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流量儀表發(fā)展趨勢和應(yīng)用進展 流量儀表技術(shù)指標

時間：2020-07-29    來源：儀多多儀器網(wǎng)    作者：儀多多商城     
摘要：本文論述流量測量儀表在多參數(shù)測量，低價普及化等發(fā)展趨勢以及幾種流量儀表應(yīng)用方面的進展。
關(guān)鍵詞：流量儀表 發(fā)展趨勢 應(yīng)用進展

一、 發(fā)展趨勢

1、 流量傳感器（trancduccer）的多參數(shù)測量

流量檢測元件或流量傳感元件（sensor）除感受流量外，還可能感受其他變量，并由此衍生其他功能，可簡化流程的檢測系統(tǒng)，減少儀表數(shù)量和連接管線，降低費用。流程管道開孔的減少降低潛在泄漏故障。

a. 里奧利質(zhì)量流量計

b. 電磁流量計

非滿管電磁流量計在測量平均流速的同時還必須測量管內(nèi)液體高度。利用兩勵磁繞組分別正向和反向串接，產(chǎn)生兩種不同磁場強度和磁場分布下測得的流速信號電勢，兩電勢之間的比值與液位高度有一定的函數(shù)關(guān)系。

c. 渦街流量計

渦街流量計旋渦發(fā)生體分離的旋渦頻率f正比于流速v（f= k1 v，k1為系數(shù)），同時感受與ρv2成正比的升力F（F=k2ρv2，ρ為流體密度，k2為系數(shù)）。以f除以F，在乘流通面積A，編可求得質(zhì)量流量qm，即

qm=（F/f）A=（k2ρv2/k1v）A=kρvA

式中 k——儀表系數(shù)k=k2/k2。

d. 超聲流量計

超聲質(zhì)量流量計試圖在傳播時間法超聲體積流量計的基礎(chǔ)上，在利用超聲測得第二參量液體聲阻抗和密度，演算后得質(zhì)量流量。

2、配用第二參量檢測元件（或獨立的第二參量傳感器）組合測量質(zhì)量流量或其他參量

a. 科里奧利質(zhì)量流量計配用差壓變送器測量粘度
b. 渦街流量計配用差壓變送器測量質(zhì)量流量
c. 氣體體積流量計內(nèi)裝壓力/溫度傳感元件測量質(zhì)量流量
d. 電磁流量計內(nèi)裝溫度檢測元件修正體積溫度影響

日本山武公司最近推向市場的電磁流量計，就有電極內(nèi)裝pt電阻溫度檢測件，以解決這類問題。

3、壓式儀表的差壓發(fā)生體和差壓變壓變送器一體化

將差壓變送器直接與噴嘴等節(jié)流裝置或均速管裝在一起，省略了在現(xiàn)場布引壓管線工程，改善動態(tài)特性，減少維護工作和故障率，降低初置費用和運行費用。據(jù)日本對1996~1997年間新建四家工廠的調(diào)查，所用近400臺差壓式流量儀表中，一體化直接安裝型儀表已占三分之一。

4、開發(fā)普及型儀表

適度降低測量精確度等性能，取消原為通用功能改為選擇功能以簡化儀表組成，設(shè)計成較窄應(yīng)用范圍的儀表，從而降低價格擴大用戶面。

a. 科里奧利質(zhì)量流量計設(shè)計普及型

科里奧利質(zhì)量流量降低精確度（量程誤差從±0.2%左右降低到±0.5%），功能減少，實際普及型儀表。

b. 電磁流量計從流程工業(yè)轉(zhuǎn)向居住民用領(lǐng)域

降低電磁流量計測量精確度等性能，如基本誤差定位在±2%，設(shè)計成具有水表特點的電磁水表。在日本這類電磁式水表已納入日本水表標準。

c. 超聲家用燃氣表

國外民用計量天然氣價格低廉的超聲流量計以形成規(guī)模生產(chǎn)。平均價格約為流程工業(yè)用超聲流量計平均價格的1/30。

二、 應(yīng)用進展

成熟儀表應(yīng)用上受到限制的某一領(lǐng)域，在技術(shù)上有所突破后，開發(fā)出相適應(yīng)的改進型儀表，使得在該領(lǐng)域有較快發(fā)展，下文討論幾種流量儀表應(yīng)用領(lǐng)域的進展。

1、超聲流量計

近年超聲流量計應(yīng)用于氣體（包括蒸汽）、儲存交接（custody transfer，常簡稱CT）和財貿(mào)核算、民用住宅天然氣消費計量三個領(lǐng)域有較大進展。

a. 氣體應(yīng)用

當前國外能源開發(fā)，天然氣比石油發(fā)展快，促進了過去發(fā)展緩慢的氣體超聲流量計發(fā)展。有人估計工業(yè)用超聲流量計，當前已有近15%用于氣體。

近年還見到國外至少有3家制造廠向市場推出應(yīng)用于蒸汽的超聲流量計，用一棒傳送聲速信號到遠離蒸汽的超生換能器，可測高達480℃的過熱蒸汽。

b. 進入儲存交接和財貿(mào)核算應(yīng)用領(lǐng)域

超聲流量計采用多聲道測量（4~8聲道）技術(shù)和短管流量傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計，并實流校準，測量精確度大幅的提高，液體用儀表精度等級有高達0.15級，氣體用儀表普遍為0.5級。今后必然將逐步替代有活動部件的儀表。

1999年北京已在進京高壓天然氣輸送管線上裝用超聲流量計，與原裝有的孔板差壓流量計對比，顯現(xiàn)出其優(yōu)越的使用性能，得到各方面的認可。

c. 進入住宅天然氣消耗計量應(yīng)用領(lǐng)域

90年中期國外超聲家用燃氣表已達到取代應(yīng)用150余年的膜式煤氣表的規(guī)模。有人估計世界范圍近年銷售量已接近40萬臺/年。

2、電磁流量計

a. 非滿管電磁流量計

傳統(tǒng)電磁流量計只能測量滿管液體流量，非滿管電磁流量計應(yīng)用于具有自由表面自然流的下水排放領(lǐng)域，并提高該領(lǐng)域的測量精確度。將傳統(tǒng)非滿管流或明渠流流量誤差從±（3~5）%FS降低到±（1~2）%FS。

b. 測量更低點導(dǎo)率的液體

現(xiàn)在可測量比傳統(tǒng)電磁流量計電導(dǎo)率閾值低2~3個數(shù)量級的液體，如以前不能測量的甘油、乙二醇等。除此之外，本類儀表幾乎不存在漿液噪生和流動噪聲，也不會產(chǎn)生電極表面效應(yīng)形成的噪聲。襯里內(nèi)表面覆蓋油脂等非導(dǎo)電層或結(jié)薄絕緣垢層也不會影響測量。

c. 低功耗和二線制電磁流量計有較快發(fā)展

二線制不需另外外接激磁回路，僅用4mADC電流提供儀表所需功率，通常僅數(shù)十毫瓦。低功耗電磁流量計使有可能采用干電池或太陽電池，更方便地將電磁流量計裝用于無市電供電的場所。

d. 二維（方向）電磁流速計和多測量點插入式電磁流量計

置于船體外部的船舶電磁航速儀是插入式電磁流量計的雛形。后來插入式電磁流量計在大中型管道中卻有較大發(fā)展，也有用于明渠，稱作電磁流速計（electromagnetic current meter）。但在河道流或水利試驗?zāi)Ｐ筒粌H要測量流速還要知道流速方向。二維電磁流速記又稱向量流速計，使電磁流量儀表族可以進入水文試驗應(yīng)用領(lǐng)域。

此外插入式電磁流量計還參照勻速管的設(shè)計思路，在插入桿上置多套電磁流速測量單元，提高測量精度，使插入式電磁流是計在大管經(jīng)應(yīng)用處于有利地位。

3、熱式質(zhì)量流量計

熱式質(zhì)量流量計過去主要是熱分布式，應(yīng)用于氣體小流量測量，較多應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)，熱處理爐、分析儀器等氫、氧、氨等流量測量和控制以及閥門制造過程中測定泄漏量等。國外近年熱消散效應(yīng)的侵入式和插入式熱式流量計應(yīng)用與環(huán)境保護和流程工業(yè)大中型管道發(fā)展迅速。徑向分段排列多組檢測元件組成的檢測桿，較多以插入方式應(yīng)用于HVAC（暖氣通風(fēng)空調(diào)）工程大中型管道；還應(yīng)用于鍋爐大管道進風(fēng)量和煙道排氣量監(jiān)測SO2和NOX排放總量。

微小液體質(zhì)量熱式流量計雖然已有20余年歷史，但在工業(yè)上應(yīng)用直到近幾年才較快發(fā)展，現(xiàn)在已有幾家制造廠生產(chǎn)多種型號熱分布式熱式流量計投入市場。當前主要應(yīng)用于化學(xué)、石化、食品等流程工業(yè)實驗性裝置。例如：藥液配比系統(tǒng)中定流量配比控制，液化氣注入過程中液流測量和控制。 一、流量儀表的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

我國開展近代流量測量技術(shù)的工作比較晚，60年代開始渦輪、電磁流量計的生產(chǎn)。至今，從事流量儀表研究和生產(chǎn)的單位已有200多家，90年代更進入了快速發(fā)展時期。流量儀表是一種儀表性能強烈依賴于使用條件的儀表，國際流量界人士曾言，流量計是使用比制造要艱難得多的少數(shù)儀表之一，雖然實驗室它可以得到極高的精確度，但是在使用現(xiàn)場若條件變化，一切全都白廢。流量計出廠檢驗其誤差是±0.5%，可是在使用中卻有可能造成±3～±10%的誤差。其原因則多種多樣，如量程選擇不對，上下游直管道長度不足，液體中含氣量較大，檢測件腐蝕磨損，積垢及堵塞等等。應(yīng)該說流量是一個測量系統(tǒng)的問題，在這個系統(tǒng)中包括檢測裝置、顯示裝置、前后測量管及輔助設(shè)備等。所以流量計本身性能好并不能保證獲得要求的精確度，它要求整個測量系統(tǒng)符合規(guī)定的要求才行。綜合而論，完善的流量計應(yīng)適應(yīng)的條件大致如下：

(1) 檢測體可以無阻礙物，用可隨意移動更換安裝點。
(2) 夾裝在管道外面，不需截開管路與流體。
(3) 儀表流量計量方程簡捷，并可推算未知數(shù)據(jù)，且無需實流校驗。
(4) 頻率脈沖輸出信號，數(shù)字式儀表，便于遠傳，且抗干擾、方便的與計算機聯(lián)接。
(5) 儀表輸出信號不受流體介質(zhì)特性和流體，流動特性的影響。
(6) 儀表重復(fù)性好、范圍度寬、線性好。
(7) 儀表可靠性高，價格適中，維修簡單等。

目前，很難說那種類型儀表兼?zhèn)渖鲜龈黜棗l件，只是依據(jù)測量條件，或多或少兼顧其適用性。


圖1 封閉普通流量計分類

正確合理的選擇流量測量儀表并非易事，在對美國工業(yè)現(xiàn)場安裝的流量儀表檢查中，發(fā)現(xiàn)約半數(shù)以上的儀表選用不是較為合適的或使用不太正確，而在這些儀表中又約有半數(shù)以上雖然采用合適的測量方法，卻被錯誤地布置和安裝。因此，我們在選擇時要充分考慮到各方面的因素。如：性能要求、流體特性、安裝要求、環(huán)境條件和費用等等。

二、流量儀表分類及主要性能

下面就目前市場上的主要流量儀表分類及主要性能及適應(yīng)條件做個簡要介紹：

1 差壓流量計

差壓式流量計是根據(jù)安裝于管道中流量檢測件產(chǎn)生的差壓，已知的液體條件和檢測件與管道的幾何尺寸不測量的儀表。如孔板流量計、文丘里管流量計及均速管流量計等。近年來，在國際范圍內(nèi)，差壓流量在流量儀表總量中臺數(shù)約占到50%-60%。我國的銷售臺數(shù)約為40%左右。差壓流量計的精度在很大程度上決定于現(xiàn)場的使用條件。主要是流體的物性參數(shù)及和流體流動特性。整套流量計的精度還決定于差壓變送器和流量顯示儀的精度。因此，差壓流量計是一種從設(shè)計、制造到安裝使用要求很嚴格的儀表，在任何的環(huán)節(jié)失誤都會產(chǎn)生很大的誤差。另外，差壓流量計輸出信號與流量為平方關(guān)系，是非線性儀表，范圍度較窄。壓力損失大也是它的弱點之一。在安裝條件方面，和其它推理式流量一樣，要求有較長的直管段。

2 容積式流量計

容積式流量計是利用機械測量文件把液體連續(xù)不斷地分割成單個已知的體積部分，根據(jù)計量室多次，重復(fù)地充滿和排放該體積部分與流體的次數(shù)不測量液體體積總量。在流量儀表中是精度最高的一類。在國際市場上，其銷售額在工業(yè)發(fā)展發(fā)達國家中占流量儀表的20%左右，我國銷售額大約在20%左右。容積式流量計其優(yōu)點如下：

精確度高，基本誤差一般為±0.5%；特殊的可達±0.2%左右；
沒有前置直管段的要求，這一點在現(xiàn)場使用中有重要意義；
可用在高粘度流體的測量，范圍度寬，一般為10:1到5:1；
層直讀式儀表，無需外部能源，操作方便。
任何儀表有其優(yōu)點，也有其局限性，容積式流量計的缺點主要表現(xiàn)在：

結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，笨重，故一般只適用于中小口徑；
對被測介質(zhì)種類，介質(zhì)工況、局限性較大，適應(yīng)范圍窄；
安全性差，如檢測活動件卡死，流體就無法通過；
部分形式容積式流量計在測量過程中會給流動帶來脈動。
由于精度高，在石化、醫(yī)藥、食品以及能源等工業(yè)部門計量昂貴介質(zhì)時。然而，由于需要定期維護，因此在放射性有毒流體等不允許人們接近的維護的場所不宜采用。目前，容積式流量計作為貿(mào)易結(jié)算儲運交接儀表。

3 浮子流量計

浮子流量計是以浮子在垂直錐形管中隨著流量變化而升降，改變它們之間的流通面積來進行測量的體積流量儀表。又稱轉(zhuǎn)子流量計。80年代，西方發(fā)達國家該種流量計的銷售額約占流量儀表的10%-18%。我國約為15%左右。浮子流量計適用于小管徑和低流速。常用儀表口徑40-50mm以下，最小口徑做到1.5-4mm。浮子流量計對直管段要求不高，并有較寬的流量范圍度。目前，被廣泛地應(yīng)用在電力、石化、冶金等流程工業(yè)和污水處理等公用事業(yè)。主要用作直觀流動指示或測量精度要求不高的現(xiàn)場指示儀表。

4 渦輪流量計

渦輪流量計是葉輪式流量(流速)計的主要品種，葉輪式流量計還有風(fēng)速計、水表等。該流量計在石油、各種液體及天然氣、煤氣等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。90年代中期在世界范圍內(nèi)，其銷售額在流量儀表總線中約占9%左右。而我國在90年代其年銷售量約在2萬臺以下。主要特點：

高精度，對于液體一般為±0.25%R－±0.5%R,而介質(zhì)為氣體，一般為±1%-±1.5%R；
重復(fù)性好，短期重復(fù)性可達0.05%-0.2%,因此在貿(mào)易結(jié)算中是優(yōu)先選用的流量計；
輸出脈沖頻率信號，無零點漂移，抗干擾能力強；
范圍度寬，結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，安裝維護方便；
難以長期保持較好的特性，需定期檢驗；
一般液體隨粘度的增大，流量計測量下限值提高，范圍度縮小，線性度變差；
流體物性(密度、粘度)對儀表特性有較大影響，受流速分布畸變和　轉(zhuǎn)流的影響較大；
不適于脈動流和混和流的測量，同時，對被測介質(zhì)的清潔度要求較高等。
5 電磁流量計

電磁流量計是利用法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。近年來，發(fā)展速度較快，95年全球產(chǎn)量估計在13萬臺以上。其優(yōu)缺點如下：

由于測量通通是一段無阻流檢測件的光滑直管，不易阻塞適用于測量含有固體顆?；蚶w維的液固二相液體，如紙漿、泥漿等；
所測得的體積流量，不受流體密度、粘度、壓力等變化明顯的影響；
對直管段的要求較之其它流量儀表不高；
可測正、反雙向流量，也可測脈動流量，并可應(yīng)用于腐蝕性流體；
不能測量電導(dǎo)率很低的液體；
不能測量氣體、蒸汽和含有較多大氣泡的液體等。
目前，電磁流量計，其大口徑儀表較多應(yīng)用于給排水工程，中小口徑常用于固液雙相等難測流體，或高要求場所。如工業(yè)紙漿、礦漿、化學(xué)工業(yè)的強腐蝕液等。小口徑、微小口徑則常用于醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、生物工程等有衛(wèi)生要求的場所。

6 渦街流量計

70至80年代是渦街流量計迅速發(fā)展時期，開發(fā)出眾多類型阻流體及檢測性的渦街流量計，并大量投放市場。我國渦街在發(fā)展高峰期，曾達到數(shù)十家，應(yīng)該說，渦街流量計尚屬發(fā)展中的產(chǎn)品，無論在理論基礎(chǔ)或是實驗經(jīng)驗尚較差，目前最基本的流量方程經(jīng)常引用卡曼渦街理論。優(yōu)點和局限性：

優(yōu)點：

結(jié)構(gòu)簡單牢固，安裝維護方便；
適用的流體種類多。如液體、氣體、蒸汽和部分混相流體；
精度較高、范圍較寬、壓損小。
局限性：

不適用于低雷諾數(shù)測量，故在高粘充、低流速、小口徑情況下應(yīng)用受到限制；
旋渦分離的穩(wěn)定性受流速的影響。要求有足夠的直管段；
力敏檢測法對管道機械振動較敏感，不宜用于強振動場所；
儀表在脈動流、混相流中尚欠缺理論研究和實踐經(jīng)驗；
渦街流量計在多年使用中，其效果并不理想，大致原因在產(chǎn)品的質(zhì)量、選型不當，以及現(xiàn)場調(diào)整問題。
7 超聲波流量計

由于超聲波測量原因是長度與時間二個基本量的結(jié)合，其導(dǎo)出量溯源性較好，有可能據(jù)此建立流量的基準。超聲波流量計的優(yōu)缺點和局限性：

優(yōu)點：

非接觸測量，無需停產(chǎn)安裝，這是在工業(yè)用流量儀表中具有的獨特優(yōu)點，適用于管網(wǎng)流動狀況評估測定；
超聲波流量計為無流動阻撓測量，故管　內(nèi)無壓力損失；
對于大型管道，不僅能帶來方便的安裝，更帶來可觀的經(jīng)濟效益。
局限性：

由于外裝器不能用于襯里或結(jié)垢太厚的管道，以及不能用于襯里與內(nèi)管壁剝離的管道(近年來，匯中公司開發(fā)出的插入式測量徹底的解決了這個問題。且能實現(xiàn)不停產(chǎn)安裝、調(diào)試)。

超聲波流量計以其獨有的特性而迅速得到了廣泛的應(yīng)用。有數(shù)據(jù)顯示到90年代中期全球年產(chǎn)量超過30000臺，其它主要流量儀表還有科里奧利質(zhì)量流量計、熱式質(zhì)量流量計、明渠流量計等。

　流量儀表的生產(chǎn)廠家在技術(shù)文件中都注明了準確度，它應(yīng)是在試驗室經(jīng)嚴格的程序標定后確定的，但在現(xiàn)場條件下，大多數(shù)流量儀表都難達到這個準確度。

　　1.1 直管段長度對準確度的影響



　　1.2 直管段長度不足長期被忽視


　　 2 流動調(diào)整器（flowconditioners）

　　 2.1 流動調(diào)整器可改善流速分布




　　 3 多孔平衡節(jié)流裝置

　　3.1 基本原理



　　 3.2 多孔平衡流量裝置


　　 3.3 前直管段長度的表述

　　對于以上這些技術(shù)參數(shù)是否如廠商宣傳的那么完美值得商榷，也有待實踐證實。特別有關(guān)所需直管長度的表述，行業(yè)中一般確定為自節(jié)流件前端面（即多孔孔板）至上游阻力件出口的距離為前直管段長度，而多孔平衡流量計是由多孔孔板與短管組合成一個整體供貨的。它所指的上游直管段0.5D是指平衡流量計進口法蘭與阻力件之間的距離，平衡流量計的短管長度是（2～10D），是要占有現(xiàn)場直管段的，如此表述無論有意無意，效果是誤導(dǎo)用戶，而不是實事求是。

　　4 多孔整流式節(jié)流裝置
 




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