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流量測量應用技術的進展
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2004-3-28 蔡武昌
摘要：本文論述近年流量測量應用技術的進展，包括應用領域的擴展，如超聲流量計應用于天然氣交接計量，電磁流量計應用于非滿管流，科里奧利質量流量計應用于雙組分液濃度測量等。闡述人們重視經濟效益如何從減少測量誤差損失，降低運行費用，削減初置費三個層次考慮，論文還回顧安裝條件和介質參量對流量測量影響的研究成果。
一、 前言
近50年來開發了許多新測量原理的流量測量方法和儀表，從而應用領域有很大擴展，進入許多過去的禁區，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，因技術上有所突破而變得容易，但是，環保工程等新興產業提出的要求，現有手段不能滿足，尚待開發。經流量儀表流轉財富為數甚巨，就以我國生產一億多噸石油及后續成品的交接計量，流轉財富以1012數量級（方億）元來計算，0.1%～0.2%計量損失就高達數十億元。流量儀表精度雖已提高到0.1～0.2級，似乎還不滿足，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在內的各項費用。流量儀表應用技術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、 環保業應用展望
環境保護中，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，為此要求計量污水排放總量。我國工業污水排放計量的明渠污水流量儀表，80年代中期各制造廠已相繼開發，1987年開始國家環保局開展調查考評10余家制造廠所提供的商品。經兩年余實驗室和現場考評，國家環保局認為明渠污水流量儀表立足于國內是可能的。10年后的今天儀表性能更趨完善，品種增多，在國家環境保護政策推動下，環保業對流量儀表需求增加頗快。
雖然國內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，但要使用方各自設計，在現場配套裝配，尚無由制造廠專門設計，工廠化裝配調試成套供應污染物排放總量的儀表總成，這是需要開發且頗具前途的項目。
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。美國環境保護局規定773家電廠約2500臺鍋爐在1995年1月1日前必須裝上連續排放監控系統（CEMS）。但是我國尚未頒布相似的法規。
現在適用測量煙道氣流量的國產儀表，僅開封儀表廠的TH/TR系列熱式氣流量計，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，國外產品代理銷售則品種甚多。同污水排放一樣，下一步還應開發與在線分析儀表配套的氣體污染物排放總量監控儀表總成。
直接測量汽車廢氣排放量是一個非常困難的技術難題，因為所測量的是高溫，且含有水汽、塵埃的強烈脈動流的流量，國外尚處于探索階段。
三、 成熟儀表應用的擴展
針對經典或新穎儀表在某一領域應用受到的限制，經局部適應性改進，且技術有上所突破而使得在該領域應用有迅速的發展。例如差壓式流量儀表對于粘性液體低雷諾數（Re=104以下）運行段和固體含量濃度較高漿液所受限制，自出現楔形管再配以密封毛細管傳送的差壓變送器后，差壓式流量儀表在這一應用領域就得到了擴展。又如，超聲流量計應用于天然氣貿易交接由于測量精度不及渦輪流量計而長期未被接受；傳統電磁流量計不能測量非滿管液流量，科里奧利質量流量計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上均有所突破，在所述領域的應用有較快發展。
1． 適用于天然氣存儲交接（custody transfer）計量的超聲流量計
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。氣體用超聲流量計商品始于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，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易結算計量領域取得一席之地，近年則出現多種型號精度較高的氣體超聲流量計。
德國Krohne公司的ALTOSONIC GFM 700型系平行雙聲道Z法（即一側換能器斜方向發射聲波到對面一側換能器接收）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。其特點是發射換能器發射聲束散射至對面一側換能器接收）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(即發射聲波經對面管壁反射到同側另一換能器接收)傳播方式。經雷諾數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（化學工業裝備展覽會）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1998年赴歐考察燃氣流量測量成員介紹，歐洲用于天然氣計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量，當前它還是唯一選用的品種；渦街式和超聲式推薦但不推廣，待積累應用經驗；渦輪式和容積式僅適用于中低壓力較小管徑場所。筆者認為超聲流量計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[6]
非滿管電磁流量計的問世，使非滿管圓形管的測量誤差從傳統槽式流量儀表的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。
非滿管電磁流量計仍以法拉弟電磁感應定律測量流速，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），產生兩種磁場分布和強度，測得兩個流量信號，兩者之間的比與液位高度有一定函數關系，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相同。
由于國內尚無非滿管電磁流量計生產，國外廠商及其代理要價甚高，為傳統儀表的二三倍以上。
除上述流量傳感器外形與傳統結構相似的非滿管電磁流量計外，還有以電磁流速檢測元件和固態液位檢測元件組成一體的扁平型傳感器，置于安裝環的底部，安裝環放進待測流量的非滿管管道內。上海蘇州河污水治理工程曾嘗試用于測量污水流量。
3． 低電導率電磁流量計
低電導率電磁流量計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，可測量比傳統儀表低2～3個數量級，即可測電導率≥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，國外產品也有稱之為無電極電磁流量計者。
這種儀表在襯里有絕緣層生成的情況下仍能工作，若用傳統接觸電極電磁流量計，電極表面將被絕緣層覆蓋使電路斷路而無法工作，這一優點在擴大應用范圍所起的作用，更大于降低電導率所起作用。
四、 流量傳感器多參數測量
所謂多參數測量，即利用傳感元件從被測對象按不同物理現象感受到一個以上變量，使流量傳感（變送）器功能擴展。例如科里奧利質量流量計測量振動管頻率相位差，得到質量流量；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，擴展功能或補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，并經計算單元作氣體壓力、溫度修正，或測氣體質量流量。這已為人們所熟悉，減少了獨立的傳感器數量，簡化管線工程，降低安裝費用；減少管線開孔，降低潛在泄露點，提高整體可靠性。
2． 科里奧利質量流量計
科里奧利質量流量計利用測量管二半部分振動頻率相位差正比于質量流量以測流量，利用測量管諧振頻率與管中被測介質密度間的函數關系求取密度�？评飱W利質量流量計還從兩個基本參數質量流量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量流量計測量井口出油經氣液分離后的油水混合液的質量流量，在測量的同時測出油含量濃度，經演算獲得原油質量流量，已有5年以上的使用經驗。又如在給水工業測量凝聚劑硫酸鋁（明礬）濃度，求取硫酸鋁貿易交接總量，防止僅測溶液質量流量時供方有意稀釋的滲假行為。
在流程工業中還可利用密度測量控制容器內混合配比或反應過程是否達到期所需濃度；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
超聲流量計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大學研究試圖用于航空業的超聲質量流量計，它是在傳播時間法超聲體積流量計的基礎上，再利用超聲測得第二參量液體阻抗和密度，演算得質量流量。原型樣機水油實驗表明，流量1800kg/h范圍度50：1時可獲±1%的精度。
4． 渦街流量計
渦街流量計利用旋渦發生體產生的卡門旋渦頻率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，A為流通面積)，再利用旋渦發生體受到的與ρv2成正比的振蕩升力F=K2ρv2(其中k1為系數，ρ為密度)，兩者相除得質量流量qm=(k2ρv2/k1v)A=k3ρv(其中k3為系數)。日本橫河電機已推出這類渦街式質量流量計。
我國重慶工業自動化儀表研究所則利用旋渦發生體形成差壓（ΔP）與ρv2的關系，配以差壓變送器取得第二參數，作上述相似演算，求取質量流量。該研究所已有LUHG型渦街差壓質量流量計推向市場。
五、重視經濟效益
流過流量儀表的能源和物料都是昂貴的資源，人們重視應用流量儀表后的整體經濟效益，選用流量儀表經濟因素常處下主導地位。流量儀表的經濟效益分為三個層次：第一層次是儀表測量誤差引起多付或少收的損失；第二層次是運行費用，包括泵送能耗費，定期校準費和維修費；第三層次是初裝費用，包括儀表購置費、管線配件費和工程調試費等。
1． 減少儀表測量誤差引起的損失
對儲存交接、貿易結算等使用的儀表，用戶總是選擇測量精度最高的儀表。關鍵測量工作所使用的儀表即使其價格昂貴至數十萬元仍愿采用，因為與所減少的損失相比，還是一個小數。
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，到當代則普遍為（0.5%～1%）R，最高為（0.1%～0.5%）R。但實際上應綜合考慮測量系統各環節的精度，例如非實流校準的標準孔板的不確定度為1%～1.5%，若選用0.1%差壓變送器的實際意義不大，配用0.5%者足矣！
輸送交接管線物料除選用高精度儀表外，還非常普遍實行發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，因為污水治理單位收取的污水處理費常數倍甚至十余倍潔凈生活和工業用水的價格。
2． 降低運行費用
為降低流量傳感器因測量產生壓力損失的泵送能耗費，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廠江河原水的財務結算交接計量，無不用無壓損的電磁流量計和超聲流量計；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一年泵送能耗費足夠購置一臺中等價格的電磁流量計。
用得較多壓力損失較大的節流式流量計近年又開發或重視應用若干低壓損差壓發生器，如v-Conen流量計和橢圓弧過渡流管。它們的壓損僅為孔板的1/20～1/2。
3． 削減初置費
流量儀表初置費應包括儀表本身購置費，儀表管線截止閥等工程費用，過濾器和流動調整器等附件費用等。合在一起的總費用，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。例如科里奧利質量流量計從70年代末80年代初僅有唯一專利產品，初創期價格昂貴，隨著專利等效，現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，推出經濟型，國外經濟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超聲檢測渦列的渦街流量計，其價格也比傳統儀表便宜。
節省輔助性設置費也是削減TOC 的一個方面。近幾年日本取消差壓式流量計引壓管以減少維護工作降低初置費用相當熱鬧，用近年向市場推出節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或毛細管遠傳差壓變送器替代傳統引壓管引壓的差壓式流量計，在日本有人作過調查，1996~1997年間新建四家工作所用近400臺差壓式儀表，傳統引壓管型、一體化直接安裝型和毛細管遠傳型已是三足鼎立，各占三分之一。
六、安裝影響和介質參量影響
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）產生流動流速分布畸變和旋轉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備（流動整直器、流動調整器）的研究開發，一直延續不斷，鍥而不舍。十余年來的研究成果紛紛在學術會議和專業期刊上發表，有些成果被國際標準或國家標準采納。
為修訂國標準ISO 9951《封閉管道中氣體流量的測量--渦輪流量計》提出安裝條件的要求，荷蘭燃氣聯合會對口徑150和300mm氣體渦輪流量計作立體彎管影響試驗，這些研究成果都在相應標準中被采用。又如日本標準JIS 8766-1989《渦街流量計流量測量方法》的解說部分，列出渦街流量計受彎管、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》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、渦輪流量計、渦街頭流量計以及容積式流量計和科里奧利質量流量計的影響，和管束式流動整直器的效果。
減少或消除管道安裝影響設備的研究開發也很大進展，正在修訂的國際標準草案ISO/CD5167-1和ISO/CD 5167-2推薦若干類型流動調整器，其中有些類型是首次列入該標準將主要減少旋轉流的設備稱作流動整直器（flow straightener）,如管束式、Etoile型、AMCA型；主要克服流速場畸變的設備稱作（真正）流動調整器（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。
如要實現各種阻流件影響和流動調整效果的試驗研究，工程浩大，實驗繁多，所費不貸，國內尚無單位系統地開展該項工作。看來花一定力量匯集國際上發表的研究成果，為我所用是切實有效的一種辦法。
國外使用單位對儀表制造廠所聲稱介質參量，如溫度、壓力、粘度對某些流量儀表沒有影響表示懷疑，組織財團委托第三方研究機構驗證之，下文介紹若干試驗實例。1．電磁流量計 文獻[1]*報告了8家制造廠20臺電磁流量計，經歷了二年半液體溫度、環境溫度、粘度影響和液體電導率的實驗，數據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，也可以說是相當大的，液體粘度在5～200mm2/s范圍內變化，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[2]*摘錄了該報告中的液體溫度、環境溫度和粘度影響量和長期穩定性的若干數據。
2．科里奧利質量流量計 NEL（英國工程實驗室）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型儀表用空氣校驗數據和制造廠用水驗收數據相比，相差-0.41%。PIB(德國物理技術院)用20MPa天然氣校驗口徑15mm儀表，誤差為±0.7%。中國計量學院用壓力1MPa左右氧氣對口徑6mm的LZKI-2型儀表校驗，流量在10kg/h左右時與用水校驗時相比，相差-0.59%。
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