流量測量方法選擇及灌溉水流量計的選型的考慮因素

工業(yè)生產(chǎn)中會使用過大量的過程儀表，無論是表盤式的溫度計，還是管式的液位計，抑或是智能型的利用PCL模塊進行數(shù)字處理的灌溉水專用流量計、超聲波流量計等，無一不需要根據(jù)具體的工況要求進行配套選擇安裝，我們只有在選型階段有一個正確的方案，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)，通過大量的服務(wù)電話咨詢統(tǒng)計，由于前期選錯誤而造成的數(shù)據(jù)出入過大，誤差值超出生產(chǎn)上的系統(tǒng)要求，或者儀表勉強使用卻大大的縮短工作壽命，增加生產(chǎn)運營成本等情況比比皆是，因此我們說前期的測量方法的選擇和過程儀表的正確選型是一個非常重要的事情，一點不能馬虎。流量測量方法和儀表種類繁多，其分類 方法亦多。按測量對象劃分就有封閉管道用和明渠用兩大類。按測量目的又可分為總量測量和流量測量，其儀表分別稱作總量表和流量計。按測量原理分為力學(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。本文針對于在生產(chǎn)中普遍存在的一些要素進行了歸納與總結(jié)，在此分享給各位，希望對朋友們的工作有所幫助。凱銘儀表科技公司也真誠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量方法和儀表，必須熟悉被測對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)五個方面因素和選擇步驟。

1.1 確認是否真正要求安裝流量儀表
如果僅希望知道流體是否在管道中流動或大約流量，那么選用流動窺視窗（flow sight）或流動指示器（flow indicator）就能以較低的費用達到目的。
1.2 初選測量方法和儀表
確定必須安裝流量儀表后，*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)、選用手冊或使用說明書等，充分了解儀表性能規(guī)范，再分別按五個方面的問題逐一分析，列表比較。
2.6線性度
流量儀表輸出有線性和非線性二種。大部分流量儀表的非線性誤差不單獨列出，包含在基本誤差內(nèi)。對于寬流量范圍脈沖輸出用作總量積算的儀表，線性度是一個重要指標，使有可能用一個儀表常數(shù)。線性度差就要降低儀表精度。
作為管道流量配比，熱量計用溫度差和流量相乘，以及流量相加，應(yīng)選擇線性輸出儀表，以簡化計算過程。
2.7上限流量的流量范圍
上限流量也稱溫度流量。應(yīng)按被測管道使用流量范圍和待選儀表 的上限流量和下限流量來選配儀表口徑，而不是簡單地按管道通徑配用。雖然通常管道流體*大流速是按經(jīng)濟流速（例如水等低粘度液體為1.5～3m/s）來設(shè) 計的，而大部分流量儀表上限流量流速接近或略高于管道經(jīng)濟流速，因此儀表選擇口徑與管徑相同的機會較多。
但對于生產(chǎn)能力分期增加的工程設(shè)計，管網(wǎng)往往按全能力設(shè)計，運行初期物流量小，應(yīng)按流量安裝較小口徑儀表以相適應(yīng)。否則儀表運行于下限流量附近所增加測量誤差的經(jīng)濟損失，可能大大地超過改裝儀表的費用。
同一口徑不同類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的上限流量 流速*低，為0.5～1.5m/s，容積式流量計為2.5～3.5m/s，渦街流量計較高為5.5～7m/s，灌溉水專用流量計*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。
有些儀表訂購以后，其流量值不能改變，如容積式儀表和浮子流量計等；差壓式儀表孔板等一般設(shè)計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（如某些型號灌溉水專用流量計和超聲流量計）可不經(jīng)實流校準，用戶自行設(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新分立的兩個術(shù)語[1]，原來此兩詞是同義的。
范圍度（turn down）定義為“在規(guī)定的精確度等級內(nèi)*大量程對*小量程之比”，以前習稱量程比。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”。線性儀表有較大范圍度，一般為10：1，非線性儀表則較小，通常僅3：1。一般過程控制和貿(mào)易計量范圍度窄可滿足要 求，但亦有貿(mào)易計量要求寬范圍度的，如食堂炊用蒸汽供應(yīng)量，自來水廠冬夏供水量等。近年對范圍度窄的流量計如差壓式流量計采取許多新技術(shù)使其范圍度拓寬， 但儀表價格相應(yīng)增高較多，在采用時需權(quán)衡之。對于像灌溉水專用流量計甚至用戶可自行調(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10，再乘上 所設(shè)定上限值20：1的范圍度，一臺儀表擴展意義的范圍度（即考慮上限可調(diào)比）可達（50～200）：1，還有些型號儀表具有自動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?shù)匕焉舷蘖髁刻岬煤芨?，液體流速高達7~10m/s，氣體為50~75m/s,實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，其值有時高達數(shù)十千帕，壓損大可能限制管道的流通能力，因此有些測量對象提出壓力損失的*大允許值，它是儀表選型的一個限制條件。對 于大口徑流量計壓力損失造成的附加能耗可能相當可觀，寧可選擇壓損小價格貴的流量計而不采用價廉壓損大的流量計。對于高蒸汽壓的液體（如某些碳氫液體）大 壓損使流量計下游壓力降至蒸汽壓會產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，它使測量誤差大幅增加甚至損壞儀表部件。
2.10輸出信號特性
流量計的信號輸出顯示有幾種：（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量，長距信號傳輸不受干擾
2.11 響應(yīng)時間
應(yīng)用于脈動流場所應(yīng)注意儀表對流動階躍變化的響應(yīng)。有些使用場所要求儀表輸出跟隨流動變化，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大地延長響應(yīng)時間。有人認為儀表流量增加和流量減小的 動態(tài)響應(yīng)不對稱，會急劇增加測量誤差。
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，特別在測量氣體時溫度壓力造成過大的密度變化，可能要改變所選擇的測量方法。如溫度或壓力變化造成較大流動特性變化而影響測量性能時，要作溫度和（或）壓力修正。
3.2 密度
大部分液體應(yīng)用場合，液體密度相對穩(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)用場合，某些儀表的范圍度和線性度取決于密度。低密度氣體對某些測量方法，例如利用氣體動量推動檢測元件（如渦輪）工作的儀表呈現(xiàn)困難。
3.3 粘度和潤滑性
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)。在評估儀表適應(yīng)性時，要掌握液體的溫度-粘度特性。氣體與液體不同，其粘度不會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。
粘度對不同類型流量儀表范圍度影響趨勢各異，例如對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。
潤滑性是不易評價的物性。潤滑性對有活動測量元件的儀表非常重要，潤滑性差會縮短軸承壽命，軸承工況又影響儀表運行性能和范圍度。
3.4 化學(xué)腐蝕和結(jié)垢
流體的化學(xué)性有時成為選擇測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。若氣體成分變動或工作接近超臨界區(qū)，則只能在線測量密度。
某些測量方法要考慮流體特性參量，如熱式流量計的熱傳導(dǎo)和比熱容，灌溉水專用流量計的液體電導(dǎo)率
3.6 多相和多組分流
測量多相和多組分流動應(yīng)十分謹慎對待。經(jīng)驗表明，單相通用流量儀表用于多組分或多相流體，測量性能會改變（或大幅度改變）。
單工質(zhì)流體有時也會呈現(xiàn)雙相，例如濕蒸汽中水微粒隨著蒸汽流動，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)。
測量兩種或兩種以上不相溶液體匯流混合液流量時，應(yīng)注意存在流速不均勻，使流動成為分層或塊狀流等帶來的問題。
測量液固雙相流時要了解固相含量、粒子大小和固體性質(zhì)以及流動狀況（懸浮流、管底流、動床流還是淤積流？）。測量氣液雙相流時盡可能采用分離后分相測量，以保證獲得*小測量不確定度，然而對有些場合這種方法不切實可行或不符合要求。
4 安裝方面的考慮
不同原理的測量方法對安裝要求差異很大。例如上游直管段長度，差壓式和渦街式需要較長，而容積式浮子式無要求或要求很低。
（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量性能會有差別。儀表安裝有時還取決于流體物性，如漿液在水平位置可能沉淀固體顆粒。
（2）流動方向
有些流量儀表只能單向工作，反向流動會損壞儀表。使用這類儀表應(yīng)注意在誤操作條件下是否可能產(chǎn)生反向流，必要時裝逆止閥保護之。能雙向工作的儀表，正向和反向之間測量性能亦可能有些差異。
（3）上游和下游管道工程
大部分流量儀表或多或少受進口流動狀況的影響，必須保證有良好流動狀況。上游管道布置和阻流件會引入流動擾動，例如二個（或二個以上）空間彎管引起漩渦，閥門等局部阻流件引起流速分布畸變。這些影響能夠以適當長度上游直管或安裝流動調(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，因為它們可能是產(chǎn)生與*接近配件擾動不同的擾動 源。盡可能拉開各擾動產(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。管道布置不良還會產(chǎn)生脈動。
（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，使儀表運行流速在規(guī)定范圍內(nèi)。
（5） 維護空間
維護空間的重要性常被忽視。一般來說，人們應(yīng)能進入到儀表周圍，易于維修和能有調(diào)換整機的位置。
（6）管道振動
有些儀表（如壓電檢測信號的渦街式、科里奧利質(zhì)量式）易受振動干擾，應(yīng)考慮儀表前后管道作支撐等設(shè)計。脈動緩沖器雖可清除或減小泵或壓縮機的影響，然而所有儀表還是盡可能遠離振動或振動源為好。 （7）閥門位置
控制閥應(yīng)裝在流量儀表下游，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和建議連接方法。信號電纜應(yīng)盡可能遠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）防護性配件
有些流量儀表需要安裝保證儀表正常運行的防護設(shè)施。例如：跟蹤加熱以防止管線內(nèi)液體凝結(jié)或測氣體時出現(xiàn)冷凝；液體管道出現(xiàn)非滿管流的檢測報警；容積式和渦輪式儀表在其上游裝過濾器，等等。
（10）脈動流和非定常流
常見產(chǎn)生脈動的源有定排量泵、往復(fù)式壓縮機、振蕩著的閥或調(diào)節(jié)器等。大部分流量儀表來不及跟隨記錄脈動流動，帶來測量誤差，應(yīng)盡量避開。使用時應(yīng)重視并分別處置檢測儀表和顯示儀表，檢測儀表方面在管線中裝充氣式緩沖器（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)境溫度超過規(guī)定要影響儀表電子元件而改變測量性能，因此某些現(xiàn)場儀表需要有環(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)溫度急劇變化的場合，要充分估計儀表結(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)用于爆炸性危險環(huán)境，按照氣氛適應(yīng)性、爆炸性混合物分級分組、防護電氣設(shè)備類型以及其他安全規(guī)則或標準選擇儀表。 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)要定期水沖洗整個裝置，因此要求儀表外殼防水，需用塵密防噴水級IP65，甚至塵密防強 噴水級IP66或塵密防侵水級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、開關(guān)裝置、繼電器、電焊機、廣播和電視發(fā)射機等。
6 經(jīng)濟方面的考慮
經(jīng)濟方面只考慮儀表購置費是不全面的，還應(yīng)調(diào)查其它費用，如附件購置費、安裝費、維護和流量校準費、運行費和備件費等。此外，應(yīng)用于商貿(mào)核算和儲存交接還應(yīng)評估測量誤差造成經(jīng)濟上的損失。
（1）安裝費用
安裝費應(yīng)包括作定期維護所需旁路管和運行截止閥等輔助件的費用。 （2）運行費用
流量儀表運行費用主要是工作時能量消耗，包括電動儀表電力消耗或氣動儀表的氣源耗能（現(xiàn)代儀表的功率*小，僅有幾w到幾十w）；以及測量過程中推動流體通過儀表所消耗的能量，亦即克服儀表因測量產(chǎn)生壓力損失的泵送能耗費。泵送費用是一個隱蔽性費用，往往被忽視。
現(xiàn)舉一選用失誤案例。70年代國外設(shè)計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 量檢測件，壓力損失較大，一年的泵送能耗費購置一臺灌溉水專用流量計足足有余[2]。承包方為節(jié)省投資而由用戶長期負擔高昂的運行費。一般認為口徑超過 500mm盡可能選電磁式和超聲式等無壓損儀表。
（3）校準費用
定期校準費用取決于校準頻度和所校準儀表精度的要求。為了經(jīng)常在線校準石油制品儲存交接貿(mào)易結(jié)算用儀表，常在現(xiàn)場設(shè)置標準體積管式流量標準裝置。
（4）維護費用
維護費用是儀表投入運行后保持測量系統(tǒng)正常工作所需費用，主要包括維護勞務(wù)和備用件費用。