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流量计

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  • 流量计英文名称是flowmeter,全国科学技术名词审定委员会把它定义为:指示被测流量和(或)在选定的时间间隔内流体总量的仪表。简单来说就是用于测量管道或明渠中流体流量的一种仪表。


    流量计又分为有差压式流量计、转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、电磁流量计、超声波流量计等。按介质分类:液体流量计和气体流量计。


    目录

    概述


    计量是工业生产的眼睛。流量计量是计量科学技术的组成部分之一,它与国民经济、国防建设、科学研究有密切的关系。做好这一工作,对保证产品质量、提高生产效率、促进科学技术的发展都具有重要的作用,特别是在能源危机、工业生产自动化程度愈来愈高的当今时代,流量计在国民经济中的地位与作用更加明显。
    工程上常用单位m3/h,它可分为瞬时流量(Flow Rate)和累计流量(Total Flow),瞬时流量即单位时间内过封闭管道或明渠有效截面的量,流过的物质可以是气体、液体、固体;累计流量即为在某一段时间间隔内(一天、一周、一月、一年)流体流过封闭管道或明渠有效截面的累计量。通过瞬时流量对时间积分亦可求得累计流量,所以瞬时流量计和累计流量计之间也可以相互转化。 [1] 

    发展历史


    早在1738年,瑞士人丹尼尔伯努利以第一伯努利方程为基础利用差压法测量水流量。后来意大利人G.B.文丘里研究用文丘里管测量流量,并于1791年发表了研究结果。
    1886年,美国人赫谢尔应用文丘里管制成了测量水流量的的实用测量装置。
    20世纪初期到中期,原有的测量原理逐渐走向成熟,人们不再将思路局限在原有的测量方法上,而是开始了新的探索。
    到了30年代,又出现了探讨用声波测量液体和气体的流速的方法声波测量流量的方法,但到第二次世界大战为止未获得很大进展,直到1955年才有了应用声循环法的马克森流量计的问世,用于测量航空燃料的流量。
    20世纪的60年代以后,测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。
    随着集成电路技术的迅速发展,具有锁相环路技术的超声(波)流量计也得到了普遍应用,微型计算机的广泛应用,进一步提高了流量测量的能力,如激光多普勒流速计应用微型计算机后,可处理较为复杂的信号。

    发展趋势


    在工业现场,测量流体流量的仪表统称为流量计或流量表。是工业测量中重要的仪表之一。随着工业的发展,对流量测量的准确度和范围要求越来越高,为了适应多种用途,各种类型的流量计相继问世,广泛应用于石油天然气、石油化工、水处理、食品饮料、制药、能源、冶金、纸浆造纸和建筑材料等行业。
    弗若斯特沙利文咨询公司运用360度全视角研究模型,着眼于全球,综合应用行业、科技技术发展、经济、竞争环境和行业用户等多项模块,对流量计市场进行全面研究。本文以靶式流量计、容积式流量计、涡轮流量计、差压式流量计、变面积式流量计、电磁流量计、超声波流量计、涡街流量计(典型的流体振荡式流量计)、科里奥利质量流量计和插入式热质量流量计作为研究对象,对市场进行分析。 [1] 
    2008年全球流量计的市场规模达到28.3亿美元,较2007年增长约3.9%。

    发展现状


    由于缺乏国家在这行业体制机制强有力的支持,造成我国仪器仪表行业缺乏高层次的复合型人才,缺乏熟悉、精通各学科交叉的综合型人才。自主创新能力低下,自主知识产权匮乏。具体表现在国产高端自动化产品奇缺,市场竞争力不强。
    现代计量是光、机、电、计算机和许多基础学科高度综合的产物,对新技术比较敏感,是现代产业产品中更新换代速度比较快的产品之一,每年都会有新产品推出,特别是在当今信息技术攻速发展的时代,竞争日趋激烈,发展速度稍微慢点就会被远远抛在后面。我国虽然已经进入21世纪,但许多东西还停留在80年代初的水平上,大型和高档的仪器设备几乎全部依靠进口,甚至有的专用仪器在国内还处于空白状态,中低端的产品质量保证上还有许多问题需要攻克。
    因此,必须要有国家战略高度的规划和相关资源的大力支撑,才有机会去不断缩小差距。如果测试仪器企业无法做到一个比较大的规模,那么就很难具备和国际巨头一较长短的实力,而前期的成长需要巨额长期的资金投入。

    应用范围


    流量计量广泛应用于工农业生产、国防建设、科学研究对外贸易以及人民生活各个领域之中。在石油工业生产中,从石油的开采、运输、炼冶加工直至贸易销售,流量计量贯穿于全过程中,任何一个环节都离不开流量计量,否则将无法保证石油工业的正常生产和贸易交往。在化工行业,流量计量不准确会造成化学成分分配比失调,无法保证产品质量,严重的还会发生生产安全事故。在电力工业生产中,对液体、气体、蒸汽等介质流量的测量和调节占有重要地位。流量计量的准确与否不仅对保证发电厂在佳参数下运行具有很大的经济意义,而且随着高温高压大容量机组的发展,流量测量已成为保证发电厂安全运行的重要环节。如大容量锅炉瞬时给水流量中断或减少,都可能造成严重的干锅或爆管事故。这就要求流量测量装置不但应做到准确计量,而且要及时地发出报警信号。在钢铁工业生产中,炼钢过程中循环水和氧气(或空气)的流量测量是保证产品质量的重要参数之一。在轻工业、食品、纺织等行业中,也都离不开流量计量。
    应用比较多的换能器是外夹式和插入式。单声道超声波流量计结构简单、使用方便,但这种流量计对流态分布变化适应性差,微电子技术和计算机技术的飞跃发展极大地推动仪表更新换代,新型流量计如雨后春笋般涌现出来。至今,据称已有上百种流量计投向市场,现场使用中许多棘手的难题可望获得解决。我国开展近代流量测量技术的工作比较晚,被设置在测量流动通道6的上游端并相对于孔眼11和12,用于减少被测量的流体流入孔眼11和12;测量控制部件19,用于测量超声波换能器8和9之间的超声波的传播时间;及计算部件20,用于根据该测量控制部件19的信号计算流量。
    流量计尽量避开铁磁性物体及具有强电磁场的设备(如大电机、大变压器的等),以免磁场影响传感器的工作磁场和流量信号。传感器勺转换器间的流量信号线和激磁线。然而从雷电故障中损坏零部件的分析,引起故障的感应高电压和浪涌电流大部分足从控制室电源线路引入的,其他两条途径较少。由于电磁流量计测量含有悬浮固相或污脏体的机会远比其他流量仪表多,出现内壁附着层产生的故障概率也就相对较高。若附着层电导率与液体电导率相近。常见的调试期故障通常由安装不妥。

    应用发展


    科里奥利

    科里奥利质量流量计(以下简称CMF)是利用流体在振动管中流动时,产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。 [2] 
    中国CMF的应用起步较晚,已有几家制造厂自行开发供应市场;还有几家制造厂组建合资企业或引用国外技术生产系列仪表。
    国外CMF已发展30余系列,各系列开发在技术上着眼点在于:流量检测测量管结构上设计创新:提高仪表零点稳定性和精确度等性能;增加测量管挠度,提高灵敏度:改善测量管应力分布,降低疲劳损坏,加强抗振动干扰能力等。
    某些厂家研发出了可以测量气液两相的科里奥利仪表,可以应用在卸船,含气泡介质等原先传统仪表无法工作的场合。同时有一种MVD变送器可以实现仪表在线自校验,即无需将流量计拆下,利用对流量管刚性的检查,来判断现场仪表的性能。

    电磁

    EMF从50年代初进入工业应用以来,使用领域日益扩展,80年代后期起在各国流量仪表销售金额中已占16%~20%。
    中国发展迅速,1994年销售估计为6500~7500台。国内已生产大口径为2~6m的EMF,并有实流校验口径3m的设备能力。2008年销售额已经达到7700万美元,估计销售量在35万台以上。

    涡街

    USF在60年代后期进入工业应用,80年代后期起在各国流量仪表销售金额中已占4%~6%。1992年世界范围估计销售量为3548万台,同期国内产品估计在8000~9000台。

    应用领域

    流量测量技术与仪表的应用大致有以下几个领域。
    工业生产
    流量仪表是过程自动化仪表与装置中的大类仪表之一,它被广泛适用于冶金、电力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、轻纺、食品、医药、农业、环境保护及人民日常生活等国民经济各个领域,是发展工农业生产,节约能源,改进产品质量,提高经济效益和管理水平的重要工具在国民经济中占有重要的地位。在过程自动化仪表与装置中,流量仪表有两大功用:作为过程自动化控制系统的检测仪表和测量物料数量的总量表。
    能源计量
    能源分为一次能源(煤炭、原油、煤层气、石油气和天然气)、二次能源(电力、焦炭、人工燃气、成品油、液化石油气、蒸汽)及载能工质(压缩空气、氧、氮、氢、水)等。能源计量是科学管理能源,实现节能降耗,提高经济效益的重要手段。流量仪表是能源计量仪表的重要组成部分,水、人工燃气、天然气、蒸汽和油品这些常用的能源都使用着数量极其庞大的流量计,它们是能源管理和经济核算不可缺少的工具。
    环境保护
    烟气,废液、污水等的排放严重污染大气和水资源,严重威胁人类生存环境。国家把可持续发展列为国策,环境保护将是21世纪的大课题。空气和水的污染要得到控制,必须加强管理,而管理的基础是污染量的定量控制,流量计在烟气排放、污水、废气处理流量计量方面有着不可替代的位置。
    中国是以煤为主要能源的国家,全国有上百万个烟囱不停地向大气排放烟气。烟气排放控制是根治污染的重要项目,每个烟囱必须是安装烟气分析仪表和流量计,组成连椟排放监视系统。烟气的流量沆量有很大因难,它的难度为烟囱尺寸大且形状不规则,气体组分变化不定,流速范围大,脏污,灰尘,腐蚀,高温,无直管段等。
    交通运输
    有五种方式:铁路公路、航空、水运和管道运输。其中管道运输虽早已有之,但应用并不普遍。随着环保问题的突出,管道运输的特点引起人们的重视。管道运输必须装备流量计,它是控制、分配和调度的眼睛,亦是安全监没和经济核算的必备工具。

    生物制药

    21世纪将迎来生命科学的世纪,以生物技术为特征的产业将获得迅速发展。生物技术中需监测计量的物质很多,如血液,尿液等;医药行业对各种医药配方,液体制剂成分的控制流量仪表也是不和或缺的。仪表开发的难度极大,品种繁多。

    科学实验

    科学实验需要的流量计不但数量多,且品种极其繁杂。据统计流量计100多种中很大一部分是应科研之需用的,它们并不批量生产,在市面出售,许多科研机构和大企业皆设专门小组研制专用的流量计。
    海洋、江河湖泊
    这些领域为敞开流道,一般需检测流速,然后推算流量。流速计和流量计所依据的物理原理及流体力学基础是共通的但是仪表原理及结构以及使用前提有很大差别。

    执行标准


    CJ/T1017-1993潜水型电磁流量计1993-12-01作废
    CJ/T122-2000超声多普勒流量计建设部2001-06-01现行
    CJ/T3017-1993潜水电磁流量计建设部1993-12-01现行
    CJ/T3054.1-1995水量计量仪表均速管流量计建设部1994-12-01现行
    CJ/T3063-1997给排水用超声流量计(传播速度差法)建设部1997-02-01现行
    GB/T12826-1991移动设备用卷绕电缆载流量计算导则国家技术监督局1992-02-01现行
    GB/T17286.1-1998液态烃动态测量体积计量流量计检定系统第1部分:一般原则国家技术监督局1998-10-01现行
    GB/T17286.2-1998液态烃动态测量体积计量流量计检定系统第2部分:体积管国家技术监督局1998-10-01现行
    GB/T17286.3-1998液态烃动态测量体积计量流量计检定系统第3部分:脉冲插入技术国家技术监督局1998-10-01现行
    GB/T17286.4-2006液态烃动态测量体积计量流量计检定系统第4部分:体积管操作人员指南国家质量监督检验检疫2006-07-01现行
    GB/T17288-1998液态烃体积测量容积式流量计计量系统国家技术监督局1998-10-01现行
    GB/T17288-2009液态烃体积测量容积式流量计计量系统2009-10-01即将实施
    GB/T17289-1998液态烃体积测量涡轮流量计计量系统国家技术监督局1998-10-01现行
    GB/T17289-2009液态烃体积测量涡轮流量计计量系统2009-10-01即将实施
    GB/T18604-2001用气体超声流量计测量天然气流量国家质量监督检验检疫.2002-08-01现行
    GB/T18659-2002封闭管道中导电液体流量的测量电磁流量计的性能评定方法国家质量监督检验检疫.2002-08-01现行

    常用类型


    流量测量方法和仪表的种类繁多,分类方法也很多。2011年以前可供工业用的流量仪表种类达60种之多。品种如此之多的原因就在于没有一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表,但是随着时代的进步,这个科技大爆炸的时代里,终于出现了一个新产品-质量流量计,质量流量计适用于任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件,只是价格比较昂贵,无法在所以工业中都得到普及。
    旧式的60多种流量仪表,每种产品都有它特定的适用性,也都有它的局限性。按测量对象划分就有封闭管道和明渠两大类;按测量目的又可分为总量测量和流量测量,其仪表分别称作总量表和流量计。
    此外,按测量原理可分为如下几个大类:
    1、力学原理:属于此类原理的仪表有利用伯努利定理的差压式、转子式;利用动量定理的冲量式、可动管式;利用牛顿第二定律的直接质量式;利用流体动量原理的靶式;利用角动量定理的涡轮式;利用流体振荡原理的旋涡式、涡街式;利用总静压力差的皮托管式以及容积式和堰、槽式等等。
    2、电学原理:用于此类原理的仪表有电磁式、差动电容式、电感式、应变电阻式等。
    3、声学原理:利用声学原理进行流量测量的有超声波式.声学式(冲击波式)等。
    4、热学原理:利用热学原理测量流量的有热量式、直接量热式、间接量热式等。
    5、光学原理:激光式、光电式等是属于此类原理的仪表。
    6、原子物理原理:核磁共振式、核辐射式等是属于此类原理的仪表.
    7、其它原理:有标记原理(示踪原理、核磁共振原理)、相关原理等。
    本文按照目前流行、广泛的分类法分别来阐述各种流量计的原理、特点、应用概况及国内外的发挥在那情况:
    靶式
    靶式流量计是基于力学原理的一种流量计,它在工业上的开发应用已有数十年的历史。新型SBL靶式流量计是在传统靶式流量计的基础上,随着新型传感器、微电子技术的发展研制开发成的新型电容力感应式流量计,它既有孔板、涡街等流量计无可动部件的特点,同时又具有很高的灵敏度、与容积式流量计相媲美的准确度,量程范围宽。 [3] 
    中国于20世纪70年代开发电动、气动靶式流量变送器它是电动、气动单元组合仪表的检测仪表。由于当时力转换器直接采用差压变送器的力平衡机构,这种流量计使用时不免带来力平衡机构本身所造成的诸多缺陷,如零位易漂移,测量精确度低,杠杆机构可靠性差等。由于力平衡机构性能不佳的拖累,靶式流量计本身的许多优点亦未能得到有效的发挥,至今用户对旧靶式流量计的不良印象仍未消除。
    新型SBL靶式流量计的力转换器采用应变式力转换器,它完全消除了上述力平衡机构的缺点,新型靶式流量计还把微电子技术和计算机技术应用到信号转换器和显示部分,流量计具有一系列优点,相信今后在众多流量计中发挥重要的作用。
    差压式
    差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件与流体相互作用产生的差压,已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。
    差压式流量计由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换器和流量显示仪表)组成。通常以检测件形式对差压式流量计分类,如孔板流量计、文丘里流量计、均速管流量计、皮托管原理式-毕托巴流量计等。
    二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计,差压变送器及流量显示仪表。它已发展为三化(系列化、通用化及标准化)程度很高的、种类规格庞杂的一大类仪表,它既可测量流量参数,也可测量其它参数(如压力、物位、密度等)。
    差压式流量计的检测件按其作用原理可分为:节流装置、水力阻力式、离心式、动压头式、动压头增益式及射流式几大类。
    检测件又可按其标准化程度分为二大类:标准的和非标准的。
    所谓标准检测件是只要按照标准文件设计、制造、安装和使用,无须经实流标定即可确定其流量值和估算测量误差。
    非标准检测件是成熟程度较差的,尚未列入国际标准中的检测件。差压式流量计是一类应用广泛的流量计,在各类流量仪表中其使用量占居首位。由于各种新型流量计的问世,它的使用量百分数逐渐下降,但目前仍是重要的一类流量计。
    差压式流量计流体体积流量公式为:
    v=aA √2/j(p-q)
    v--体积
    j--液体密度
    a--流量系数,与流道尺寸 取压方式和流速公布有关
    A--孔板开孔面积
    p-q--压力差
    优点:
    (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,至今尚无任何一类流量计可与之相比拟;
    (3)检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产,便于规模经济生产。
    缺点:
    (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)。
    注:一种新型产品:引进美国航天航空局而开发的平衡流量计,这种流量计的测量精度是传统节流装置的5-10倍,压力损失1/3。压力恢复快2倍,小直管段可以小至1.5D,安装和使用方便,大大减少流体运行的能力消耗。
    应用概况:
    差压式流量计应用范围特别广泛。在封闭管道的流量测量中各种对象都有应用。如流体方面:单相、混相、洁净、脏污、粘性流等;工作状态方面:常压、高压、真空、常温、高温、低温等;管径方面:从几mm到几m;流动条件方面:亚音速、音速、脉动流等。它在各工业部门的用量约占流量计全部用量的1/4~1/3。
    1、常用标准节流装置(孔板)、(喷嘴)、(文丘利管)。
    2、常用非标准节流装置有(双重孔板)、(圆缺孔板)、(1/4圆喷嘴)和(文丘利喷嘴)。
    3、孔板常用取压方法有(角接取压)、(法兰取压),其它方法有(理论取压)、(径距取压)和(管接取压)。
    4、标准孔板法兰取压法,上下游取压孔中心距孔板前后端面的间距均为(25.4±0.8)mm,也叫1英寸法兰取压。
    5、1151变送器的工作电源范围(12)vdc到(45)vdc,负载从(0)欧姆到(1650)欧姆。
    6、1151dp4e变送器的测量范围是(0~6.2)到(0~37.4)kpa。
    7、1151差压变送器的大正迁移量为(500%),大负迁移量为(600%)。
    8、管道内的流体速度,一般情况下,在(管道中心线)处的流速大,在(管壁)处的流速等于零。
    9、若(雷诺数)相同,流体的运动就是相似的。
    10、当充满管道的流体流经节流装置时,流束将在(缩口)处发生(局部收缩),从而使(流速)增加,而(静压力)降低。
    11、1151差压变送器采用可变电容作为敏感元件,当差压增加时,测量膜片发生位移,于是低压侧的电容量(增加),高压侧的电容量(减少)
    12、1151差压变送器的小调校量程使用时,则大负荷迁移为量程的(600%),大正迁移为(500%),如果在1151的大调校量程使用时,则大负迁移为(100%),正迁移为(0%)。
    13、1151 [4]  差压变送器的精度为(±0.2%)和(±0.25%)。 注:大差压变送器为±0.25%
    14、常用的流量单位、体积流量为(m3/h)、(t/h),质量流量为(kg/h)、(t/h),标准状态下气体体积流量为(nm3/h)。
    15、用孔板流量计测量蒸汽流量,设计时,蒸汽的密度为4.0kg/m3,而实际工作时的密度为3kg/m3,则实际指示流量是设计流量的(0.866)倍。
    16、用孔板流量计测量气氨流量,设计压力为0.2mpa(表压),温度为20℃,而实际压力为0.15mpa(表压),温度为30℃,则实际指示流量是设计流量的(0.897)倍。
    17、节流孔板前的直管段一般要求(10)d,孔板后的直管段一般要求(5)d,为了正确测量,孔板前的直管段好为(30~50)d,特别是孔板前有泵或调节阀时更是如此。
    18、为了使孔板流量计的流量系数α趋向定值,流体的雷诺数应大于(界限雷诺数)。
    19、在孔板加工的技术要求中,上游平面应和孔板中心线(垂直),不应有(可见伤痕),上游面和下游面应(平行),上游入口边缘应(锐利无毛刺和伤痕)。
    浮子
    浮子流量计,又称转子流量计、金属转子流量计、成丰玻璃转子流量计,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。
    浮子流量计是仅次于差压式流量计应用范围宽广的一类流量计,特别在小、微流量方面有举足轻重的作用。
    80年代中期,日本、西欧、美国的销售金额占流量仪表的15%~20%。中国产量1990年估计在12~14万台,其中95%以上为玻璃锥管浮子流量计。
    特点:
    (1)玻璃锥管浮子流量计结构简单,使用方便,缺点是耐压力低,有玻璃管易碎的较大风险;
    (2)适用于小管径和低流速;
    (3)压力损失较低。
    容积式
    [容积式流量计]
    容积式流量计(7张)
    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,可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。
    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。
    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。
    应用概况:
    容积式流量计与差压式流量计、浮子流量计并列为三类使用量大的流量计,常应用于昂贵介质(油品、天然气等)的总量测量。
    1990年产量(不包括家用煤气表)为34万台,其中椭圆齿轮式和腰轮式分别占70%和20%
    电磁流量计
    1、优点
    (1)电磁流量计可用来测量工业导电液体或浆液。
    (2)无压力损失。
    (3)测量范围大,电磁流量变送器的口径从2.5mm到2.6m。
    (4)电磁流量计测量被测流体工作状态下的体积流量,测量原理中不涉及流体的温度、压力、密度和粘度的影响。
    2、缺点
    (1)电磁流量计的应用有一定局限性,它只能测量导电介质的液体流量,不能测量非导电介质的流量,例如气体和水处理较好的供热用水。另外在高温条件下其衬里需考虑。
    (2)电磁流量计是通过测量导电液体的速度确定工作状态下的体积流量。按照计量要求,对于液态介质,应测量质量流量,测量介质流量应涉及到流体的密度,不同流体介质具有不同的密度,而且随温度变化。如果电磁流量计转换器不考虑流体密度,仅给出常温状态下的体积流量是不合适的。
    (3)电磁流量计的安装与调试比其它流量计复杂,且要求更严格。变送器和转换器必须配套使用,两者之间不能用两种不同型号的仪表配用。在安装变送器时,从安装地点的选择到具体的安装调试,必须严格按照产品说明书要求进行。安装地点不能有振动,不能有强磁场。在安装时必须使变送器和管道有良好的接触及良好的接地。变送器的电位与被测流体等电位。在使用时,必须排尽测量管中存留的气体,否则会造成较大的测量误差。
    (4)电磁流量计用来测量带有污垢的粘性液体时,粘性物或沉淀物附着在测量管内壁或电极上,使变送器输出电势变化,带来测量误差,电极上污垢物达到一定厚度,可能导致仪表无法测量。
    (5)供水管道结垢或磨损改变内径尺寸,将影响原定的流量值,造成测量误差。如100mm口径仪表内径变化1mm会带来约2%附加误差。
    (6)变送器的测量信号为很小的毫伏级电势信号,除流量信号外,还夹杂一些与流量无关的信号,如同相电压、正交电压及共模电压等。为了准确测量流量,必须消除各种干扰信号,有效放大流量信号。应该提高流量转换器的性能,好采用微处理机型的转换器,用它来控制励磁电压,按被测流体性质选择励磁方式和频率,可以排除同相干扰和正交干扰。但改进的仪表结构复杂,成本较高。
    (7)价格较高
    超声波流量计
    1、优点
    (1) 超声波流量计是一种非接触式测量仪表,可用来测量不易接触、不易观察的流体流量和大管径流量。它不会改变流体的流动状态,不会产生压力损失,且便于安装。
    (2) 可以测量强腐蚀性介质和非导电介质的流量。
    (3) 超声波流量计的测量范围大,管径范围从20mm~5m.
    (4) 超声波流量计可以测量各种液体和污水流量。
    (5) 超声波流量计测量的体积流量不受被测流体的温度、压力、粘度及密度等热物性参数的影响。可以做成固定式和便携式两种形式。
    2、缺点
    (1) 超声波流量计的温度测量范围不高,一般只能测量温度低于200℃的流体。
    (2) 抗干扰能力差。易受气泡、结垢、泵及其它声源混入的超声杂音干扰、影响测量精度。
    (3) 直管段要求严格,为前20D,后5D。否则离散性差,测量精度低。
    (4) 安装的不确定性,会给流量测量带来较大误差。
    (5) 测量管道因结垢,会严重影响测量准确度,带来显著的测量误差,甚至在严重时仪表无流量显示。
    (6) 可靠性、精度等级不高(一般为1.5~2.5级左右),重复性差。
    (7) 使用寿命短(一般精度只能保证一年)。
    (8) 超声波流量计是通过测量流体速度来确定体积流量,对液体应该测量它的质量流量,仪表测量质量流量是通过体积流量乘以人为设定的密度后得到的,当流体温度变化时,流体密度是变化的,人为设定密度值,不能保证质量流量的准确度。只能在测量流体速度的同时,又测量了流体密度,才能通过运算,得到真实质量流量值。
    (9) 价格较高。
    涡街流量计
    1、优点
    (1) 涡街流量计无可动部件,测量元件结构简单,性能可靠,使用寿命长。
    (2) 涡街流量计测量范围宽。量程比一般能达到1:10。
    (3) 涡街流量计的体积流量不受被测流体的温度、压力、密度或粘度等热工参数的影响。一般不需单独标定。它可以测量液体、气体或蒸汽的流量。
    (4) 它造成的压力损失小。
    (5) 准确度较高,重复性为0.5%,且维护量小。
    2、缺点
    (1) 涡街流量计工作状态下的体积流量不受被测流体温度、压力、密度等热工参数的影响,但液体或蒸汽的终测量结果应是质量流量,对于气体,终测量结果应是标准体积流量。质量流量或标准体积流量都必须通过流体密度进行换算,必须考虑流体工况变化引起的流体密度变化。
    (2) 造成流量测量误差的因素主要有:管道流速不均造成的测量误差;不能准确确定流体工况变化时的介质密度;将湿饱和蒸汽假设成干饱和蒸汽进行测量。这些误差如果不加以限制或消除,涡街流量计的总测量误差会很大。
    (3) 抗振性能差。外来振动会使涡街流量计产生测量误差,甚至不能正常工作。通道流体高流速冲击会使涡街发生体的悬臂产生附加振动,使测量精度降低。大管径影响更为明显。
    (4) 对测量脏污介质适应性差。涡街流量计的发生体极易被介质脏污或被污物缠绕,改变几何体尺寸,对测量精度造成极大影响。
    (5) 直管段要求高。专家指出,涡街流量计直管段一定要保证前40D后20D,才能满足测量要求。
    (6) 耐温性能差。涡街流量计一般只能测量300℃以下介质的流体流量。
    孔板流量计
    1、优点
    (1)标准节流件是全世界通用的,并得到了国际标准组织的认可,无需实流校准,即可投用,在流量计中亦是的。
    (2)结构易于复制,简单、牢固、性能稳定可靠、价格低廉;
    (3)应用范围广,包括全部单相流体(液、气、蒸汽)、部分混相流,一般生产过程的管径、工作状态(温度、压力)皆有产品。
    (4)检测件和差压显示仪表可分开不同厂家生产,便与专业化规模生产;
    2、缺点
    (1)测量的重复性、精确度在流量计中属于中等水平,由于众多因素的影响错综复杂,精确度难于提高。
    (2)范围度窄,由于流量系数与雷诺数有关,一般范围度仅3∶1 ~ 4∶1。
    (3)有较长的直管段长度要求,一般难于满足。尤其对较大管径,问题更加突出;
    (4)压力损失大;
    通常为维持一台孔板流量计正常运行,水泵需要附加动力克服孔板的压力损失。该附加耗电量可直接由压力损失和流量计算确定。一年约需多耗电数万度,折合人民币数万元。下表中列出了孔板在正常压力损失情况下的能耗计算结果。其中运行天数按三百五十天计算,电价按0.35元/度计算。由表中计算电耗数据可见,孔板的附加运行费用是极高的,而采用弯管流量计该运行费用为零!
    (5)孔板以内孔锐角线来保证精度,因此对腐蚀、磨损、结垢、脏污敏感,长期使用精度难以保证,需每年拆下强检一次。
    (6)采用法兰连接,易产生跑、冒、滴、漏问题,大大增加了维护工作量。
    热式质量流量计(恒温差)
    - 优点
    1. 球阀安装,安装拆卸方便。并可以带压安装。
    2. 基于金氏定律,直接测量质量流量。测量值不受压力和温度影响。
    3. 响应迅速。
    4.量程范围大,管道式安装小可以测量8.8mm管道的流量,大可以测到30’’
    5. 插入式类型的流量计,一支流量计可以用于测量多种管径。
    - 缺点
    1.精度不及其他类型流量计,一般为3%。
    2.适用范围窄,只能用于测量干燥的非爆炸性的气体,如压缩空气、氮气、氩气及其他中性气体。

    其它常用类型


    超声波
    超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。 [5] 
    根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。
    超声流量计和电磁流量计一样,因仪表流通通道未设置任何阻碍件,均属无阻碍流量计,是适于解决流量测量困难问题的一类流量计,特别在大口径流量测量方面有较突出的优点,它是发展迅速的一类流量计之一。
    优点:
    (1)可做非接触式测量;(2)为无流动阻挠测量,无压力损失;
    (3)可测量非导电性液体,对无阻挠测量的电磁流量计是一种补充。
    缺点:
    (1)传播时间法只能用于清洁液体和气体;而多普勒法只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体; (2)多普勒法测量精度不高。
    应用概况:
    (1)传播时间法应用于清洁、单相液体和气体。典型应用有工厂排放液、:怪液、液化天然气等;
    (2)气体应用方面在高压天然气领域已有使用良好的经验;
    (3)多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体,例如:未处理污水、工厂排放液、脏流程液;通常不适用于非常清洁的液体。
    热式
    热式流量计传感器包含两个传感元件,一个速度传感器和一个温度传感器。它们自动地补偿和校正气体温度变化。仪表的电加热部分将速度传感器加热到高于工况温度的某一个定值,使速度传感器和测量工况温度的传感器之间形成恒定温差。当保持温差不变时,电加热消耗的能量,也可以说热消散值,与流过气体的质量流量成正比。
    热式气体质量流量计即Mass Flow Meter(缩写为MFM),它是气体流量计量中新型仪表,区别于其它气体流量计不需要进行压力和温度修正,直接测量气体的质量流量,一支传感器可以做到量程从极低到高量程。它适合单一气体和固定比例多组份气体的测量。
    热式气体质量流量计是用于测量和控制气体质量流量的新型仪表。可用于石油、化工、钢铁、冶金、电力、轻工、医药、环保等工业部门的空气、烃类气体、可燃性气体、烟道气体的监测。
    [热式流量计]
    热式流量计(2张)
    特点:
    1、可靠性高 重复性好 测量精度高 压损小;
    2、无活动部件量程比宽 响应速度快 无须温压补偿。
    应用:
    1、工业管道中气体质量流量测量
    2、烟囱排出的烟气流速测量
    3、、煅烧炉烟道气流量测量
    4、燃气过程中空气流量测量
    5、、压缩空气流量测量
    6、半道体芯片制造过程中气体流量测量
    7、、污水处理中气体流量测量
    8、加热通风和空调系统中的气体流量测量
    9、、熔剂回收系统气体流量测量
    10、燃烧锅炉中燃烧气体流量测量
    11、、天然气、火炬气、氢气等气体流量测量
    12、、啤酒生产过程中二氧化碳气体流量测量
    13、、水泥、卷烟、玻璃厂生产过程中气体质量流量测量
    明渠
    与前述几种不同,它是在非满管状敞开渠道测量自由表面自然流的流量仪表。
    [面积式明渠流量计] 面积式明渠流量计
    非满管态流动的水路称作明渠,测量明渠中水流流量的称作明渠流量计(open channel flowmeter)。
    明渠流量计除圆形外,还有U字形、梯形、矩形等多种形状。
    明渠流量计配合各种标准的三角堰、矩形堰、巴歇尔槽等测流堰槽,能准确的测量明渠的流量。
    明渠流量计应用场所有城市供水引水渠;火电厂引水和排水渠、污水治理流入和排放渠;工矿企业水排放以及水利工程和农业灌溉用渠道。有人估计1995台,约占流量仪表整体的1.6%,但是国内应用尚无估计数据。

    选购方法


    一般选型
    可以从五个方面进行考虑,这五个方面为流量计仪表性能方面、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:

    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;
    流体特性方面: 温度、压力、密度、粘度、化学腐蚀、磨蚀性、结垢、混相、相变、电导率、声速、导热系数、比热容,等熵指数;
    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、等;
    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;
    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。

    (二)流量计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(要有几种类型以便进行选择);
    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终确定预选目标。
    注意事项

    流体特性主要指燃气的压力、温度、密度、黏度、压缩性等,由于煤气的体积随着温度、压力而变化,应考虑是否要补偿修正。
    仪表性能是指仪表的精度、重复性、线性度、量程比、压力损失、起始流量、输出信号及响应时间等,选流量计时应对上述指标进行仔细分析比较,选择能满足计量介质流量要求的仪表。
    安装条件是指燃气流向、管道走向、上下游直管道长度、管径、空间位置及管件等,这些都会影响燃气煤气流量计的准确运行、维护保养和使用寿命。
    经济因素是指购置费、安装费、维护费、校验费及备品备件等,其又受燃气煤气流量计的性能、可靠性、寿命等影响。
    精度等级和功能根据测量要求和使用场合选择仪表精 度等级,做到经济合算。比如用于贸易结算、产品交接和能源计量的场合,

    在精度等级选择,如1.0级、0.5级,或者更高等级,用于过程控制的场合,根据控制要求选择不同精度等级。有些仅仅是检测一下过程流量,无需做精确控制和计量的场合,可以选择精度等级稍低的,如1.5级、2.5级,甚至 4.0级,这时可以选用价格低廉的插入式电磁流量计测量介质流速、仪表量程与口径测量一般的介质时,电磁流量计的满度流量可以在测量介质流速0.5—12m/s范围内选用范围比较宽。选择仪表规格(口径)不一 定与工艺管道相同,应视测量流量范围是否在流速范围内确定,即当管道流速偏低不能满足流量仪表要求时或者在此流速下测量准确度不能保证时,需要缩小仪表口径,从而提高管内流速,得到满意测量结果。

    故障分析


    (1)流量控制仪表系统指示值达到小时,首先检查现场检测仪表,如果正常,则故障在显示仪表。当现场检测仪表指示也小,则检查调节阀开度,若调节阀开度为零,则常为调节阀到调节器之间故障。当现场检测仪表指示小,调节阀开度正常,故障原因很可能是系统压力不够、系统管路堵塞、泵不上量、介质结晶、操作不当等原因造成。若是仪表方面的故障,原因有:孔板差压流量计可能是正压引压导管堵;差压变送器正压室漏;机械式流量计是齿轮卡死或过滤网堵等。
    (2)流量控制仪表系统指示值达到大时,则检测仪表也常常会指示大。此时可手动遥控调节阀开大或关小,如果流量能降下来则一般为工艺操作原因造成。若流量值降不下来,则是仪表系统的原因造成,检查流量控制仪表系统的调节阀是否动作;检查仪表测量引压系统是否正常;检查仪表信号传送系统是否正常。
    (3)流量控制仪表系统指示值波动较频繁,可将控制改到手动,如果波动减小,则是仪表方面的原因或是仪表控制参数PID不合适,如果波动仍频繁,则是工艺操作方面原因造成。

    市场因数


    驱动因素据国际能源署(IEA)预测,从2007至2030年全球需要对能源基础设施累计投资26.0万亿美元(以2007年美元价值计)。其中,电力行业投资13.6万亿美元,占总投资额的52.3%。到2030年,世界许多地方的石油、天然气和电力的基础设施将需要更换。从长期来看,可预见的能源投资将给流量计在石油天然气和能源行业板块的应用带来不小的发展空间。
    面临激烈的竞争环境,以及为了应对全球节能减排的诉求,各个行业用户更加关注生产工厂的运行效率,尽可能降低能耗,以提高竞争力。因此,大量的投资被用于提升工厂的自动化水平和现场数据的采集和实时监控,以提升工厂的过程控制效率。诸如,在石油天然气和能源行业,密闭传输设施中需要性能可靠的流体测量设备;化工和制药行业中需要高精准的流量计等,种种趋势必将带动传感器和现场设备(包括流量计)的发展。
    流量计中正在更多地引入电子技术,如数字信号处理(DSP)和微处理器,这使得流量计具备了自诊断功能,并且能够更好地与生产控制层面进行通信。性能的提高更好地满足了行业用户的需求,给流量计创造了更多的市场应用空间。
    抑制因素当前全球经济形势有待进一步提振,工业品需求不旺盛。众多行业用户放缓新项目投资或者暂停设备更新升级,等待全球经济出现复苏迹象。所以,在短期内,这将会给流量计在其主要应用行业的发展前景带来一定影响。
    全球流量计市场生产商众多,竞争异常激烈。同时,流量计生产商正面临着行业用户对价格较为苛刻的要求,为了能够使产品更好地渗透进入流量计应用的主要行业,生产商之间的价格竞争再所难免。这一现象在新兴经济体,尤其中国,很普遍。价格往往成为决定采购行为的主要决定因素。长此以往,生产商更多关注价格策略,导致产品创新性不够,阻碍市场发展。

    面临的挑战

    传统的机械式流量计,例如差压式流量计、容积式流量计和变面积式流量计,已经处于普及化阶段,价格竞争激烈,利润空间日益减少,技术革新较少,市场相对成熟。Frost&Sullivan认为,实现产品的差异化和定制化生产是生产商在成熟市场的激烈竞争中的一个重要突破点。根据弗若斯特沙利文对行业用户的需求进行分析,用户群体希望生产商能够提供为生产过程带来切实利益的自动化设备。用户在产品应用过程中会产生具体的需求,例如:应用在石化行业的特殊环境中,需要坚固耐用的设计以及防爆认证;用户对直管设计的科氏流量计的需求等。如何有效获取用户实际需求,并且对传统产品进行改良,是对生产商差异化和定制化生产过程的一个不小挑战。
    引导用户接受并使用新技术流量计,如SBL靶式流量计、超声波流量计、电磁流量计、质量流量计以及V锥流量计(孔板流量计)等等,是生产商把市场做大做强的又一个挑战。
    此外,新技术流量计不断被引入各个行业的同时,快速有效的售后服务对生产商来说同样至关重要。尤其是运用基于基金会现场总线和ProfibusPA总线的流量计,对软件技术有一定要求,有效的服务能够为用户提供更适合的解决方案,并且贴近用户。

    展望未来

    从机械式流量计到电子技术流量计的革新是流量计重要的发展趋势之一。靶式流量计、电磁流量计、超声波流量计、涡街流量计和V锥流量计(孔板流量计)利用电气原理工作,从而避免了机械流量计工作中需要更换的运动机件。同时,自诊断功能被引入流量计中,使得流量仪表不仅仅是简单的测量工具,更多地为了系统维护的目的,例如:空管道侦测和自检验等。并且,在电子流量计中结合先进的通信技术后,使得控制人员能够远程实时获取生产现场的流量数据和历史数据。
    据Frost&Sullivan的研究,当前全球约89.0%的流量计采用mAHART通信协议,因为采用mAHART通信协议的流量计在安装难度和操作要求上都低于采用现场总线协议的流量计,并且引入现场总线系统对用户来说也是一项不小的成本。但是,随着行业用户不断提高自动化水平,希望从流量测量中获取除了流量数据以外更多的信息,比如,诊断信息和状态检测等,这些数据传送都需要依赖现场总线支持。而且,西门子和艾默等厂商生正在着力推行现场总线协议的流量测量技术。相信,这必将推动现场总线协议流量计在各个行业的应用前景。
    此外,无线技术流量计也正在逐步被用户所接受,恶劣环境中的流体测量对无线技术来说是一个很好的应用空间。不过,用户完全接受并普及无线技术流量计还需要一定的时间。

    参考资料

    1.  田野,王岳,郭士欢,刘勇峰,胡宗柳. 常见流量计的应用[J]. 当代化工,2011,40(12):1294-1296+1304. [2017-08-24]. DOI:10.13840/j.cnki.cn21-1457/tq.2011.12.006  .知网 [引用日期2017-08-24]
    2.  陈锦聪. 科里奥利质量流量计的测量原理及应用[J]. 青岛科技大学学报(自然科学版),2015,36(S2):236-237. [2017-08-24].   .知网[引用日期2017-08-24]
    3.  袁中林,梁君英. 靶式流量计的分类及应用[J]. 自动化仪表,2008,(04):67-70+73. [2017-08-24]. DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.2008.04.005  .知网[引用日期2017-08-24]
    4.  孙国林,王美华. 差压变送器的现状和进展[J]. 仪表技术与传感器,1998,(08):37-39. [2017-08-24].   .知网[引用日期2017-08-24]
    5.  李广峰,刘昉,高勇. 超声波流量计的高精度测量技术[J]. 仪器仪表学报,2001,(06):644-647. [2017-08-24].   .知网[引用日期2017-08-24]


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