氣體流量計今后的發(fā)展方向

    在物資量計量領(lǐng)域中,流體流量的檢測與控制是各行各業(yè)加強(qiáng)物料管理、能源管理，進(jìn)行物資交接、財務(wù)結(jié)算，經(jīng)濟(jì)核算，效益分析與評價及至決策的重要依據(jù)；也 是企業(yè)監(jiān)控生產(chǎn)過程，使其保護(hù)、、安全、平穩(wěn)運行和改善環(huán)境的重要手段。從某種意義上講：計量就是眼睛，計量就是金錢，計量就是效益。

      現(xiàn)代企業(yè)對 流量計量的要求越來越高，主要反映在滿足準(zhǔn)確性、可靠性、及時性和自動化水平的程度等方面。

      一體化的氣體流量計能很方便的實現(xiàn)這種真正意義的量值傳遞或溯源。 相信隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，將傳感技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)應(yīng)用到氣體流量計中，全補(bǔ)償一體化的氣體流量計已成為可能，將會給氣體流量計量 帶來一場深刻的革命。

1 常用的幾種測量方法簡述 為了滿足各種測量的需要，幾百年來人們根據(jù)不同的測量原理，研究開發(fā)制造出了數(shù)十種不同類型的流量計，大致分為容積式、速度式、差壓式、面積式、質(zhì)量式 等。各種類型的流量計量原理、結(jié)構(gòu)不同既有獨到之處又存在局限性。為達(dá)到較好的測量效果，需要針對不同的測量領(lǐng)域，不同的測量介質(zhì)、不同的工作范圍，選擇 不同種類、不同型號的流量計。工業(yè)計量中常用的幾種氣體流量計有：

（1）差壓式流量計 差壓式流量計是以伯努利方程和流體連續(xù)性方程為依據(jù)，根據(jù)節(jié)流原理，當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流件時（如標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長徑噴嘴、經(jīng)典文丘利嘴、文丘利噴嘴 等），在其前后產(chǎn)生壓差，此差壓值與該流量的平方成正比。在差壓式流量計中，因標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置差壓流量計結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、研究zui充分、已標(biāo)準(zhǔn)化而 得到zui廣泛的應(yīng)用。

孔板流量計理論流量計算公式為： 式中，qf為工況下的體積流量，m3/s；c為流出系數(shù)，無量鋼；β=d/D，無量鋼；d為工況下孔板內(nèi)徑，mm；D為工況下上游管道內(nèi)徑，mm；ε為可 膨脹系數(shù)，無量鋼；Δp為孔板前后的差壓值，Pa；ρ1為工況下流體的密度，kg/m3。 對于天然氣而言，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣積流量的實用計算公式為： 式中，qn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣體積流量，m3/s；As為秒計量系數(shù)，視采用計量單位而定，此式As=3.1794×10-6；c為流出系數(shù)；E為漸近速 度系數(shù)；d為工況下孔板內(nèi)徑，mm；FG為相對密度系數(shù)，ε為可膨脹系數(shù)；FZ為超壓縮因子；FT為流動濕度系數(shù)；p1為孔板上游側(cè)取壓孔氣流靜 壓，MPa；Δp為氣流流經(jīng)孔板時產(chǎn)生的差壓，Pa。 差壓式流量計一般由節(jié)流裝置（節(jié)流件、測量管、直管段、流動調(diào)整器、取壓管路）和差壓計組成，對工況變化、準(zhǔn)確度要求高的場合則需配置壓力計（傳感器或變 送器）、溫度計（傳感器或變送器）流量計算機(jī)，組分不穩(wěn)定時還需要配置在線密度計（或色譜儀）等。

（2）速度式流量計 速度式流量計是以直接測量封閉管道中滿管流動速度為原理的一類流量計。工業(yè)應(yīng)用中主要有：
① 渦輪流量計：當(dāng)流體流經(jīng)渦輪流量傳感器時，在流體推力作用下渦輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比，渦輪轉(zhuǎn)動周期地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值，檢測線圈 中的磁通隨之發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生周期性的電脈沖信號。在一定的流量（雷諾數(shù)）范圍內(nèi)，該電脈沖信號與流經(jīng)渦輪流量傳感器處流體的體積流量成正比。渦輪流 量計的理論流量方程為： 式中n為渦輪轉(zhuǎn)速；qv為體積流量；A為流體物性（密度、粘度等），渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)（渦輪傾角、渦輪直徑、流道截面積等）有關(guān)的參數(shù)；B為與渦輪頂隙、流體 流速分布有關(guān)的系數(shù)；C為與摩擦力矩有關(guān)的系數(shù)。
② 渦街流量計：在流體中安放非流線型旋渦發(fā)生體，流體在旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地分離釋放出兩列規(guī)則的交替排列的旋渦渦街。在一定的流量（雷諾數(shù)）范圍內(nèi)，旋渦 的分離頻率與流經(jīng)渦街流量傳感器處流體的體積流量成正比。渦街流量計的理論流量方程為： 式中，qf為工況下的體積流量，m3/s；D為表體通徑，mm；M為旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面積之比；d為旋渦發(fā)生體迎流面寬度，mm；f為旋 渦的發(fā)生頻率，Hz；Sr為斯特勞哈爾數(shù)，無量綱。
③ 旋進(jìn)渦輪流量計：當(dāng)流體通過螺旋形導(dǎo)流葉片組成的起旋器后，流體被強(qiáng)迫圍繞中心線強(qiáng)烈地旋轉(zhuǎn)形成旋渦輪，通過擴(kuò)大管時旋渦中心沿一錐形螺旋形進(jìn)動。在一定 的流量（雷諾數(shù)）范圍內(nèi)，旋渦流的進(jìn)動頻率與流經(jīng)旋進(jìn)渦流量傳感器處流體的體積流量成正比。旋進(jìn)旋渦流量計的理論流量方程為： 式中，qf為工況下的體積流量，m3/s；f為旋渦頻率，Hz；K為流量計儀表系數(shù)，P/m3（p為脈沖數(shù)）。
④ 時差式超聲波流量計：當(dāng)超聲波穿過流動的流體時，在同一傳播距離內(nèi)，其沿順流方向和沿逆流方向的傳播速度則不同。在較寬的流量（雷諾數(shù)）范圍內(nèi)，該時差與 被測流體在管道中的體積流量（平均流速）成正比。超聲波流量計的流量方程式為： 式中，qf為工況下的體積流量，m3/s；V為流體通過超聲換能器皿1、2之間傳播途徑上的聲道長度，m；L為超聲波在換能器1、2之間傳播途徑上的聲道 長度，m；X為傳播途徑上的軸向分量，m；t1為超聲波順流傳播的時間，s；t2為超聲波逆流傳播的時間，s。 速度式氣體流量計一般由流量傳感器和顯示儀組成，對溫度和壓力變化的場合則需配置壓力計（傳感器或變送器）、溫度計（傳感器或變送器）、流量積算儀（溫壓 補(bǔ)償）或流量計算機(jī)（溫壓及壓縮因子補(bǔ)償）；對準(zhǔn)確度要求更高的場合（如貿(mào)易天然氣），則另配置在線色譜儀連續(xù)分析混合氣體的組分或物性值計算壓縮因子、 密度、發(fā)熱量等。

（3）容積式流量計 在容積式流量計的內(nèi)部，有一構(gòu)成固定的大空間和一組將該空間分割成若干個已知容積的小空間的旋轉(zhuǎn)體，如腰輪、皮膜、轉(zhuǎn)筒、刮板、橢圓齒輪、活塞、螺桿等。 旋轉(zhuǎn)體在流體壓差的作用下連續(xù)轉(zhuǎn)動，不斷地將流體從已知容積的小空間中排出。根據(jù)一定時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動的次數(shù)，即可求出流體流過的體積量。容積式流量計的 理論流量計算公式： 　 式中，qf為工況下的體積流量，m3/s；n為旋轉(zhuǎn)體的流速，周/s；V為旋轉(zhuǎn)體每轉(zhuǎn)一周所排流體的體積，m3/周。 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，容積式流量計的體積流量計算公式與速度流量計相同。氣體容積式流量計屬機(jī)械式儀表，一般由測量體和積算器組成，對溫度和壓力變化的場合則需 配置壓力計（傳感器或變送器）、溫度計（傳感器或變送器）、流量積算儀（溫壓補(bǔ)償）或流量計算機(jī)（溫壓及壓縮因子補(bǔ)償）。

2 氣體流量計現(xiàn)場應(yīng)用存在的問題分析

綜上所述，各種不同類型的氣體流量計其輸出的信號只與工況流量呈正比例（線性刻度）關(guān)系，其與被測介質(zhì)標(biāo)態(tài)流量之間的刻度只能依據(jù)其某一特定工況（如設(shè)計 工況）來確定，如果現(xiàn)場的實際工況（如介質(zhì)的溫度、壓力、成分及流量范圍等）已經(jīng)發(fā)生了變化，這時仍按原刻度關(guān)系讀取標(biāo)態(tài)流量，顯然就會產(chǎn)生不同程度的附 加誤差，使流量讀數(shù)（原刻度）失去意義。要想準(zhǔn)確地測量氣體流量，則就要求使用現(xiàn)場實際工況與設(shè)計工況一致并保持穩(wěn)定。然而實際工況經(jīng)常發(fā)生變化，也正因 為變化才需要快速、可靠地知道變化后實際工況下條件下的準(zhǔn)確流量，否則，測量的意義也就不復(fù)存在。 在現(xiàn)場實際應(yīng)用中，工況穩(wěn)定是相對的，變化是的。

因此，氣體流量計除了需要配置作為關(guān)鍵部分的流量傳感器之外，對工況變化有規(guī)律、準(zhǔn)確度要求不高，無 需遠(yuǎn)傳或自動控制的場合，采取配置壓力計、溫度計、計算器由人工錄取參數(shù)查表格的方法計算流量這種補(bǔ)償方式不僅不連續(xù)、不快捷，而且繁瑣、誤差大。在絕大 多數(shù)情況下，現(xiàn)場實際工況變化往往是突發(fā)和未知的，不僅頻繁出現(xiàn)且波動范圍大，此時仍依靠人工錄取參數(shù)查表格方法快速而又準(zhǔn)確地計算流量已不現(xiàn)實，必須采 取自動補(bǔ)償措施。

3 含水量的測量 為了實現(xiàn)自動補(bǔ)償，曾經(jīng)經(jīng)歷了zui初的機(jī)械補(bǔ)償階段，這種補(bǔ)償方式只能對某一參數(shù)（如壓力）進(jìn)行校正，由于流量計不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積笨重、可動部件多，故障 率高，而且準(zhǔn)確度低，當(dāng)補(bǔ)償不*時，還得進(jìn)行定點校正；該方式應(yīng)用時不夠靈活，對于參數(shù)頻繁波動的場合則無法正常發(fā)揮補(bǔ)償作用。其后出現(xiàn)的機(jī)械式電動補(bǔ) 償裝置，它將介質(zhì)的工況質(zhì)量、壓力及溫度參數(shù)，分別轉(zhuǎn)換成電阻或電壓等形式的信號，通過電路并配合機(jī)械機(jī)構(gòu)組成自動補(bǔ)償系統(tǒng)，以完成連續(xù)補(bǔ)償運算，但這類 補(bǔ)償裝置仍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)校困難的缺點；補(bǔ)償不*，準(zhǔn)確度也不高，電動單元組合儀表的出現(xiàn)給流量自動 補(bǔ)償帶來了轉(zhuǎn)機(jī),它通過變送器同時檢測出流體的工況流量、壓力及溫度等參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的統(tǒng)一電流信號，按照某種運算關(guān)系，將這些信號送入計算單元 （如加減器、乘除器、開方器、比例積算器等）進(jìn)行運算，然后輸出代表補(bǔ)償后的流量信號用于顯示、記錄或控制，這種方法實現(xiàn)了快捷的自動連續(xù)補(bǔ)償、準(zhǔn)確度也 有所提高，單元組合儀表具有通用性強(qiáng)、系統(tǒng)組成靈活的優(yōu)點，但仍然存在補(bǔ)償不*的缺點，隨著集成電路的發(fā)展和計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，氣體流量自動全補(bǔ)償方案 的實現(xiàn)已出現(xiàn)曙光而成為現(xiàn)實，大規(guī)模集成電路具有運行穩(wěn)定可靠、體積小、功能強(qiáng)的優(yōu)點，計算機(jī)具有強(qiáng)大的運算能力和數(shù)據(jù)存儲能力，可以實現(xiàn)多功能、多參 數(shù)、多支路、主準(zhǔn)確度的補(bǔ)償，流量積算儀（溫壓補(bǔ)償）或流量計算機(jī)（全補(bǔ)償）已成為當(dāng)前流量儀表的主流。 從現(xiàn)場使用的角度來看，真正意義上的氣體流量計不是僅指流量傳感器而是一個系統(tǒng)，應(yīng)是：由節(jié)流裝置或流量傳感器（變送器）、壓力傳感器（變送器）、溫度傳 感器（變送器）、在線密度計或色譜儀、流量積算儀或流量計算機(jī)組成的一個完整的計量系統(tǒng)。

其理由有：*，現(xiàn)場管理的需要， 經(jīng)過全補(bǔ)償?shù)捏w積流量不僅在控制室能看到,在操作現(xiàn)場也能方便的同步看到.
第二,安全可靠的需要,目前的流量積算儀或流量計算機(jī)能同時計算和控制多路流量 即是優(yōu)點又是缺點，當(dāng)其硬件或軟件出現(xiàn)故障時多路流量同時受影響。
第三，量傳檢定的需要，如前所述，氣體流量是由多參數(shù)決定的，其補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型及過程繁 瑣復(fù)雜，如濕氣、飽和蒸氣、天然氣等介質(zhì)的計量問題，熱值能量計量問題，氣體流量計是由多臺儀表（儀器）組成的一個系統(tǒng)，涉及到長度、力學(xué)、熱工、化學(xué)、 時間、電磁等專業(yè)，用戶希望將其看成一個黑匣子，不管過程只認(rèn)結(jié)果，然而目前的計量檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置只能按專業(yè)分別對單一參數(shù)進(jìn)行量傳檢定，就流量傳感器（變 送器）方面 ，絕大多數(shù)流量計制造廠家和計量檢定機(jī)構(gòu)也只能用水或低壓空氣代替實際介質(zhì)檢定流量傳感器（變送器），目前標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置裝置一般只檢幾何尺寸不檢流出系 數(shù)，然后將組合后用到實際介質(zhì)實際工況中去，很顯然這種檢定方法其代表性不*，將會帶來誤差，所以說目前流量準(zhǔn)確性的保證是間接是間接而非直接的，正如 同單元組合儀表一樣，“單校”不能*代表“聯(lián)校”。因此使用實際介質(zhì)在實際（模擬）工況下對氣體流量計進(jìn)行系統(tǒng)檢定是保證計量結(jié)果準(zhǔn)確可靠有效的手段。