流量测量技术

　    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（CEMS）。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（200℃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）、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、……的影响； 　　 　　

　 　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。