氣體流量計(jì)原理及發(fā)展方向
在物資量計(jì)量領(lǐng)域中,流體流量的檢測(cè)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(cái)務(wù)結(jié)算，經(jīng)濟(jì)核算，效益分析與評(píng)價(jià)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(yùn)行和改善環(huán)境的重要手段。從某種意義上講：計(jì)量就是眼睛，計(jì)量就是金錢，計(jì)量就是效益?，F(xiàn)代企業(yè)對(duì)流量計(jì)量的要求越來越高，主要反映在滿足準(zhǔn)確性、可靠性、及時(shí)性和自動(dòng)化水平的程度等方面。
1 常用的幾種測(cè)量方法簡(jiǎn)述
為了滿足各種測(cè)量的需要，幾百年來人們根據(jù)不同的測(cè)量原理，研究開發(fā)制造出了數(shù)十種不同類型的流量計(jì)，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(jì)量原理、結(jié)構(gòu)不同既有獨(dú)到之處又存在局限性。為達(dá)到較好的測(cè)量效果，需要針對(duì)不同的測(cè)量領(lǐng)域，不同的測(cè)量介質(zhì)、不同的工作范圍，選擇不同種類、不同型號(hào)的流量計(jì)。工業(yè)計(jì)量中常用的幾種氣體流量計(jì)有：
（1）差壓式流量計(jì)
差壓式流量計(jì)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(shí)（如標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長(zhǎng)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(jì)中，因標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置差壓流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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?？装辶髁坑?jì)理論流量計(jì)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(duì)于天然氣而言，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣積流量的實(shí)用計(jì)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(jì)量系數(shù)，視采用計(jì)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(duì)密度系數(shù)，ε為可膨脹系數(shù)；FZ為超壓縮因子；FT為流動(dòng)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(shí)產(chǎn)生的差壓，Pa。
差壓式流量計(jì)一般由節(jié)流裝置（節(jié)流件、測(cè)量管、直管段、流動(dòng)調(diào)整器、取壓管路）和差壓計(jì)組成，對(duì)工況變化、準(zhǔn)確度要求高的場(chǎng)合則需配置壓力計(jì)（傳感器或變送器）、溫度計(jì)（傳感器或變送器）流量計(jì)算機(jī)，組分不穩(wěn)定時(shí)還需要配置在線密度計(jì)（或色譜儀）等。
（2）速度式流量計(jì)
速度式流量計(jì)是以直接測(cè)量封閉管道中滿管流動(dòng)速度為原理的一類流量計(jì)。工業(yè)應(yīng)用中主要有：
①渦輪流量計(jì)：當(dāng)流體流經(jīng)渦輪流量傳感器時(shí)，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(dòng)周期地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值，檢測(cè)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(hào)。在一定的流量（雷諾數(shù)）范圍內(nèi)，該電脈沖信號(hào)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(jì)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(jì)：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(jì)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(jì)：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(shí)旋渦中心沿一錐形螺旋形進(jìn)動(dòng)。在一定的流量（雷諾數(shù)）范圍內(nèi)，旋渦流的進(jìn)動(dòng)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(jì)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(jì)儀表系數(shù)，P/m3（p為脈沖數(shù)）。
④時(shí)差式超聲波流量計(jì)：當(dāng)超聲波穿過流動(dòng)的流體時(shí)，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(shí)差與被測(cè)流體在管道中的體積流量（平均流速）成正比。超聲波流量計(jì)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*皿1、2之間傳播途徑上的聲道長(zhǎng)度，m；L為超聲波在換能器1、2之間傳播途徑上的聲道長(zhǎng)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(shí)間，s；t2為超聲波逆流傳播的時(shí)間，s。
速度式氣體流量計(jì)一般由流量傳感器和顯示儀組成，對(duì)溫度和壓力變化的場(chǎng)合則需配置壓力計(jì)（傳感器或變送器）、溫度計(jì)（傳感器或變送器）、流量積算儀（溫壓補(bǔ)償）或流量計(jì)算機(jī)（溫壓及壓縮因子補(bǔ)償）；對(duì)準(zhǔn)確度要求更高的場(chǎng)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(jì)算壓縮因子、密度、發(fā)熱量等。
（3）容積式流量計(jì)
在容積式流量計(jì)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(gè)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(dòng)，不斷地將流體從已知容積的小空間中排出。根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)，即可求出流體流過的體積量。容積式流量計(jì)的理論流量計(jì)算公式：
qf=n*V
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(jì)的體積流量計(jì)算公式與速度流量計(jì)相同。氣體容積式流量計(jì)屬機(jī)械式儀表，一般由測(cè)量體和積算器組成，對(duì)溫度和壓力變化的場(chǎng)合則需配置壓力計(jì)（傳感器或變送器）、溫度計(jì)（傳感器或變送器）、流量積算儀（溫壓補(bǔ)償）或流量計(jì)算機(jī)（溫壓及壓縮因子補(bǔ)償）。
2 氣體流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)其輸出的信號(hào)只與工況流量呈正比例（線性刻度）關(guān)系，其與被測(cè)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(jì)工況）來確定，如果現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)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(shí)仍按原刻度關(guān)系讀取標(biāo)態(tài)流量，顯然就會(huì)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(cè)量氣體流量，則就要求使用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況與設(shè)計(jì)工況一致并保持穩(wěn)定。然而實(shí)際工況經(jīng)常發(fā)生變化，也正因?yàn)樽兓判枰焖?、可靠地知道變化后?shí)際工況下條件下的準(zhǔn)確流量，否則，測(cè)量的意義也就不復(fù)存在。
在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，工況穩(wěn)定是相對(duì)的，變化是的。因此，氣體流量計(jì)除了需要配置作為關(guān)鍵部分的流量傳感器之外，對(duì)工況變化有規(guī)律、準(zhǔn)確度要求不高，無需遠(yuǎn)傳或自動(dòng)控制的場(chǎng)合，采取配置壓力計(jì)、溫度計(jì)、計(jì)算器由人工錄取參數(shù)查表格的方法計(jì)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(chǎng)實(shí)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(dòng)范圍大，此時(shí)仍依靠人工錄取參數(shù)查表格方法快速而又準(zhǔn)確地計(jì)算流量已不現(xiàn)實(shí)，必須采取自動(dòng)補(bǔ)償措施。
3 含水量的測(cè)量
為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(duì)某一參數(shù)（如壓力）進(jìn)行校正，由于流量計(jì)不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積笨重、可動(dòng)部件多，故障率高，而且準(zhǔn)確度低，當(dāng)補(bǔ)償不*時(shí)，還得進(jìn)行定點(diǎn)校正；該方式應(yīng)用時(shí)不夠靈活，對(duì)于參數(shù)頻繁波動(dòng)的場(chǎng)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(dòng)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(hào)，通過電路并配合機(jī)械機(jī)構(gòu)組成自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，以完成連續(xù)補(bǔ)償運(yùn)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(diǎn)；補(bǔ)償不*，準(zhǔn)確度也不高，電動(dòng)單元組合儀表的出現(xiàn)給流量自動(dòng) 補(bǔ)償帶來了轉(zhuǎn)機(jī),它通過變送器同時(shí)檢測(cè)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(hào)，按照某種運(yùn)算關(guān)系，將這些信號(hào)送入計(jì)算單元（如加減器、乘除器、開方器、比例積算器等）進(jìn)行運(yùn)算，然后輸出代表補(bǔ)償后的流量信號(hào)用于顯示、記錄或控制，這種方法實(shí)現(xiàn)了快捷的自動(dòng)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(diǎn)，但仍然存在補(bǔ)償不*的缺點(diǎn)，隨著集成電路的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，氣體流量自動(dòng)全補(bǔ)償方案的實(shí)現(xiàn)已出現(xiàn)曙光而成為現(xiàn)實(shí)，大規(guī)模集成電路具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、體積小、功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，可以實(shí)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(jì)算機(jī)（全補(bǔ)償）已成為當(dāng)前流量?jī)x表的主流。
從現(xiàn)場(chǎng)使用的角度來看，真正意義上的氣體量計(jì)不是僅指流量傳感器而是一個(gè)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(jì)或色譜儀、流量積算儀或流量計(jì)算機(jī)組成的一個(gè)完整的計(jì)量系統(tǒng)。其理由有：*，現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(jì)算機(jī)能同時(shí)計(jì)算和控制多路流量即是優(yōu)點(diǎn)又是缺點(diǎn)，當(dāng)其硬件或軟件出現(xiàn)故障時(shí)多路流量同時(shí)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(jì)量問題，熱值能量計(jì)量問題，氣體流量計(jì)是由多臺(tái)儀表（儀器）組成的一個(gè)系統(tǒng)，涉及到長(zhǎng)度、力學(xué)、熱工、化學(xué)、時(shí)間、電磁等專業(yè)，用戶希望將其看成一個(gè)黑匣子，不管過程只認(rèn)結(jié)果，然而目前的計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置只能按專業(yè)分別對(duì)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(jì)制造廠家和計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)也只能用水或低壓空氣代替實(shí)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(shí)際介質(zhì)實(shí)際工況中去，很顯然這種檢定方法其代表性不*，將會(huì)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(shí)際介質(zhì)在實(shí)際（模擬）工況下對(duì)氣體流量計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)檢定是保證計(jì)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠有效的手段。一體化的氣體流量計(jì)能很方便的實(shí)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(jì)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(jì)中，全補(bǔ)償一體化的氣體流量計(jì)已成為可能，將會(huì)給氣體流量計(jì)量帶來一場(chǎng)深刻的革命。（
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