流量測(cè)量方法選擇及一體管道式電磁流量計(jì)的選型的考慮因素

工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)使用過(guò)大量的過(guò)程儀表，無(wú)論是表盤(pán)式的溫度計(jì)，還是管式的液位計(jì)，抑或是智能型的利用PCL模塊進(jìn)行數(shù)字處理的一體管道式電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等，無(wú)一不需要根據(jù)具體的工況要求進(jìn)行配套選擇安裝，我們只有在選型階段有一個(gè)正確的方案，才能夠在設(shè)備投產(chǎn)以后能夠穩(wěn)定正確地輸出生產(chǎn)中需要的正確數(shù)據(jù)，通過(guò)大量的服務(wù)電話(huà)咨詢(xún)統(tǒng)計(jì)，由于前期選錯(cuò)誤而造成的數(shù)據(jù)出入過(guò)大，誤差值超出生產(chǎn)上的系統(tǒng)要求，或者儀表勉強(qiáng)使用卻大大的縮短工作壽命，增加生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本等情況比比皆是，因此我們說(shuō)前期的測(cè)量方法的選擇和過(guò)程儀表的正確選型是一個(gè)非常重要的事情，一點(diǎn)不能馬虎。流量測(cè)量方法和儀表種類(lèi)繁多，其分類(lèi) 方法亦多。按測(cè)量對(duì)象劃分就有封閉管道用和明渠用兩大類(lèi)。按測(cè)量目的又可分為總量測(cè)量和流量測(cè)量，其儀表分別稱(chēng)作總量表和流量計(jì)。按測(cè)量原理分為力學(xué)原 理、熱學(xué)原理、聲學(xué)原理、電學(xué)原理、原子物理學(xué)原理等。本文針對(duì)于在生產(chǎn)中普遍存在的一些要素進(jìn)行了歸納與總結(jié)，在此分享給各位，希望對(duì)朋友們的工作有所幫助。凱銘儀表科技公司也真誠(chéng)的希望有需求的朋友與我們合作，我們將一如既往地為各位提供熱忱的服務(wù)。
1.考慮因素和選擇步驟
要正確和有效地選擇流量測(cè)量方法和儀表，必須熟悉被測(cè)對(duì)象流體特性和儀表兩方面的情況，還應(yīng)考慮如圖1所示雙框內(nèi)五個(gè)方面因素和選擇步驟。

1.1 確認(rèn)是否真正要求安裝流量?jī)x表
如果僅希望知道流體是否在管道中流動(dòng)或大約流量，那么選用流動(dòng)窺視窗（flow sight）或流動(dòng)指示器（flow indicator）就能以較低的費(fèi)用達(dá)到目的。
1.2 初選測(cè)量方法和儀表
確定必須安裝流量?jī)x表后，*先按照流體特性采取排除法在初選表上舍去不能和不宜采用的方法，然后選幾種測(cè)量方案，作為*二步深入考慮和分析。
1.3 分析各因素
按初選方案向儀表廠索取樣本、技術(shù)數(shù)據(jù)、選用手冊(cè)或使用說(shuō)明書(shū)等，充分了解儀表性能規(guī)范，再分別按五個(gè)方面的問(wèn)題逐一分析，列表比較。
2.6線(xiàn)性度
流量?jī)x表輸出有線(xiàn)性和非線(xiàn)性二種。大部分流量?jī)x表的非線(xiàn)性誤差不單獨(dú)列出，包含在基本誤差內(nèi)。對(duì)于寬流量范圍脈沖輸出用作總量積算的儀表，線(xiàn)性度是一個(gè)重要指標(biāo)，使有可能用一個(gè)儀表常數(shù)。線(xiàn)性度差就要降低儀表精度。
作為管道流量配比，熱量計(jì)用溫度差和流量相乘，以及流量相加，應(yīng)選擇線(xiàn)性輸出儀表，以簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。
2.7上限流量的流量范圍
上限流量也稱(chēng)溫度流量。應(yīng)按被測(cè)管道使用流量范圍和待選儀表 的上限流量和下限流量來(lái)選配儀表口徑，而不是簡(jiǎn)單地按管道通徑配用。雖然通常管道流體*大流速是按經(jīng)濟(jì)流速（例如水等低粘度液體為1.5～3m/s）來(lái)設(shè) 計(jì)的，而大部分流量?jī)x表上限流量流速接近或略高于管道經(jīng)濟(jì)流速，因此儀表選擇口徑與管徑相同的機(jī)會(huì)較多。
但對(duì)于生產(chǎn)能力分期增加的工程設(shè)計(jì)，管網(wǎng)往往按全能力設(shè)計(jì)，運(yùn)行初期物流量小，應(yīng)按流量安裝較小口徑儀表以相適應(yīng)。否則儀表運(yùn)行于下限流量附近所增加測(cè)量誤差的經(jīng)濟(jì)損失，可能大大地超過(guò)改裝儀表的費(fèi)用。
同一口徑不同類(lèi)型儀表上限流量的流速受工作原理和結(jié)構(gòu)所約束，差別很大。以液體為例，玻璃碓管浮子流量計(jì)的上限流量 流速*低，為0.5～1.5m/s，容積式流量計(jì)為2.5～3.5m/s，渦街流量計(jì)較高為5.5～7m/s，一體管道式電磁流量計(jì)*寬為1～7m/s（甚至 0.5～10m/s）。
液體的上限流量還需結(jié)合工作壓力一起考慮，不要使儀表產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。
有些儀表訂購(gòu)以后，其流量值不能改變，如容積式儀表和浮子流量計(jì)等；差壓式儀表孔板等一般設(shè)計(jì)確定后下限流量不能改變，但上限流量可以調(diào)整差壓變送器量程以相適應(yīng)；有些儀表（如某些型號(hào)一體管道式電磁流量計(jì)和超聲流量計(jì)）可不經(jīng)實(shí)流校準(zhǔn)，用戶(hù)自行設(shè)定新流量上限值就能使用。
2.8 范圍度（turn down）和（可調(diào)）上限范圍度（rangeability）
“turn down”和“rangeability”是ISO11631新分立的兩個(gè)術(shù)語(yǔ)[1]，原來(lái)此兩詞是同義的。
范圍度（turn down）定義為“在規(guī)定的精確度等級(jí)內(nèi)*大量程對(duì)*小量程之比”，以前習(xí)稱(chēng)量程比。其值愈大流量范圍愈寬，上限范圍度（rangeabilify）定義 為“*大上限值與*小上限值的比值”。線(xiàn)性?xún)x表有較大范圍度，一般為10：1，非線(xiàn)性?xún)x表則較小，通常僅3：1。一般過(guò)程控制和貿(mào)易計(jì)量范圍度窄可滿(mǎn)足要 求，但亦有貿(mào)易計(jì)量要求寬范圍度的，如食堂炊用蒸汽供應(yīng)量，自來(lái)水廠冬夏供水量等。近年對(duì)范圍度窄的流量計(jì)如差壓式流量計(jì)采取許多新技術(shù)使其范圍度拓寬， 但儀表價(jià)格相應(yīng)增高較多，在采用時(shí)需權(quán)衡之。對(duì)于像一體管道式電磁流量計(jì)甚至用戶(hù)可自行調(diào)整流量上限值，上限可調(diào)比（*大上限值和*小上限值之比）可達(dá)10，再乘上 所設(shè)定上限值20：1的范圍度，一臺(tái)儀表擴(kuò)展意義的范圍度（即考慮上限可調(diào)比）可達(dá)（50～200）：1，還有些型號(hào)儀表具有自動(dòng)切換流量上限值功能。
有些制造廠為顯示其范圍度寬，不適當(dāng)?shù)匕焉舷蘖髁刻岬煤芨撸后w流速高達(dá)7~10m/s，氣體為50~75m/s,實(shí)際上這么高流速一般是用不上的。不要為這樣寬的范圍度所迷惑，范圍度寬是要使下限流量的流速更低些才好。
2.9壓力損失
除無(wú)阻礙流量傳感器（電磁式、超聲式）外，大部分流量傳感器在儀表表體內(nèi)有固定或活動(dòng)部件，流體流經(jīng)這些阻力件將產(chǎn) 生不可恢復(fù)壓力損失，其值有時(shí)高達(dá)數(shù)十千帕，壓損大可能限制管道的流通能力，因此有些測(cè)量對(duì)象提出壓力損失的*大允許值，它是儀表選型的一個(gè)限制條件。對(duì) 于大口徑流量計(jì)壓力損失造成的附加能耗可能相當(dāng)可觀，寧可選擇壓損小價(jià)格貴的流量計(jì)而不采用價(jià)廉壓損大的流量計(jì)。對(duì)于高蒸汽壓的液體（如某些碳?xì)湟后w）大 壓損使流量計(jì)下游壓力降至蒸汽壓會(huì)產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，它使測(cè)量誤差大幅增加甚至損壞儀表部件。
2.10輸出信號(hào)特性
流量計(jì)的信號(hào)輸出顯示有幾種：（1）流量（體積流量或質(zhì)量流量）（2）總量（3）平均流速（4）點(diǎn)流速。亦可分為模擬量（電流或電壓）和脈沖量。模擬量輸出適合于過(guò)程控制，與調(diào)節(jié)閥接配，但較易受干擾；脈沖量適用于總量和高精度測(cè)量，長(zhǎng)距信號(hào)傳輸不受干擾
2.11 響應(yīng)時(shí)間
應(yīng)用于脈動(dòng)流場(chǎng)所應(yīng)注意儀表對(duì)流動(dòng)階躍變化的響應(yīng)。有些使用場(chǎng)所要求儀表輸出跟隨流動(dòng)變化，而另一些為獲得綜合平均 值要求有較慢響應(yīng)的輸出。瞬態(tài)響應(yīng)（transient response）常以時(shí)間常數(shù)幾毫秒到幾秒，或響應(yīng)頻率數(shù)百赫等以下表示。配用顯示儀表可能要相當(dāng)大地延長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間。有人認(rèn)為儀表流量增加和流量減小的 動(dòng)態(tài)響應(yīng)不對(duì)稱(chēng)，會(huì)急劇增加測(cè)量誤差。
3. 流體特性方面的考慮。
3.1 流體溫度和壓力
必須界定流體的工作溫度和壓力，特別在測(cè)量氣體時(shí)溫度壓力造成過(guò)大的密度變化，可能要改變所選擇的測(cè)量方法。如溫度或壓力變化造成較大流動(dòng)特性變化而影響測(cè)量性能時(shí)，要作溫度和（或）壓力修正。
3.2 密度
大部分液體應(yīng)用場(chǎng)合，液體密度相對(duì)穩(wěn)定，除非密度發(fā)生較大變化，一般不需要修正。
在氣體應(yīng)用場(chǎng)合，某些儀表的范圍度和線(xiàn)性度取決于密度。低密度氣體對(duì)某些測(cè)量方法，例如利用氣體動(dòng)量推動(dòng)檢測(cè)元件（如渦輪）工作的儀表呈現(xiàn)困難。
3.3 粘度和潤(rùn)滑性
有些儀表性能隨著雷諾數(shù)而變，而雷諾數(shù)又與粘度有關(guān)。在評(píng)估儀表適應(yīng)性時(shí)，要掌握液體的溫度-粘度特性。氣體與液體不同，其粘度不會(huì)因溫度和壓力變化而顯著地變化，其值一般較低，除氫氣外各種氣體粘度差別較小。因此確切的氣體粘度并不像液體那樣重要。
粘度對(duì)不同類(lèi)型流量?jī)x表范圍度影響趨勢(shì)各異，例如對(duì)大部分容積式儀表粘度增加范圍度增大，渦輪式和渦街式則相反，粘度增加范圍度縮小。
潤(rùn)滑性是不易評(píng)價(jià)的物性。潤(rùn)滑性對(duì)有活動(dòng)測(cè)量元件的儀表非常重要，潤(rùn)滑性差會(huì)縮短軸承壽命，軸承工況又影響儀表運(yùn)行性能和范圍度。
3.4 化學(xué)腐蝕和結(jié)垢
流體的化學(xué)性有時(shí)成為選擇測(cè)量方法和儀表的決定因素。流體腐蝕儀表接觸件，表面結(jié)垢或析出結(jié)晶，均將降低使用性能和壽命。儀表制造廠為此常提供變型產(chǎn)品，例如開(kāi)發(fā)防腐型、加保溫套防止析出結(jié)晶，裝置除垢器等防范措施。
3.5 壓縮系數(shù)和其它參量
測(cè)量氣體需要知道壓縮系數(shù)，按工況下壓力溫度求取密度。若氣體成分變動(dòng)或工作接近超臨界區(qū)，則只能在線(xiàn)測(cè)量密度。
某些測(cè)量方法要考慮流體特性參量，如熱式流量計(jì)的熱傳導(dǎo)和比熱容，一體管道式電磁流量計(jì)的液體電導(dǎo)率
3.6 多相和多組分流
測(cè)量多相和多組分流動(dòng)應(yīng)十分謹(jǐn)慎對(duì)待。經(jīng)驗(yàn)表明，單相通用流量?jī)x表用于多組分或多相流體，測(cè)量性能會(huì)改變（或大幅度改變）。
單工質(zhì)流體有時(shí)也會(huì)呈現(xiàn)雙相，例如濕蒸汽中水微粒隨著蒸汽流動(dòng)，環(huán)境溫度或介質(zhì)壓力偏離原定狀態(tài)，儀表就可能不適應(yīng)。
測(cè)量?jī)煞N或兩種以上不相溶液體匯流混合液流量時(shí)，應(yīng)注意存在流速不均勻，使流動(dòng)成為分層或塊狀流等帶來(lái)的問(wèn)題。
測(cè)量液固雙相流時(shí)要了解固相含量、粒子大小和固體性質(zhì)以及流動(dòng)狀況（懸浮流、管底流、動(dòng)床流還是淤積流？）。測(cè)量氣液雙相流時(shí)盡可能采用分離后分相測(cè)量，以保證獲得*小測(cè)量不確定度，然而對(duì)有些場(chǎng)合這種方法不切實(shí)可行或不符合要求。
4 安裝方面的考慮
不同原理的測(cè)量方法對(duì)安裝要求差異很大。例如上游直管段長(zhǎng)度，差壓式和渦街式需要較長(zhǎng)，而容積式浮子式無(wú)要求或要求很低。
（1）管道布置和儀表安裝方向
有些儀表水平安裝或垂直安裝在測(cè)量性能會(huì)有差別。儀表安裝有時(shí)還取決于流體物性，如漿液在水平位置可能沉淀固體顆粒。
（2）流動(dòng)方向
有些流量?jī)x表只能單向工作，反向流動(dòng)會(huì)損壞儀表。使用這類(lèi)儀表應(yīng)注意在誤操作條件下是否可能產(chǎn)生反向流，必要時(shí)裝逆止閥保護(hù)之。能雙向工作的儀表，正向和反向之間測(cè)量性能亦可能有些差異。
（3）上游和下游管道工程
大部分流量?jī)x表或多或少受進(jìn)口流動(dòng)狀況的影響，必須保證有良好流動(dòng)狀況。上游管道布置和阻流件會(huì)引入流動(dòng)擾動(dòng)，例如二個(gè)（或二個(gè)以上）空間彎管引起漩渦，閥門(mén)等局部阻流件引起流速分布畸變。這些影響能夠以適當(dāng)長(zhǎng)度上游直管或安裝流動(dòng)調(diào)整器予以改善。
除考慮緊接儀表前的管配件外，還應(yīng)注意更往上游若干管道配件的組合，因?yàn)樗鼈兛赡苁钱a(chǎn)生與*接近配件擾動(dòng)不同的擾動(dòng) 源。盡可能拉開(kāi)各擾動(dòng)產(chǎn)生件的距離以減少影響，不要靠近連接在一起，象常?？吹絾螐澒芎缶o接部分開(kāi)啟的閥。儀表下游也要有一小段直管以減小影響。 氣穴和凝結(jié)常是不良管道布置所引起的，應(yīng)避免管道直徑上或方向上的急劇改變。管道布置不良還會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)。
（4）管徑
有些儀表的口徑范圍并不很寬，限制了儀表的選用。測(cè)量大管徑、低流速，或小管徑、高流速，可選用與管徑尺寸不同口徑的儀表，并以異徑管連接，使儀表運(yùn)行流速在規(guī)定范圍內(nèi)。
（5） 維護(hù)空間
維護(hù)空間的重要性常被忽視。一般來(lái)說(shuō)，人們應(yīng)能進(jìn)入到儀表周?chē)?，易于維修和能有調(diào)換整機(jī)的位置。
（6）管道振動(dòng)
有些儀表（如壓電檢測(cè)信號(hào)的渦街式、科里奧利質(zhì)量式）易受振動(dòng)干擾，應(yīng)考慮儀表前后管道作支撐等設(shè)計(jì)。脈動(dòng)緩沖器雖可清除或減小泵或壓縮機(jī)的影響，然而所有儀表還是盡可能遠(yuǎn)離振動(dòng)或振動(dòng)源為好。 （7）閥門(mén)位置
控制閥應(yīng)裝在流量?jī)x表下游，避免其所產(chǎn)生氣穴和流速分布畸變影響，裝在下游還可增加背壓，減少產(chǎn)生氣穴的可能性。
（8）電氣連接和電磁干擾
電氣連接應(yīng)有抗雜散電平干擾的能力。制造廠一般提供連接電纜或提出型號(hào)和建議連接方法。信號(hào)電纜應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離電力電纜和電力源，將電磁干擾和射頻干擾降至*低水平。
（9）防護(hù)性配件
有些流量?jī)x表需要安裝保證儀表正常運(yùn)行的防護(hù)設(shè)施。例如：跟蹤加熱以防止管線(xiàn)內(nèi)液體凝結(jié)或測(cè)氣體時(shí)出現(xiàn)冷凝；液體管道出現(xiàn)非滿(mǎn)管流的檢測(cè)報(bào)警；容積式和渦輪式儀表在其上游裝過(guò)濾器，等等。
（10）脈動(dòng)流和非定常流
常見(jiàn)產(chǎn)生脈動(dòng)的源有定排量泵、往復(fù)式壓縮機(jī)、振蕩著的閥或調(diào)節(jié)器等。大部分流量?jī)x表來(lái)不及跟隨記錄脈動(dòng)流動(dòng)，帶來(lái)測(cè)量誤差，應(yīng)盡量避開(kāi)。使用時(shí)應(yīng)重視并分別處置檢測(cè)儀表和顯示儀表，檢測(cè)儀表方面在管線(xiàn)中裝充氣式緩沖器（用于液體）或阻流器（用于氣體）。
5 環(huán)境條件方面的考慮
（1）環(huán)境溫度
環(huán)境溫度超過(guò)規(guī)定要影響儀表電子元件而改變測(cè)量性能，因此某些現(xiàn)場(chǎng)儀表需要有環(huán)境受控的外罩；如果環(huán)境溫度變化要影響流動(dòng)特性，管道需包上絕熱層。此外在環(huán)境或介質(zhì)溫度急劇變化的場(chǎng)合，要充分估計(jì)儀表結(jié)構(gòu)材料或連接管道布置所受的影響。
（2）環(huán)境濕度
高濕度會(huì)加速儀表的大氣腐蝕和電解腐蝕，降低電氣絕緣；低濕度容易感生靜電。
（3）安全性
應(yīng)用于爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境，按照氣氛適應(yīng)性、爆炸性混合物分級(jí)分組、防護(hù)電氣設(shè)備類(lèi)型以及其他安全規(guī)則或標(biāo)準(zhǔn)選擇儀表。 若有化學(xué)侵蝕性氣體，儀表外殼應(yīng)具有防腐性和氣密性。某些流程工業(yè)要定期水沖洗整個(gè)裝置，因此要求儀表外殼防水，需用塵密防噴水級(jí)IP65，甚至塵密防強(qiáng) 噴水級(jí)IP66或塵密防侵水級(jí)IP67。
（4）電磁干擾環(huán)境
應(yīng)注意電磁干擾環(huán)境以及各種干擾源，如：大功率電機(jī)、開(kāi)關(guān)裝置、繼電器、電焊機(jī)、廣播和電視發(fā)射機(jī)等。
6 經(jīng)濟(jì)方面的考慮
經(jīng)濟(jì)方面只考慮儀表購(gòu)置費(fèi)是不全面的，還應(yīng)調(diào)查其它費(fèi)用，如附件購(gòu)置費(fèi)、安裝費(fèi)、維護(hù)和流量校準(zhǔn)費(fèi)、運(yùn)行費(fèi)和備件費(fèi)等。此外，應(yīng)用于商貿(mào)核算和儲(chǔ)存交接還應(yīng)評(píng)估測(cè)量誤差造成經(jīng)濟(jì)上的損失。
（1）安裝費(fèi)用
安裝費(fèi)應(yīng)包括作定期維護(hù)所需旁路管和運(yùn)行截止閥等輔助件的費(fèi)用。 （2）運(yùn)行費(fèi)用
流量?jī)x表運(yùn)行費(fèi)用主要是工作時(shí)能量消耗，包括電動(dòng)儀表電力消耗或氣動(dòng)儀表的氣源耗能（現(xiàn)代儀表的功率*小，僅有幾w到幾十w）；以及測(cè)量過(guò)程中推動(dòng)流體通過(guò)儀表所消耗的能量，亦即克服儀表因測(cè)量產(chǎn)生壓力損失的泵送能耗費(fèi)。泵送費(fèi)用是一個(gè)隱蔽性費(fèi)用，往往被忽視。
現(xiàn)舉一選用失誤案例。70年代國(guó)外設(shè)計(jì)承建的某石化成套裝置中管徑為1200mm的冷卻水流量控制系統(tǒng)，用孔板作流 量檢測(cè)件，壓力損失較大，一年的泵送能耗費(fèi)購(gòu)置一臺(tái)一體管道式電磁流量計(jì)足足有余[2]。承包方為節(jié)省投資而由用戶(hù)長(zhǎng)期負(fù)擔(dān)高昂的運(yùn)行費(fèi)。一般認(rèn)為口徑超過(guò) 500mm盡可能選電磁式和超聲式等無(wú)壓損儀表。
（3）校準(zhǔn)費(fèi)用
定期校準(zhǔn)費(fèi)用取決于校準(zhǔn)頻度和所校準(zhǔn)儀表精度的要求。為了經(jīng)常在線(xiàn)校準(zhǔn)石油制品儲(chǔ)存交接貿(mào)易結(jié)算用儀表，常在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)體積管式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。
（4）維護(hù)費(fèi)用
維護(hù)費(fèi)用是儀表投入運(yùn)行后保持測(cè)量系統(tǒng)正常工作所需費(fèi)用，主要包括維護(hù)勞務(wù)和備用件費(fèi)用。