流量测量方法和仪表漫谈

流量测量方法和仪表漫谈
（二）
xx工业自动化仪表研究所xx
5.生物技术
20世纪生物技术将要大发展，医学、生物学、生态学和生物医学工程一大批产业的蓬勃兴起，对流量计提出许多新的要求。

在生物产业中需监测的物质很多，如血液、尿液、药液、营养液等；其测量的对象很多，如混相流、脉动流、非牛顿流体，是流量测量困难的对象。

6.科研实验
科研实验需要的流量计不但数量多，且品种极为繁杂，据统计流量计有100多种，其中很大一部分是应科研实验研发的，它们并不批量生产也不在市面出售，许多科研单位和大型企业皆设有专门研发流量计的小组，特别是国防部门，其需要的品种大多需自行研发生产。

下面举些实例：化工中间试验工厂：一般化工产品需经中间试验工厂小批生产，它是联系实验室研制和大批量生产的中间环节。

在化工中间试验工厂，流量计大都为小流量或微流量，必须自行研发供应。

化工中间试验工厂可称为试验数据生产厂，其数据的准确可靠是第一位，因此对仪表特性有严格要求。

发动机效率试验：发动机种类繁多，有泵、风机、压缩机、动力机械等，发动机效率试验必须检测三个参数：温度、压力和流量，一般认为流量测量问题比较多，原因是应用条件流体特性（混相，脏污腐蚀）及流动特性（阻流件复杂，无足够直管段长度）的要求难以满足。

7.xx气象，xx
这些领域为敞开流道，一般需测量流速，然后推算流量，流速计和流量计依据的物理原理及流体力学基础理论是共通的，但仪表原理及结构、使用条件等仍有较大差别，国际学术会议常设为单独主题，如明渠流量测量或河川流量等。

国际标准化组织（ISO）设有专门的技术委员会（TC），负责制订国际标准。

以上我们列举七类应用领域，它遍及国民经济各部门，国际标准化组织ISO，国际电工委员会IEC及国际法制计量组织OIML等设立众多技术委员会，负责制订涉及流量和流速测量的国际标准等。

国际标准化组织ISO有9个技术委员会涉及流量和流速测量：它们是TC30（封闭管道流量测量）、TC113（明渠）、TC28（石油产品）、TC115（泵）、TC117（工业风机）、TC118（压缩机）、TC131（液压）、TC112（真空技术）、TC116（采暖）；国际电工委员会IEC有3个技术委员会TC4（水轮机），TC5（汽轮机），TC65（流程测控）；国际法制计量组织OIML有十余个国际建议或国际文件涉及流量测量。

二、流量测量的困难问题
流量测量的困难是由以下特点造成的：被测介质处于流动状态，通常为非定常流；被测介质种类繁多，物理化学性质极其复杂，其数据不足或置信度差；被测介质工作状态（压力温度）变化范围宽广；被测介质的物理、化学性质对仪表性能有很大影响；流体流动特性对仪表性能影响很大；仪表校验设备庞大复杂，建设及使用费用昂贵。

流量测量困难问题可分为流体特性和测量特性两方面来分析。

（一）流体特性方面
流体特性分为流体物性和流动特性两部分。

1.流体物性
流体物性有流体物性（物理性质）和流体性状两种。

①流体物性
流体物性对流量计的影响程度因工作原理不同而异。

目前，对常用流量计有影响的物性参数为密度、粘度，等熵指数、声速、导电率、导热系数等。

其中密度和粘度的影响是普遍的，各种物性参数中密度最为重要，其次是粘度。

无论何种体积流量计（容积式、涡轮、涡街、电磁超声等）或间接式质量流量计（差压式），密度是流量方程中的主要参数之一，因此对此参数的准确性要
求很高。

粘度是雷诺数计算式中的一个参数，在封闭管道中流量计流出系数（或仪表系数）为雷诺数的函数，它的影响是间接的，因此对其准确度要求可放宽些，但是粘度是判别流体为牛顿流体或非牛顿流体的一个参数，而目前所有流量测量标准都只限于牛顿流体的。

流体物性是单相或混相特性，对测量的影响亦是本质判别的。

掌握流体物性参数主要有以下三方面用途：
a.选型的依据
流量计的选型需了解仪表性能和测量对象两方面情况，流体物性是测量对象的特性重要组成部分。

在现场应用时，不乏因对流体物性参数掌握不足或不准确而使测量达不到要求的实例。

b.流量计的设计计算
在流量计设计计算中，物性参数是主要参数之一，要使设计计算准确可靠，基本数据是不可缺少的。

c.现场使用与维护
流体物性变化是现场使用时产生流量测量附加误差的主要原因之一，要降低测量附加误差，应深入探讨物性参数对流量计特性的影响。

目前物性参数数据主要存在以下问题：
a.物性参数数据准确度低，置信度差及数据不一致
流量测量的物性参数数据一般取自各种物理、化学及工程手册，数据来源复杂，数据存在不一致现象。

各种手册使用目的不同，难以完全满足流量测量高准确度及需要明确准确度数值的要求。

许多流体物性数据不足，甚至完全没有，特别是高参数（高压、高温、低温、高真空等）流体及多元混合流体的物性参数，不但置信度差，甚至完全缺少。

b.在线物性测量仪表缺乏、质量差应用范围窄，价格昂贵
为了提高流量测量的准确度，急需开发物性测量仪表，以便在测量过程中进行直接的物性补偿。

例如：密度是一种急需的在线测量仪表，在昂贵的物料计量中使用，以便提高其测量准确度。

但是目前此类仪表作为变送器（传感器）是一种稀货，现有的一些品种，结构复杂，价格昂贵且使用期限短。

针对以上问题，流量测量工作者急需进行以下工作：
a.制订物性参数的规范
物性参数与其它参数一样，需进行规范化才能提高数据的准确度以及置信度和数据的一致性。

国际上已制订若干物性参数的国家标准和国际标准，如ISO/TC193天然气技术委员会已制订不少应用于天然气需要的国际标准，如ISO12213-1，2，3（1997）天然气压缩因子的计算（1），（2），（3）等。

国际水和水蒸汽性质会议成立“国际公式化委员会（简称I·F·C）”，提出了“工业用1967年I·F·C公式”，规范了水蒸汽热力性质的国际骨架表。

但是规范的品种不多，仍不能满足流量测量的需要。

b.开发物性变送器
许多体积流量计（如涡轮、涡街、电磁、超声等）需进行密度修正才能获得质量流量测量。

气体和石油制品大都采用压力、温度修正，它是通过密度与压力、温度的函数关系进行计算而得。

但这种方法并非所有情况都是有效的，如被测介质组分经常变动，密度与压力、温度的函数关系不明确或准确度不高（混合流体就是这种情况）就难以应用，因此发展补偿的直接法（密度，粘度补偿），使直接法和间接法（压力、温度补偿）同时并举，相辅相成。

c.编纂流量测量的物性数据手册
由于流量测量的特殊要求，不能再仅依靠其它物理、化学及工程手册来提供这些数据了，有必要编纂一本流量测量专用的物理性质数据手册，即使今后国际上制订出若干主要测量介质（如水、蒸汽、天然气、油品等）的物性参数规范，也不能代替这样一本手册的作用，手册应尽量用数学式表示，微机在流量测量中的广泛应用，数据以图表表示是不够的。

②流体性状
流体性状指流体的腐蚀、磨蚀、积垢、脏污、冻结、混相、相变、有毒、易挥发等特性，流体这些特性会改变检测件的几何形状尺寸，管道内壁粗糙度以及管道流通面积等。

有些类型的流量计其计量特性与检测件几何形状及尺寸密切相关，例如孔板入口锐边钝化，入口侧堆积杂物，引压管线堵塞；涡轮流量计轴承磨损，叶片沉积脏物；超声探头（换能器）积垢；涡街旋涡发生体缠绕纤维状物等。

管壁粗糙度与速度分布有一定关系，流量计仪表系数与速度分布有关，因此此种因素在高准确度计量时不能不考虑。

流体性状恶劣严重威胁仪表的正常工作及计量准确度，是现场使用维护的重点注意目标。

麻烦的是流体性状极难掌握，即使企业工艺人员亦不一定了解，在重要场合可能需进行专门试验才能掌握。

应该指出，流体性状是流量计可靠性差，长期稳定性差，准确度变动的主要影响因素，必须在选型时予以高度注意。

2.流动特性
一般流量计的实流校准是在流量标准装置参比工作条件下进行的，参比工作条件中的流动条件为充分发展管流和定常流（稳定流），这时流量计校准的误差为基本误差，仪表的准确度应称为实验室准确度（仪表生产厂的产品样本所称的准确度即指这种准确度），但是在现场应用时普遍的工作条件为非充分发展管流和非定常流（如脉动流或波动流，间歇流等），它们使流量计产生附加误差，流量计现场准确度应该是基本误差和附加误差的合成，合成方法复杂多变，是现场误差估算的需探讨的内容。

①非充分发展管流
非充分发展管流主要为流速分布畸变和旋转流。

一般来说，推理式流量计都或多或少受流速分布的影响，而容积式和科氏质量流量计等则不受或基本不受流速分布的影响。

流速分布在现场复杂多变，是难以掌握的影响量，它在实验室里又难以完全复制，因此对其影响的研究遇到很大的困难。

工艺管道的管配件，如弯头、渐缩管、渐扩管、阀门等称为阻流件，流体经阻流件后会产生流速分布畸变，旋转流及非定常流等。

流量计上游侧应配备必要的直管段长度或流动调整器，以消除这些非充分发展管流及达到稳定流，
这样可以避免流量计在实验室校准得到的准确度发生偏移。

目前在流量测量国际标准中，以国际标准ISO5167对阻流件的影响研究最为成熟。

它列举详尽表格，示出阻流件类型或流动调整器后必要的直管段长度与差压流量计准确度的关系，这些数据常为其它类型流量计作为参考。

其它已有国际标准的较为成熟的流量计虽亦示有类型的表格，但皆不尽成熟可靠和完整。

非充分发展管流对流量计特性的影响难以掌握及不能满足现场应用的原因如下：a.不同的速度分布畸变及旋转流对各类型流量计的影响都不一样。

b.仪表壳体内流场复杂，很难预测非充分发展管流与检测件的相互作用机理，要定量确定很困难。

c.阻流件类型复杂多样，即使是同一类型，由于结构和制造的原因，对流动的影响也有不少差别，在现场还普遍出现所谓组合式阻流件，即几种阻流件串接在一起，它们之间间距小，无法用一种类型阻流件来估计，因此要穷尽现场阻流件类型是不可能的。

d.阻流件特性试验，无论人力物力都是不堪重负的工作，目前新技术CFD （计算流体动力学）的应用，综合理论研究，CFD分析和实验验证可以较迅速地节省人力物力，但是试验仍然是一项费力费时的工作。

e.现场难以满足铺设上下游直管段的作业空间是普遍的，采用流动调整器是一个补救办法，但亦会带来许多负面影响（压损大、维护工作繁重等）
②非定常流
流场中固定空间点上的任一流动参数（流速、压力、温度、密度等）随时间瞬变称为非定常流。

所有流量测量标准和检定规程都把定常流作为参比工作条件之一，所以偏离此参比工作条件会带来测量的附加误差。

在工业管流中，非定常流的成因可能有：a.原动机，如往复式发动机，压气机，泵，风机等产生的；b.控制阀频繁动作产生的；c.管线自激振荡，特别是有谐振时引起的；d.工艺管件，如阀，弯头，支管等使流动分离产生的；e.整个流动系统布置引起的；f.混相流中某些流型引起的；g.检测仪表测量件引起的，如容积式流量计，涡街流量计旋涡发生体，温度计插件等。

工艺管流中非定常流
是普遍存在的。

1998年国际标准化组织ISO颁ISO/TR3313：1998《封闭管道中流体流量测量——流量测量仪表流动脉动影响导则》，它是一份技术报告，而不是国际标准，即文件只是参考性质的。

（二）测量特性方面
流量仪表特性有以下特点：①现场工作条件恶劣，检测件可靠性差；②流量为动态量，难以获得高准确度；③仪表结构大都为法兰连接，只有工艺管线停流才允许拆卸装修，有些生产过程连续进行，只在大修时才能停流，中间如仪表有故障无法检修；④仪表实验室校验工作条件是理想化工作条件，现场实际工作条件偏离是普遍的，现场有附加误差成为常态，但如何估算却很专业，对维护人员素质提出较高的要求；⑤流量仪表校验设备庞大复杂，建造费昂贵，校验费亦价格不赀；⑥仪表的周期检定是个难题，现场仪表无法拆卸或不允许间断使用等。

三、流量测量和仪表的主要问题
流量测量和仪表的主要问题有两个：仪表的可靠性和测量准确度。

1.仪表的可靠性
可靠性包括仪表的质量和可维修性，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，仪表安装地方环境不一定在室内，例如露天地方以及易燃易爆危险处所以及人员不允许涉足（有毒，核辐射等）之处。

要求仪表有百分之百的可靠性亦不一定现实，但在发生故障时如方便维修，维修代价不大，应该亦是可靠性较好的另一侧面。

流量仪表工作有以下一些特点：
①仪表要能经受被测介质化学腐蚀，机械磨蚀，结垢堵塞，耐温，耐压，对付相变变化等；②由于仪表检测件与工艺管道用法兰连接成一体，拆卸维修困难，特别是高温高压大口径仪表，给周期检定造成很大困难；
③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及时检修，如何处理是个棘手的问题；
提高仪表使用的可靠性可采用以下一些办法：
①仪表有创新设计。

例如进行针对性的检测件结构设计，为对付煤气脏污易堵，测管式流量计设计一种独特的测头结构，它不易堵塞，可自动排水，仪表为插入式，有测头升降装置，密封室及球阀等可以不断气安装检修，通过测管上吹扫接头可以方便地使用蒸汽或压缩空气在线清扫。

经验证明，在高度脏污的煤气测量中可长期正常工作。

②改变仪表结构形式。

如采用不断流型插入式结构或多管并联管道，以便于清洗和更换维护。

③加强现场维护管理。

2.仪表测量准确度
仪表测量准确度与流量量值传递系统有关。

首先要分清二个仪表特性即重复性和测量准确度的概念。

重复性是仪表本身的特性，它取决于工作原理和仪表设计制造的质量，而仪表测量准确度是一种仪表的外加特性，它是在校验系统中确定的。

要深入了解仪表的准确度含义，首先要对流量量值的获得进行一些介绍：
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。

目前流量量值的实物标准（称为原级标准）实际上是一座流量标准装置，在装置上把各基本量综合为导出量，然后把量值传递给准确度较低、流量范围较宽广的流量标准装置，它称为次级标准或工作标准，通过传递标准（一台或一组流量计，在原级标准或次级标准上校准过）把量值依次向下传递，直至工作流量计。

在一国之内，一般制订全国流量计量器具检定系统，规定量值的传递次序及采用的计量器具，国际间则用装置比对使全球流量量值趋于一致（称为趋同性）。

在各类检测参数量值传递系统中，流量参数的量值传递系统是较困难建立的一类，其原因是流量量值有以下一些特点：
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，它是只有在流体运动时才存在的物理量，因此它不仅是基本量的静态组合，又由于其动态性质，量值受许多复杂因素的影响，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，在管道中还受其边界条件（管壁）的制约；
③流量量值需经过流体的物理变化得以反映，因此其校验介质最好就是要应用的介质，但介质有千万种，不可能按此原则办，只好采用模拟介质，然后通过介质换算把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，因此其量值必须考虑在不同工作状态时该因素的影响；
⑤流量量值基准和工作仪表的准确度差别不可能很大（如目前基准为10-4，而工作仪表有达10-3的），它们的数量差别不像基本量或其它导出量那么大，量值传递时标准的误差不能忽略，校验流量计误差估算比较复杂；
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，误差估算难度逐渐加大；
⑦流量量值准确度不高（目前最高准确度约为10-4）原因在于其导出的动态的和综合的性质。

流量计的准确度高，首先要仪表本身的重复性好，然后用高准确度的量值传递系统进行校准，求得其流出系数或者仪表系数。

要高度注意流量计的特点，它是一种现场仪表，其使用比制造困难得多。

国际著名流量专家的评价为流量计是使用比制造艰难得多的少数仪表之一，在实验室可以得到极高的准确度，但是在使用现场一旦条件变化，一切全都白费。

仪表制造厂产品说明书上列举的准确度是实验室准确度，它称为基本误差，仪表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，现场准确度是基本误差和附加误差的合成，合成不一定为简单的代数和，要视具体情况而定，因此现场误差估算是一项复杂的工作，只有熟悉仪表特性和测量对象又掌握误差理论的人才能胜任。

四、流量仪表的种类
流量仪表的种类繁多，资料上多称有100多种，这样的概念无法给人一个清晰的看法。

笔者认为，按照以下几个原则来分类，可能能给人比较具体的概念。

1.按测量原理分类
各种物理原理是流量测量的理论基础，可按物理学科分类。

①力学原理
属于此类原理的流量计有应用伯努利定理的差压式，浮子式；应用动量定理的可动管式，冲量式；应用牛顿第二定律的直接质量式；应用流体阻力原理的靶式；应用角动量定理的叶轮式；应用流体振动原理的涡街式，旋进式，振荡射流式；应用动压原理的皮托管式，均速管式；应用分割流体体积原理的容积式等。

②热学原理
应用热学原理测量流量的有量热式，热量式，热线式，热偶式等。

③声学原理
应用声学原理测量流量的有超声式，声学式（冲击波式）等。

④电学原理
应用电学原理测量流量的有电磁式，电容式，电感式，电阻式等。

⑤光学原理
应用光学原理测量流量的有激光式，光电式等。

⑥原子物理原理
应用原子物理原理测量流量的有核磁共振式，核辐射式等。

⑦其它原理
标记法。

2.按测量方法和结构分类
这是目前最流行的分类方法，按此方法可以列举几十种甚至更多，但是在漫长发展过程中由用户与生成厂共同推举的种类大致有十大类，它们是经受生产制造和现场使用考验硕果仅存的品种，其它的种类今后会不会再增加，则需视科技发展而定，现在人们还无法预测更多。

以下我们简介此十大类的情况。

①差压式流量计
差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压，已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来推算流量的仪表。

差压式流量计由一次装置（检测件）和二次装置（差压转换和流量显示仪表）组成。

通常以检测件型式对差压式流量计分类，如孔板流量计，文丘里管流量计，均速管流量计等等。

节流式差压流量计是流量计的第一大类仪表，发展历史悠久，使用面广量大。

在20世纪70年代以前，它几乎是独一无二的流量计，当时仅少量应用浮子、容积式流量计，涡轮、电磁、超声流量计尚处于发展初期，至于涡街、科氏质量等则尚未出现。

20世纪80年代电子、微机技术、新材料、新工艺的兴起使新型流量计如雨后春笋迅速发展。

在激烈的市场竞争中，节流式差压流量计的许多弱点成为人们评价的重点，如测量准确度不高，范围度窄，压损大，安装条件苛刻，使用故障多，维护繁杂等等。

在流量计用量上，虽然总量仍占优势，但占比例份额不断下降，人们甚至预言，它将退出历史舞台等。

在市场激烈竞争的推动下，针对自身的缺点，不断创新改进，发挥固有优势，近年不断摆脱困境，似有重拾昔日辉煌之势，业内人士预言，该型流量计正在中兴之中，恢复第一大类流量计并非无的放矢。

节流式流量计近年创新改进大致有以下一些情况。

提高测量准确度，拓宽范围度，主要利用智能差压转换和流量显示仪表的突出进展使流量计测量准确度达到可以与新型流量计（涡轮，电磁等）相匹敌，范围度亦达10:1以上；改进结构型式消除应用隐患，一体化节流式差压流
量计已成为主流产品，由此消除了导压管等薄弱环节的困扰，如在人们强烈抨击的蒸汽测量中防冻保温等环节彻底消除了缺点。

改变工作方式，发挥固有优点。

采用定值节流检测件，改变历史上一直沿用的设计制造供应程序，即变量体裁衣为批量供应仪表的方式，由此使过去一直坐“冷板凳”的喷嘴和文丘里管发挥更大的作用，并由此改变压损大的恶名。

发挥固有优点是指节流式差压流量计的优点为易于复制，简单，牢固，性能稳定可靠，使用范围度广，使用期限长，价格低廉，标准化程度高等等。

最后的一点标准化程度高是其它类型流量计无法比拟的一项重要特点，目前标准节流装置的广泛采用其原因即基于此特点。

②浮子流量计
浮子流量计又称转子流量计，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流体动力承受的，从而使浮子可以在锥管内自由地上升和下降。

浮子的位置指示着流量的大小。

浮子流量计按锥管材料分为玻璃管（塑料）和金属管两大类，按远传型式分为电远传和气远传两种。

浮子流量计是仅次于差压式流量计而应用范围宽广和量大的一类流量计，其主要应用领域在于小微流量方面。

③容积式流量计
容积式流量计又称定排量流量计，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，是一种总量表。

容积式流量计按其测量元件分类，可分为椭圆齿轮流量计，腰轮流量计，刮板流量计，螺杆式（双转子）流量计，旋转活塞流量计，圆盘流量计，液封转筒式（湿式）流量计，膜式气量计（家用燃气表）等。

容积式和差压式流量计，浮子流量计并列为三类传统型流量计，在流量测量领域是量大面广的流量计，而容积式流量计主要在昂贵介质（成品油，天然气及精细化工产品，药品等）、高精度场合应用。

④涡轮流量计
涡轮流量计是叶轮式流量（流速）计的主要品种，叶轮式流量计还有风速计，水表等。

它采用多叶片的转子（涡轮）感受流体平均流速从而推导出流量。