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| 流量测量技术和仪表（二） |
| 来源：中国仪器仪表大市场信息中心 时间：2008/7/24 浏览数：1692 【我要关闭】 |
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三 流量仪表的种类
有商品的流量计可分十大类，约100种：
1． 差压式流量计：2.浮子流量计；3.容积式流量计；4.涡轮流量计；5.电磁流量计；6.涡街流量计；7.超声流量计；8.质量流量计；9.插入式流量计；10.其他流量计
按1992年出版《中国仪器仪表企事业大全》及1996/1997出版《中国计量器具制造单位及产品信息指南》初续集辑录我国共有流量仪表企业229家，国外产品代理商及合资企业约50家。我国已拥有一个相当规模开发和制造流量仪表的行业，各种企业所有制皆有，近年来私营与合资企业在增加，行业的特点为：
国外已商品化的产品国内皆有相应厂家生产，但产品品种规格及技术含量差距较大；
几个五年计划引进产品生产技术，对国内产品制造技术起到促进作用，但消化吸收进而自主创新不够，在产品不断更新情况下，单靠引进已不能解决问题；
生产厂厂家数远大于国外，但产品低水平重复多，几乎找不到名牌产品；
流量仪表科研单位经费投入少，无力进行有份量的产品开发；
企业开发力量薄弱，产品更新换代缓慢；
普遍欠缺流量校验设备，全国流量量值传递系统尚未真正建立起来，影响全国流量量值传递的准确一致。
四 流量测量与仪表的主要问题 主要问题有两个：仪表的可靠性和准确度
1． 可靠性
可靠性包括仪表质量及可维修性，流量仪表是现场仪表，检测件与被测介质直接接触，面临恶劣的工作条件，要求仪表有百分之一百的可靠是不现实的，但在发生故障时如能方便维修，维修代价不大，应该说亦是仪表可靠的一个方面。流量仪表工作的特点：
仪表要能经受被测介质化学腐蚀、结垢、磨蚀、堵塞、相变、耐温、耐压、……的影响；
由于仪表与管道用法兰连接成一体，有时拆卸维修更换非常困难，特别是高温高压大口径管道，给周期检验造成很大困难；
对于连续生产过程,不允许中间停流拆卸,检测件发生故障无法拆卸检修，如何处理是个棘手问题；
国内因设备工艺落后,管理不善,流体介质一般比国外要脏污，如天然气、煤气、水等，这样对流量计使用性能提出更高要求。 提高流量计可靠性可采用以下办法：
提高仪表质量；
改变结构形式，如采用不断流型插入式结构，亦可在测量系统上想办法，如多管并联管道便于清洗及更换；
加强现场维护管理。
2． 准确度
仪表的重复性是仪表本身的特性，而准确度是外加的特性。一台流量计准确度高，首先要重复性高，然后用高准确度的量值传递系统进行校准求得高准确度的仪表系数（或流出系数）。
对于流量计的准确度要注意这种仪表的特点，英国著名的流量专家F.C.Kinghom说得好：流量计是使用比制造要艰难得多的少数仪表之一，在实验室它可以得到极高的准确度，但是在使用现场，一旦条件变化，一切全都白废。
仪表制造厂产品说明书上列举的准确度是指实验室校准的准确度，它称为基本误差，仪表在现场工作由于使用条件与实验室工作条件不同会产生附加误差，现场的准确度是基本误差与附加误差的合成，合成不一定为简单的代数和，要视具体情况而定。因此，现场仪表误差估计是一项复杂的工作，只有既熟悉仪表特性和被测对象，又掌握误差理论的人才能做出正确的估计。
流量计的准确度涉及流量量值传递的知识，这里做点简介：
流量是自然界不存在实物标准的导出量，它由基本量（长度、质量、时间和温度）在特定条件下综合得出，量值的实物标准（称为原始标准）实际上就是一座流量标准装置，在装置上把各基本量综合为导出量，然后把量值传递给一台或一组流量计，它称为工作基准或传递标准，用传递标准（量值的载体）向下一级标准（亦为流量标准装置）传递流量量值。籍助于传递标准把全国的流量量值统一（一致）起来。国际间的流量量值的统一是用国际间的装置比对来达到的。在各类检测参数量值传递系统中流量的量值传递系统是较困难建立的一类，因为流量量值有以下特点：
（1）流量是自然界不存在实物标准的导出量，需在特定条件下由基本量（长度、质量、时间、温度等）合成；
（2）流量是一个动态量，它是一个只有当流体发生运动时才实际存在的物理量，因此它不仅是基本量的静态组合，又由于其动态性质，流量量值受到许多复杂因素的影响，例如流体内微观分子之间的相互作用，宏观的湍流、旋涡运动等，在具体的管道中还受到边界条件（管壁）的制约。
（3）流量量值需通过流体介质的物理变化得以反映，因此用于校验的介质最好就是使用介质，但介质有千万种，不可能按此原则办，只好采用模似媒介，然后通过介质换算把流量量值传递到工作介质；
（4）存在于不同工作状态的流体介质表现出不同的物理性质，因此流量量值在不同工作状态时必须考虑该因素的影响；
（5）流量量值基准与工作仪表的准确度差别不可能太大（如目前基准为10-4，而工作仪表有达10-3的），它们的数量级差别不像基本量或其他导出量那么大，量值传递时标准的误差一般不能忽略，校准流量计时，误差的估算较复杂；
（6）由基准向工作仪表传递量值由于参比工作条件难以维持，影响量渐趋复杂，误差估算困难程度逐渐加大；
（7）流量量值准确度不高（目前最高准确度不高10-4）原因在于其导出动态的和综合的性质。
五、流体的物理性质（物性参数）
(一)为什么需要研究流体的物性参数？
流体物性对流量计特性的影响是流量计开发和使用的主要问题之一，物性对流量计物性的影响程度视工作原理而异，目前最通用的几类流量计（差压、浮子、容积、涡轮、涡街、电磁、超声、热式等）影响流量计特性的主要物性为密度（包括气体压缩系数、湿度等）、粘度、等熵指数、电导率、声速、比热容、导热系数等。其中尤以密度和粘度的影响最为重要。
掌握流体物性参数在流量计制造与使用中有三方面用途：
（1） 选型的依据
流量计的选型主要需了解仪表性能和被测对象的情况两方面，所谓知己知彼，百战不殆。在现场使用中，不乏因流体物性参数掌握不足或不准而使测量达不到要求的实例；
（2） 流量计的设计计算
在流量方程中物性参数是主要参数之一，要使设计计算准确可靠，基本数据的提供是不可缺少的；
（3） 现场使用与维护
流体物性变化是使用中产生测量附加误差的主要来源之一，要降低测量的附加误差应深入探讨它对流量计特性的影响。
(二)关心哪些物性参数？
1 密度；2 粘度；3 导电率；4 声速；5 导热系数；6 等熵指数；7 比热容；8 化学腐蚀；9 结垢；10 润滑性；11 相变；12 磨蚀性。
(三)物性参数存在的问题
1.物性参数数据准确度低，置信度差及数据不统一
流量测量用的物性参数数据一般取自各种物理、化学及工程手册，由于来源混杂，数据不一致，各种手册使用对象要求不同，难以满足流量测量高准确度及需明确准确度数值的要求，许多流体的物性数据不足，甚至完全没有，特别如高参数（高压、高温、低温、高真空度等）流体及多元流体（流体混合物）的物性参数，不但置信度差，甚至完全缺少；
2.在线物性测量仪器缺乏，质量差、应用范围窄
为了提高流量测量的准确度，急需开发在线物性测量仪器，以使在测量过程中进行在线的修正，目前密度和粘度在线测量仪器（变送器）不但技术复杂，价格昂贵，且应用范围窄，因此无法大量推广应用；
3.缺少专用的物性手册
考虑到物性参数对测量准确度的影响，国外已有对少数物性参数制订物性国家标准，但是对于大量物性参数急需编纂一本流量测量物性参数专用手册较为现实，手册可以提供较齐全与统一的数据。尤其随着计算机使用的普及，物性参数仅用图表已不能满足要求，急需提供各种计算式便于使用。
六、流体的流动特性
为什么关心流体的流动物性？首先看一下实验室的参比工作条件，按照GB9248-88 《不可压缩流体流量计性能评定方法》实验室的工作条件可分为：
1 环境条件，2 动力条件，3 流体条件。
1.环境条件
（1） 标准大气条件：温度20℃，相对湿度65%，大气压力101．3kPa；
（2） 参比大气条件：温度20℃±2℃，相对湿度60%-70%，大气压86-106kPa；
（3） 一般大气条件：温度15-35℃，相对湿度45%-75%，大气压力86-106kPa；
（4） 其他：磁场和机械振动可忽略不计。
2.动力条件
电源电压公称值的±1%，频率公称值的±1%，谐波含量小于5%（交流电源），纹波含量小于0.2%（直流电源）。
3.流体条件
（1） 具有充分发展的湍流速度分布、无旋涡、速度轴对称分布；
（2） 充满圆管的单相流体；
（3） 牛顿流体；
（4） 定常流。
我们前面已谈过，工作条件遵守上述条件校验得到的误差为基本误差，而偏离这些条件将产生附加误差。在现场流体流动特性中的具有充分发展的湍流速度分布、无旋涡、速度轴对称分布及定常流常是难以满足的，它们将造成测量误差的增大，有时增大多少难以定量确定，因此在现场使用中必须密切注意流动特性的情况，以下我们对流速分布畸变、旋转流及非定常流的影响作一简介。
1.流速分布畸变及旋转流
流速分布畸变及旋转流对流量计特性的影响因工作原理而异，有的很严重，有的无甚影响，一般来说，推理式流量计（差压、涡轮、涡街、超声、电磁等）都要受影响，而容积式流量计不受或基本不受影响。速度分布畸变对流量计特性的影响非常复杂，难以掌握，其困难问题有：
（1） 不同的速度分布畸变及旋转流对各种类型流量计的影响是不一样的；
（2） 由于仪表壳体内流场的复杂性，很难预测（难以用理论计算）速度分布畸变及旋转流对各种类型流量计的影响程度，基本上要依靠实验方法来确定；
（3） 要进行各种类型流量计在各种速度分布畸变及旋转流下的流量物性影响试验，不但工作量太大，经济上耗费亦很难承担；
（4） 用户难以满足流量检测件上下游直管段所需要的作业空间，因此速度分布畸变及旋转流具有普遍性。
2.非定常流
在现场使用中非定常流并不少见，非定常流可分为二大类：周期性脉动和随机性波动。在发动机、泵、风机等出口的流动可见周期脉动，而管道中的流动受阻流件及管道系统的干扰一般都存在随机性波动。至今还没有明确规定流量所需要的定常流条件的定量指标。在流量测量标准中只是含糊地规定：管道内的流量应该不随时间而变化，或实际上只随时间有微小和缓慢的变化。至今国际标准化组织(ISO)只颁布一个技术报告ISO/TR3313《用孔板、喷嘴或文丘里管测量管道中的脉动流》，它不是正式标准，并且只适用于标准节流装置，其他类型流量计在非定常流中会产生多大附加误差至今尚缺少可靠的试验数据。
七、理想流量计试探
用户选表总想找到一种理想的流量计以解决它的问题，而流量计制造厂都力图制造出一种理想流量计以适应更广泛的需要。总结千百种流量计的所有优点可以提出理想流量计的条件如下。
1．检测件无阻碍物；
2．检测件可夹装在管道外部，可随意移动在任何地点测量而无须截断管道与流体；
3．仪表的流量计算方程简单明确，可外推到未知领域而无须实流校验；
4．频率脉冲输出信号，数字式仪表，便于远传抗干扰及与计算机联网；
5．仪表输出信号不受流体介质物性的影响；
6．仪表输出信号不受流体流动特性的影响；
7．仪表复现性高；
8．仪表范围度宽，线性好；
9．仪表可靠性高，价格适宜，维修技术不复杂；
10.无须个别实流校验，或只须“干校”，或在一、二种介质中校验可推广到各种介质；
11.检测件输出信号直接反映质量流量。
可以说至今并没有出现上述的理想流量计，所有流量计都多少具备一些上述条件，只不过有的多些，有的少些。所有流量计制造厂试制新产品都力图能更多地具备上述条件。
八、流量仪表的选用
流量仪表的选型对仪表能否成功使用往往起着很重要的作用，由于被测对象的复杂状况以及仪表品种繁多，产品质量难以掌握等情况，使得仪表的选型感到困难。没有一种十全十美的流量计，各类仪表都有各自的特点，选型的目的就是在众多的品种中扬长避短，选择自己最合适的仪表。
一般选型可以从五个方面进行考虑，这五个方面为仪表性能方面、流体特性方面、安装条件方面、环境条件方面和经济因素方面。五个方面的详细因素如下：
1.仪表性能方面
准确度、重复性、线性度、范围度、流量范围、信号输出特性、响应时间、压力损失等；
2.流体特性方面
流体、温度、压力、密度、粘度、化学腐蚀、磨蚀性、结垢、堵塞、混相、相变、电导率、声速、导热系数、比热容，等熵指数；
3.安装条件方面
管道布置方向，流动方向，检测件上下游侧直管段长度、管道口径、维修空间、电源、接地、辅助设备（过滤器、消气器）、安装、脉动等；
4.环境条件方面
环境温度、湿度、电磁干扰、安全性、防爆、管道振动等；
5.经济因素方面
仪表购置费、安装费、运行费、校验费、维修费、仪表使用寿命、备品备件等。
仪表选型的步骤如下：
1. 依据流体种类及五个方面考虑因素初选可用仪表类型(要有几类型以便进行选择);
2. 对初选类型进行资料及价格信息的收集,为深入的分析比较准备条件;
3. 采用淘汰法逐步集中到1-2种类型,对五个方面因素要反复比较分析最终确定预选目标。 |
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