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計量論壇

標題: 流量計量的基礎知識 [打印本頁]

作者: 計量員-2 時間: 2007-8-5 02:33
標題: 流量計量的基礎知識
流量計量的基礎知識
流量計量的目的是保障流量量值的準確一致。其內(nèi)容主要包括流量測量方法和測量儀表，流量校準設備和校準技術以及流量量值傳遞。
流量計量廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設、科學研究、對外貿(mào)易，以及人民生活等國民經(jīng)濟的各個領域。流量、溫度和壓力三者一起，稱為工業(yè)自動化的三個主要參數(shù)。流量計量也是能源計量的重要組成部分。因此，流量計量在國民經(jīng)濟和國防建設中起著十分重要的作用。
第一節(jié)  流量計量的基本概念
一、流體和流動
流量計量中涉及的流體，是指氣體、液體和混合多相流體，一般不涉及等離子流。
流體相對于所接觸參照物的運動，稱流動。
穩(wěn)定流，也稱定常流。速度、壓力、密度和溫度、流量等諸參數(shù)不隨時間顯著變化，以致影響所需測量準確度的流動。也即流量是隨時間變化不大的流動狀態(tài)。在管道中觀察到的穩(wěn)定流，實際上是這些參數(shù)在與時間無關的平均值附近隨時間變化的流動。它事實上是“平均穩(wěn)定流”。
不穩(wěn)定流。可能是層流或紊流的流動。在這種流動中，速度、壓力、密度和溫度、流量等諸參數(shù)是隨時間波動的。也即流量隨時間變化較大的流動狀態(tài)。所考慮的時間間隔應足夠長，以便排除紊流本身的隨機分量。
層流。與慣性所產(chǎn)生的力相比，粘性所產(chǎn)生的力占優(yōu)勢的流動。層流可能是不穩(wěn)定的，但完全不混有紊流，泊肅葉流動是圓形管道中穩(wěn)態(tài)層流之一例。
紊流。與粘性所產(chǎn)生的力相比，慣性所產(chǎn)生的力占優(yōu)勢的流動。紊流是時間和空間不規(guī)則(隨機)的速度波動疊加于平均流上的流動。
二、流量
流體流過一定截面的量稱為流量。流量包含瞬時流量和累積流量。在一段時間Δt內(nèi)流體流過一定截面的量稱為累積流量；當Δt很短時，流量與時間之比稱為瞬時流量。當流量用體積表示時稱為體積流量；用質量表示時稱為質量流量。
粉狀、顆粒狀或塊狀的固體如形成流動，也存在流量測量問題。
常用的流量單位有：瞬時流量單位和累積流量單位
1．瞬時流量單位
米3／秒(m3／s)，千克／秒(kg／s)，米3/小時(m3／h)，升／分(L／min)，噸/小時(t／h)，升／秒(L／s)。
  2．累積流量單位
  米3(m3)，千克(kg)，升(L)，噸(t)。
  以上這些單位都是法定計量單位。此外常遇到的其他流量單位還有：
  英國加侖(gallon)=4.546升(L)，美國加侖(gallon)=3.785升(L)，磅(pound)
=0.4536公斤(kg)，gpm=加侖／分，sccm=標準狀況下：cm3／min，sim=標準狀況下：L／min。
三、流體的壓力
  以大氣壓力為零起算的壓力稱為表壓力，它也是一般的測壓儀表(非絕壓測量儀表)所指示的壓力值。
  不帶任何條件起算的全壓力稱為絕對壓力。
在流體中不受流速影響而測得的表壓力稱為靜壓。
流體單位體積所具有的動能大小稱為動壓，又稱動壓頭。
四、液體的壓縮性和膨脹性
液體的壓縮性有多種不同的表述方法，通常用液體壓縮系數(shù)βp表示：
                        （11-1-1）
式中：βp——液體的體積壓縮系數(shù)，單位為1／Pa；
V——液體的原有體積，單位為m3；
ΔP——液體壓力的增量，單位為Pa；
ΔV——液體體積的縮小量，單位為m3。
βp的倒數(shù)稱為體積彈性系數(shù)(模量)，用KP表示，即
                              （11-1-2）
很顯然，KP同樣可以表示液體壓縮性的大小，KP值大的液體不易被壓縮，KP值小的液體易被壓縮。
  液體的膨脹性表示當壓力不變時，液體體積隨溫度的變化率，用溫度膨脹系數(shù)βt來表示，βt由下式定義：
                        （11-1-3）
式中：βt——液體的體積膨脹系數(shù)，單位為1／℃；
Δt——液體溫度的增量，單位為℃；
ΔV——液體體積的增量，單位為m3。
液體的膨脹性對流量測量結果的影響通常比較明顯，不宜隨便忽略。
  必須注意βp, KP和βt的值，就是對同一流體來說，也不是一個常數(shù)，而是溫度和壓力的函數(shù)。這些值可以從有關的手冊和書中去查找。
五、氣體的壓縮性和膨脹性
一般來說，氣體是可壓縮流體。但在具體討論氣體的壓縮性和膨脹性時，情況比較復雜。通常是先確定氣體是否可以被看作(或近似被看作)理想氣體。作為理想氣體必須符合下述兩個條件：一是分子只有質量而無體積；二是分子間只存在相互碰撞的作用力。
當氣體可以被看作理想氣體時，其壓縮性和膨脹性按理想氣體狀態(tài)方程來考慮，即按理想氣體三定律來考慮。例如，蓋?呂薩克定律就是討論理想氣體等壓下的熱膨脹問題，而且這個體膨脹系數(shù)不隨其化學成分即氣體種類而變，均為1／273。又如，玻意耳—馬略特定律則是研究理想氣體在等溫下的壓縮性。
事實上，絕對的理想氣體是不存在的。實際氣體對理想氣體狀態(tài)方程有不同程度的偏離，因此引入了一個氣體的壓縮系數(shù)K來衡量這種偏離程度的大小。這里的壓縮系數(shù)K，不是通常情況下如式(11-1-1)所表示的“壓縮”概念，它實際上是從理想氣體過渡到實際氣體引入的一個修正系數(shù)。引入了K之后，理想氣體與實際氣體就統(tǒng)一起來了，即理想氣體K=1，實際氣體K≠1。不同的氣體，K也不同。同一氣體，K也隨溫度、壓力的不同而不同。K是一個無量綱的純數(shù)。在標準狀況下，一些常見氣體的K多數(shù)略小于1，少數(shù)略大于1；隨著壓力和溫度的增加，許多氣體的K明顯大于1。各種氣體的壓縮系數(shù)可從有關工程手冊中查取。一些常用的供查閱的文獻列于本篇的最后。表11-1-1列出了標準狀況下幾種常見氣體Kn的值。

表11-1-1標準狀況下幾種常見氣體Kn的值
氣體空氣 O2 H2 CO2 N2 SO2 CO NO
Kn 1.000 0.999 1.000 0.993 1.000 0.977 1.000 0.999
氣體 Cl2 HCl H2S NH3 CH4 He C2H4
Kn 0.984 0.993 0.990 0.986 0.998 1.000 0.990

引入K后，氣體狀態(tài)變化的基本方程為：
                     （11-1-4）
式中，P0，V0，T0—分別為氣體在已知狀態(tài)時的參數(shù)，一般為標準狀況；
P，V，T—分別為氣體在工作狀態(tài)時的參數(shù)。
六、流體的粘度
流體在流動中，粘性力F由下式表達：
                     （11-1-5）
式中，μ—動力粘度（系數(shù)），單位為Pa?s；
A—接觸面積，單位為m2；
—速度梯度，單位為s-1。
牛頓流體是流體在流動過程中，單位面積上的內(nèi)摩擦力的大小與接觸法線方向的速度剃度成正比。它與流體粘性有關而與接觸面上的壓力無關。
運動粘度υ由下式表示：
                     （11-1-6）
式中，ρ—流體密度，單位為g／cm3；
   υ—運動粘度，單位為m2／s。
在國際單位制中，運動粘度的單位為m2／s；常用單位為斯托(st；cm2／s)，其百分之一為厘斯托(cst；mm2／s)。常壓(101 325 Pa)下純水的運動粘度見表11-1-2。
表11-l-2  常壓下純水的密度和運動粘度
溫度/℃ 密度/g?cm-3 運動粘度/mm2?s-1
0 0.99984 1.792
10 0.99970 1.307
20 0.99820 1.004
30 0.99565 0.801
40 0.99221 0.658
50 0.98805 0.554
60 0.98321 0.475
70 0.97778 0.413
80 0.97180 0.3650.295
90 0.96532 0.326
100 0.95835

作者: 計量員-2 時間: 2007-8-5 02:35
標題: 流量計量知識（二）
七、流體的密度
單位體積內(nèi)所含流體的質量稱為流體的密度。
流體的密度是溫度和壓力的函數(shù)。液休準確的密度是在一定溫度和壓力下，用相應的測量手段獲得的；液體的近似密度可在相應的手冊中查到，手冊中一般只給幾個溫度下的密度值，在手冊上兩個溫度之間的某一慍度下的密度值，可用線性內(nèi)插法近似算出。常壓下純水密度值見表11-1-2。
(1)理想氣體的密度ρ可由其狀態(tài)力程導出：
                        （11-1-7）
式中：ρ—理想氣體的密度，單位為kg／m3；
P—氣體的絕對壓力，單位為Pa；
T—氣體的絕對溫度，單位為K；
R—氣體常數(shù)，單位為J／(kg?K)。
對于空氣，R=287 J／(kg?K)。不同的氣體，R不同。
(2)混合氣體的密度  幾種混合氣體的密度ρn由下式計算：
                        （11-1-8）
式中：ρn—由n種氣體組成的混合氣體的密度，單位為kg／m3；
ρi —第i種氣體成分在標準狀況下的密度，單位為kg／m3：
Xi—第i種氣體成分的容積比，(％)。
(3)氣體狀況變化時密度的換算  已知標準狀況(Tn，Pn，Kn)下的氣體密度ρn n，求其他狀況下(P，T，K)的氣體密度ρ：
                           (11-1-9)
式中：Tn，Pn，Kn—標準狀況下氣體的絕對溫度、絕對壓力和壓縮系數(shù)(標準狀況下一些常見氣體的壓縮系數(shù)Kn的值見表11-1-1)。
T，P，K——其他狀況下氣體的絕對溫度、絕對壓力和壓縮系數(shù)。
八、雷諾數(shù)
  雷諾數(shù)(Reynolds number，Re)是表征流體流動時慣性力與粘性力之比的無量綱數(shù)。它是表征流體流動特性的一個重要參數(shù)，由下式定義：
                                       (11-1-10)
式中：u—流動截面的平均流速，單位為m／s；
L—流體的特征長度，對于圓管流動，也即為管道內(nèi)徑D，單位為m；
υ—流體的運動粘度，單位為m2／s。
雷諾數(shù)是流量計量中的一個重要參數(shù)。當外部幾何條件相似，雷諾數(shù)相同時，流體流動狀態(tài)也幾何相似，這就是流體動力學相似原理。它對流量測量有很重要的意義。
  流體在管道中流動時，由于流速不同可以形成性質完全不同的流動形態(tài)。若流體質點個有條不紊的向前運動，互不干擾，這種流動形態(tài)叫層流；若流體質點雜亂無章地向前運動，互才摻混，這種流動形態(tài)叫紊流；把兩種流動形態(tài)轉化時的流速叫臨界流速。從層流轉化到紊流時的流速叫上臨界流速；從紊流轉化到層流時的流速叫下臨界流速。與它們對應的臨界雷諾數(shù)也有上、下兩值。對于圓管，下臨界雷諾數(shù)Re下臨=2 300，上臨界雷諾數(shù)Re上臨=12 000～40000。由于Re上臨不易測準，所以通常用下臨界雷諾數(shù)來判斷流體流動的形態(tài)。這里要特別指出的是，為了方便，多數(shù)文獻中講的臨界雷諾數(shù)就是下臨界雷諾數(shù)。
  對圓管的層流流動，平均流速為中心最大流速的1／2；對圓管的紊流流動，平均流速與最大流速的關系比較復雜。
  九、氣體絕熱指數(shù)
  若氣體流動介質在狀態(tài)變化的過程中不與外界發(fā)生熱交換，則該過程稱為絕熱過程。絕熱過程中氣體的絕熱指數(shù)K定義為定壓比熱CP，與定容比熱Cv之比，即
                     K=Cp／Cv                         (11-1-11)
  一般來說，單原子氣體K為1.66，雙原子氣體K為1.41。
第二節(jié)  流量測量的基本方程
一、連續(xù)性方程
連續(xù)性方程是質量守恒定律在流體力學中的具體形式。
流體在任一管道內(nèi)定常流動，在同一時間間隔內(nèi)，流經(jīng)截面1(面積為Al，流體密度為ρ1，平均流速為u1，)和截面2(面積為A2，流體密度為ρ2，平均流速為u2)的流體質量相等，即
ρ1 u1Al=ρ2 u2 A2                      （11-1-12）
對于不可壓縮流體，ρ1=ρ2，上式變?yōu)?br /> u1Al=u2 A2                         （11-1-13）
二、伯努利方程(能量方程)
對理想流體的管道流動，伯努利方程如下：
                                       （11-1-14）
式中：g—重力加速度，單位為m／s2；
ρ—流體密度，單位為kg／m3；
zl，z2—截而1，2相對某一基準線的高度，單位為m；
Pl，P2—兩截面上流體的靜壓力(表壓)，單位為Pa；
u1，u2—兩截面處流體的平均流速，單位為m／s。
在實際流動中，由于流體中部分機械能轉換成熱能而耗散，上式變成：
                                 （11-1-15）
式中，hwg表示在截面1到截面2之間實際流體流動產(chǎn)生的機械能損失。

作者: 計量員-2 時間: 2007-8-5 02:36
標題: 流量計量知識（三）
三、氣體狀態(tài)方程
一定質量m的氣體，在狀態(tài)1(絕對壓力Pl，體積V1，絕對溫度T1)和狀態(tài)2(絕對壓力P2，體積V2，絕對溫度T2)下滿足下述狀態(tài)方程：
                        （11-1-16）
式中，是氣體壓縮系數(shù)。K=l時為理想氣體，K≠1時為實際氣體。
  對于實際氣體，當壓力不太高、溫度不太低時可十分近似地看作理想氣體。
第三節(jié)  流量計量的有關參數(shù)
一、流量范圍
  測量誤差不超過允許值的流量儀表的最大流量和最小流量，所覆蓋的流量范圍，叫流量儀表的流量范圍。最大流量與最小流量的比值，叫流量儀表的量程比（也可稱其為范圍度）。最大流量與最小流量之差稱為流量計的量程。
二、額定流量
流量計在規(guī)定性能或最佳性能時的流量值。
  三、流量系數(shù)
通過流量計的實際流量與理論流量的比值。它一般通過實驗確定。一般來說，影響流量系數(shù)的因素比較復雜。流量系數(shù)有時也叫流量修正系數(shù)，在一般情況下，流量系數(shù)接近于1。
四、儀表系數(shù)
通過流量計的單位累積流量（體積流量或質量流量）所對應的信號脈沖數(shù)。常用單位為：L-1或㎏-1。
五、重復性
流量儀表連續(xù)多次測量同—流量給出測量結果的一致程度，稱為流量儀表的重復性。
流量標準裝置的重復性是指其在同樣條件下，在短時間內(nèi)給出(產(chǎn)生)的標準(實際)流量的一致程度。
重復性通常用實驗標準偏差s（x）表征：
                     （11-1-17）
式中：n—測量次數(shù)；
x—對流量計來說是流量或儀表系數(shù)，對流量標準裝置來說是流量；
—x的算術平均值。
重復性的相對表示E（x）如下式：
                              （11-1-18）
六、流量穩(wěn)定性
穩(wěn)定性又稱穩(wěn)定度。對于流量計來說，是在較長時間內(nèi)測量流量的性能保持不變的能力。對于流量標準裝置而言，它表示在較長時間內(nèi)給出的標準(實際)流量的一致程度。
對于流量標準裝置來說，根據(jù)有關國軍標的規(guī)定，它用實驗標準偏差sm表征：
                        （11-1-19）
式中：m—每隔較長時間(如一個月以上)觀測一次的觀測次數(shù)；
n一每次觀測取的觀測值的個數(shù)；
   —第i次觀測n個觀測值的算術平均值；
   —m次觀測得到的m個的算術平均值。
對一項流量標準，要考查其流量穩(wěn)定性，如上所說需要較長時間，這較長時間例如可以每隔1個月以上觀測一次，取n個(推薦n≥6)觀測值的算術平均值作為一次觀測結果(x實際上是流量q)，共觀測m次(推薦m≥4)；式中是第m次觀測結果的算術平均值：
                        （11-1-20）
七、線性和非線性
流量計的線性表示，是指在整個流量范圍上流量汁的特性曲線，偏離最佳擬合直線的程度。線性有時，又叫線性度，也可以用非線性來表示。其概念之間并不矛盾。我們說線性好即是說非線性誤差不大。
對于用儀表系數(shù)K來評定流量計特性的脈沖輸出流量儀表來說，如對渦輪流量計，其線性(度)EL表示為：
               （11-1-21）
有時其線性(度)也使用儀表系數(shù)對平均值的最大偏差(ΔK)max= 與平均儀表系數(shù) 的比值來表示，即：
                           （11-1-22）
八、靈敏度
流量儀表的靈敏度，表示流量儀表對被測流量值變化的反應能力。
靈敏度S用流量計指示的增量ΔL，與流量變化增量Δq之比來表示：
                        （11-1-23）
九、壓力損失
是流體流過流量計及與流量計配套安裝的其他阻力件時所引起的壓力降低。壓力損失，通常用流量計進口與出口之間的靜壓差來表示。壓力損失隨流量的不同而變化。因此標志一臺流量儀表壓損性能的主要指標，是在流量儀表規(guī)定的流量范圍內(nèi)的最大壓力損失。詳細了解流量儀表具體的壓損情況，需查看有關工程手冊上流量計的壓損隨流量而變化的曲線。當然，壓力損失小是流量儀表的優(yōu)點，過大的壓力損失有時限制了流量儀表的使用。
十、允許誤差和準確度
  流量儀表在規(guī)定的正常工作條件下，允許的最大誤差，稱為該儀表的允許誤差。允許誤差可用絕對誤差、相對誤差和引用誤差來表示。
示值絕對誤差=儀表指示值－檢定標準值
示值相對誤差=示值絕對誤差/檢定標準值×100%
引用誤差=示值最大絕對誤差/儀表特定值×100%
在實際工作中如果使用“引用誤差”，一定要特別注明并說明所使用的“引用誤差”的定義。
上述引用誤差定義中的儀表特定值一般是指儀表測量上限，當使用這一定義時，有的規(guī)程、書籍和文獻中是不加特別曉明的。
  也有把儀表特定值定義為“儀表量程”的。儀表量程如本章第一節(jié)所述為流量計最大流量與最小流量之差。當然對儀表特定值還可有其他定義，只是需要特別注明就是了。
  流量計的允許(相對)誤差去掉“±”號及“％”號后的數(shù)值叫做流量計的準確度等級。日前我國流量儀表準確度等級的劃分為九級，即：0.02，0.05，0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0。
  如果一臺流量儀表的允許誤差的絕對值δ滿足如下關系式：0.02％＜δ＜0.05％，則該流量儀表的準確度等級為0.05級，余類推。

作者: 計量員-2 時間: 2007-8-5 02:39
標題: 流量計量知識（四）
第四節(jié)  流量測量準確度的影響因素及修正
  流量計在校準條件下所給出的準確度在使用條件下能否保障，也就是流量計的使用條件和校準條件不同這—因素所引起的附加測量誤差，是流量測量中應重視的問題。該附加測量誤差有些情況下是小到可以忽略的。但在許多情況下是不能忽略的。例如，有人曾作過這樣的實驗，對同一臺渦輪流量計的同一流量點，用紅油和滑油作介質(粘度和密度不同)校準其儀表系數(shù)，相差竟有24％，這就是說，由于校準和使用條件不同引起的附加測量誤差可以達到24％之多。因此，研究使用和校準條件不同所引起的流量計的誤差修正，就是一個十分重要的問題了。我國在這方面的研究還遠遠沒有達到系統(tǒng)的地步。
  流量計使用條件和校準條件不同所引起的誤差修正是一個十分復雜的問題。一般來說，氣體介質和液體介質是不同的，液體介質中低粘度液體(如水、煤油)和高粘度液體也是不同的。
  影響流量計測量準確度的因素主要是粘度和密度的改變，介質種類不同，當然粘度和密度也不同，即便是同一種介質，粘度和密度也是隨著測量條件(壓力和溫度)的變化而變化的。液體溫度和壓力的變化，決定著其粘度和密度的變化，而流體粘度和密度的變化，影響了流量計的流量測量，產(chǎn)生了附加誤差。
  對氣體來說，壓力和溫度的變化，直接影響其密度和粘度，對液體來曉，壓力的變化一般可以忽略，而溫度變化靈敏地影響粘度同時也影響密度。
  當流量計工作介質的密度與校準介質的密度接近而粘度不同時，或者流量計工作介質與校準介質的粘度和密度均不同時，一般來說還沒有實用的修正公式，在這方面有大量的研究工作等待著人們?nèi)プ觥?br />   對于最常用的渦輪流量計，粘度的影響一般用“通用粘度曲線”來處理，即儀襲系數(shù)K(=f／q)對f／ν的曲線(Universal Viscosity Curve)，它的出發(fā)點是：粘度(ν)影響廠渦輪流量計的儀表系數(shù)。
E．Jones于1995年的論文中使粘度對于渦輪流量計的影響之研究更進了一步，他的出發(fā)點是：粘度對渦輪流量計的影響體現(xiàn)在其基本線性方程的系數(shù)a和b中，即
f=a（ν）+b（ν）Q                      （11-1-24）
式中, a（ν）和b（ν）的具體數(shù)值由對具體流量計的校準實驗來確定，實驗時由頻率(f)和流量（Q）的多組對應的數(shù)據(jù)通過最小二乘法線性擬合的方法得出a（ν）和b（ν）。
Jones的若干實驗數(shù)據(jù)證明了他的這種方法優(yōu)于K系數(shù)的“通用粘度曲線”方法，即該方法使流量計的較寬的線性范圍得以顯現(xiàn)而K系數(shù)的“通用粘度曲線”力法則隱藏了流量計的較寬的線性范圍。
  還有，不管是K系數(shù)的“通用粘度曲線”方法還是Jones的實驗確定a（ν）和b（ν）的方法，皆引入了ν=μ/ρ，即把動力粘度μ和密度ρ合并成一個參數(shù)運動粘度ν來考慮，這樣就可以把粘度和密度兩個參數(shù)對流量計的影響變成運動粘度一個參數(shù)對流量計的影響，使問題研究起來要簡子多了。
第五節(jié) 流量計量的特點
  自古以來，流量測量都是人類文明的一種標志。埃及人用尼羅河流量來預報年成的好壞。古羅馬人修渠引水，采用孔板測量流量，但是，由于經(jīng)濟落后，直到20世紀50年代，工業(yè)中使用的主要流量計只有孔板、皮托管和浮子流量計三種，被測介質的范圍也較窄，測量準確度也只滿足低水平的生產(chǎn)需要。第二次世界大戰(zhàn)后，隨著國際經(jīng)濟和科舉技術的迅速發(fā)勝，流量計日益受到重視，流量儀表隨之迅速發(fā)展起來。為滿足不同種類流體特點，解決不同流動狀態(tài)下的流量計量問題，近30年來，先后研制出外投入使用的流量計有速度式流量汁、容積式流量計、動量式流量計、電磁流量汁和超聲波流量計等幾十種新型流量計。目前我國投入使用的流量計有100多種，國內(nèi)定型生產(chǎn)的也有近10種。隨著工業(yè)生產(chǎn)的自動化、管道化的發(fā)屜，流量儀表在整個儀表生產(chǎn)中所占比重越來越大。據(jù)國內(nèi)外資料表明．在不同的工業(yè)部門中所使用的流量儀表占整個儀表總數(shù)的15％～30％。隨著流量儀表的迅猛發(fā)展，流量標準裝置也得到較快的發(fā)展，流量量值傳遞網(wǎng)絡已經(jīng)形成，目前水、油、氣、蒸汽高準確度的流量標準裝置已在國家、省市汁量機構建立，確保其流量量值的準確一致。
  流量計量的基本特點是流量測量的復雜性，其他的特點都是由此基本特點而派生的。流量儀表的研制和流量標準的研制，都應該考慮這個基本特點。流量計量的復雜性體現(xiàn)在下述幾個方面。
  (1)從介質狀態(tài)來分，有液體、氣體和固體以及它們的混合物。
  (2)從介質種類來分，有多種多樣的介質，如水、油類、化工液體、各種氣體遇到的氣體流量就不少于10種。
  (3)從介質溫度來分，有高溫、中溫和低溫以及超高溫和極低溫的流量測量
  (4)從流量大小來分，有大、中、小和微小流量測量問題。
  (5)從壓力大小分，又有高壓、中壓、低壓以及超高斥和微小壓力條件下的流量測量問題。
  流量計量的第二個特點是流量是一個導出量。根據(jù)流量的定義，流量由體積(長度)和時間或者質量和時間來進行傳遞。因為導出量不是單一物理量而是個復合量，所以對流量量值的復現(xiàn)和傳遞都增加了難度和復雜性。
  流量計量的第三個特點是流量涉及到物質的相對運動概念，而且是流體，當測量時間細分時，流體截面上的各個質點的流速無時無處都在變化著，伴隨流量電尤時無處都在變化著，所以，流量不同于質量和長度，質量和艮度有實物標準，而流量沒有實物標準，更反映流量計量的難度和復雜性。
  流量計量的第四個特點是流量儀表的測量準確度，受管路內(nèi)流體的流動狀態(tài)的影響。由于流體有粘性，當它流過管路時產(chǎn)生了流速分布，該流速分布影響儀表的測量。這樣，為了保證流量測量的準確度，就要保證流量儀表的安裝使用條件，這也給流量測量增加了技術上的難度和復雜性。
  綜上所述，流量計量是一個相對復雜的學科。流量測量問題的解決，往往要付出很高的代價。例如，一個封閉管道中可以流動水、油和空氣，一般來說，測量這些介質的溫度和壓力用溫度傳感器和一種壓力傳感器即可完成測量；而流量測量則需要多種傳感器來完成。通常一支流量傳感器比一支溫度或壓力傳感器的價格要昂貴得多，，如果是特殊狀況下的流量測量，如高溫、低溫、高壓、低廳、強腐蝕等，其投入和難度則更要大得多。
  因此，充分認識流量計量的復雜性等四個主要特點，對順利開展流量計量工作和發(fā)展流量測試技術具有指導意義。

作者: 計量員-2 時間: 2007-8-5 22:21
標題: 流量計量知識（五）
第六節(jié)  流量計量技術的發(fā)展
  近50年來，開發(fā)了許多新測量原理的流量測量方法和儀表，從而應用領域有很大擴展，進入許多過去的禁區(qū)，如可以不對管道作任何改動就可作出非接觸測量，過去某些流量儀表用來測量某些特殊對象的流量時，感到很困難。如今因技術上有所突破而變得容易，但是，環(huán)保工程等新興產(chǎn)業(yè)提出的要求，現(xiàn)有手段不能滿足，尚待開發(fā)，，經(jīng)流量儀表流轉的財富為數(shù)甚巨，就以我國生產(chǎn)1億多噸石油及后續(xù)成品的交接計量，流轉財富以1012數(shù)量級(萬億)元來計算，0.1％～0.2％的計算損失就高達數(shù)十億元。流量儀表準確度雖已提高到0.1級～0.2級，似乎還不滿足，還要精益求精。流量儀表應用技術中克服或減少管線安裝影響是長期探索的工作，流體參量變化對流量儀表測量值的影響是用戶非常關心的問題。
一、環(huán)保業(yè)應用展望
  環(huán)境保護中，污水中的污染物不僅要控制其排放百分比含量，更重要的是控制其排放總量，為此需要計算污水排放總量。我國工業(yè)污水排放計量的明渠污水流量儀表，2()世紀80年代中期各制造廠已相繼開發(fā)，國家環(huán)保局從1987年開始開展調查考評10余家制造廠所提供的商品。經(jīng)兩年余實驗室和現(xiàn)場考評，國家環(huán)保局認為明渠污水流量儀表立足于國內(nèi)是可能的。10年后的今天，儀表性能更趨完善，品種增多，在國家環(huán)境保護政策推動下，環(huán)保業(yè)對流量儀表需求增加頗快。
  雖然我國已有污水流量儀表和總需氧量(TOC)、汞、鉛、鎘等金屈離子和砷、苯胺、酚鹽等污染物含量的在線分析儀器，但要使用方各自設計，在現(xiàn)場配套裝配，尚無由制造廠專門設計，工廠化裝配調試成套供應污染物排放總量的儀表總成。這些是需要開發(fā)且頗具前途的項目。
  廢氣中的污染物，主要指鍋爐等排放的煙道氣和汽車尾氣中的SO2，N02，H2S等。
  1990年美國清潔法修正案規(guī)定，要電廠降低會形成酸雨的二氧化硫和氮氧化合物排放總量。美國環(huán)境保護局規(guī)定電廠鍋爐，在1995年1月1日前必須裝上連續(xù)排放監(jiān)控系統(tǒng)(CEMS)。但我國到目前尚未頒布相似的法規(guī)。
  現(xiàn)在適用測量煙道氣量的國產(chǎn)儀表，僅開封儀表廠大型煙道用儀表，國外產(chǎn)品代理銷售則品種甚多。同排放污水一樣，下一步還應開發(fā)與在線分析儀表配套的氣體污染物排放總量監(jiān)控儀表總成。
  直接測量汽車廢氣排放量是一個非常困難的技術難題，因為所測量的是高溫且含有水氣塵埃的強烈脈動流的流量，國外尚處于探索階段。
  二、成熟儀表應用的擴展
  針對經(jīng)典或新穎儀表在某一領域應用受到的限制，經(jīng)局部適應性改進，且技術上有所突破而使得在該領域應用有迅速的發(fā)展。例如差壓式流量儀表受到粘性液體低雷諾數(shù)(Re=104以下)運行段和固體含量濃度較高漿液的限制，自出現(xiàn)楔形管再配以密封毛細管傳送的差壓變送器后，差壓式流量儀表在這一應用領域就得到了擴展。又如，超聲流量計應用于天然氣貿(mào)易交接，由于測量精度不及渦輪流量計而長期未被接受；傳統(tǒng)電磁流量計不能測量非滿管液流量，科里奧利質量流鞋計過去不能用于中壓氣體，只適用于測量高壓氣體等等。最近這些儀表在技術上均行所突破，在所述領域的應用有較快發(fā)展。
  (1)適用于天然氣存儲交接(cutody  transfer)計量的超聲流量計。由于超聲流量計在固體與氣體界面上的傳播效率低，管道外夾裝超聲流量換能器(探頭)難以從管壁傳送足夠的聲能，因此目前還沒有外夾裝式氣體超聲流量計。氣休用超聲流量計商品始于20世紀80年代初，大部分由測量短管和插入管壁換能器組成一體的形式出現(xiàn)，由于測量精度較低(1.5％～2％FS)，過去未能在價格昂貴的天然氣貿(mào)易結算計量領域取得一席之地，近年則出現(xiàn)多種型號精度較高的超聲流量計。
  德國Krohne公司的ALTODONIC GFM 700型系平行雙聲道z法（即一側換能器斜方向發(fā)射聲波到對面一側換能器接收）布置于弦位置上，測量誤差為±2％R，口徑50～800 mm，它對上游直管段要求較低，z值約為單聲道的1/2～1/4。
  德國Elster Handel公司的USM型是雙聲v法反射。其特點是發(fā)射換能器發(fā)射聲速散射至對面一側換能器接收布置于弦位置上，測量誤差為±2％R，上游直管段要求較低，僅需3倍管徑長度，下游僅需2倍。
  日本奧巴爾公司1997年有上海展示的Fosonic-I型系單聲道v法(即發(fā)射聲波經(jīng)對面管壁反射到同側另一換能器接收)傳播方式。經(jīng)雷諾數(shù)修正后的測量誤差為≤+1％R，口徑范圍為50～250mm。
  RVG公司在1995年INTERAMA展覽會上，1997年化學工業(yè)裝備展覽會(AHEMA)上展示四聲道組合傳播聲波，兩個聲道是v法反射布置，為流量測量的基本信號；另兩個聲道之一的聲束是按直徑途徑傳播，之二的聲束是按三角形反射途徑傳播，作為流速分布修正的輔助信號。最小測員誤差為≤+0.5％R，口徑范圍為200～1 000mm。
  據(jù)1998年赴歐考察燃氣流量成員介紹，歐洲用于天然氣計量的主流流量儀表有：①孔板差壓式；②腰輪等容積式；③渦輪式；④超聲式。當前德國和荷蘭的專家對這些儀表的看法是：孔板差壓式不推薦，但氣田的高壓氣向外輸送計量，當前它還呈惟一選用的品種；渦輪式和超聲式推薦但不推廣，待積累應用經(jīng)驗；渦輪式和容積式僅適用于中低斥力較小管徑場所。
  (2)非滿管電磁流量計。非滿管電磁流量計的問世，使非滿管圓形管的測量誤差從傳統(tǒng)槽式流量儀表的3％～5％FS降低到1％~2％FS，自1992年Fischer+porter公司首家向人們展示非滿管電磁流量計以來，迄今共有四家制造廠的四種型號儀表推向市場．口徑范圍為150—1 000mm。
  非滿管電磁流量計仍以法拉第電磁感應定律為基礎測量流速，再利用某種方法測量流通截面液位高度從而求得流通面積，兩者相乘獲得流量。上述四種型號儀表中，有兩種型號產(chǎn)品是利用上下兩組激勵線圈穿接激磁和單線圈激磁(正向或反向激磁)，產(chǎn)生兩種磁場分布和強度，測得兩個流量信號，兩者之間的比與液位高度有一定函數(shù)關系，間接求得液位高度。第三種型號的兩激磁線圈圓軸線處于水平線，磁力線與地平線平行，一個電極置于測量管底部，流量信號取得其與測量管端部接地環(huán)間電位差，該電位差與液位高度、流速兩者均成正比例，不需作液體高度與流量演算就可得流量，第四種刑號液體高度的測量原理與電容式液位計相同。
  除上述流量傳感器外形與傳統(tǒng)結構相似的非滿管電磁流量計外，還有以電磁流速檢測元件和固態(tài)液位檢測元件組成一體的扁平型傳感器，置于安裝環(huán)的底部，安裝環(huán)放進待測流量的非滿管管道內(nèi)。上海蘇州河污水治理工程曾嘗試用于測量污水流量。

作者: 計量員-2 時間: 2007-8-5 22:27
標題: 流量計量知識（六）
(3)低電導率電磁流量計。低電導率電磁流量計的電極不與被測液體接觸，大面積電極緊貼襯里外壁，以電容耦合方式檢測流量信號，可測量比傳統(tǒng)儀表低2～3個數(shù)量級，即可測電導率≥5×(10—8)s／cm的液體。例如純水、液氨(不是氨水)、甘油、乙二醇等以前不能測量或測量困難的液體，國外產(chǎn)品也有稱之為無電極電磁流量計者。
  這種儀表在襯里有絕緣層生成的情況下仍能工作，若用傳統(tǒng)接觸電極電磁流量計，電極表面被絕緣層覆蓋使電路斷路而無法工作，這一優(yōu)點在擴大心用范圍所起的作用，更大于電導率所起作用。
  三、流量傳感器多參數(shù)測量
  所謂多參數(shù)測量，即利用傳感元件從被測對象按不同物理現(xiàn)象感受到一個以上變量，使流量傳感(變送)器功能擴展。例如，科里奧利質量流量計測量振動管頻率相位差，得到質量流量；測振動管諧振頻率得到密度。或者在流量傳感器上加另一傳感元件(或傳感器)，測量另一變量，擴展功能或補償另一變量受其他量的影響，以提高測量精度等性能。
  1．差壓變送器
  新穎的差壓變送器可同時測量差壓、靜壓和溫度，并經(jīng)計算單元作氣體壓力、溫度修正，或測氣體質量流量。這已為人們所熟悉。減少了獨立的傳感器數(shù)量，簡化管線工程，降低安裝費用；減少管線開孔，降低潛在泄露點，提高整體可靠性。
  2．科里奧利質量流量計
  科里奧利質量流量計，利用測量管二半部分振動頻率相位差正比于質量流量的原理，以測量流量，利用測量管諧振頻率與管中被測介質密度間的函數(shù)關系求取密度。科里奧利質量流量計，還從兩個基本參數(shù)質量流量qm和密度ρ衍生得出體積流量；若被測液體是兩種有一定密度差的混合液體，還可經(jīng)密度演算得出一種液體在混合液中的濃度。
  例如，江蘇油田用利里奧利質量流量計，測量井口出油經(jīng)氣液分離后的油水混合液的質量流量，在測量的同時測出油含量濃度，經(jīng)演算獲得原油質量流量，已有5年以上的使用經(jīng)驗。又如在給水工業(yè)測量凝聚劑硫酸鋁鉀(明礬)濃度，求取硫酸鋁貿(mào)易交接總量，防止僅測溶液質量流量時，供方有意稀釋的摻假行為。
  在流程工業(yè)中還可利用密度測量控制容器內(nèi)混合配比或反應過程是否達到所需濃度；亦可以判斷管道中所流液體類別，指令分流到下游各自管系。
  3．超聲流量計
超聲流量計利用超聲波，在不同液體中傳播速度之間有差別的原理(例如石油中聲速為295 m／s，水中聲速為1388 m／s)，在測量流量的同時鑒別管道中液體類別。例如，歐洲在船舶卸油入庫常用超聲流量計測量入庫流量，同時判斷輸送的液體是石油還是油船的艙底水。
  英國Cranlild大學研究試圖用于航空業(yè)的超聲質量流量計，它是在傳播時間法超聲體積流量計的基礎上，再利用超聲測得第二參量液體阻抗和密度，演算得質量流量。原型樣機水油實驗表明，流量1 800 kg／h范圍度50：1時可獲得11％的精度。
  渦流流量計，利用旋渦發(fā)生體產(chǎn)生的卡門旋渦頻率f，和流速，成正比的原理求得體積流量qV=K1νA(其中片K1為系數(shù)，A為流通截面積)，再利用旋渦發(fā)生體受到的與ρν 2成正比的振蕩升力F=K2 ρν 2 (其中K2為系數(shù)，ρ為密度)，兩者相除可得質量流量qm=K3F/f。日本橫河電機已推出這類渦街式質量流量計。
我國某自動化儀表研究所，則利用旋渦發(fā)生體形成差壓(ΔP)與ν2的關系，配以差壓變送器取得第二參數(shù)，作上述相似演算，求取質量流量。該研究所已有LUHG型渦街差壓質量流量計推向巾場。

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