摘要：本文論述近年流量測量應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)展包括應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展如超聲
流量計(jì)應(yīng)用于天然氣交接計(jì)量電磁流量計(jì)應(yīng)用于非滿管流科里奧利質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)用于雙組分液濃度測量等。闡述人們重視經(jīng)濟(jì)效益如何從減少測量誤差損失降低運(yùn)行費(fèi)用削減初置費(fèi)三個層次考慮論文還回顧安裝條件和介質(zhì)參量對流量測量影響的研究成果。
一、 前言
近50年來開發(fā)了許多新測量原理的流量測量方法和儀表從而應(yīng)用領(lǐng)域有很大擴(kuò)展進(jìn)入許多過去的禁區(qū)如可以不對管道作任何改動就可作非接觸測量。過去某些流量儀表用來測量某些特殊對象的流量時感到很困難；如今因技術(shù)上有所突破而變得容易但是環(huán)保工程等新興產(chǎn)業(yè)提出的要求現(xiàn)有手段不能滿足尚待開發(fā)。經(jīng)流量儀表流轉(zhuǎn)財(cái)富為數(shù)甚巨就以我國生產(chǎn)一億多噸石油及后續(xù)成品的交接計(jì)量流轉(zhuǎn)財(cái)富以1012數(shù)量級（方億）元來計(jì)算0.1%～0.2%計(jì)量損失就高達(dá)數(shù)十億元。流量儀表精度雖已提高到0.1～0.2級似乎還不滿足，
表面粗糙度儀還要精益求精儀表價格再高還是愿意購置。但對量大面廣的儀表則盡量降低包括儀表購置費(fèi)在內(nèi)的各項(xiàng)費(fèi)用。流量儀表應(yīng)用技術(shù)中克服或減少管線安裝影響是長期探索的工作流體參量變化對流量儀表測量值的影響是用戶非常關(guān)心的問題近年又有不少收獲本文擬就這些方面作些討論。
二、 環(huán)保業(yè)應(yīng)用展望
環(huán)境保護(hù)中污水中的污染物不僅要控制其排放百分比含量更重要的是控制其排放總量為此要求計(jì)量污水排放總量。我國工業(yè)污水排放計(jì)量的明渠污水流量儀表80年代中期各制造廠已相繼開發(fā)1987年開始國家環(huán)保局開展調(diào)查考評10余家制造廠所提供的商品。經(jīng)兩年余實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場考評國家環(huán)保局認(rèn)為明渠污水流量儀表立足于國內(nèi)是可能的。10年后的今天儀表性能更趨完善品種增多在國家環(huán)境保護(hù)政策推動下環(huán)保業(yè)對流量儀表需求增加頗快。
雖然國內(nèi)已有污水流量儀表和總需氧量（TOC）汞、鉻、鎘等金屬離子和砷、苯胺、酚鹽等污染物含量的在線
分析儀器但要使用方各自設(shè)計(jì)在現(xiàn)場配套裝配尚無由制造廠專門設(shè)計(jì)工廠化裝配調(diào)試成套供應(yīng)污染物排放總量的儀表總成這是需要開發(fā)且頗具前途的項(xiàng)目。
廢氣中的污染物主要指鍋爐等排放的煙道氣和汽車尾氣中的SO2、NO2、H2S、O2等。1990年美國空氣清潔法修正案規(guī)定要電廠降低會形成酸雨的二氧化硫和氮氧化合物排放總量。美國環(huán)境保護(hù)局規(guī)定773家電廠約2500臺鍋爐在1995年1月1日前必須裝上連續(xù)排放監(jiān)控系統(tǒng)（CEMS）。但是我國尚未頒布相似的法規(guī)。
現(xiàn)在適用測量煙道氣流量的國產(chǎn)儀表僅開封儀表廠的TH/TR系列熱式氣流量計(jì)但僅適用于350mm以下中小管徑尚缺乏適合電廠大型煙道用儀表國外產(chǎn)品代理銷售則品種甚多。同污水排放一樣下一步還應(yīng)開發(fā)與在線分析儀表配套的氣體污染物排放總量監(jiān)控儀表總成。
直接測量汽車廢氣排放量是一個非常困難的技術(shù)難題因?yàn)樗鶞y量的是高溫且含有水汽、塵埃的強(qiáng)烈脈動流的流量國外尚處于探索階段。
三、 成熟儀表應(yīng)用的擴(kuò)展
針對經(jīng)典或新穎儀表在某一領(lǐng)域應(yīng)用受到的限制經(jīng)局部適應(yīng)性改進(jìn)且技術(shù)有上所突破而使得在該領(lǐng)域應(yīng)用有迅速的發(fā)展。例如差壓式流量儀表對于粘性液體低雷諾數(shù)（Re=104以下）運(yùn)行段和固體含量濃度較高漿液所受限制自出現(xiàn)楔形管再配以密封毛細(xì)管傳送的差壓變送器后差壓式流量儀表在這一應(yīng)用領(lǐng)域就得到了擴(kuò)展。又如超聲流量計(jì)應(yīng)用于天然氣貿(mào)易交接由于測量精度不及渦輪流量計(jì)而長期未被接受；傳統(tǒng)電磁流量計(jì)不能測量非滿管液流量科里奧利質(zhì)量流量計(jì)前幾年還不能用于中壓氣體只適用于測量高壓氣體等等。近年這些儀表在技術(shù)上均有所突破在所述領(lǐng)域的應(yīng)用有較快發(fā)展。
1． 適用于天然氣存儲交接（custody transfer）計(jì)量的超聲流量計(jì)
由于超聲波在固體與氣體界面上的傳播效率低管道外夾裝超聲換能器（探頭）難以從管壁傳送足夠的聲能因此目前還沒有外夾裝式氣體超聲流量計(jì)。氣體用超聲流量計(jì)商品始于80年代初大部分由測量短管和插入管壁換能器組成一體的形式出現(xiàn)由于測量精度較低（1.5%～2%FS）過去未能在價格昂貴的天然氣貿(mào)易結(jié)算計(jì)量領(lǐng)域取得一席之地近年則出現(xiàn)多種型號精度較高的氣體超聲流量計(jì)。
德國Krohne公司的ALTOSONIC GFM 700型系平行雙聲道Z法（即一側(cè)換能器斜方向發(fā)射聲波到對面一側(cè)換能器接收）布置于弦位置上測量誤差為±2%R，口徑范圍50～800mm它對上游直管段長度要求較低Z約為單聲道的1/2～1/4。
德國Elster Handel公司的USM型是雙聲V法反射。其特點(diǎn)是發(fā)射換能器發(fā)射聲束散射至對面一側(cè)換能器接收）布置于弦位置上測量誤差為±2%R上游直管段長度要求很低僅需3倍管徑長度下游僅需2倍。
日本奧巴爾公司1997年有上海展示的Posonic-1型系單聲道V法(即發(fā)射聲波經(jīng)對面管壁反射到同側(cè)另一換能器接收)傳播方式。經(jīng)雷諾數(shù)修正后的測量誤差為≤±1%R口徑范圍為50～250mm。
RVG公司在1995年INTERKAMA展覽會上1997年ACHEMA（化學(xué)工業(yè)裝備展覽會）上展示四聲道組合傳播聲波兩個聲道是V法反射布置為流量測量的基本信號；另兩個聲道之一的聲束是按直徑途徑傳播之二的聲束是按三角形反射途徑傳播作為流速分布修正的輔助信號。最小測量誤差為≤±0.5%R口徑范圍為200～1000mm[5]。
據(jù)1998年赴歐考察燃?xì)饬髁繙y量成員介紹歐洲用于天然氣計(jì)量的主流流量儀表有：①孔板差壓式；②腰輪等容積式；③渦輪式；④渦街式；⑤超聲式。當(dāng)前德國和荷蘭的專家對這些儀表的看法是：孔板差壓式不推薦但氣田的高壓氣向外輸送計(jì)量，當(dāng)前它還是唯一選用的品種；渦街式和超聲式推薦但不推廣待積累應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)；渦輪式和容積式僅適用于中低壓力較小管徑場所。筆者認(rèn)為超聲流量計(jì)將有向大口徑高壓天然氣流量測量與孔板差壓式競一高低之趨勢。
2． 非滿管電磁流量計(jì)[6]
非滿管電磁流量計(jì)的問世使非滿管圓形管的測量誤差從傳統(tǒng)槽式流量儀表的3%~5%FS降低到1%～2%FS。自1992年Fischer+Porter公司首家向人們展示非滿管電磁流量計(jì)以來迄今共有4家制造廠的4種型號儀表推向市場�？趶椒秶鸀�150～1000mm。
非滿管電磁流量計(jì)仍以法拉弟電磁感應(yīng)定律測量流速再利用某種方法測量流通截面液位高度從而求得流通面積兩者相乘獲得流量。上述4種型號儀表中有兩種型號產(chǎn)品是利用上下兩組激磁線圈串接激磁和單線圈激磁（或正向和反向串接激磁）產(chǎn)生兩種磁場分布和強(qiáng)度測得兩個流量信號兩者之間的比與液位高度有一定函數(shù)關(guān)系間接求得液位高度。第3種型號的兩激磁線圓軸線處于水平線磁力線與地平線平行一個電極置于測量管底部流量信號取其與測量管端部接地環(huán)間電位差該電位差與液位高度、流速兩者均成比例不需作液位高度與流速演算就可得流量第4種型號液位高度的測量原理與電容式液位計(jì)相同。
由于國內(nèi)尚無非滿管電磁流量計(jì)生產(chǎn)國外廠商及其代理要價甚高為傳統(tǒng)儀表的二三倍以上。
除上述流量傳感器外形與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似的非滿管電磁流量計(jì)外還有以電磁流速檢測元件和固態(tài)液位檢測元件組成一體的扁平型傳感器置于安裝環(huán)的底部安裝環(huán)放進(jìn)待測流量的非滿管管道內(nèi)。上海蘇州河污水治理工程曾嘗試用于測量污水流量。
3． 低電導(dǎo)率電磁流量計(jì)
低電導(dǎo)率電磁流量計(jì)的電極不與被測液體接觸大面積電極緊貼襯里外壁以電容耦合方式檢測流量信號可測量比傳統(tǒng)儀表低2～3個數(shù)量級即可測電導(dǎo)率≥5×10-8S/cm的液體例如純水、液氨（不是氨水）、甘油、乙二醇等以前不能測量或測量困難的液體國外產(chǎn)品也有稱之為無電極電磁流量計(jì)者。
這種儀表在襯里有絕緣層生成的情況下仍能工作若用傳統(tǒng)接觸電極電磁流量計(jì)電極表面將被絕緣層覆蓋使電路斷路而無法工作這一優(yōu)點(diǎn)在擴(kuò)大應(yīng)用范圍所起的作用更大于降低電導(dǎo)率所起作用。
四、 流量傳感器多參數(shù)測量
所謂多參數(shù)測量即利用傳感元件從被測對象按不同物理現(xiàn)象感受到一個以上變量使流量傳感（變送）器功能擴(kuò)展。例如科里奧利質(zhì)量流量計(jì)測量振動管頻率相位差得到質(zhì)量流量；測振動管諧振頻率得密度�；蛘咴诹髁總鞲衅骷恿硪粋鞲性ɑ騻鞲衅鳎y量另一個變量擴(kuò)展功能或補(bǔ)償另一個變量受
其他量的影響提高測量精度等性能。
1． 差壓變送器
新穎的差壓變送器可同時測量差壓、靜壓和溫度并經(jīng)計(jì)算單元作氣體壓力、溫度修正或測氣體質(zhì)量流量。這已為人們所熟悉減少了獨(dú)立的傳感器數(shù)量簡化管線工程降低安裝費(fèi)用；減少管線開孔降低潛在泄露點(diǎn)提高整體可靠性。
2． 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)
科里奧利質(zhì)量流量計(jì)利用測量管二半部分振動頻率相位差正比于質(zhì)量流量以測流量利用測量管諧振頻率與管中被測介質(zhì)密度間的函數(shù)關(guān)系求取密度。科里奧利質(zhì)量流量計(jì)還從兩個基本參數(shù)質(zhì)量流量qm和密度ρ衍生得出體積流量qv；若被測液體是兩種有一定密度差的混合液體還可經(jīng)密度演算得出一種液體在混合液中的濃度。
例如江蘇油田用科里奧利質(zhì)量流量計(jì)測量井口出油經(jīng)氣液分離后的油水混合液的質(zhì)量流量在測量的同時測出油含量濃度經(jīng)演算獲得原油質(zhì)量流量已有5年以上的使用經(jīng)驗(yàn)。又如在給水工業(yè)測量凝聚劑硫酸鋁（明礬）濃度求取硫酸鋁貿(mào)易交接總量防止僅測溶液質(zhì)量流量時供方有意稀釋的滲假行為。
在流程工業(yè)中還可利用密度測量控制容器內(nèi)混合配比或反應(yīng)過程是否達(dá)到期所需濃度；也可以判斷管道中所流液體類別指令分流到下游各自管系[10 22]。
3． 超聲流量計(jì)
超聲流量計(jì)利用超聲波在不同液體中傳播速度之間有差別的物性（例如石油聲速為1295m/s水為1388m/s）在測量流量的同時鑒別管道中液體類別。例如：歐洲在船舶卸油入庫常用超聲流量計(jì)測量入庫流量同時判斷輸送的液體是石油還是油船的倉底水。
英國Cranfield大學(xué)研究試圖用于航空業(yè)的超聲質(zhì)量流量計(jì)它是在傳播時間法超聲體積流量計(jì)的基礎(chǔ)上再利用超聲測得第二參量液體阻抗和密度演算得質(zhì)量流量。原型樣機(jī)水油實(shí)驗(yàn)表明流量1800kg/h范圍度50：1時可獲±1%的精度。
4． 渦街流量計(jì)
渦街流量計(jì)利用旋渦發(fā)生體產(chǎn)生的卡門旋渦頻率f和流速v成正比的原理求得體積流量qv=k1VA(其中k1為系數(shù)A為流通面積)再利用旋渦發(fā)生體受到的與ρv2成正比的振蕩升力F=K2ρv2(其中k1為系數(shù)ρ為密度)兩者相除得質(zhì)量流量qm=(k2ρv2/k1v)A=k3ρv(其中k3為系數(shù))。日本橫河電機(jī)已推出這類渦街式質(zhì)量流量計(jì)。
我國重慶工業(yè)自動化儀表研究所則利用旋渦發(fā)生體形成差壓（ΔP）與ρv2的關(guān)系配以差壓變送器取得第二參數(shù)作上述相似演算求取質(zhì)量流量。該研究所已有LUHG型渦街差壓質(zhì)量流量計(jì)推向市場。
五、重視經(jīng)濟(jì)效益
流過流量儀表的能源和物料都是昂貴的資源人們重視應(yīng)用流量儀表后的整體經(jīng)濟(jì)效益選用流量儀表經(jīng)濟(jì)因素常處下主導(dǎo)地位。流量儀表的經(jīng)濟(jì)效益分為三個層次：第一層次是儀表測量誤差引起多付或少收的損失；第二層次是運(yùn)行費(fèi)用包括泵送能耗費(fèi)定期校準(zhǔn)費(fèi)和維修費(fèi)；第三層次是初裝費(fèi)用包括儀表購置費(fèi)、管線配件費(fèi)和工程調(diào)試費(fèi)等。
1． 減少儀表測量誤差引起的損失
對儲存交接、貿(mào)易結(jié)算等使用的儀表用戶總是選擇測量精度最高的儀表。關(guān)鍵測量工作所使用的儀表即使其價格昂貴至數(shù)十萬元仍愿采用因?yàn)榕c所減少的損失相比還是一個小數(shù)。
30年前相對高精度流量儀表的基本誤差普遍為（1%～1.5%）FS最高為0.5%R到當(dāng)代則普遍為（0.5%～1%）R最高為（0.1%～0.5%）R。但實(shí)際上應(yīng)綜合考慮測量系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的精度例如非實(shí)流校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)孔板的不確定度為1%～1.5%若選用0.1%差壓變送器的實(shí)際意義不大配用0.5%者足矣！
輸送交接管線物料除選用高精度儀表外還非常普遍實(shí)行發(fā)送方和接收方各裝一臺儀表的雙表制相互核對。即使測量廢污水也常如此因?yàn)槲鬯卫韱挝皇杖〉奈鬯幚碣M(fèi)常數(shù)倍甚至十余倍潔凈生活和工業(yè)用水的價格。
2． 降低運(yùn)行費(fèi)用
為降低流量傳感器因測量產(chǎn)生壓力損失的泵送能耗費(fèi)有采有無壓損或低壓損儀表的趨勢特別是大管徑水量輸送無論水廠出廠水還是進(jìn)廠江河原水的財(cái)務(wù)結(jié)算交接計(jì)量無不用無壓損的電磁流量計(jì)和超聲流量計(jì)；流程控制的流量測量則用低壓損的插入式儀表。筆者曾試算1m管徑文丘利管差壓流量計(jì)一年泵送能耗費(fèi)足夠購置一臺中等價格的電磁流量計(jì)。
用得較多壓力損失較大的節(jié)流式流量計(jì)近年又開發(fā)或重視應(yīng)用若干低壓損差壓發(fā)生器如v-Conen流量計(jì)和橢圓弧過渡流管。它們的壓損僅為孔板的1/20～1/2。
3． 削減初置費(fèi)
流量儀表初置費(fèi)應(yīng)包括儀表本身購置費(fèi)儀表管線截止閥等工程費(fèi)用過濾器和流動調(diào)整器等附件費(fèi)用等。合在一起的總費(fèi)用國外有稱作TOC（total cost of ownership）。
隨著需要量增加制造成本下降以及市場競爭流量儀表總體價格緩慢下降但其中若干品種有較大降價。例如科里奧利質(zhì)量流量計(jì)從70年代末80年代初僅有唯一專利產(chǎn)品初創(chuàng)期價格昂貴隨著專利等效現(xiàn)在世界范圍制造廠超過45家競爭激烈。各制造采取措施降低價格以占有較大市場份額。例如略為犧牲精度等性能減少一些功能等手段推出經(jīng)濟(jì)型國外經(jīng)濟(jì)型儀表價格從原型號5000美元降至3500美元左右又如國外較多廠商開發(fā)超聲檢測渦列的渦街流量計(jì)其價格也比傳統(tǒng)儀表便宜。
節(jié)省輔助性設(shè)置費(fèi)也是削減TOC 的一個方面。近幾年日本取消差壓式流量計(jì)引壓管以減少維護(hù)工作降低初置費(fèi)用相當(dāng)熱鬧用近年向市場推出節(jié)流裝置和差壓變送器組成一體化的直接安裝方式差壓流量計(jì)或毛細(xì)管遠(yuǎn)傳差壓變送器替代傳統(tǒng)引壓管引壓的差壓式流量計(jì)在日本有人作過調(diào)查1996~1997年間新建四家工作所用近400臺差壓式儀表傳統(tǒng)引壓管型、一體化直接安裝型和毛細(xì)管遠(yuǎn)傳型已是三足鼎立各占三分之一。
六、安裝影響和介質(zhì)參量影響
流量儀表的管道安裝影響在國際上一直受到重視各阻流件（彎管、異徑管、閥門等）產(chǎn)生流動流速分布畸變和旋轉(zhuǎn)流對流量測量影響的研究減少或消除它們影響的方法和設(shè)備（流動整直器、流動調(diào)整器）的研究開發(fā)一直延續(xù)不斷鍥而不舍。十余年來的研究成果紛紛在學(xué)術(shù)會議和專業(yè)期刊上發(fā)表有些成果被國際標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)采納。
為修訂國標(biāo)準(zhǔn)ISO 9951《封閉管道中氣體流量的測量--渦輪流量計(jì)》提出安裝條件的要求荷蘭燃?xì)饴?lián)合會對口徑150和300mm氣體渦輪流量計(jì)作立體彎管影響試驗(yàn)這些研究成果都在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中被采用。又如日本標(biāo)準(zhǔn)JIS 8766-1989《渦街流量計(jì)流量測量方法》的解說部分列出渦街流量計(jì)受彎管、異徑管、閘閥在裝用管束式流動整直器之前后的影響示例；JIS 7554-1993《電磁流量計(jì)》解說部分也列有不同開度閘閥和蝶閥、單彎管、平面和立體雙彎管對電磁流量計(jì)影響示例。
美國Miller氏的新版《流量測量工程手冊》則撰寫專章閘述儀表影響量。該書匯集單聲道和雙聲道超聲流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦街頭流量計(jì)以及容積式流量計(jì)和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的影響和管束式流動整直器的效果。
減少或消除管道安裝影響設(shè)備的研究開發(fā)也很大進(jìn)展正在修訂的國際標(biāo)準(zhǔn)草案ISO/CD5167-1和ISO/CD 5167-2推薦若干類型流動調(diào)整器其中有些類型是首次列入該標(biāo)準(zhǔn)將主要減少旋轉(zhuǎn)流的設(shè)備稱作流動整直器（flow straightener）,如管束式、Etoile型、AMCA型；主要克服流速場畸變的設(shè)備稱作（真正）流動調(diào)整器（true flow conditioner）,如NEL（Spearman）型以及持有有效專利的Gallagher型和K-Lab Laws Nova 50E型。
如要實(shí)現(xiàn)各種阻流件影響和流動調(diào)整效果的試驗(yàn)研究工程浩大實(shí)驗(yàn)繁多所費(fèi)不貸國內(nèi)尚無單位系統(tǒng)地開展該項(xiàng)工作�？磥砘ㄒ欢α繀R集國際上發(fā)表的研究成果為我所用是切實(shí)有效的一種辦法。
國外使用單位對儀表制造廠所聲稱介質(zhì)參量如溫度、壓力、粘度對某些流量儀表沒有影響表示懷疑組織財(cái)團(tuán)委托第三方研究機(jī)構(gòu)驗(yàn)證之下文介紹若干試驗(yàn)實(shí)例。1．電磁流量計(jì) 文獻(xiàn)[1]*報告了8家制造廠20臺電磁流量計(jì)經(jīng)歷了二年半液體溫度、環(huán)境溫度、粘度影響和液體電導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明這些參量是有一些影響的若相對于0.2或0.5級精度的儀表也可以說是相當(dāng)大的液體粘度在5～200mm2/s范圍內(nèi)變化示值平均變化量在0.7%～1.6%。液體溫度平均影響量在（0.08～0.28）%/10℃。文獻(xiàn)[2]*摘錄了該報告中的液體溫度、環(huán)境溫度和粘度影響量和長期穩(wěn)定性的若干數(shù)據(jù)。
2．科里奧利質(zhì)量流量計(jì) NEL（英國工程實(shí)驗(yàn)室）對不同制造廠8臺口徑25mm儀表分別做了粘度影響、密度影響、水溫影響等有些儀表影響甚小有些影響明顯。用水校驗(yàn)的儀表能否用于氣體差別有多少？Fisher Rosemount 公司稱該廠兩臺ELITE CMF 300型儀表用空氣校驗(yàn)數(shù)據(jù)和制造廠用水驗(yàn)收數(shù)據(jù)相比相差-0.41%。PIB(德國物理技術(shù)院)用20MPa天然氣校驗(yàn)口徑15mm儀表誤差為±0.7%。中國計(jì)量學(xué)院用壓力1MPa左右氧氣對口徑6mm的LZKI-2型儀表校驗(yàn)流量在10kg/h左右時與用水校驗(yàn)時相比相差-0.59%。
