi)，有采有無壓損或低壓損儀表的趨勢，特別是大管徑水量輸送，無論水廠出廠水還是進(jìn)廠江河原水的財(cái)務(wù)結(jié)算交接計(jì)量，無不用無壓損的電磁流量計(jì)和超聲流量計(jì)；流程控制的流量測量則用低壓損的插入式儀表。筆者曾試算1m管徑文丘利管差壓流量計(jì)一年泵送能耗費(fèi)足夠購置一臺中等價格的電磁流量計(jì)。
用得較多壓力損失較大的節(jié)流式流量計(jì)近年又開發(fā)或重視應(yīng)用若干低壓損差壓發(fā)生器，如v-Conen流量計(jì)和橢圓弧過渡流管。它們的壓損僅為孔板的1/20～1/2。
3． 削減初置費(fèi)
流量儀表初置費(fèi)應(yīng)包括儀表本身購置費(fèi)，儀表管線截止閥等工程費(fèi)用，過濾器和流動調(diào)整器等附件費(fèi)用等。合在一起的總費(fèi)用，國外有稱作TOC（total cost of ownership）。
隨著需要量增加，制造成本下降以及市場競爭，流量儀表總體價格緩慢下降，但其中若干品種有較大降價。例如科里奧利質(zhì)量流量計(jì)從70年代末80年代初僅有唯一專利產(chǎn)品，初創(chuàng)期價格昂貴，隨著專利等效，現(xiàn)在世界范圍制造廠超過45家，競爭激烈。各制造采取措施降低價格，以占有較大市場份額。例如略為犧牲精度等性能，減少一些功能等手段，推出經(jīng)濟(jì)型，國外經(jīng)濟(jì)型儀表價格從原型號5000美元降至3500美元左右，又如國外較多廠商開發(fā)超聲檢測渦列的渦街流量計(jì)，其價格也比傳統(tǒng)儀表便宜。
節(jié)省輔助性設(shè)置費(fèi)也是削減TOC 的一個方面。近幾年日本取消差壓式流量計(jì)引壓管以減少維護(hù)工作降低初置費(fèi)用相當(dāng)熱鬧，用近年向市場推出節(jié)流裝置和差壓變送器組成一體化的直接安裝方式差壓流量計(jì)或毛細(xì)管遠(yuǎn)傳差壓變送器替代傳統(tǒng)引壓管引壓的差壓式流量計(jì)，在日本有人作過調(diào)查，1996~1997年間新建四家工作所用近400臺差壓式儀表，傳統(tǒng)引壓管型、一體化直接安裝型和毛細(xì)管遠(yuǎn)傳型已是三足鼎立，各占三分之一。
六、安裝影響和介質(zhì)參量影響
流量儀表的管道安裝影響在國際上一直受到重視，各阻流件（彎管、異徑管、閥門等）產(chǎn)生流動流速分布畸變和旋轉(zhuǎn)流對流量測量影響的研究，減少或消除它們影響的方法和設(shè)備（流動整直器、流動調(diào)整器）的研究開發(fā)，一直延續(xù)不斷，鍥而不舍。十余年來的研究成果紛紛在學(xué)術(shù)會議和專業(yè)期刊上發(fā)表，有些成果被國際標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)采納。
為修訂國標(biāo)準(zhǔn)ISO 9951《封閉管道中氣體流量的測量--渦輪流量計(jì)》提出安裝條件的要求，荷蘭燃?xì)饴?lián)合會對口徑150和300mm氣體渦輪流量計(jì)作立體彎管影響試驗(yàn)，這些研究成果都在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中被采用。又如日本標(biāo)準(zhǔn)JIS 8766-1989《渦街流量計(jì)流量測量方法》的解說部分，列出渦街流量計(jì)受彎管、異徑管、閘閥在裝用管束式流動整直器之前后的影響示例；JIS 7554-1993《電磁流量計(jì)》解說部分也列有不同開度閘閥和蝶閥、單彎管、平面和立體雙彎管對電磁流量計(jì)影響示例。
美國Miller氏的新版《流量測量工程手冊》則撰寫專章閘述儀表影響量。該書匯集單聲道和雙聲道超聲流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦街頭流量計(jì)以及容積式流量計(jì)和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的影響，和管束式流動整直器的效果。
減少或消除管道安裝影響設(shè)備的研究開發(fā)也很大進(jìn)展，正在修訂的國際標(biāo)準(zhǔn)草案ISO/CD5167-1和ISO/CD 5167-2推薦若干類型流動調(diào)整器，其中有些類型是首次列入該標(biāo)準(zhǔn)將主要減少旋轉(zhuǎn)流的設(shè)備稱作流動整直器（flow straightener）,如管束式、Etoile型、AMCA型；主要克服流速場畸變的設(shè)備稱作（真正）流動調(diào)整器（true flow conditioner）,如NEL（Spearman）型以及持有有效專利的Gallagher型和K-Lab Laws Nova 50E型。
如要實(shí)現(xiàn)各種阻流件影響和流動調(diào)整效果的試驗(yàn)研究，工程浩大，實(shí)驗(yàn)繁多，所費(fèi)不貸，國內(nèi)尚無單位系統(tǒng)地開展該項(xiàng)工作。看來花一定力量匯集國際上發(fā)表的研究成果，為我所用是切實(shí)有效的一種辦法。
國外使用單位對儀表制造廠所聲稱介質(zhì)參量，如溫度、壓力、粘度對某些流量儀表沒有影響表示懷疑，組織財(cái)團(tuán)委托第三方研究機(jī)構(gòu)驗(yàn)證之，下文介紹若干試驗(yàn)實(shí)例。1．電磁流量計(jì) 文獻(xiàn)[1]*報(bào)告了8家制造廠20臺電磁流量計(jì)，經(jīng)歷了二年半液體溫度、環(huán)境溫度、粘度影響和液體電導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)表明這些參量是有一些影響的，若相對于0.2或0.5級精度的儀表，也可以說是相當(dāng)大的，液體粘度在5～200mm2/s范圍內(nèi)變化，示值平均變化量在0.7%～1.6%。液體溫度平均影響量在（0.08～0.28）%/10℃。文獻(xiàn)[2]*摘錄了該報(bào)告中的液體溫度、環(huán)境溫度和粘度影響量和長期穩(wěn)定性的若干數(shù)據(jù)。
2．科里奧利質(zhì)量流量計(jì) NEL（英國工程實(shí)驗(yàn)室）對不同制造廠8臺口徑25mm儀表分別做了粘度影響、密度影響、水溫影響等，有些儀表影響甚小，有些影響明顯。用水校驗(yàn)的儀表能否用于氣體，差別有多少？Fisher Rosemount 公司稱該廠兩臺ELITE CMF 300型儀表用空氣校驗(yàn)數(shù)據(jù)和制造廠用水驗(yàn)收數(shù)據(jù)相比，相差-0.41%。PIB(德國物理技術(shù)院)用20MPa天然氣校驗(yàn)口徑15mm儀表，誤差為±0.7%。中國計(jì)量學(xué)院用壓力1MPa左右氧氣對口徑6mm的LZKI-2型儀表校驗(yàn)，流量在10kg/h左右時與用水校驗(yàn)時相比，相差-0.59%。
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