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流量計

我有新說法

流量計英文名稱是flowmeter,全國科學技術名詞審定委員會把它定義為:指示被測流量和(或)在選定的時間間隔內流體總量的儀表。簡單來說就是用于測量管道或明渠中流體流量的一種儀表。


流量計又分為有差壓式流量計、轉子流量計、節流式流量計、細縫流量計、容積流量計、電磁流量計、超聲波流量計等。按介質分類:液體流量計和氣體流量計。


目錄

概述


計量是工業生產的眼睛。流量計量是計量科學技術的組成部分之一,它與國民經濟、國防建設、科學研究有密切的關系。做好這一工作,對保證產品質量、提高生產效率、促進科學技術的發展都具有重要的作用,特別是在能源危機、工業生產自動化程度愈來愈高的當今時代,流量計在國民經濟中的地位與作用更加明顯。
工程上常用單位m3/h,它可分為瞬時流量(Flow Rate)和累計流量(Total Flow),瞬時流量即單位時間內過封閉管道或明渠有效截面的量,流過的物質可以是氣體、液體、固體;累計流量即為在某一段時間間隔內(一天、一周、一月、一年)流體流過封閉管道或明渠有效截面的累計量。通過瞬時流量對時間積分亦可求得累計流量,所以瞬時流量計和累計流量計之間也可以相互轉化。 [1] 

發展歷史


早在1738年,瑞士人丹尼爾伯努利以第一伯努利方程為基礎利用差壓法測量水流量。后來意大利人G.B.文丘里研究用文丘里管測量流量,并于1791年發表了研究結果。
1886年,美國人赫謝爾應用文丘里管制成了測量水流量的的實用測量裝置。
20世紀初期到中期,原有的測量原理逐漸走向成熟,人們不再將思路局限在原有的測量方法上,而是開始了新的探索。
到了30年代,又出現了探討用聲波測量液體和氣體的流速的方法聲波測量流量的方法,但到第二次世界大戰為止未獲得很大進展,直到1955年才有了應用聲循環法的馬克森流量計的問世,用于測量航空燃料的流量。
20世紀的60年代以后,測量儀表開始向精密化、小型化等方向發展。
隨著集成電路技術的迅速發展,具有鎖相環路技術的超聲(波)流量計也得到了普遍應用,微型計算機的廣泛應用,進一步提高了流量測量的能力,如激光多普勒流速計應用微型計算機后,可處理較為復雜的信號。

發展趨勢


在工業現場,測量流體流量的儀表統稱為流量計或流量表。是工業測量中重要的儀表之一。隨著工業的發展,對流量測量的準確度和范圍要求越來越高,為了適應多種用途,各種類型的流量計相繼問世,廣泛應用于石油天然氣、石油化工、水處理、食品飲料、制藥、能源、冶金、紙漿造紙和建筑材料等行業。
弗若斯特沙利文咨詢公司運用360度全視角研究模型,著眼于全球,綜合應用行業、科技技術發展、經濟、競爭環境和行業用戶等多項模塊,對流量計市場進行全面研究。本文以靶式流量計、容積式流量計、渦輪流量計、差壓式流量計、變面積式流量計、電磁流量計、超聲波流量計、渦街流量計(典型的流體振蕩式流量計)、科里奧利質量流量計和插入式熱質量流量計作為研究對象,對市場進行分析。 [1] 
2008年全球流量計的市場規模達到28.3億美元,較2007年增長約3.9%。

發展現狀


由于缺乏國家在這行業體制機制強有力的支持,造成我國儀器儀表行業缺乏高層次的復合型人才,缺乏熟悉、精通各學科交叉的綜合型人才。自主創新能力低下,自主知識產權匱乏。具體表現在國產高端自動化產品奇缺,市場競爭力不強。
現代計量是光、機、電、計算機和許多基礎學科高度綜合的產物,對新技術比較敏感,是現代產業產品中更新換代速度比較快的產品之一,每年都會有新產品推出,特別是在當今信息技術攻速發展的時代,競爭日趨激烈,發展速度稍微慢點就會被遠遠拋在后面。我國雖然已經進入21世紀,但許多東西還停留在80年代初的水平上,大型和高檔的儀器設備幾乎全部依靠進口,甚至有的專用儀器在國內還處于空白狀態,中低端的產品質量保證上還有許多問題需要攻克。
因此,必須要有國家戰略高度的規劃和相關資源的大力支撐,才有機會去不斷縮小差距。如果測試儀器企業無法做到一個比較大的規模,那么就很難具備和國際巨頭一較長短的實力,而前期的成長需要巨額長期的資金投入。

應用范圍


流量計量廣泛應用于工農業生產、國防建設、科學研究對外貿易以及人民生活各個領域之中。在石油工業生產中,從石油的開采、運輸、煉冶加工直至貿易銷售,流量計量貫穿于全過程中,任何一個環節都離不開流量計量,否則將無法保證石油工業的正常生產和貿易交往。在化工行業,流量計量不準確會造成化學成分分配比失調,無法保證產品質量,嚴重的還會發生生產安全事故。在電力工業生產中,對液體、氣體、蒸汽等介質流量的測量和調節占有重要地位。流量計量的準確與否不僅對保證發電廠在佳參數下運行具有很大的經濟意義,而且隨著高溫高壓大容量機組的發展,流量測量已成為保證發電廠安全運行的重要環節。如大容量鍋爐瞬時給水流量中斷或減少,都可能造成嚴重的干鍋或爆管事故。這就要求流量測量裝置不但應做到準確計量,而且要及時地發出報警信號。在鋼鐵工業生產中,煉鋼過程中循環水和氧氣(或空氣)的流量測量是保證產品質量的重要參數之一。在輕工業、食品、紡織等行業中,也都離不開流量計量。
應用比較多的換能器是外夾式和插入式。單聲道超聲波流量計結構簡單、使用方便,但這種流量計對流態分布變化適應性差,微電子技術和計算機技術的飛躍發展極大地推動儀表更新換代,新型流量計如雨后春筍般涌現出來。至今,據稱已有上百種流量計投向市場,現場使用中許多棘手的難題可望獲得解決。我國開展近代流量測量技術的工作比較晚,被設置在測量流動通道6的上游端并相對于孔眼11和12,用于減少被測量的流體流入孔眼11和12;測量控制部件19,用于測量超聲波換能器8和9之間的超聲波的傳播時間;及計算部件20,用于根據該測量控制部件19的信號計算流量。
流量計盡量避開鐵磁性物體及具有強電磁場的設備(如大電機、大變壓器的等),以免磁場影響傳感器的工作磁場和流量信號。傳感器勺轉換器間的流量信號線和激磁線。然而從雷電故障中損壞零部件的分析,引起故障的感應高電壓和浪涌電流大部分足從控制室電源線路引入的,其他兩條途徑較少。由于電磁流量計測量含有懸浮固相或污臟體的機會遠比其他流量儀表多,出現內壁附著層產生的故障概率也就相對較高。若附著層電導率與液體電導率相近。常見的調試期故障通常由安裝不妥。

應用發展


科里奧利

科里奧利質量流量計(以下簡稱CMF)是利用流體在振動管中流動時,產生與質量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質量流量儀表。 [2] 
中國CMF的應用起步較晚,已有幾家制造廠自行開發供應市場;還有幾家制造廠組建合資企業或引用國外技術生產系列儀表。
國外CMF已發展30余系列,各系列開發在技術上著眼點在于:流量檢測測量管結構上設計創新:提高儀表零點穩定性和精確度等性能;增加測量管撓度,提高靈敏度:改善測量管應力分布,降低疲勞損壞,加強抗振動干擾能力等。
某些廠家研發出了可以測量氣液兩相的科里奧利儀表,可以應用在卸船,含氣泡介質等原先傳統儀表無法工作的場合。同時有一種MVD變送器可以實現儀表在線自校驗,即無需將流量計拆下,利用對流量管剛性的檢查,來判斷現場儀表的性能。

電磁

EMF從50年代初進入工業應用以來,使用領域日益擴展,80年代后期起在各國流量儀表銷售金額中已占16%~20%。
中國發展迅速,1994年銷售估計為6500~7500臺。國內已生產大口徑為2~6m的EMF,并有實流校驗口徑3m的設備能力。2008年銷售額已經達到7700萬美元,估計銷售量在35萬臺以上。

渦街

USF在60年代后期進入工業應用,80年代后期起在各國流量儀表銷售金額中已占4%~6%。1992年世界范圍估計銷售量為3548萬臺,同期國內產品估計在8000~9000臺。

應用領域

流量測量技術與儀表的應用大致有以下幾個領域。
工業生產
流量儀表是過程自動化儀表與裝置中的大類儀表之一,它被廣泛適用于冶金、電力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、輕紡、食品、醫藥、農業、環境保護及人民日常生活等國民經濟各個領域,是發展工農業生產,節約能源,改進產品質量,提高經濟效益和管理水平的重要工具在國民經濟中占有重要的地位。在過程自動化儀表與裝置中,流量儀表有兩大功用:作為過程自動化控制系統的檢測儀表和測量物料數量的總量表。
能源計量
能源分為一次能源(煤炭、原油、煤層氣、石油氣和天然氣)、二次能源(電力、焦炭、人工燃氣、成品油、液化石油氣、蒸汽)及載能工質(壓縮空氣、氧、氮、氫、水)等。能源計量是科學管理能源,實現節能降耗,提高經濟效益的重要手段。流量儀表是能源計量儀表的重要組成部分,水、人工燃氣、天然氣、蒸汽和油品這些常用的能源都使用著數量極其龐大的流量計,它們是能源管理和經濟核算不可缺少的工具。
環境保護
煙氣,廢液、污水等的排放嚴重污染大氣和水資源,嚴重威脅人類生存環境。國家把可持續發展列為國策,環境保護將是21世紀的大課題??諝夂退奈廴疽玫娇刂?,必須加強管理,而管理的基礎是污染量的定量控制,流量計在煙氣排放、污水、廢氣處理流量計量方面有著不可替代的位置。
中國是以煤為主要能源的國家,全國有上百萬個煙囪不停地向大氣排放煙氣。煙氣排放控制是根治污染的重要項目,每個煙囪必須是安裝煙氣分析儀表和流量計,組成連櫝排放監視系統。煙氣的流量沆量有很大因難,它的難度為煙囪尺寸大且形狀不規則,氣體組分變化不定,流速范圍大,臟污,灰塵,腐蝕,高溫,無直管段等。
交通運輸
有五種方式:鐵路公路、航空、水運和管道運輸。其中管道運輸雖早已有之,但應用并不普遍。隨著環保問題的突出,管道運輸的特點引起人們的重視。管道運輸必須裝備流量計,它是控制、分配和調度的眼睛,亦是安全監沒和經濟核算的必備工具。

生物制藥

21世紀將迎來生命科學的世紀,以生物技術為特征的產業將獲得迅速發展。生物技術中需監測計量的物質很多,如血液,尿液等;醫藥行業對各種醫藥配方,液體制劑成分的控制流量儀表也是不和或缺的。儀表開發的難度極大,品種繁多。

科學實驗

科學實驗需要的流量計不但數量多,且品種極其繁雜。據統計流量計100多種中很大一部分是應科研之需用的,它們并不批量生產,在市面出售,許多科研機構和大企業皆設專門小組研制專用的流量計。
海洋、江河湖泊
這些領域為敞開流道,一般需檢測流速,然后推算流量。流速計和流量計所依據的物理原理及流體力學基礎是共通的但是儀表原理及結構以及使用前提有很大差別。

執行標準


CJ/T1017-1993潛水型電磁流量計1993-12-01作廢
CJ/T122-2000超聲多普勒流量計建設部2001-06-01現行
CJ/T3017-1993潛水電磁流量計建設部1993-12-01現行
CJ/T3054.1-1995水量計量儀表均速管流量計建設部1994-12-01現行
CJ/T3063-1997給排水用超聲流量計(傳播速度差法)建設部1997-02-01現行
GB/T12826-1991移動設備用卷繞電纜載流量計算導則國家技術監督局1992-02-01現行
GB/T17286.1-1998液態烴動態測量體積計量流量計檢定系統第1部分:一般原則國家技術監督局1998-10-01現行
GB/T17286.2-1998液態烴動態測量體積計量流量計檢定系統第2部分:體積管國家技術監督局1998-10-01現行
GB/T17286.3-1998液態烴動態測量體積計量流量計檢定系統第3部分:脈沖插入技術國家技術監督局1998-10-01現行
GB/T17286.4-2006液態烴動態測量體積計量流量計檢定系統第4部分:體積管操作人員指南國家質量監督檢驗檢疫2006-07-01現行
GB/T17288-1998液態烴體積測量容積式流量計計量系統國家技術監督局1998-10-01現行
GB/T17288-2009液態烴體積測量容積式流量計計量系統2009-10-01即將實施
GB/T17289-1998液態烴體積測量渦輪流量計計量系統國家技術監督局1998-10-01現行
GB/T17289-2009液態烴體積測量渦輪流量計計量系統2009-10-01即將實施
GB/T18604-2001用氣體超聲流量計測量天然氣流量國家質量監督檢驗檢疫.2002-08-01現行
GB/T18659-2002封閉管道中導電液體流量的測量電磁流量計的性能評定方法國家質量監督檢驗檢疫.2002-08-01現行

常用類型


流量測量方法和儀表的種類繁多,分類方法也很多。2011年以前可供工業用的流量儀表種類達60種之多。品種如此之多的原因就在于沒有一種對任何流體、任何量程、任何流動狀態以及任何使用條件都適用的流量儀表,但是隨著時代的進步,這個科技大爆炸的時代里,終于出現了一個新產品-質量流量計,質量流量計適用于任何流體、任何量程、任何流動狀態以及任何使用條件,只是價格比較昂貴,無法在所以工業中都得到普及。
舊式的60多種流量儀表,每種產品都有它特定的適用性,也都有它的局限性。按測量對象劃分就有封閉管道和明渠兩大類;按測量目的又可分為總量測量和流量測量,其儀表分別稱作總量表和流量計。
此外,按測量原理可分為如下幾個大類:
1、力學原理:屬于此類原理的儀表有利用伯努利定理的差壓式、轉子式;利用動量定理的沖量式、可動管式;利用牛頓第二定律的直接質量式;利用流體動量原理的靶式;利用角動量定理的渦輪式;利用流體振蕩原理的旋渦式、渦街式;利用總靜壓力差的皮托管式以及容積式和堰、槽式等等。
2、電學原理:用于此類原理的儀表有電磁式、差動電容式、電感式、應變電阻式等。
3、聲學原理:利用聲學原理進行流量測量的有超聲波式.聲學式(沖擊波式)等。
4、熱學原理:利用熱學原理測量流量的有熱量式、直接量熱式、間接量熱式等。
5、光學原理:激光式、光電式等是屬于此類原理的儀表。
6、原子物理原理:核磁共振式、核輻射式等是屬于此類原理的儀表.
7、其它原理:有標記原理(示蹤原理、核磁共振原理)、相關原理等。
本文按照目前流行、廣泛的分類法分別來闡述各種流量計的原理、特點、應用概況及國內外的發揮在那情況:
靶式
靶式流量計是基于力學原理的一種流量計,它在工業上的開發應用已有數十年的歷史。新型SBL靶式流量計是在傳統靶式流量計的基礎上,隨著新型傳感器、微電子技術的發展研制開發成的新型電容力感應式流量計,它既有孔板、渦街等流量計無可動部件的特點,同時又具有很高的靈敏度、與容積式流量計相媲美的準確度,量程范圍寬。 [3] 
中國于20世紀70年代開發電動、氣動靶式流量變送器它是電動、氣動單元組合儀表的檢測儀表。由于當時力轉換器直接采用差壓變送器的力平衡機構,這種流量計使用時不免帶來力平衡機構本身所造成的諸多缺陷,如零位易漂移,測量精確度低,杠桿機構可靠性差等。由于力平衡機構性能不佳的拖累,靶式流量計本身的許多優點亦未能得到有效的發揮,至今用戶對舊靶式流量計的不良印象仍未消除。
新型SBL靶式流量計的力轉換器采用應變式力轉換器,它完全消除了上述力平衡機構的缺點,新型靶式流量計還把微電子技術和計算機技術應用到信號轉換器和顯示部分,流量計具有一系列優點,相信今后在眾多流量計中發揮重要的作用。
差壓式
差壓式流量計是根據安裝于管道中流量檢測件與流體相互作用產生的差壓,已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來計算流量的儀表。
差壓式流量計由一次裝置(檢測件)和二次裝置(差壓轉換器和流量顯示儀表)組成。通常以檢測件形式對差壓式流量計分類,如孔板流量計、文丘里流量計、均速管流量計、皮托管原理式-畢托巴流量計等。
二次裝置為各種機械、電子、機電一體式差壓計,差壓變送器及流量顯示儀表。它已發展為三化(系列化、通用化及標準化)程度很高的、種類規格龐雜的一大類儀表,它既可測量流量參數,也可測量其它參數(如壓力、物位、密度等)。
差壓式流量計的檢測件按其作用原理可分為:節流裝置、水力阻力式、離心式、動壓頭式、動壓頭增益式及射流式幾大類。
檢測件又可按其標準化程度分為二大類:標準的和非標準的。
所謂標準檢測件是只要按照標準文件設計、制造、安裝和使用,無須經實流標定即可確定其流量值和估算測量誤差。
非標準檢測件是成熟程度較差的,尚未列入國際標準中的檢測件。差壓式流量計是一類應用廣泛的流量計,在各類流量儀表中其使用量占居首位。由于各種新型流量計的問世,它的使用量百分數逐漸下降,但目前仍是重要的一類流量計。
差壓式流量計流體體積流量公式為:
v=aA √2/j(p-q)
v--體積
j--液體密度
a--流量系數,與流道尺寸 取壓方式和流速公布有關
A--孔板開孔面積
p-q--壓力差
優點:
(1)應用多的孔板式流量計結構牢固,性能穩定可靠,使用壽命長;
(2)應用范圍廣泛,至今尚無任何一類流量計可與之相比擬;
(3)檢測件與變送器、顯示儀表分別由不同廠家生產,便于規模經濟生產。
缺點:
(1)測量精度普遍偏低;
(2)范圍度窄,一般僅3:1~4:1;
(3)現場安裝條件要求高;
(4)壓損大(指孔板、噴嘴等)。
注:一種新型產品:引進美國航天航空局而開發的平衡流量計,這種流量計的測量精度是傳統節流裝置的5-10倍,壓力損失1/3。壓力恢復快2倍,小直管段可以小至1.5D,安裝和使用方便,大大減少流體運行的能力消耗。
應用概況:
差壓式流量計應用范圍特別廣泛。在封閉管道的流量測量中各種對象都有應用。如流體方面:單相、混相、潔凈、臟污、粘性流等;工作狀態方面:常壓、高壓、真空、常溫、高溫、低溫等;管徑方面:從幾mm到幾m;流動條件方面:亞音速、音速、脈動流等。它在各工業部門的用量約占流量計全部用量的1/4~1/3。
1、常用標準節流裝置(孔板)、(噴嘴)、(文丘利管)。
2、常用非標準節流裝置有(雙重孔板)、(圓缺孔板)、(1/4圓噴嘴)和(文丘利噴嘴)。
3、孔板常用取壓方法有(角接取壓)、(法蘭取壓),其它方法有(理論取壓)、(徑距取壓)和(管接取壓)。
4、標準孔板法蘭取壓法,上下游取壓孔中心距孔板前后端面的間距均為(25.4±0.8)mm,也叫1英寸法蘭取壓。
5、1151變送器的工作電源范圍(12)vdc到(45)vdc,負載從(0)歐姆到(1650)歐姆。
6、1151dp4e變送器的測量范圍是(0~6.2)到(0~37.4)kpa。
7、1151差壓變送器的大正遷移量為(500%),大負遷移量為(600%)。
8、管道內的流體速度,一般情況下,在(管道中心線)處的流速大,在(管壁)處的流速等于零。
9、若(雷諾數)相同,流體的運動就是相似的。
10、當充滿管道的流體流經節流裝置時,流束將在(縮口)處發生(局部收縮),從而使(流速)增加,而(靜壓力)降低。
11、1151差壓變送器采用可變電容作為敏感元件,當差壓增加時,測量膜片發生位移,于是低壓側的電容量(增加),高壓側的電容量(減少)
12、1151差壓變送器的小調校量程使用時,則大負荷遷移為量程的(600%),大正遷移為(500%),如果在1151的大調校量程使用時,則大負遷移為(100%),正遷移為(0%)。
13、1151 [4]  差壓變送器的精度為(±0.2%)和(±0.25%)?!∽ⅲ捍蟛顗鹤兯推鳛?plusmn;0.25%
14、常用的流量單位、體積流量為(m3/h)、(t/h),質量流量為(kg/h)、(t/h),標準狀態下氣體體積流量為(nm3/h)。
15、用孔板流量計測量蒸汽流量,設計時,蒸汽的密度為4.0kg/m3,而實際工作時的密度為3kg/m3,則實際指示流量是設計流量的(0.866)倍。
16、用孔板流量計測量氣氨流量,設計壓力為0.2mpa(表壓),溫度為20℃,而實際壓力為0.15mpa(表壓),溫度為30℃,則實際指示流量是設計流量的(0.897)倍。
17、節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,為了正確測量,孔板前的直管段好為(30~50)d,特別是孔板前有泵或調節閥時更是如此。
18、為了使孔板流量計的流量系數α趨向定值,流體的雷諾數應大于(界限雷諾數)。
19、在孔板加工的技術要求中,上游平面應和孔板中心線(垂直),不應有(可見傷痕),上游面和下游面應(平行),上游入口邊緣應(銳利無毛刺和傷痕)。
浮子
浮子流量計,又稱轉子流量計、金屬轉子流量計、成豐玻璃轉子流量計,是變面積式流量計的一種。在一根由下向上擴大的垂直錐管中,圓形橫截面的浮子的重力是由液體動力承受的,從而使浮子可以在錐管內自由地上升和下降。
浮子流量計是僅次于差壓式流量計應用范圍寬廣的一類流量計,特別在小、微流量方面有舉足輕重的作用。
80年代中期,日本、西歐、美國的銷售金額占流量儀表的15%~20%。中國產量1990年估計在12~14萬臺,其中95%以上為玻璃錐管浮子流量計。
特點:
(1)玻璃錐管浮子流量計結構簡單,使用方便,缺點是耐壓力低,有玻璃管易碎的較大風險;
(2)適用于小管徑和低流速;
(3)壓力損失較低。
容積式
[容積式流量計]
容積式流量計(7張)
容積式流量計,又稱定排量流量計,簡稱PD流量計,在流量儀表中是精度高的一類。它利用機械測量元件把流體連續不斷地分割成單個已知的體積部分,根據測量室逐次重復地充滿和排放該體積部分流體的次數來測量流體體積總量。
容積式流量計按其測量元件分類,可分為橢圓齒輪流量計、刮板流量計、雙轉子流量計、旋轉活塞流量計、往復活塞流量計、圓盤流量計、液封轉筒式流量計、濕式氣量計及膜式氣量計等。
優點:
(1)計量精度高;
(2)安裝管道條件對計量精度沒有影響;
(3)可用于高粘度液體的測量;
(4)范圍度寬;
(5)直讀式儀表無需外部能源可直接獲得累計總量,清晰明了,操作簡便。
缺點:
(1)結果復雜,體積龐大;
(2)被測介質種類、口徑、介質工作狀態局限性較大:
(3)不適用于高、低溫場合;
(4)大部分儀表只適用于潔凈單相流體;
(5)產生噪聲及振動。
應用概況:
容積式流量計與差壓式流量計、浮子流量計并列為三類使用量大的流量計,常應用于昂貴介質(油品、天然氣等)的總量測量。
1990年產量(不包括家用煤氣表)為34萬臺,其中橢圓齒輪式和腰輪式分別占70%和20%
電磁流量計
1、優點
(1)電磁流量計可用來測量工業導電液體或漿液。
(2)無壓力損失。
(3)測量范圍大,電磁流量變送器的口徑從2.5mm到2.6m。
(4)電磁流量計測量被測流體工作狀態下的體積流量,測量原理中不涉及流體的溫度、壓力、密度和粘度的影響。
2、缺點
(1)電磁流量計的應用有一定局限性,它只能測量導電介質的液體流量,不能測量非導電介質的流量,例如氣體和水處理較好的供熱用水。另外在高溫條件下其襯里需考慮。
(2)電磁流量計是通過測量導電液體的速度確定工作狀態下的體積流量。按照計量要求,對于液態介質,應測量質量流量,測量介質流量應涉及到流體的密度,不同流體介質具有不同的密度,而且隨溫度變化。如果電磁流量計轉換器不考慮流體密度,僅給出常溫狀態下的體積流量是不合適的。
(3)電磁流量計的安裝與調試比其它流量計復雜,且要求更嚴格。變送器和轉換器必須配套使用,兩者之間不能用兩種不同型號的儀表配用。在安裝變送器時,從安裝地點的選擇到具體的安裝調試,必須嚴格按照產品說明書要求進行。安裝地點不能有振動,不能有強磁場。在安裝時必須使變送器和管道有良好的接觸及良好的接地。變送器的電位與被測流體等電位。在使用時,必須排盡測量管中存留的氣體,否則會造成較大的測量誤差。
(4)電磁流量計用來測量帶有污垢的粘性液體時,粘性物或沉淀物附著在測量管內壁或電極上,使變送器輸出電勢變化,帶來測量誤差,電極上污垢物達到一定厚度,可能導致儀表無法測量。
(5)供水管道結垢或磨損改變內徑尺寸,將影響原定的流量值,造成測量誤差。如100mm口徑儀表內徑變化1mm會帶來約2%附加誤差。
(6)變送器的測量信號為很小的毫伏級電勢信號,除流量信號外,還夾雜一些與流量無關的信號,如同相電壓、正交電壓及共模電壓等。為了準確測量流量,必須消除各種干擾信號,有效放大流量信號。應該提高流量轉換器的性能,好采用微處理機型的轉換器,用它來控制勵磁電壓,按被測流體性質選擇勵磁方式和頻率,可以排除同相干擾和正交干擾。但改進的儀表結構復雜,成本較高。
(7)價格較高
超聲波流量計
1、優點
(1) 超聲波流量計是一種非接觸式測量儀表,可用來測量不易接觸、不易觀察的流體流量和大管徑流量。它不會改變流體的流動狀態,不會產生壓力損失,且便于安裝。
(2) 可以測量強腐蝕性介質和非導電介質的流量。
(3) 超聲波流量計的測量范圍大,管徑范圍從20mm~5m.
(4) 超聲波流量計可以測量各種液體和污水流量。
(5) 超聲波流量計測量的體積流量不受被測流體的溫度、壓力、粘度及密度等熱物性參數的影響??梢宰龀晒潭ㄊ胶捅銛y式兩種形式。
2、缺點
(1) 超聲波流量計的溫度測量范圍不高,一般只能測量溫度低于200℃的流體。
(2) 抗干擾能力差。易受氣泡、結垢、泵及其它聲源混入的超聲雜音干擾、影響測量精度。
(3) 直管段要求嚴格,為前20D,后5D。否則離散性差,測量精度低。
(4) 安裝的不確定性,會給流量測量帶來較大誤差。
(5) 測量管道因結垢,會嚴重影響測量準確度,帶來顯著的測量誤差,甚至在嚴重時儀表無流量顯示。
(6) 可靠性、精度等級不高(一般為1.5~2.5級左右),重復性差。
(7) 使用壽命短(一般精度只能保證一年)。
(8) 超聲波流量計是通過測量流體速度來確定體積流量,對液體應該測量它的質量流量,儀表測量質量流量是通過體積流量乘以人為設定的密度后得到的,當流體溫度變化時,流體密度是變化的,人為設定密度值,不能保證質量流量的準確度。只能在測量流體速度的同時,又測量了流體密度,才能通過運算,得到真實質量流量值。
(9) 價格較高。
渦街流量計
1、優點
(1) 渦街流量計無可動部件,測量元件結構簡單,性能可靠,使用壽命長。
(2) 渦街流量計測量范圍寬。量程比一般能達到1:10。
(3) 渦街流量計的體積流量不受被測流體的溫度、壓力、密度或粘度等熱工參數的影響。一般不需單獨標定。它可以測量液體、氣體或蒸汽的流量。
(4) 它造成的壓力損失小。
(5) 準確度較高,重復性為0.5%,且維護量小。
2、缺點
(1) 渦街流量計工作狀態下的體積流量不受被測流體溫度、壓力、密度等熱工參數的影響,但液體或蒸汽的終測量結果應是質量流量,對于氣體,終測量結果應是標準體積流量。質量流量或標準體積流量都必須通過流體密度進行換算,必須考慮流體工況變化引起的流體密度變化。
(2) 造成流量測量誤差的因素主要有:管道流速不均造成的測量誤差;不能準確確定流體工況變化時的介質密度;將濕飽和蒸汽假設成干飽和蒸汽進行測量。這些誤差如果不加以限制或消除,渦街流量計的總測量誤差會很大。
(3) 抗振性能差。外來振動會使渦街流量計產生測量誤差,甚至不能正常工作。通道流體高流速沖擊會使渦街發生體的懸臂產生附加振動,使測量精度降低。大管徑影響更為明顯。
(4) 對測量臟污介質適應性差。渦街流量計的發生體極易被介質臟污或被污物纏繞,改變幾何體尺寸,對測量精度造成極大影響。
(5) 直管段要求高。專家指出,渦街流量計直管段一定要保證前40D后20D,才能滿足測量要求。
(6) 耐溫性能差。渦街流量計一般只能測量300℃以下介質的流體流量。
孔板流量計
1、優點
(1)標準節流件是全世界通用的,并得到了國際標準組織的認可,無需實流校準,即可投用,在流量計中亦是的。
(2)結構易于復制,簡單、牢固、性能穩定可靠、價格低廉;
(3)應用范圍廣,包括全部單相流體(液、氣、蒸汽)、部分混相流,一般生產過程的管徑、工作狀態(溫度、壓力)皆有產品。
(4)檢測件和差壓顯示儀表可分開不同廠家生產,便與專業化規模生產;
2、缺點
(1)測量的重復性、精確度在流量計中屬于中等水平,由于眾多因素的影響錯綜復雜,精確度難于提高。
(2)范圍度窄,由于流量系數與雷諾數有關,一般范圍度僅3∶1 ~ 4∶1。
(3)有較長的直管段長度要求,一般難于滿足。尤其對較大管徑,問題更加突出;
(4)壓力損失大;
通常為維持一臺孔板流量計正常運行,水泵需要附加動力克服孔板的壓力損失。該附加耗電量可直接由壓力損失和流量計算確定。一年約需多耗電數萬度,折合人民幣數萬元。下表中列出了孔板在正常壓力損失情況下的能耗計算結果。其中運行天數按三百五十天計算,電價按0.35元/度計算。由表中計算電耗數據可見,孔板的附加運行費用是極高的,而采用彎管流量計該運行費用為零!
(5)孔板以內孔銳角線來保證精度,因此對腐蝕、磨損、結垢、臟污敏感,長期使用精度難以保證,需每年拆下強檢一次。
(6)采用法蘭連接,易產生跑、冒、滴、漏問題,大大增加了維護工作量。
熱式質量流量計(恒溫差)
- 優點
1. 球閥安裝,安裝拆卸方便。并可以帶壓安裝。
2. 基于金氏定律,直接測量質量流量。測量值不受壓力和溫度影響。
3. 響應迅速。
4.量程范圍大,管道式安裝小可以測量8.8mm管道的流量,大可以測到30’’
5. 插入式類型的流量計,一支流量計可以用于測量多種管徑。
- 缺點
1.精度不及其他類型流量計,一般為3%。
2.適用范圍窄,只能用于測量干燥的非爆炸性的氣體,如壓縮空氣、氮氣、氬氣及其他中性氣體。

其它常用類型


超聲波
超聲波流量計是通過檢測流體流動對超聲束(或超聲脈沖)的作用以測量流量的儀表。 [5] 
根據對信號檢測的原理超聲流量計可分為傳播速度差法(直接時差法、時差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、互相關法、空間濾法及噪聲法等。
超聲流量計和電磁流量計一樣,因儀表流通通道未設置任何阻礙件,均屬無阻礙流量計,是適于解決流量測量困難問題的一類流量計,特別在大口徑流量測量方面有較突出的優點,它是發展迅速的一類流量計之一。
優點:
(1)可做非接觸式測量;(2)為無流動阻撓測量,無壓力損失;
(3)可測量非導電性液體,對無阻撓測量的電磁流量計是一種補充。
缺點:
(1)傳播時間法只能用于清潔液體和氣體;而多普勒法只能用于測量含有一定量懸浮顆粒和氣泡的液體;?。?)多普勒法測量精度不高。
應用概況:
(1)傳播時間法應用于清潔、單相液體和氣體。典型應用有工廠排放液、:怪液、液化天然氣等;
(2)氣體應用方面在高壓天然氣領域已有使用良好的經驗;
(3)多普勒法適用于異相含量不太高的雙相流體,例如:未處理污水、工廠排放液、臟流程液;通常不適用于非常清潔的液體。
熱式
熱式流量計傳感器包含兩個傳感元件,一個速度傳感器和一個溫度傳感器。它們自動地補償和校正氣體溫度變化。儀表的電加熱部分將速度傳感器加熱到高于工況溫度的某一個定值,使速度傳感器和測量工況溫度的傳感器之間形成恒定溫差。當保持溫差不變時,電加熱消耗的能量,也可以說熱消散值,與流過氣體的質量流量成正比。
熱式氣體質量流量計即Mass Flow Meter(縮寫為MFM),它是氣體流量計量中新型儀表,區別于其它氣體流量計不需要進行壓力和溫度修正,直接測量氣體的質量流量,一支傳感器可以做到量程從極低到高量程。它適合單一氣體和固定比例多組份氣體的測量。
熱式氣體質量流量計是用于測量和控制氣體質量流量的新型儀表??捎糜谑?、化工、鋼鐵、冶金、電力、輕工、醫藥、環保等工業部門的空氣、烴類氣體、可燃性氣體、煙道氣體的監測。
[熱式流量計]
熱式流量計(2張)
特點:
1、可靠性高 重復性好 測量精度高 壓損??;
2、無活動部件量程比寬 響應速度快 無須溫壓補償。
應用:
1、工業管道中氣體質量流量測量
2、煙囪排出的煙氣流速測量
3、、煅燒爐煙道氣流量測量
4、燃氣過程中空氣流量測量
5、、壓縮空氣流量測量
6、半道體芯片制造過程中氣體流量測量
7、、污水處理中氣體流量測量
8、加熱通風和空調系統中的氣體流量測量
9、、熔劑回收系統氣體流量測量
10、燃燒鍋爐中燃燒氣體流量測量
11、、天然氣、火炬氣、氫氣等氣體流量測量
12、、啤酒生產過程中二氧化碳氣體流量測量
13、、水泥、卷煙、玻璃廠生產過程中氣體質量流量測量
明渠
與前述幾種不同,它是在非滿管狀敞開渠道測量自由表面自然流的流量儀表。
[面積式明渠流量計] 面積式明渠流量計
非滿管態流動的水路稱作明渠,測量明渠中水流流量的稱作明渠流量計(open channel flowmeter)。
明渠流量計除圓形外,還有U字形、梯形、矩形等多種形狀。
明渠流量計配合各種標準的三角堰、矩形堰、巴歇爾槽等測流堰槽,能準確的測量明渠的流量。
明渠流量計應用場所有城市供水引水渠;火電廠引水和排水渠、污水治理流入和排放渠;工礦企業水排放以及水利工程和農業灌溉用渠道。有人估計1995臺,約占流量儀表整體的1.6%,但是國內應用尚無估計數據。

選購方法


一般選型
可以從五個方面進行考慮,這五個方面為流量計儀表性能方面、流體特性方面、安裝條件方面、環境條件方面和經濟因素方面。五個方面的詳細因素如下:

儀表性能方面:準確度、重復性、線性度、范圍度、流量范圍、信號輸出特性、響應時間、壓力損失等;
流體特性方面: 溫度、壓力、密度、粘度、化學腐蝕、磨蝕性、結垢、混相、相變、電導率、聲速、導熱系數、比熱容,等熵指數;
安裝條件方面: 管道布置方向,流動方向,檢測件上下游側直管段長度、管道口徑,維修空間、電源、接地、輔助設備(過濾器、消氣器)、安裝、等;
環境條件方面:環境溫度、濕度、電磁干擾、安全性、防爆、管道振動等;
經濟因素方面: 儀表購置費、安裝費、運行費、校驗費、維修費、儀表使用壽命、備品備件等。

(二)流量計儀表選型的步驟如下:
1、依據流體種類及五個方面考慮因素初選可用儀表類型(要有幾種類型以便進行選擇);
2、對初選類型進行資料及價格信息的收集,為深入的分析比較準備條件;
3、采用淘汰法逐步集中到1~2種類型,對五個方面因素要反復比較分析終確定預選目標。
注意事項

流體特性主要指燃氣的壓力、溫度、密度、黏度、壓縮性等,由于煤氣的體積隨著溫度、壓力而變化,應考慮是否要補償修正。
儀表性能是指儀表的精度、重復性、線性度、量程比、壓力損失、起始流量、輸出信號及響應時間等,選流量計時應對上述指標進行仔細分析比較,選擇能滿足計量介質流量要求的儀表。
安裝條件是指燃氣流向、管道走向、上下游直管道長度、管徑、空間位置及管件等,這些都會影響燃氣煤氣流量計的準確運行、維護保養和使用壽命。
經濟因素是指購置費、安裝費、維護費、校驗費及備品備件等,其又受燃氣煤氣流量計的性能、可靠性、壽命等影響。
精度等級和功能根據測量要求和使用場合選擇儀表精 度等級,做到經濟合算。比如用于貿易結算、產品交接和能源計量的場合,

在精度等級選擇,如1.0級、0.5級,或者更高等級,用于過程控制的場合,根據控制要求選擇不同精度等級。有些僅僅是檢測一下過程流量,無需做精確控制和計量的場合,可以選擇精度等級稍低的,如1.5級、2.5級,甚至 4.0級,這時可以選用價格低廉的插入式電磁流量計測量介質流速、儀表量程與口徑測量一般的介質時,電磁流量計的滿度流量可以在測量介質流速0.5—12m/s范圍內選用范圍比較寬。選擇儀表規格(口徑)不一 定與工藝管道相同,應視測量流量范圍是否在流速范圍內確定,即當管道流速偏低不能滿足流量儀表要求時或者在此流速下測量準確度不能保證時,需要縮小儀表口徑,從而提高管內流速,得到滿意測量結果。

故障分析


(1)流量控制儀表系統指示值達到小時,首先檢查現場檢測儀表,如果正常,則故障在顯示儀表。當現場檢測儀表指示也小,則檢查調節閥開度,若調節閥開度為零,則常為調節閥到調節器之間故障。當現場檢測儀表指示小,調節閥開度正常,故障原因很可能是系統壓力不夠、系統管路堵塞、泵不上量、介質結晶、操作不當等原因造成。若是儀表方面的故障,原因有:孔板差壓流量計可能是正壓引壓導管堵;差壓變送器正壓室漏;機械式流量計是齒輪卡死或過濾網堵等。
(2)流量控制儀表系統指示值達到大時,則檢測儀表也常常會指示大。此時可手動遙控調節閥開大或關小,如果流量能降下來則一般為工藝操作原因造成。若流量值降不下來,則是儀表系統的原因造成,檢查流量控制儀表系統的調節閥是否動作;檢查儀表測量引壓系統是否正常;檢查儀表信號傳送系統是否正常。
(3)流量控制儀表系統指示值波動較頻繁,可將控制改到手動,如果波動減小,則是儀表方面的原因或是儀表控制參數PID不合適,如果波動仍頻繁,則是工藝操作方面原因造成。

市場因數


驅動因素據國際能源署(IEA)預測,從2007至2030年全球需要對能源基礎設施累計投資26.0萬億美元(以2007年美元價值計)。其中,電力行業投資13.6萬億美元,占總投資額的52.3%。到2030年,世界許多地方的石油、天然氣和電力的基礎設施將需要更換。從長期來看,可預見的能源投資將給流量計在石油天然氣和能源行業板塊的應用帶來不小的發展空間。
面臨激烈的競爭環境,以及為了應對全球節能減排的訴求,各個行業用戶更加關注生產工廠的運行效率,盡可能降低能耗,以提高競爭力。因此,大量的投資被用于提升工廠的自動化水平和現場數據的采集和實時監控,以提升工廠的過程控制效率。諸如,在石油天然氣和能源行業,密閉傳輸設施中需要性能可靠的流體測量設備;化工和制藥行業中需要高精準的流量計等,種種趨勢必將帶動傳感器和現場設備(包括流量計)的發展。
流量計中正在更多地引入電子技術,如數字信號處理(DSP)和微處理器,這使得流量計具備了自診斷功能,并且能夠更好地與生產控制層面進行通信。性能的提高更好地滿足了行業用戶的需求,給流量計創造了更多的市場應用空間。
抑制因素當前全球經濟形勢有待進一步提振,工業品需求不旺盛。眾多行業用戶放緩新項目投資或者暫停設備更新升級,等待全球經濟出現復蘇跡象。所以,在短期內,這將會給流量計在其主要應用行業的發展前景帶來一定影響。
全球流量計市場生產商眾多,競爭異常激烈。同時,流量計生產商正面臨著行業用戶對價格較為苛刻的要求,為了能夠使產品更好地滲透進入流量計應用的主要行業,生產商之間的價格競爭再所難免。這一現象在新興經濟體,尤其中國,很普遍。價格往往成為決定采購行為的主要決定因素。長此以往,生產商更多關注價格策略,導致產品創新性不夠,阻礙市場發展。

面臨的挑戰

傳統的機械式流量計,例如差壓式流量計、容積式流量計和變面積式流量計,已經處于普及化階段,價格競爭激烈,利潤空間日益減少,技術革新較少,市場相對成熟。Frost&Sullivan認為,實現產品的差異化和定制化生產是生產商在成熟市場的激烈競爭中的一個重要突破點。根據弗若斯特沙利文對行業用戶的需求進行分析,用戶群體希望生產商能夠提供為生產過程帶來切實利益的自動化設備。用戶在產品應用過程中會產生具體的需求,例如:應用在石化行業的特殊環境中,需要堅固耐用的設計以及防爆認證;用戶對直管設計的科氏流量計的需求等。如何有效獲取用戶實際需求,并且對傳統產品進行改良,是對生產商差異化和定制化生產過程的一個不小挑戰。
引導用戶接受并使用新技術流量計,如SBL靶式流量計、超聲波流量計、電磁流量計、質量流量計以及V錐流量計(孔板流量計)等等,是生產商把市場做大做強的又一個挑戰。
此外,新技術流量計不斷被引入各個行業的同時,快速有效的售后服務對生產商來說同樣至關重要。尤其是運用基于基金會現場總線和ProfibusPA總線的流量計,對軟件技術有一定要求,有效的服務能夠為用戶提供更適合的解決方案,并且貼近用戶。

展望未來

從機械式流量計到電子技術流量計的革新是流量計重要的發展趨勢之一。靶式流量計、電磁流量計、超聲波流量計、渦街流量計和V錐流量計(孔板流量計)利用電氣原理工作,從而避免了機械流量計工作中需要更換的運動機件。同時,自診斷功能被引入流量計中,使得流量儀表不僅僅是簡單的測量工具,更多地為了系統維護的目的,例如:空管道偵測和自檢驗等。并且,在電子流量計中結合先進的通信技術后,使得控制人員能夠遠程實時獲取生產現場的流量數據和歷史數據。
據Frost&Sullivan的研究,當前全球約89.0%的流量計采用mAHART通信協議,因為采用mAHART通信協議的流量計在安裝難度和操作要求上都低于采用現場總線協議的流量計,并且引入現場總線系統對用戶來說也是一項不小的成本。但是,隨著行業用戶不斷提高自動化水平,希望從流量測量中獲取除了流量數據以外更多的信息,比如,診斷信息和狀態檢測等,這些數據傳送都需要依賴現場總線支持。而且,西門子和艾默等廠商生正在著力推行現場總線協議的流量測量技術。相信,這必將推動現場總線協議流量計在各個行業的應用前景。
此外,無線技術流量計也正在逐步被用戶所接受,惡劣環境中的流體測量對無線技術來說是一個很好的應用空間。不過,用戶完全接受并普及無線技術流量計還需要一定的時間。

參考資料

1.  田野,王岳,郭士歡,劉勇峰,胡宗柳. 常見流量計的應用[J]. 當代化工,2011,40(12):1294-1296+1304. [2017-08-24]. DOI:10.13840/j.cnki.cn21-1457/tq.2011.12.006  .知網 [引用日期2017-08-24]
2.  陳錦聰. 科里奧利質量流量計的測量原理及應用[J]. 青島科技大學學報(自然科學版),2015,36(S2):236-237. [2017-08-24].   .知網[引用日期2017-08-24]
3.  袁中林,梁君英. 靶式流量計的分類及應用[J]. 自動化儀表,2008,(04):67-70+73. [2017-08-24]. DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.2008.04.005  .知網[引用日期2017-08-24]
4.  孫國林,王美華. 差壓變送器的現狀和進展[J]. 儀表技術與傳感器,1998,(08):37-39. [2017-08-24].   .知網[引用日期2017-08-24]
5.  李廣峰,劉昉,高勇. 超聲波流量計的高精度測量技術[J]. 儀器儀表學報,2001,(06):644-647. [2017-08-24].   .知網[引用日期2017-08-24]


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