流量仪表的特点、选用与发展

作者:毛新业 文章来源:弗戈工业在线 点击数:968 发布时间:2012-02-06
流量仪表是衡量物质量变的工具,广泛用于工业领域.在流程工业中不仅可以改进产品质量,提高经济效益,管理水平,同时还为评估节能降耗,环保排污提供了重要依据.

一、 概述

1、作用与地位 流量仪表是衡量物质量变的工具。广泛用于工业领域,在流程工业中不仅可以改进产品质量,提高经济效益、管理水平,同时还为评估节能降耗、环保排污提供了重要依据。在自动化系统的仪表中,它的数量虽只占约1/5;但价格可达1/3.。

2、市场评估 据“Flow Research”网2010年底有关全球流量仪表市场研究报告表明:尽管近二年全球受金融危机的影响,经济形势不容乐观,但为了应对资源的日益匮乏,节能减排的紧迫,流量仪表的市场仍逆市小幅上扬,预计自2009~2014年期间,流量仪表年均增长率可达3.7%~4.2%,至2014年销售额估计可达到35亿~50亿美元*1。我国为调整产业结构,GDP增长略有下调定为7%,“十二五”期间,我国流量仪表市场的年增长率应会略高于国际市场,为6%左右,2010年销售额估计为45亿人民币*2。

“Flow Research”评估认为,近十余年,由于技术的进步,对流量仪表的准确度、可靠性提出了更高的要求,新型流量仪表的市场及研发均有较快的发展,年增长率可达7%,依次为超声、科氏、电磁、热式;传统流量仪表如:节流装置、容积式、转子----等市场为负增长,约为-2%。但节流装置由于可耐恶劣工况,成本低,数十年来装机容量很大,我国近七、八年以来对新型流量仪表的研发异常活跃,正逐步取代传统流量仪表,仍有较大的市场潜力。

3、会议热点*3、4 2010年10月在台北召开了第15届流量测量国际会议(FLOMEKO 2010),发表论文108篇,其中:差压式34篇(31.5%)、标准装置28篇(26%)、超声15篇(13.8%)、热式8篇(7.4%)、电磁、科式各7篇(6.5%)、涡街、涡轮各6篇(5.5%)。

我国2010年在上海由中国计量测试学会主持召开了“全国流量学术交流会”,发表论文67篇,其中:标准装置19篇(26.8%)、节流13篇(19.4%)、超声7篇(10.4%)、非标准校验6篇(9%)、电磁3篇(4.4%),

其他如:涡街、科氏、热式----等均仅有1~2篇。

从以上学术会议发表的论文比重,可以看到国内外流量行业所关注的热点,要说明的是这两个会议都是由计量部门主持召开的,理所当然会给校验装置特别的关注。

二、流量仪表的原理、特点与发展*5、6

由于影响流量仪表的因素很多,其原理、类型多达200余种,本文仅重点介绍以下几种:

1、 电磁流量仪表

①、原理 基于法拉第电磁感应定律,即导电液体在电磁场中将感应电动势,其大小与管道中液体的流速成正比,测得感应电动势大小,即可知液体流量。

②、特点

(1)测量准确度不受液体密度、粘度、温度、压力的影响;

(2)表内无阻力件,可靠性高,几乎无永久压损;

(3)流速范围(0.3~1.5m/s),口径3~3000mm;

(4)可测液、固二相流;

⑸准确度一般为±0.5%;

⑹仪表内衬根据用户需要可选择橡胶、氟塑料、工业陶瓷等,可测腐蚀性、高温等各种液体;

⑺无法测气体及油品及有机溶剂等不导电液体,为其较大的弱点。

③、应用领域 由于其准确度高,可靠性良好,广泛应用于钢铁、冶金、石化、煤化、造纸、食品、市政工程、能源及水资源管理、污水排放……等领域,销售台数虽不及节流、差压式流量仪表,但销售额远远高于其他流量仪表。

④、发展方向

⑴优化权重函数,提高磁场效应。通过改善线圈形状、磁轭及磁靴的设计,流速分布不理想时,如采取必要的措施,仍能得到较好测量精确度。

⑵采用新型磁性材料,提高仪表测量灵敏度,降低电功耗,节约电能。

⑶采用新型材料衬里,如:新型氟塑料ETFE、橡胶EPDM,高纯氧化铝陶瓷,以应用于各种腐蚀、高温、冲刷、脏污流体的恶劣工况。

⑷扩大应用领域,如果电容检测可检测电导率低至5x10 -8 s/m的液体,(一般为10 -5 s/m)。

二线制:二线制可以减小电缆,统一电源、节约成本、便于维护。

非满管:加一个液位检测器,可以有效解决污水排放的非满管流量测量。

插入型:解决大口径管道流量测量,成本低,安装维修简便,但准确度将降低。

2、超声波流量仪表

超声波流量仪表是近十年来发展最快的一种流量仪表,市场销售额年增长率达到10%以上,在全球能源匮乏的今天,它既可准确测天然气,又可测石油等贵重油品的流量,因而倍受青睐。在我国市场上,国外产品占据了主导地位。

①、原理:早于1931年,美国Ruttgen就提出利用声学原理测流量,到1957年才真正进入实用阶段。原理有时差法、相位法、频差法、多普勒法等六、七种,应用较多的为以下二种:

(1)时差法 声波在流体中传播,顺流向时传播速度会增加,逆流向则会减少。利用传播速度之差可求得流速 (管径D确定,则知流量),主要用于单相、较洁净流体。

(2)多普勒法 多用于流体含有少量杂质的流体,将杂质的移动速度视为流体的速度 ,检测器发射的频率 ,作用在运动的杂质上将发生偏移,称多普勒频率 (正比流速V ), 测出 即可知 ,乘以截面即为流量 。


图1、超声波仪表原理图

图2、D系列科氏流量计原理图
1、支撑管  2、测量管  3、6位置检测器

4、电磁驱动器   5、外壳

 

②、特点:

⑴无任何阻力件、压损小、可靠性高;

⑵可以测气、液多种流体;

⑶准确度可高达±0.5%,重复性为0.1%;

⑷量程比可达100:1;

⑸可采用多声道以保证测量准确度(图1),目前有:单声道(15D),双声道(10D),四声道(6D)。括号内的数值为保证准确度所必要的直管段长度;

⑹管径大小对价格影响不大,所以特别适用于大口径,最大可至3米(液);2米(气);

⑺可测双向流;

⑻外夹式可不断流进行拆装,便于现场校验;

⑼已有标准,可进行干标;

⑽流体温度上限应小于200℃;压力上限为10Mpa;

⑾工业现场的噪声、流体组分的变化,对测量准确度均有较大影响;

⑿测液体较成熟,测气体难度较大,价格较贵。

③、应用领域:

⑴ 因准确度高,广泛应用于能源(石油、天然气),贵重气体(O2,H2,N2……),为化工产品贸易核算计量的首选仪表;

⑵ 以进行非接触计量,常广泛用于高腐蚀、有毒的流体流量计量;

⑶ 泛用于食品、医药及要求十分洁净的流体流量计量;

⑷多普勒法可以用于含有少量杂质的二相流,但杂质(气泡、固体悬浮物……)不得大于20%。

④、发展方向

⑴插入式:可以应用于特大的管道,在不断流的情况下进行拆装,便于维护,但准确度受管道内流速分布影响较大,在试验室标定后,直接用于现场会有较大误差。此外,仪表易受流体中微粒或高粘度介质的污染,降低其灵敏度。

⑵外夹式:采用夹具固定在管道外壁,可用于安装在任何材质、口径的管道上。有人设想将之作为标准表进行现场校验,但因受安装位置、管壁材质、厚度诸多因素的影响,准确度目前还较低(低于±2%),所以作为标准表尚有待时日。

(3)可靠性:增加仪表在恶劣工况下(煤气中的焦油,粉尘的粘污)的可靠性;抗噪声能力,适用于更高

温度的介质,提高换能器的耐温能力,加强自报警,自诊断等智能功能。

⑷降低成本:以便于大量推广应用。

3、科氏流量仪表

为近十年来发展速度仅次于超声的一种流量仪表,年增长率约为6%。美国艾默生集团(Emerson)旗下的高准(Micro Motion)公司于上世纪七十年代首先推出产品,市场在世界处于领先地位,声称至今在全球已销售了60万台科氏流量计,应用于各领域。并已在我国上海浦东建立了研发基地。

①、原理 如流体质量m在直线运动时又处于旋转体系中,将产生与流速V及质量m成正比的科氏力,测得力的大小即可知流量大小。然而在旋转运动中测科氏力十分困难,目前的产品都是在一个U形管中部激振管道(图2),其中的流体产生的科氏力使U形管二侧产生方向相反的扭曲,扭曲的幅度与流量成正比。用光学或电磁方法测出扭曲的幅度即可知质量流量 的大小。

②、特点

⑴ 以直接准确测质量流量,准确度可高达±0.2%,密度准确度可达±0.0002g/CC;

⑵ 仪表内无任何阻力件,可测二相流体,但不宜用于测液、气二相流;

⑶对流速分布不敏感,无需前直管长度安装要求,仍具有很高准确度;

⑷温度范围-240℃~200℃,压力(4~40MPa),不适用于高温、低压流体;

⑸量程比可达100:1;

⑹易产生另点漂移;

⑺压损受粘度影响较大,属于压损较大的流量仪表;

⑻因其工作原理,口径一般仅200毫米,高度已达2米;但德国E+H的巧妙设计当口径为250毫米,高度仅为0.7米;

⑼价格较贵,均为相同口径电磁流量计的5~8倍;

⑽由于基于振动原理工作,外界的振动对其影响较大。

③、应用领域

因管道中无任何阻力件,又不受流体导电率的限制,且无安装直管段长度要求,所以应用领域较广泛,可以测多种流体,如牛顿流体、各种浆液、悬浮液、液化气。在当前现场直管段不足,又要求较高准确度的情况下,科氏流量仪表显示了独特的优越性。已广泛用于石油、石油化工、精密化工、食品、造纸、制药、橡胶等工业。

④、发展方向

⑴提高智能功能:美国高准公司(Micro Motion)宣布采用MVD(多变量数字)技术推出了3711型气体流量计算机,系统涵盖了APIMPS、AGA8的有关标准的气体数据;

⑵温度压力补偿:当温度、压力改变较大时,科氏流量仪表的刚度会受到影响,应进行补偿,以确保较高的准确度;

⑶减弱振动影响:外界的振动(如泵、管路系统、机械振动、水力噪声等)都会影响科氏流量仪表的工作,在设计时应采取抑制措施,如MFS-1000设计安装时采取了隔振措施。

⑷减小零点漂移:要尽力减小两根测量管的不对称性,出厂时应进行动平衡测试,然后进行补偿,安装时需减小附加在测量管上的应力,加强维护,清除测量管内的沉淀物。

4、热式流量仪表

①、原理:利用流体流动时与热源进行热交换测流量。根据交换方式可分为分布型与浸入型二种型式:

⑴分布型:绕在管道外的两组电热丝,有加热及检测二个作用,并组成惠斯登电桥。由恒流电源供给恒定热量。当流量为零时,管道内流体温度平衡,电桥无输出;当流体流动时,流体将上游部分热量带给下游,电热丝上的温度失去平衡,上下游电热丝电阻有差异,电桥产生输出电压,其大小正比于流量,流量越大,输出电压也越大,测电压可知流量。

(2)浸入型:二个热电阻置于管道中,用功率恒定的电加热器,使热电阻温度高于流体的温度。其中一个裸露在气流中,流速的大小与热电阻的散热成正比,同时改变其电阻值。其中第二个被细管罩着的电阻不受流速影响,热阻值不变。因此,二个热电阻的温度差(即电阻差),将反应流速(即流量)大小,同上理可通过电桥输出电压测流量。

②、特点:

⑴可测极低流速,气体可低至0.05m/s;

⑵无可动部件,也不存在阻塞问题,工作可靠;

⑶由于传热与流体的质量密切相关,所以无需温度、压力补偿,直接测得质量流量;

⑷浸入式主要用在大口径,口径范围(40~4000mm),流体限于干燥常温气体(<200℃)

⑹ 布式主要用于小口径(2~25mm);小流量(0.15L/M);

⑹对流体的洁净度仍有一定要求,流体如有粘附物,会污染浸入式热敏元件;分布式如有沉淀物,将积于内壁,也会影响测量准确度;

⑺要保证必要的准确度必需要较长的前直管段长度,特别是浸入式,前需20~30D,后需5D;

⑻响应时间需1~2秒,用于工控系统会恶化调节品质;

⑼准确度较低,热分布型±1~2%,浸入式±3%。

③、应用领域:

⑴热分布式用于精细制造工艺中微小气体流量测量,如:半导体工业加工工艺、分析仪器、气体色谱仪和环境保护分析仪器中气体的采样流量测量;流程工业、光纤制造、医药保健中的微小气体流量测量;

⑵浸入式(或称插入式),多用于较大口径,可测量干燥、常温气体极低流速的流量测量;

⑶微小液体流量测量,多用于精细化工、石油化工、医药、食品工业中的试验性设备,如药液系统中的定流量配比控制,液化气注入的流量控制……

④.发展方向

⑴薄膜型:薄膜型微流量仪表,是在显微机械加工的电子器件,及微机电系统(micro electro mechanical system,简称MEMS),以取代热丝在流量测量上的应用。

⑵多点插入式:由于大管径内的流速分布极为复杂,测单点的热式流量仪表已无法满足准确度要求,必需采用多点(直线上多点,或截面上多点),这类管道中的流速普遍较低(10~15M/S),从节能减排的需求,市场应有较大的潜力。

5、涡街流量仪表

①原理 当流体通过钝体(或称漩涡发生体、阻流件)时,将在其后两侧产生交替的漩涡,这种现象称为卡曼涡街,涡街的频率ƒ 与流经钝体的流速ν 成正比,测得频率ƒ ,可知流量 的大小。

式中Sr是斯特劳哈系数,d与Re有关; 为钝体的迎流向宽度;D为管道内径。


 

图3 涡街流量计原理图

 检测涡街频率的方法有热敏式、超声式、应变式、应力式、电容式、光电式、电磁式……多种。漩涡发生体有单体、多体,原则上应采用在较宽的雷诺数范围内产生稳定、可靠的漩涡,信噪比高,且便于加工、易与检测件组合,材质满足流体的要求,耐温、耐腐蚀等条件。

将频率的多种检测方法与各种漩涡发生体相互组合,形成了多种型号的涡街流量计。

②特点

(1)可适用于多种流体,气、液、蒸汽及部分混相流体(容积比率小于2%)。

(2)输出频率信号,与流体的容积流量成正比,不受流体组分、温度、压力、密度的影响。

(3)无可动部件,可靠性好,

(4)结构简单、牢固与二次表形成一体,安装、维修简便。

(5)量程比可达10:1以上,准确度可达±1~2%,重复性0.2%,压损小。

(6)Re数小于20000时,涡街不稳定,不适用于高粘度、低流速、小口径的工况。

(7)涡街的产生受流速分布及漩涡的影响,因此上游必需有20D以上的直管段长度。

(8)不适用于管道机械振动的工况及脉动流。

(9)仪表系数分辨率低,口径越大分辨率越低,一般最大为300毫米。

③应用领域

涡街流量计推向市场约在上世纪70年代,它是一种结构紧凑的仪表,可适用于液、气、蒸汽多种流体,据统计,用于液体可选用仪表较多,液、气、蒸汽选用比例大致为3:3、:4。后者多为低于4000C的饱和蒸汽。以下情况建议慎用:流速低、粘度高的流体,因其Re数较低,涡街信号不稳定;其次,插入式涡街的探头容易产生振动,信号也不稳定,选用应慎重。在我国流量仪表市场中,年产量约4万多台。

④发展方向

(1) 信号处理技术数字化 采用跟踪滤波、自适应滤波和数字频谱分析,提高涡街流量计的准确度、

抗干扰能力、扩大测量范围。

(2) 结构一体化、功能智能化、检测多参数---等均是今后的发展方向。

(3) 优化安装 安装前直管段长度一般需20D以上,如仪表结构采用收缩管,不仅可加大流速,还可改善流场,均利于涡街信号的稳定。

(4) 干标 干标不仅节约设备、经费,而且缩短生产周期。经国内外二十多年的努力,已取得显著成绩,

开始实施。据美国“Fisher & Porter” 公司评估,‘干标’的误差约为实流标定的一倍。

6、插入式流量仪表*7

规模生产效益,近二、三十年以来工程日益扩大,现场管径日益增大,如热电厂的工艺管道已大至5~6米,满管流量计因过于笨重,已难以适应技术的发展,早期应用以取样原理为基础的插入式流量计又受到青睐,近三十年来又被广泛用于流量测量。

①原理 按流量的定义: , 只要能准确测量管道中的流速V,管道截面A,就可知流量qv。因此,凡是可以测流速的仪表均可成为插入式流量计。如:皮托管、双文丘利管、测管、涡轮、涡街、热式、电磁均可做为测量头,成为插入式流量计。其中以皮托管为基础的测直线上多点流速的均速管(亦称阿纽巴或巴类,),在近三十年来在大口径测量上曾风光一时,占有较大市场。

插入式流量计可以用极简单的方法,最低的成本,“解决”大管道流量测量的问题。看似好事,但弊已伏其中了。因为管道极大,十之八九不可能具有较长直管段,管内流速分布必然极其复杂(图4)、不仅没有规律,且有漩涡,怎么可能仅测一点或几点流速来涵盖整个截面的流速,准确地测量流量呢?因此公式中的平均流速 ,是很难用插入式流量计得到的,不少厂商只谈流速准确度而回避流速分布,有意或无意误导了用户。

 图4   双弯头后的流速分布              图5  均速管测量原理图

②插入式流量仪表

1、测点速

通过测一点流速推算流量*8

凡是可测流速的仪表,如皮托管;双文丘里管;测管;插入式涡街、涡轮;热式------均可成为这类仪表。

特点:结构简单,安装维修方便,压损小,价格便宜,但准确度不可能高。

厂商宣传在风洞中标定仅是流速,由于管道内流速分布十分复杂,无助于提高流量准确度*9。

2、测直线上多点流速 *10

主要为均速管(图5)、热式。

均速管问世已四十年,在横截面性状上不断推陈出新,不少于十余种,厂商都大肆炒作其优越性。其实均速管的应用必需与管道相结合,否则它就不是流量计。影响测量准确度的因素主要应该是管道*11,它的前直管段长度是否足够长(流速分布),及管道内径是否精确。而厂商往往回避这个问题。均速管的截面形状最初为圆形,因“阻力危机”问题,出现了菱形、弹头形----十多种形状,其实就测量准确度而言,截面形状的影响相对于现场应用条件是很小的,厂家的宣传往往过分夸大其词。

当管径大至1~2米;流速大于 10m/s,雷诺数Re一般将大于106,已越过“阻力危机” ,则流速计截面仍可用圆管,如当前火电厂一次风管口径已达4~5米,完全没有必要选用均速管,在国外已有成功的案例*12 。.

③影响准确度的因素(以差压式为例)

流量 式中 α为速度分布系数;β 阻塞系数; γ扰系数; A管道截面积

Δρ输出差压;ρ 流体密度; K流速计系数

(1) 速度分布系数α   是在充分发展紊流条件下,由管壁粗糙度与Re所引起的误差的修正系数,基本可以定量分析,带来的误差大约在1~3%之间;

(2) 阻塞系数β   是由于插入式仪表的测量杆(或均速管)及测量头,其迎风截面将改变管内的流速分布而引起的测量误差。研究表明:如果阻塞比S(仪表在管内的迎风截面/管道截面)小于0.02可忽略不计; 0.02<S<0.06可以修正,S>0.06时,尚缺乏修正数据。

(3)干扰系数γ   是由于阻力件的影响,流速分布为非充分发展紊流,直管段长度又不足,流速分布没有规律。由于阻力件及其组合成千上万,难以模拟重现,目前还无法定量进行修正,这是插入式流量仪表最不确定的因素,也是主要的误差源

④主要技术参数

(1)准确度 在很理想情况下,可达±2~3%;而在直管段较短(如火电厂)流量误差可达±30%以上,甚至完全无法测量。

(2)重复性 可以达到1%。

(3)工况上限 压力40mpa,温度500℃~600℃。

(4)压损很小,仅几十Pa。

(5)口径可低至25毫米,高至9米。

(6)结构简单,价格低廉,性价比高。

(7)安装维护简便,可不断流进行。

⑤应用概况

近40年以来,插入式流量仪表以其结构简单、价廉、安装维护简便、压损小等特点深为用户欢迎,得到了很大的发展,在钢铁、冶金、电力、石化、市政工程-----等行业被广泛采用。但由于准确度低,厂商过分炒作,准确度难以达到士1%,使用中问题不少,特别强调的是不宜作为核算计量仪表;但如果现场条件不是过于苛刻,流场不存在漩涡,其重复性可能较好,仍可用于工控、监测系统。

7、新型节流流量仪表

1.背景:节流流量仪表由于可耐恶劣工况,成本较低,使用已有一百余年,积累了大量数据,有较成熟的国际、国家标准,且可干标,长期占流量仪表市场的首位。但它最大的缺点是要求较长的直管段,才能获得较高的准确度,特别是2003年ISOTC30公布了新标准ISO5167后,要求更长的直管段,才能获得较高的准确,使其矛盾更为突出,迫切需要研发一种新型节流流量仪表。这种仪表无需较长直管段,仍可保持较高的准确度。

2.近十年的发展历程

①环形通道流量仪表*13、*14 1986年美国McCrometer公司推出了内锥式流量仪表,主要是为了解决测高炉、焦炉煤气这一类粘污流体,应用中发现其环形通道具有整流作用,在直管段不足条件下仍具有较高准确度的特点。而在我国前几年由于过热地宣传,到处滥用,造成了多起重大事故,市场急剧下降,断送了它的发展前景。但内锥流量仪表的整流优点仍应肯定,不宜封杀。只要改进一些结构,仍不失为一种性能良好的流量仪表,如:后来研发的槽道式、梭式流量仪表、内文丘里管----等。

②调整孔板*15 为解决流量测量要取得较高准确度而减小必需的直管段长度, IS0TC30一直建议采用流动调整器。但流动调整器本身就需要2D长度,安装前后又需3~4D,现场应用仍有困难。2002年美国Rosemount公司首先推出了将流动调整器与节流件合二而一的四孔孔板的调整孔板,在前直管段长度为5D时,准确度可达±0.5%;为2D时,准确度可达±1%。首创了这类流量仪表的理念。

③.平衡式流量仪表*16 继调整孔板之后,2004年美国A+Flowtek公司推出了“平衡式流量仪表”,2007年进入中国。据称前后直管段长度仅需0.5D,准确度可达±0.5%。这种宣传似有些误导用户,因为它的仪表较长,其节流件(图6B)前即有不低于5D长度的管道,是要占直管段长度的,仅说二个法兰之间的距离显然是不合理的,而且缺乏应有的测试数予以验证。

④.整流式流量仪表:我国天津某公司根据上述的理念,于2008年进行了近一年的研发、测试,其结构不同于美国A+Flowtek公司的平衡式(图6A、6C)。测试数据表明:在前直管段为2D时,准确度可达±1%,如为5D,准确度可达±0.3%,β值建议取0.5~0.65之间。

在前直管段长度约30D的条件下,对图3所示的三种结构进行了流出系数的重复性、不确定度、线性度的测试比较。

表1三种结构多孔整流式节流装置试验数据对比(直管段长度30D)


从表1的测试数据表明:6A的技术性能优于6B,6C与6B相差无几


 

                                              图6  平衡式、整流式节流流量仪表

 ⑤型式多样,性能难分伯仲。以上的这些节流式流量仪表(调整孔板、平衡式、整流式…..)均具有结构简单、可靠,加工简单易行,使用中都有对前直管段要求不高、又保持较高准确度的优点。目前还很难说哪一种产品具有显著的优势而独傲群雄,更不能说是某家独创。

2 推广应用的关键*17 近七、八年以来,新型节流流量仪表发展很快,加上厂商的炒作,大有取代标准节流仪表之势。但它终究还是个新生事物,在研发、生产及应用中缺乏经验,无序的生产与滥用势必会埋下事故隐患,(2005年大连内锥事故应为前车之鉴)。这种炒作以谋取暴利的做法已引起业内专家的忧虑,在肯定创新的前提下应尽快制定标准,为此建议如下:

①节流件标准化 优化当前推出的各种“多孔孔板”节流件,只有这样才能简化测试项目。

②积累测试数据 标准节流流量仪表的标准制定,花费了几十年时间,积累了成千上万在试验室测试的数据才可能制定标准。切不可随心所欲、闭门造车地制定标准,必需建立在试验的基础上。C. Hodges提出了一些建议以缩短这个过程*18。

 ③阻力件影响试验 测试首先要在标准试验室中进行,然后还需在不同的阻力件,不同的安装长度下,用数据来说明保证较高准确度所必要的直管段长度。

三、流量试验室

1、目的 影响流量仪表技术特性的因素很多,目前还无法通过理论推导,必需用试验的手段确定影响的大小。它是研发、生产流量仪表,保证其质量必不可少的设备。历来受到国内外业界的重视。在2010年台北召开的第15届流量测量国际会议上,在108篇发表论文中有关流量标准装置为28篇(占23%);同年在上海召开的全国流量测量学术交流会上,总计76篇论文中,有关流量标准装置为19篇(占26%)。

2、种类

(1)介质

①水流量装置 历史较为悠久,设计、工艺较为完善,根据基准值的确定又可分为称重法及容积法二种。前者的准确度优于后者可达10-4

国际标准有 ISO4185-1980(称重法);ISO8316-1987,我国有jjG164-86;jjG217-89等

②空气流量装置 由于受温度、压力影响较大,流动特性更为复杂,准确度次于水流量装置;目前已用的有:mt(质量-时间)法;PVTt(压力-容积-温度-时间)法;活塞法;标准体积管;钟罩法;速度面积法;示踪法;标准表比对法等,以mt 法最为准确可达10-3。

国际标准有关示踪法为:ISO4055-1(1977); ISO4053-4(1978). 我国有jjG165-89(钟罩);jjG586-89(皂膜);jjG619-89(PVTt)。

③油流量装置 油是一种粘性较大的介质。石油作为一种用量大而又日益昂贵的能源,在贸易核算中,油品流量计计量的准确度日益受到重视。为消除粘性的影响常以油品做为实际介质来校验流量仪表,这种校验装置常有标准体积管,以及上述的容积法、称重法。从安全角度出发,还是应当首选标准体积管,我国已有相关的标准 jjG-209-44及生产厂家。

④气体流量装置 为校验气体介质物性对流量准确度的影响。特别是天然气也是一种用量大。较昂贵的气体能源。我国目前已日益重视直接用天然气做介质来校验流量仪表。实验室往往建立在输气站的附近,就地建设备旁路取气,校验后再送回管线。流量基准多采用标准表(音速喷嘴;涡轮流量计等)。除天然气外,也有采用蒸汽、惰性气体(氦、氨、氖)、二氧化碳等气体作为实验室的介质。

⑤二相流流量装置 随着科学技术的进步与要求,二相流的准确计量日益迫切有待解决,如气液、气固、液固等,由于这类仪表在我国还处于研制阶段,其装置多建在高校及研究机构,已逐步进入实用生产阶段。

(2)、流场

①风洞(直匀流)*19

风洞是研究、测定物体与大气产生相对运动时物体受力状况的设备。 在其试验段截面上应是流速大小一致、方向相同的直匀流。它虽是研究航空、航天的高科技试验设备,但并不可能成为理想的流量校验装置。因为工业现场无法产生直均流,流场不一致校验就没有什么意义。

厂家可以用它校验流速计,但切记流速计并非流量计,不要混为一谈。

②、标准流量试验室(充分发展紊流)

这些流量试验室都在较长的直管段长度,具有充分发展紊流流场。各种流量仪表的规范也要求在现场安装时,必需具有较长的直管径长度(大于30D)。这样,试验室校验的流量系数才能无误地传递到现场的流量仪表,不致产生较大误差。有人曾将均速管在风洞中标定后,又在充分发展紊流中进行标定,由于流场的不同,流量系数的误差可高达10%。

③、阻力件影响试验室(非充分发展紊流)

近十年来,现场管径日益增大,直管段长度无法保证,而资源日益匮乏,有要求准确计量。国内外厂家

纷纷推出了各种流量计,都宣称在直管段很短(0~3D)的情况下,具有高达士0。5%的准确度。如:

多通道超声流量计、缩管涡街流量计、新型节流装置(内锥、多孔孔板----)。相关科技人员实测,数据表明,厂家都夸大其词,如插入式流量计生产厂家可宣称无需直管段而具有1%的准确度,真是令人匪夷所思!

所以,许多专家呼吁*20:为对用户负责,确立流量仪表作为计量器具执法可信度,迫切需要建立阻力件影响试验室(非充分发展紊流),科学、公正地解决阻力件对准确度的影响。

四、标准与检定规程*21

1、地位与必要性 流量仪表作为贸易结算计量器具,具有执法功能;而用于工控系统的检测仪表是信息的源头,也是保证产品质量,工况正常运行的重要组成部件。要保证流量仪表的质量,必需制定标准,按其加工、安装,及所界定的范围使用。要评估流量仪表的技术性能,则必需按检定规程在有一定资质的试验室进行测试。用测试数据来说明它的技术性能。只有这样,仪表性能才能保证公正、客观,具有说服力。

2、 标准的分类

按性质划分有三种:

①基础标准 确定流量测量及仪表的名词术语,型号命名,规范基本参数的定义。

②产品标准 规定流量仪表的产品分类、技术要求、试验方法、安装要求----等。

③方法标准 制定流量仪表的性能如何评定、试验、检验、计算---等方法。

以上标准我国按级别又有:国家、行业、地方、企业四种。

按制定机构划分有五种:

①国际标准 国际标准化组织(ISO);国际电工委员会(IEC),由他们确认其他国际标准化组织制定的标准。

②区域性组织、发达国家或权威性的学会/协会制定的标准:如:欧洲标准委员会(CEN);美国标准

(ANSI);英国标准(BS);德国标准(DIN)----美国仪表学会(ISA)、美国机械工程师协会(ASME)、美国

石油学会(API)、煤气协会(AGA)----等

③中国国家标准 由中国国家质量技术监督局所颁发的适用于全国标准(GB/T)。

④行业、地方标准 我国国家标准尚未制定,由行业、地方制定的标准。

⑤企业标准 根据企业研发、生产等的需要制定的标准,仅适用于本企业。确有负责任的企业为确保产品质量,所制定的标准比行业、地方标准还严格。

3、检定规程 由我国国家质量技术监督局所颁发的适用于全国的计量检定规程(JJG),用于评定仪表、装置。所颁发施行的规程较齐全。这些规程的编制者,可能缺乏生产、应用的经验,有的标准难以实施。如: (JJG835-93,速度—面积法流量装置检定规程),主要参考了国际标准ISO3966、ISO7145,要求具备30~50D的直管段长度,而速度—面积法主要适用于大管径、大截面,很难提供这样长的直管段。实际上国外在这种情况下,应用的是ISO7194*22。制定规程是为了实施,脱离实际难以实施,就失去了制定的意义。

五、如何选用流量仪表*23

影响流量仪表的因素较多,原理有10余种,类型不少于200多个。有人对美国现场千余台流量仪表进行了调查,发现其中60%所选择的方法不太合适,即使方法合适,又有约一半以上在安装和布局上有问题,正确选择并非易事。归纳起来选择流量仪表需取决于以下六个因素:

1、仪表技术参数。 2、流体特性 3、流动状态 4、安装条件

5、环境状况 6、经济型

(因篇幅有限从略,见附件)

六、感言

1、理性选型、诚信宣传 科学技术的突飞猛进的发展不断给流量仪表提出了新的要求,流量厂家也为此不断推出各种新原理、新结构的仪表。但至今仍很难找到一种流量仪表那么十全十美可以满足一切要求。任何一种流量仪表都只可能在某个领域中充分发挥其优势,而在其他领域则未必胜任。因此用户在选型时应理性,切勿轻信某一厂商言过其实的宣传;厂商的宣传也应以诚信为本,不要过度炒作,以谋取暴利。

2、用标准、数据评估仪表 质量优秀的流量仪表,必有标准可遵循。标准是根据大量试验数据,实用经验归纳总结的宝贵财富,不是一朝一夕可炒作出来的。有章可循则产品质量才有保证;但标准的制定需要假以时日,不能因此阻碍仪表的创新,一个新型仪表,在没有标准可遵循的情况下,评估的标准就是在一定资质试验室的测试数据,这比口若悬河的炒作要可信的多。这里要强调的是,在这样的试验室工作的人员(特别是负责人)必须廉洁,不得接受企业的财物和“顾问费”。否则,你出具的数据还能保证公正、可信吗?十分遗憾的是在我国确有其事。

3、专利产品未必优秀 在我国大力倡导科技创新的背景下,专利的审批门槛日益降低,每年专利数量突飞猛进,质量却徒有虚名。专利只不过说明它不是仿制,而未必一定优秀,不少厂商拉起专利大旗,无非是抬高身价以获暴利而已。用户千万不要为专利产品所迷惑,应深究其优在何处,是否适宜用于你的现场。

 参考文件

1、“Flow Research”网研究报告

2、“中国工控网“2010年流量仪表市场研究报告。

3、第15届流量测量国际会议论文集 2010 台北

4、全国流量测量学术交流会论文集 2010 上海

5、蔡武昌、孙淮清等 “流量测量方法和仪表的选用“。化学工业出版社 2004 北京

6、蔡武昌、应启嘠 “新型流量检测仪表“ 化学工业出版社 2006 北京

7、毛新业 “大管道流量测量仪表“ 世界仪表与自动化 2006年10月

8、ISO7145 “在圆形封闭管道横截面上测一点流速确定流量的方法” 1982

9、毛新业 《探询插入式流量计的精确度》世界仪表与自动化2002年10期

10、毛新业 “节能仪表—均速管流量计” 流程自动化 2005年11期

11、毛新业 “什么是影响均速管流量计精确度的主要因素” 世界仪表与自动化2004年7月 。

12、毛新业 “提高火电风量测量准确度、促进节能减排” 火电自动化 2010年1期

13、毛新业 “环形通道节流装置的应用与发展” 世界仪表与自动化2006年1期

14、孙延祚 “从节能降耗要求看推广VNZ流量计的必要性” 工业计量 2005(3)

15、Emerson “Technical Note 1595_Z_01_AA” July 2004。

16、毛新业 “流量仪表的准确度与安装直管段” 工业计量 2009年5期

17、孙淮清 “试论流量仪表标准检测件与非标准检测件的区分” 工业计量 2009年6期。

18、Casey Hodges “New differential producing meter—Ideas, implementation,and issues”

15th (FLOMEKO 2010) 台北

19、毛新业 “流场――流量系数的传递平台” 工业计量 2007年 3、4月

20、蔡武昌 “建立阻力件影响专业流量试验室刍议” 2010年全国流量测量学术交流会论文集 P359~361

21、法规汇编 “流量计与流量装置” 中国计量出版社 2010.6

22、ISO7194 圆管中处于漩涡、非对称流动下的速度—面积流量测量方法。

23、毛新业 “如何选用流量仪表” 传感器 2010年8月 P12~13

附件: 如何选择流量仪表

毛新业

影响流量仪表的因素较多,原理有10余种,类型不少于200多个。有人对美国现场千余台流量仪表进行了调查,发现其中60%所选择的方法不太合适,即使方法合适,又有约一半以上在安装和布局上有问题,正确选择并非易事。归纳起来选择流量仪表取决于以下六个因素:

1、仪表技术参数

选择的依据首先是工艺对流量仪表的技术要求,如:

1)总量、流量

总量(单位为m3或kg),多用于贸易核算,准确度是首位。

流量(瞬时量单位为m3/h,kg/h),多用于流程工业是控制系统的信息源头,重复性常是首位。

2)连续,开关

一般仪表的输出为连续量,而开关量可用于简单的二位式控制,或设备保护,要求可靠性良好。

3)准确度

准确度不仅取决仪表本身,还取决于校验系统,是外加特性。要说明在什么流量范围内的准确度,如用于控制系统还应考虑与整个系统准确度相匹配。

注意:厂家注明的误差是%Fs(上限);还是%R(测值)。

4)重复性

重复性是指环境条件介质参数不变时,对某一流量值多次测量的一致性,是仪表本身的特征。

不少厂家把重复性误导为准确度,准确度应由重复性与标定装置的流量不确定度两部分组成。

5)量程比,在一定准确度范围内,最大与最小流量之比。

差压式流量仪表,从仪表本身可以有较大量程比,因受二次表制约,一般只有3:1。

6)压力损失

流量仪表(除电磁、超声)都有检测件(如孔板、涡轮……),以及强制改变流向(如弯头、科氏)都将产生不可恢复压力损失,它将额外增加了输送的动力,才能维持正常运行,有些仪表永久压缩很可观,在历行节能的今天应引起重视。

7)输出信号

一般为标准的模拟信号(0-10V,4~20mA等)已不能适应系统发展要求。

通讯要求数字信号,Rosemount推出了HART协议,RS232/RS485转换器,RS232限于2Km以内,RS485可达10km。

8)响应时间

输出信号随流量参数变化反应的时间,对控制系统来说短越好;对脉动流则希望有较慢的输出响应。

9)综合性能

仪表的性能指标是相互制约的,如样本中压力上限为2mpa;温度为250℃,口径为1m;则当口径为1m时,压力可能只能为1.5mpa,温度只能是200℃,不可能同为极限值。

2、流体特性

1)流体类型:液体、气体,还是蒸汽,有些仪表如电磁不能测电导率太低的流体;插入热式则不能测液体。

2)温度、压力、密度,是选择仪表提供的重要参数,特别是在工况下的参数,对于气体流量还应了解其体积流量是工作状态、还是标准状态。

3)粘性:液体粘性相差较大会影响选型,如粘性大的液体宜用容积式流量计,而不宜选用涡轮、浮子、涡街等流量计。

4)腐蚀、结垢、脏污:这类流体,不宜选用有转动件及有检测件的仪表。即使对于超声、电磁这种流量计,也会因腐蚀管道带来误差。如口径50mm,结垢0.5~1mm,将带来0.5~1%的误差。

5)特殊参数:某些流体参数会影响仪表的工作,如压缩性系数影响差压式;比热及热传导系数影响热式;电导率影响电磁;声速影响超声。

6)单、多相

相是指在一个系统中具有相同的物理、化学性质的物质,不同的相有较明显的界面,通常工业中大多为单相,随着工业的发展出现了多相流(气固、气液、液固或气固液)等的流量测量问题。

3、流动的状态

与许多物理参数(如压力、温度、物位、成分)不同的是流量必须以流体流动为前提,没有流动就不存在流量。

1)满管、非满管。一般流体均应充满管道,但当液体流量较小,管道又处于水平时,则可能出现非满管流动,大多数流量仪表都无法解决,目前电磁已有非满管流量计型号。

2)层流、紊流。反映流体在管道中流动的状态,影响流量系数的大小,当Re<2320时为层流,仅有很少情况如流体粘性大,管道小,流速低才会出现层流,工业中多为紊流。

3)封闭、明渠。流程工业中多为封闭管道。

4)充分发展紊流。流量仪表多为速度型,即管内流速分布影响流量系数,所以要求流量仪表应安装在一种特定的充分发展紊流中。只要仪表前具有30倍管径长度即可取得。

5)脉动流,流体中任一参数(流速、温度、压力、密度)随时间变化的流动,易产生误差,应附加设备去掉脉动流准确进行测量。

4、安装

流量仪表常由于安装不当无法正常工作,如方向装反、流速分布不理想,引压管中出现二相,环境恶劣,缺少必要的附件……

1)管道的布局。有些仪表如浮子式只能安装在垂直管道上;而有些为避免流体的重力只能装在水平管道上;而流体中含有固体颗粒又不宜安装在水平管道上。

2)流向。流量仪表中绝大多数不能反向安装。

3)直管段长度。除浮子、容积、科氏外,都要求仪表前后有较长的直管段,以节流装置及测点速的插入式仪表要求最高(达30~50D)。

4)管径。不少流量仪表管径范围较窄,限制了选用,可采用变径管弥补,但要注意变径后仍应处于仪表的正常工作范围,应避免流速过小,输出太弱;流速过高、强度受损的情况。

5)维护空间。应具有必要的装卸、维护空间。

6)配件。针对某一仪表,应考虑安装必要的配件,如流动调整器、过滤器、气体分离器、阻尼器……等等。

5、环境

流量仪表应避免安装在以下环境。

1)高温。流量仪表的检测部分无法避开,则应使变送器部分远离高温区。

2)振动。在压缩机、定排量泵、振荡伐门后,不能安装涡街、漩进、科氏等流量计。

3)粉尘。仪表的变送器应远离或加防护罩。

4)腐蚀。潮湿,如无法避闭应选用耐蚀材料做仪表壳体。

5)防爆易燃。应增加仪表的防爆安全事故,采用气密性外壳及降低电源电压。

6)电磁干扰:仪表在强电磁干扰附近应加装防护罩,以屏蔽电磁干扰。

处于恶劣工作环境,流量仪表的检测仪表难以回避,而二次表(变送器)则不然,此时不宜用一体化仪表。

6、经济性

1)初始购置费。开始与厂商接触时,应注意:①理性对待厂商所宣传的技术指标;②根据需求选用,不要盲目追求高指标。③要注意仪表的制造材料。

2)安装。管径大特别要注意安装中的附加问题,如是否为便于维修加装旁路管道;必要的配件,如过滤器、流动调整器……

3)维修、配件。有些仪表的检测件,转动件易于磨损,腐蚀(如涡轮、容积、孔板)维修量不小。

4)校验。有些仪表工作一段时间后,因腐蚀、磨损,准确度会下降,如用于贸易核算,应定期校验。

5)运行费。流量仪表一般均有永久压损,因此会带来额外的运行费,特别是管径较大时,其年运行费可能数倍于购置费。

6)误差的损失。如用于贸易核算,特别是较贵重的能源、化工原料,应选用精确度高的仪表,否则因误差造成的经济损失,将数倍于购置费。

7、小结

流量仪表的选择,可根据以上六类影响因素,选择大致可按以下程序:

 

满足同一工艺要求的流量仪表可能不止一种,可以同时做几套方案进行比较。

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