流量测量方法和仪表选择考虑因素
时间：2011-06-30 阅读：1157
流量测量方法和仪表种类繁多，其分类 方法亦多。按测量对象划分就有封闭管道用和明渠用两大类。按测量目的又可分为总量测量和流量测量，其仪表分别称作总量表和流量计。按测量原理分为力学原 理、热学原理、声学原理、电学原理、原子物理学原理等。图1所示是按目前流行分类法的各种流量计。
1.考虑因素和选择步骤
要正确和有效地选择流量测量方法和仪表，必须熟悉被测对象流体特性和仪表两方面的情况，还应考虑如图2所示双框内五个方面因素和选择步骤。
1.1 确认是否真正要求安装流量仪表
如果仅希望知道流体是否在管道中流动或大约流量，那么选用流动窥视窗（flow sight）或流动指示器（flow indicator）就能以较低的费用达到目的。
1.2 初选测量方法和仪表
确定必须安装流量仪表后，首先按照流体特性采取排除法在初选表上舍去不能和不宜采用的方法，然后选几种测量方案，作为第二步深入考虑和分析。
流量测量方法和仪表初选表
1.3 分析各因素
按初选方案向仪表厂索取样本、技术数据、选用手册或使用说明书等，充分了解仪表性能规范，再分别按五个方面的问题逐一分析，列表比较。
2.6 线性度
流量仪表输出有线性和非线性二种。大部分流量仪表的非线性误差不单独列出，包含在基本误差内。对于宽流量范围脉冲输出用作总量积算的仪表，线性度是一个重要指标，使有可能用一个仪表常数。线性度差就要降低仪表精度。
作为管道流量配比，热量计用温度差和流量相乘，以及流量相加，应选择线性输出仪表，以简化计算过程。
2.7 上限流量的流量范围
上限流量也称温度流量。应按被测管道使用流量范围和待选仪表 的上限流量和下限流量来选配仪表口径，而不是简单地按管道通径配用。虽然通常管道流体zui大流速是按经济流速（例如水等低粘度液体为1.5～3m/s）来设 计的，而大部分流量仪表上限流量流速接近或略高于管道经济流速，因此仪表选择口径与管径相同的机会较多。
但对于生产能力分期增加的工程设计，管网往往按力设计，运行初期物流量小，应按流量安装较小口径仪表以相适应。否则仪表运行于下限流量附近所增加测量误差的经济损失，可能大大地超过改装仪表的费用。
同一口径不同类型仪表上限流量的流速受工作原理和结构所约束，差别很大。以液体为例，玻璃碓管浮子流量计的上限流量 流速zui低，为0.5～1.5m/s，容积式流量计为2.5～3.5m/s，涡街流量计较高为5.5～7m/s，电磁流量计zui宽为1～7m/s（甚至 0.5～10m/s）。
液体的上限流量还需结合工作压力一起考虑，不要使仪表产生气穴现象。
有些仪表订购以后，其流量值不能改变，如容积式仪表和浮子流量计等；差压式仪表孔板等一般设计确定后下限流量不能改变，但上限流量可以调整差压变送器量程以相适应；有些仪表（如某些型号电磁流量计和超声流量计）可不经实流校准，用户自行设定新流量上限值就能使用。
2.8 范围度（turn down）和（可调）上限范围度（rangeability）
“turn down”和“rangeability”是ISO11631新分立的两个术语[1]，原来此两词是同义的。
范围度（turn down）定义为“在规定的度等级内zui大量程对zui小量程之比”，以前习称量程比。其值愈大流量范围愈宽，上限范围度（rangeabilify）定义 为“zui大上限值与zui小上限值的比值”。线性仪表有较大范围度，一般为10：1，非线性仪表则较小，通常仅3：1。一般过程控制和贸易计量范围度窄可满足要 求，但亦有贸易计量要求宽范围度的，如食堂炊用蒸汽供应量，自来水厂冬夏供水量等。近年对范围度窄的流量计如差压式流量计采取许多新技术使其范围度拓宽， 但仪表价格相应增高较多，在采用时需权衡之。对于像电磁流量计甚至用户可自行调整流量上限值，上限可调比（zui大上限值和zui小上限值之比）可达10，再乘上 所设定上限值20：1的范围度，一台仪表扩展意义的范围度（即考虑上限可调比）可达（50～200）：1，还有些型号仪表具有自动切换流量上限值功能。
有些制造厂为显示其范围度宽，不适当地把上限流量提得很高，液体流速高达7~10m/s，气体为50~75m/s,实际上这么高流速一般是用不上的。不要为这样宽的范围度所迷惑，范围度宽是要使下限流量的流速更低些才好。
2.9 压力损失
除*流量传感器（电磁式、超声式）外，大部分流量传感器在仪表表体内有固定或活动部件，流体流经这些阻力件将产 生不可恢复压力损失，其值有时高达数十千帕，压损大可能限制管道的流通能力，因此有些测量对象提出压力损失的zui大允许值，它是仪表选型的一个限制条件。对 于大口径流量计压力损失造成的附加能耗可能相当可观，宁可选择压损小价格贵的流量计而不采用价廉压损大的流量计。对于高蒸汽压的液体（如某些碳氢液体）大 压损使流量计下游压力降至蒸汽压会产生气穴现象，它使测量误差大幅增加甚至损坏仪表部件。
2.10 输出信号特性
流量计的信号输出显示有几种：（1）流量（体积流量或质量流量）（2）总量（3）平均流速（4）点流速。亦可分为模拟量（电流或电压）和脉冲量。模拟量输出适合于过程控制，与调节阀接配，但较易受干扰；脉冲量适用于总量和高精度测量，长距信号传输不受干扰。
2.11 响应时间
应用于脉动流场所应注意仪表对流动阶跃变化的响应。有些使用场所要求仪表输出跟随流动变化，而另一些为获得综合平均 值要求有较慢响应的输出。瞬态响应（transient response）常以时间常数几毫秒到几秒，或响应频率数百赫等以下表示。配用显示仪表可能要相当大地延长响应时间。有人认为仪表流量增加和流量减小的 动态响应不对称，会急剧增加测量误差。
3. 流体特性方面的考虑。
3.1 流体温度和压力
必须界定流体的工作温度和压力，特别在测量气体时温度压力造成过大的密度变化，可能要改变所选择的测量方法。如温度或压力变化造成较大流动特性变化而影响测量性能时，要作温度和（或）压力修正。
3.2 密度
大部分液体应用场合，液体密度相对稳定，除非密度发生较大变化，一般不需要修正。
在气体应用场合，某些仪表的范围度和线性度取决于密度。低密度气体对某些测量方法，例如利用气体动量推动检测元件（如涡轮）工作的仪表呈现困难。
3.3 粘度和润滑性
有些仪表性能随着雷诺数而变，而雷诺数又与粘度有关。在评估仪表适应性时，要掌握液体的温度-粘度特性。气体与液体不同，其粘度不会因温度和压力变化而显著地变化，其值一般较低，除氢气外各种气体粘度差别较小。因此确切的气体粘度并不像液体那样重要。
粘度对不同类型流量仪表范围度影响趋势各异，例如对大部分容积式仪表粘度增加范围度增大，涡轮式和涡街式则相反，粘度增加范围度缩小。
润滑性是不易评价的物性。润滑性对有活动测量元件的仪表非常重要，润滑性差会缩短轴承寿命，轴承工况又影响仪表运行性能和范围度。
3.4 化学腐蚀和结垢
流体的化学性有时成为选择测量方法和仪表的决定因素。流体腐蚀仪表接触件，表面结垢或析出结晶，均将降低使用性能和寿命。仪表制造厂为此常提供变型产品，例如开发防腐型、加保温套防止析出结晶，装置除垢器等防范措施。
3.5 压缩系数和其它参量
测量气体需要知道压缩系数，按工况下压力温度求取密度。若气体成分变动或工作接近超临界区，则只能在线测量密度。
某些测量方法要考虑流体特性参量，如热式流量计的热传导和比热容，电磁流量计的液体电导率
3.6 多相和多组分流
测量多相和多组分流动应十分谨慎对待。经验表明，单相通用流量仪表用于多组分或多相流体，测量性能会改变（或大幅度改变）。
单工质流体有时也会呈现双相，例如湿蒸汽中水微粒随着蒸汽流动，环境温度或介质压力偏离原定状态，仪表就可能不适应。
测量两种或两种以上不相溶液体汇流混合液流量时，应注意存在流速不均匀，使流动成为分层或块状流等带来的问题。
测量液固双相流时要了解固相含量、粒子大小和固体性质以及流动状况（悬浮流、管底流、动床流还是淤积流？）。测量气液双相流时尽可能采用分离后分相测量，以保证获得zui小测量不确定度，然而对有些场合这种方法不切实可行或不符合要求。
4 安装方面的考虑
不同原理的测量方法对安装要求差异很大。例如上游直管段长度，差压式和涡街式需要较长，而容积式浮子式无要求或要求很低。
（1）管道布置和仪表安装方向
有些仪表水平安装或垂直安装在测量性能会有差别。仪表安装有时还取决于流体物性，如浆液在水平位置可能沉淀固体颗粒。
（2）流动方向
有些流量仪表只能单向工作，反向流动会损坏仪表。使用这类仪表应注意在误操作条件下是否可能产生反向流，必要时装逆止阀保护之。能双向工作的仪表，正向和反向之间测量性能亦可能有些差异。
（3）上游和下游管道工程
大部分流量仪表或多或少受进口流动状况的影响，必须保证有良好流动状况。上游管道布置和阻流件会引入流动扰动，例如二个（或二个以上）空间弯管引起漩涡，阀门等局部阻流件引起流速分布畸变。这些影响能够以适当长度上游直管或安装流动调整器予以改善。
除考虑紧接仪表前的管配件外，还应注意更往上游若干管道配件的组合，因为它们可能是产生与zui接近配件扰动不同的扰动 源。尽可能拉开各扰动产生件的距离以减少影响，不要靠近连接在一起，象常常看到单弯管后紧接部分开启的阀。仪表下游也要有一小段直管以减小影响。 气穴和凝结常是不良管道布置所引起的，应避免管道直径上或方向上的急剧改变。管道布置不良还会产生脉动。
（4）管径
有些仪表的口径范围并不很宽，限制了仪表的选用。测量大管径、低流速，或小管径、高流速，可选用与管径尺寸不同口径的仪表，并以异径管连接，使仪表运行流速在规定范围内。
（5） 维护空间
维护空间的重要性常被忽视。一般来说，人们应能进入到仪表周围，易于维修和能有调换整机的位置。
（6）管道振动
有些仪表（如压电检测信号的涡街式、科里奥利质量式）易受振动干扰，应考虑仪表前后管道作支撑等设计。脉动缓冲器虽可清除或减小泵或压缩机的影响，然而所有仪表还是尽可能远离振动或振动源为好。 （7）阀门位置
控制阀应装在流量仪表下游，避免其所产生气穴和流速分布畸变影响，装在下游还可增加背压，减少产生气穴的可能性。
（8）电气连接和电磁干扰
电气连接应有抗杂散电平干扰的能力。制造厂一般提供连接电缆或提出型号和建议连接方法。信号电缆应尽可能远离电力电缆和电力源，将电磁干扰和射频干扰降至zui低水平。
（9）防护性配件
有些流量仪表需要安装保证仪表正常运行的防护设施。例如：跟踪加热以防止管线内液体凝结或测气体时出现冷凝；液体管道出现非满管流的检测报警；容积式和涡轮式仪表在其上游装过滤器，等等。
（10）脉动流和非定常流
常见产生脉动的源有定排量泵、往复式压缩机、振荡着的阀或调节器等。大部分流量仪表来不及跟随记录脉动流动，带来测量误差，应尽量避开。使用时应重视并分别处置检测仪表和显示仪表，检测仪表方面在管线中装充气式缓冲器（用于液体）或阻流器（用于气体）。
5 环境条件方面的考虑
（1）环境温度
环境温度超过规定要影响仪表电子元件而改变测量性能，因此某些现场仪表需要有环境受控的外罩；如果环境温度变化要影响流动特性，管道需包上绝热层。此外在环境或介质温度急剧变化的场合，要充分估计仪表结构材料或连接管道布置所受的影响。
（2）环境湿度
高湿度会加速仪表的大气腐蚀和电解腐蚀，降低电气绝缘；低湿度容易感生静电。
（3）安全性
应用于爆炸性危险环境，按照气氛适应性、爆炸性混合物分级分组、防护电气设备类型以及其他安全规则或标准选择仪表。 若有化学侵蚀性气体，仪表外壳应具有防腐性和气密性。某些流程工业要定期水冲洗整个装置，因此要求仪表外壳防水，需用尘密防喷水级IP65，甚至尘密防强 喷水级IP66或尘密防侵水级IP67。
（4）电磁干扰环境
应注意电磁干扰环境以及各种干扰源，如：大功率电机、开关装置、继电器、电焊机、广播和电视发射机等。
6 经济方面的考虑
经济方面只考虑仪表购置费是不全面的，还应调查其它费用，如附件购置费、安装费、维护和流量校准费、运行费和备件费等。此外，应用于商贸核算和储存交接还应评估测量误差造成经济上的损失。
（1）安装费用
安装费应包括作定期维护所需旁路管和运行截止阀等辅助件的费用。 （2）运行费用
流量仪表运行费用主要是工作时能量消耗，包括电动仪表电力消耗或气动仪表的气源耗能（现代仪表的功率极小，仅有几w到几十w）；以及测量过程中推动流体通过仪表所消耗的能量，亦即克服仪表因测量产生压力损失的泵送能耗费。泵送费用是一个隐蔽性费用，往往被忽视。
现举一选用失误案例。70年代国外设计承建的某石化成套装置中管径为1200mm的冷却水流量控制系统，用孔板作流 量检测件，压力损失较大，一年的泵送能耗费购置一台电磁流量计足足有余[2]。承包方为节省投资而由用户长期负担高昂的运行费。一般认为口径超过 500mm尽可能选电磁式和超声式等无压损仪表。
（3）校准费用
定期校准费用取决于校准频度和所校准仪表精度的要求。为了经常在线校准石油制品储存交接贸易结算用仪表，常在现场设置标准体积管式流量标准装置。
（4）维护费用
维护费用是仪表投入运行后保持测量系统正常工作所需费用，主要包括维护劳务和备用件费用。