流量检测和仪表

流量检测和仪表
一流量测量的应用领域
（一）为什么在国民经济中如此广泛采用流量测量和仪表？流量测量是研究物质量变的科学，质量互变规律是事物联系发展的基本规律，量是事物所固有的一种规定性，它是事物的规模、程度、速度以及它的构成成份在空间上的排列组合等等可以用数量表示的规定性，因此其测量对象不限于传统意义上的管道流体，凡需掌握量变的地方都有流量测量的问题，例如城市交通的调度，需掌握汽车的车流量的变化，它是现代化城市交通管理需检测的一个参数。

流量和压力、温度并列为三大检测参数，对于一定的流体，只要知道这三个参数就可计算其具有的能量，在能量转换的测量中必须检测此三个参数，而能量转换是一切生产过程和科学实验的基础，因此流量和压力温度仪表得到最广泛的应用。

（二）流量测量技术和仪表的应用领域
1. 工业生产过程流量仪表是过程自动化仪表与装置中的大类仪表之一，它被广泛应用于冶金、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，它是发展工农业生产、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。

据统计，流量仪表的产值约占全部过程自动化检测仪表与装置产值的五分之一。

2. 能源计量
能源分为一次能源（煤炭、原油、瓦斯气、石油气、天然气）、二次能源（电力、焦炭、煤气、成品油、液化石油气、蒸汽）及含能工质（压缩空气、氧、氮、氢、水）等。

1998年 1 月 1 日公布中华人民共和国节约能源法，说明我国的能源政策开发与节约并重，把节约放在优先的地位。

由于我国产业结构，产品结构不合理，生产设备和工艺落后，管理不善，能源的利用率只有32%，比国际先进水平平均低10%，每消耗一吨标准煤创造的国内生产总值，只有发达国家的二分之一到四分之一，我国每生产一吨钢综合煤耗为976 公斤，而国际先进水平为650 公斤。

风机、水泵、锅炉等应采用高效节能的先进设备。

能耗是考核企业管理水
平的一个重要指标，要节能除采用先进设备与工艺外，主要是加强管理的问题，而管理必须配备计量系统才能进行定量的管理。

每个企业，对进厂、出厂、自产自用
的能源进行计量，对生产过程中的分配、加工、转换、储运和消耗，生活和辅助部门的能耗进行计量。

目前我国流量计量系统正常工作的百分率比较低，除仪表质量
外，尚有许多复杂原因影响正常运转，这些原因如介质条件恶劣、维修困难、校
验问题大等。

现分别对几种主要能源的流量计量情况简介如下。

水我国水资源人均只有世界的四分之一，且分布不均衡，北方严重缺水，全国有100 多大中城市缺水，日缺水达1000万立方米以上，21 世纪可能发生水危机，如大连从120公里碧流河引水，天津从230 公里滦河引水，青岛从240 公里黄河引水。

近年来黄河下游断流时间不断延长，断流处向上游延伸。

北京日高峰时日
缺水达30 万吨。

城市庞大的水管网进行输配，从水厂到用户水表种类繁多，大口径水表的计量精度一直存在问题，水表种类大致有孔板、电磁、超声、插入式流量计等，除孔板外，其它类型大口径水表的校验不断困扰着用户。

家用水表是个非常庞大的数目，我国家用水表年产量估计在1000 万只以上，家用水表为叶轮式，不但精度低，计量抄表需大量人工亦是个问题。

福利型的水价导致水的严重浪费已引起国家的重视，亟需制订合理的水价以促进节约，但水价的提高如计量精度不相应提高亦会产生新的矛盾。

故家用水表型式性能的改进已提到议事日程。

煤气、天然气
城市气化率是现代化城市的标志之一，1985 年全国城市煤气工作会议确定直辖市、省会、重点旅游城市、沿海开放城市及环保重点城市1990 年气化率为40%，2000 年气化率为70%，煤气的流量计量由于介质脏、含湿高、大口径、低流速、宽范围度等为困难的测量问题，几十年来一直未能很好的解决，去年制订的煤气主管道流量测量国家标准可望为解决此问题提供一些可能性。

由于环保的原因国
家不鼓励更多地发展煤气而尽量用天然气。

天然气是高效、清洁的燃料，优质的化工原料，并有望成为城市汽车的清洁燃料。

发展天然气是我国今后能源发展的重点。

我国天然气蕴藏量丰富，但目前产量很低，每年仅约200亿立方米，不及西欧小国荷兰的产量，美俄两国天然气年产量皆在5000 亿立方米左右。

急剧增加产量以适应国民经济的需要已经势在必行。

国家制订计划到廿一世纪初天然气产量要比90 年代初翻两番。

目前我国陆上已探明储量约 1.3
万亿立方米，主要分布在重庆、四川、陕甘宁、新疆等地。

1998年5月28日我国发表《中国海洋事业的发展》白皮书，其中关于石油资源内容如下：我国海域有30多个沉积盆地，面积近70万平方公里，石油资源量约250 亿吨，天然气蕴藏量约为8.4 万亿立方米。

天然气从气井开采经处理（脱硫、脱水）集输到城市要经过许多复杂的工艺过程，从计量角度对被测介质可分为三种类型：第一种类型：气井到集气站、脱硫厂及脱水厂称为原料气，具有多相、高压、腐蚀、中小口径等特点；第二种类型：处理厂出来后称为净化气，经长输管线送到城市，具有单相、中压、大口径、要求高精度计量的特点；第三种类型：城市广大用户使用的天然气，具有单相、低压或常压、中小口径、计量精度适中等。

一般气田纵横数百公里，几百口井，几十个集气站及处理厂用管网连在一起，输送到城市更是庞大的管网覆盖广大地区，这些管网中的气量分配，调度、经济核算皆需设置天然气计量站，装备大量的流量测量系统。

目前第一种类型尚无合适流量计可用，第二种类型采用孔板、涡轮、超声等，第三种类型除上述仪表外还有涡街、腰轮、膜式气量计（家用煤气表）等。

我国城市家用煤气表年产量在百万只以上。

蒸汽蒸汽分过热蒸汽和饱和蒸汽。

前者为单相介质，在火力发电厂中过热蒸汽做为推动汽轮机带动发电机发电，蒸汽流量测量对于电厂的生产质量及安全极为重要，现代火力发电厂机组为高压高温状态，过热蒸汽流量采用喷嘴测量，有国际标准或国家标准做为依据。

饱和蒸汽是由工业锅炉生产的一般为低压中温状态，它是
汽水混合物，锅炉出口处为饱和蒸汽，但输送到用户处，由于管道热散耗含水量
大的汽水混合物，它的流动为两相流，对于测量混相流是个困难的测量问题，至今尚无成熟的仪表可用.据估计我国煤产量1/3〜1/4用于工业锅炉燃料，全国有几十万台工业锅炉，需配备数量巨大的蒸汽流量计，目前常用的仪表为孔板、涡街、均速管及分流旋翼式流量计，这些流量计在低干度下使用都不能令人满意，是急待解决
的问题。

油品燃料油从炼油厂生产后经油库到发油站供给汽车、船舶、飞机等交通工具使用油品计量涉及巨大经济利益，全国有数十万个计量站在工作着，油流量计更是一个极为庞大的数目。

目前大量使用的类型为容积式和涡轮流量计，容积式流量计类型很多，如椭圆齿轮、腰轮、刮板、旋转活塞、螺杆双转子，圆盘等等。

3．环保工程人口剧增，工业生产迅猛发展使得环境严重恶化，已经达到危险的
程度，国家把可持续发展列为国策，它将是二十一世纪的的最大课题。

空气污染、水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。

我国是以煤为主要能源的国家，全国有上百万的烟囱日夜不停地向大气排放浓烟，烟气排放控制成为根治污染的重要项目。

美国已经立法规定烟废气排放标准，每个烟囱必须安装烟气分析仪和流量计，组成连续排放监视系统（CEM）烟废气流量测量属于困难的测量问题，它的难度有：
口径大，如烟囱不规则形状，几米周长；
气体组分变化不定；流速范围大，从极低速到高速；脏污、灰尘、腐蚀；流道为非圆截面，无相似性，通道内流速分布复杂；无直管段，阻流件形状复杂，速度畸变与旋转流；无法个别标定确定流量计仪表系数；静压，要求仪表低压损；
高温（200C以上）；
废液、污水排放已严重污染江河湖泊，使本来已经严重缺乏的水资源遭到破坏，已很紧张的水资源更是雪上加霜。

废液、污水排放的管理控制已是刻不容缓的任务。

但是废液污水流量计由于被测介质脏污、口径大、形状特殊、压头低、流速范围宽、不满管流等亦是流量测量的困难问题。

工厂企业及人民生活需要的流量计数量极为庞大，种类需多样化才能适应广泛需求。

环保工程所需的流量计随着工程的深入发展将不断提出新的要求，如大规模的废水再生设备、城市垃圾处理设备、工矿企业的水循环利用系统等都需种类繁多的流量计。

4．交通运输交通运输有五种方式：铁路、公路、航空、水运和管道输送。

在五种方式中管道输送虽早已有之，但应用尚不普遍。

随着环保问题的突出，管道输
送的特点引起人们的重视。

例如煤炭一直由铁路水运输送，装卸及敞开运输污染环境不容忽视，采用管道水力输送，不但迅速高效，密闭卫生是很大优点。

管道输送的物料有：原油、天然气、水、压缩空气、煤炭、谷物、水泥、矿物……。

世界管道运输主干线已达230 万公里，我国1996年底仅为 1.9 万公里，处于落后状态。

管道
运输必须装备流量计，它是控制、分配调度的眼睛，亦是安全性（监视物流堵塞）的监测系统。

管道运输流量计除传统的流量计如孔板、电磁、容积式外，近年出现的相关流量计是极具潜力的的新型流量计，国内已有用于混相流测量的实例。

5．生物技术据说二十一世纪是生命科学的世纪，以生物技术为特征的产业将获得迅速发展，生物技术中需监测的物质很多，如血液、尿液、药液、营养液等等，其
被监测对象很多为混相流、脉动流、非牛顿流体，亦是流量测量的难点。

6．科研
实验
科研实验需要的流量计不但数量多，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之需，它们并不批量生产在市面出售。

我国有很多科研单位或大型企业有专门小组研制自己需要的流量计，特别是国防部门更是常事。

■化工中间试验工厂它是化工生产的一个中间环节，一种化工产品从实验室研制到大批量生产必须经中间试验，这种实验工厂可以说是生产实验数据的工厂，数据的准确可靠是第一位，这里流量计是必备的仪表，它是监测物料数量的仪表，由于规模小，大都是小、微流量的测量。

■发动机效率试验发动机种类繁多，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。

一般认为流量测量比较困
难，原因是其使用条件特殊，测量对象阻流件复杂，无直管段安装条件，流体组分变化，流动为脉动流等。

7．海洋气象，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（流量）计一般所依据的物理原理及流体力学基础理论与密封管道虽有共通之处，但仪表原理及结构以及使用条件有很大差别，国际标准化组织（ISO）有专门技术委员会制订此类流量计的国际标准。

国际流量学术会议一般皆包括此部分内容。

我们列举了七类应用领域，它遍及国民经济各部门，ISO、IEC及OIML等国际标准化组织设有众多技术委员会制订有关国际标准。

国际标准化组织（ISO）有9个技术委员会涉及流量或流速的测量，它们是：TC（技术委员会）30（封闭管道）、TC113（明渠）、TC28（石油产品）、TC115 （泵八TC117（工业风机）、TC118（压缩机）、TC13（（液压）、TC112（真空技术）、TC116（采暖）。

国际电工委员会（IEC）有3个委员会：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分为两方面：流体特性和测量特性。

1 ．流体特性脏污流：流体脏污、沉积和堵塞，如煤气、烟废气、污水等；腐
蚀流：管道腐蚀严重因而带来脏污流，仪表耐蚀要求高；高参数流：高温、高
压、真空及低温极端工作条件下的流量测量；脉动流：发动机、压缩机、泵出
口流体脉动、石油天然气井喷流脉动等；大流量：管径达数米，液体流量达
108kg/h，气体流量达106kg/h ；微流量：流量下限极低，液体为10-2kg/h ，气体为10-4kg/h ；高粘性流：流体粘度极高，雷诺数很低，粘度可达数帕斯卡?秒；混相流：如气液、液固、气固及气液固多相流；质量流：被测介质工作时状态及组分变化很大，体积测量法无法准确测量；蠕动流：流速极缓慢，
雷诺数极低，大小口径皆有，如沥青、浆液等。

前面介绍各应用领域皆有一些实例。

2．测量特性
现场工作条件恶劣，检测件可靠性差；流量为动态量，难以获得高准确度；仪表结构大都为法兰连接，只在停流时才允许拆卸维修，有些生产过程连续进行，只在大修时才能停流，中间仪表有故障无法检修；仪表实验室校验的工作条件与现场工作条件相差很大，准确度偏离无法确定；
校验设备庞大昂贵，校验费用亦不菲，周期校验是个难题。

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、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。