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流量測量技術和儀表（一） |
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一 流量測量的應用領域
（一）為什么在國民經(jīng)濟中如此廣泛采用流量測量和儀表？
流量測量是研究物質量變的科學，質量互變規(guī)律是事物聯(lián)系發(fā)展的基本規(guī)律，量是事物所固有的一種規(guī)定性，它是事物的規(guī)模、程度、速度以及它的構成成份在空間上的排列組合等等可以用數(shù)量表示的規(guī)定性，因此其測量對象不限于傳統(tǒng)意義上的管道流體，凡需掌握量變的地方都有流量測量的問題，例如城市交通的調度，需掌握汽車的車流量的變化，它是現(xiàn)代化城市交通管理需檢測的一個參數(shù)。 流量和壓力、溫度并列為三大檢測參數(shù)，對于一定的流體，只要知道這三個參數(shù)就可計算其具有的能量，在能量轉換的測量中必須檢測此三個參數(shù)，而能量轉換是一切生產過程和科學實驗的基礎，因此流量和壓力溫度儀表得到最廣泛的應用。
（二）流量測量技術和儀表的應用領域
1. 工業(yè)生產過程
流量儀表是過程自動化儀表與裝置中的大類儀表之一，它被廣泛應用于冶金、電力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、輕紡、食品、醫(yī)藥、農業(yè)、環(huán)境保護及人民日常生活等國民經(jīng)濟各個領域，它是發(fā)展工農業(yè)生產、節(jié)約能源、改進產品質量、提高經(jīng)濟效益和管理水平的重要工具，在國民經(jīng)濟中占有重要的地位。 在過程自動化儀表與裝置中，流量儀表有兩大功用：作為過程自動化控制系統(tǒng)的檢測儀表和測量物料數(shù)量的總量表。 據(jù)統(tǒng)計，流量儀表的產值約占全部過程自動化檢測儀表與裝置產值的五分之一。
2. 能源計量
能源分為一次能源（煤炭、原油、瓦斯氣、石油氣、天然氣）、二次能源（電力、焦炭、煤氣、成品油、液化石油氣、蒸汽）及含能工質（壓縮空氣、氧、氮、氫、水）等。1998年1月1日公布中華人民共和國節(jié)約能源法，說明我國的能源政策開發(fā)與節(jié)約并重，把節(jié)約放在優(yōu)先的地位。由于我國產業(yè)結構，產品結構不合理，生產設備和工藝落后，管理不善，能源的利用率只有32%，比國際先進水平平均低10%，每消耗一噸標準煤創(chuàng)造的國內生產總值，只有發(fā)達國家的二分之一到四分之一，我國每生產一噸鋼綜合煤耗為976公斤，而國際先進水平為650公斤。風機、水泵、鍋爐等應采用高效節(jié)能的先進設備。能耗是考核企業(yè)管理水平的一個重要指標，要節(jié)能除采用先進設備與工藝外，主要是加強管理的問題，而管理必須配備計量系統(tǒng)才能進行定量的管理。每個企業(yè)，對進廠、出廠、自產自用的能源進行計量，對生產過程中的分配、加工、轉換、儲運和消耗，生活和輔助部門的能耗進行計量。目前我國流量計量系統(tǒng)正常工作的百分率比較低，除儀表質量外，尚有許多復雜原因影響正常運轉，這些原因如介質條件惡劣、維修困難、校驗問題大等�，F(xiàn)分別對幾種主要能源的流量計量情況簡介如下。
水
我國水資源人均只有世界的四分之一，且分布不均衡，北方嚴重缺水，全國有100多大中城市缺水，日缺水達1000萬立方米以上，21世紀可能發(fā)生水危機，如大連從120公里碧流河引水，天津從230公里灤河引水，青島從240公里黃河引水。近年來黃河下游斷流時間不斷延長，斷流處向上游延伸。北京日高峰時日缺水達30萬噸。 城市龐大的水管網(wǎng)進行輸配，從水廠到用戶水表種類繁多，大口徑水表的計量精度一直存在問題，水表種類大致有孔板、電磁、超聲、插入式流量計等，除孔板外，其它類型大口徑水表的校驗不斷困擾著用戶。家用水表是個非常龐大的數(shù)目，我國家用水表年產量估計在1000萬只以上，家用水表為葉輪式，不但精度低，計量抄表需大量人工亦是個問題。福利型的水價導致水的嚴重浪費已引起國家的重視，亟需制訂合理的水價以促進節(jié)約，但水價的提高如計量精度不相應提高亦會產生新的矛盾。故家用水表型式性能的改進已提到議事日程。
煤氣、天然氣
城市氣化率是現(xiàn)代化城市的標志之一，1985年全國城市煤氣工作會議確定直轄市、省會、重點旅游城市、沿海開放城市及環(huán)保重點城市1990年氣化率為40%，2000年氣化率為70%，煤氣的流量計量由于介質臟、含濕高、大口徑、低流速、寬范圍度等為困難的測量問題，幾十年來一直未能很好的解決，去年制訂的煤氣主管道流量測量國家標準可望為解決此問題提供一些可能性。由于環(huán)保的原因國家不鼓勵更多地發(fā)展煤氣而盡量用天然氣。
天然氣是高效、清潔的燃料，優(yōu)質的化工原料，并有望成為城市汽車的清潔燃料。發(fā)展天然氣是我國今后能源發(fā)展的重點。我國天然氣蘊藏量豐富，但目前產量很低，每年僅約200億立方米，不及西歐小國荷蘭的產量，美俄兩國天然氣年產量皆在5000億立方米左右。急劇增加產量以適應國民經(jīng)濟的需要已經(jīng)勢在必行。國家制訂計劃到廿一世紀初天然氣產量要比90年代初翻兩番。目前我國陸上已探明儲量約1.3萬億立方米，主要分布在重慶、四川、陜甘寧、新疆等地。1998年5月28日我國發(fā)表《中國海洋事業(yè)的發(fā)展》白皮書，其中關于石油資源內容如下：我國海域有30多個沉積盆地，面積近70萬平方公里，石油資源量約250億噸，天然氣蘊藏量約為8.4萬億立方米。天然氣從氣井開采經(jīng)處理（脫硫、脫水）集輸?shù)匠鞘幸?jīng)過許多復雜的工藝過程，從計量角度對被測介質可分為三種類型：第一種類型：氣井到集氣站、脫硫廠及脫水廠稱為原料氣，具有多相、高壓、腐蝕、中小口徑等特點；第二種類型：處理廠出來后稱為凈化氣，經(jīng)長輸管線送到城市，具有單相、中壓、大口徑、要求高精度計量的特點；第三種類型：城市廣大用戶使用的天然氣，具有單相、低壓或常壓、中小口徑、計量精度適中等。
一般氣田縱橫數(shù)百公里，幾百口井，幾十個集氣站及處理廠用管網(wǎng)連在一起，輸送到城市更是龐大的管網(wǎng)覆蓋廣大地區(qū)，這些管網(wǎng)中的氣量分配，調度、經(jīng)濟核算皆需設置天然氣計量站，裝備大量的流量測量系統(tǒng)。目前第一種類型尚無合適流量計可用，第二種類型采用孔板、渦輪、超聲等，第三種類型除上述儀表外還有渦街、腰輪、膜式氣量計（家用煤氣表）等。我國城市家用煤氣表年產量在百萬只以上。
蒸汽
蒸汽分過熱蒸汽和飽和蒸汽。前者為單相介質，在火力發(fā)電廠中過熱蒸汽做為推動汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，蒸汽流量測量對于電廠的生產質量及安全極為重要，現(xiàn)代火力發(fā)電廠機組為高壓高溫狀態(tài)，過熱蒸汽流量采用噴嘴測量，有國際標準或國家標準做為依據(jù)。飽和蒸汽是由工業(yè)鍋爐生產的一般為低壓中溫狀態(tài)，它是汽水混合物，鍋爐出口處為飽和蒸汽，但輸送到用戶處，由于管道熱散耗含水量大的汽水混合物，它的流動為兩相流，對于測量混相流是個困難的測量問題，至今尚無成熟的儀表可用．據(jù)估計我國煤產量１／３～１／４用于工業(yè)鍋爐燃料，全國有幾十萬臺工業(yè)鍋爐，需配備數(shù)量巨大的蒸汽流量計，目前常用的儀表為孔板、渦街、均速管及分流旋翼式流量計，這些流量計在低干度下使用都不能令人滿意，是急待解決的問題。
油品
燃料油從煉油廠生產后經(jīng)油庫到發(fā)油站供給汽車、船舶、飛機等交通工具使用油品計量涉及巨大經(jīng)濟利益，全國有數(shù)十萬個計量站在工作著，油流量計更是一個極為龐大的數(shù)目。目前大量使用的類型為容積式和渦輪流量計，容積式流量計類型很多，如橢圓齒輪、腰輪、刮板、旋轉活塞、螺桿雙轉子，圓盤等等。
3．環(huán)保工程
人口劇增，工業(yè)生產迅猛發(fā)展使得環(huán)境嚴重惡化，已經(jīng)達到危險的程度，國家把可持續(xù)發(fā)展列為國策，它將是二十一世紀的的最大課題�？諝馕廴尽⑺廴疽玫娇刂票仨毤訌姽芾�，而管理的基礎是污染量的定量控制。我國是以煤為主要能源的國家，全國有上百萬的煙囪日夜不停地向大氣排放濃煙，煙氣排放控制成為根治污染的重要項目。美國已經(jīng)立法規(guī)定煙廢氣排放標準，每個煙囪必須安裝煙氣分析儀和流量計，組成連續(xù)排放監(jiān)視系統(tǒng)（CEMS）。煙廢氣流量測量屬于困難的測量問題，它的難度有：
口徑大，如煙囪不規(guī)則形狀，幾米周長；
氣體組分變化不定；
流速范圍大，從極低速到高速；
臟污、灰塵、腐蝕；
流道為非圓截面，無相似性，通道內流速分布復雜；
無直管段，阻流件形狀復雜，速度畸變與旋轉流；
無法個別標定確定流量計儀表系數(shù)；
靜壓，要求儀表低壓損；
高溫（200℃以上）；
廢液、污水排放已嚴重污染江河湖泊，使本來已經(jīng)嚴重缺乏的水資源遭到破壞，已很緊張的水資源更是雪上加霜。廢液、污水排放的管理控制已是刻不容緩的任務。但是廢液污水流量計由于被測介質臟污、口徑大、形狀特殊、壓頭低、流速范圍寬、不滿管流等亦是流量測量的困難問題。工廠企業(yè)及人民生活需要的流量計數(shù)量極為龐大，種類需多樣化才能適應廣泛需求。
環(huán)保工程所需的流量計隨著工程的深入發(fā)展將不斷提出新的要求，如大規(guī)模的廢水再生設備、城市垃圾處理設備、工礦企業(yè)的水循環(huán)利用系統(tǒng)等都需種類繁多的流量計。
4．交通運輸
交通運輸有五種方式：鐵路、公路、航空、水運和管道輸送。在五種方式中管道輸送雖早已有之，但應用尚不普遍。隨著環(huán)保問題的突出，管道輸送的特點引起人們的重視。例如煤炭一直由鐵路水運輸送，裝卸及敞開運輸污染環(huán)境不容忽視，采用管道水力輸送，不但迅速高效，密閉衛(wèi)生是很大優(yōu)點。管道輸送的物料有：原油、天然氣、水、壓縮空氣、煤炭、谷物、水泥、礦物……。世界管道運輸主干線已達230萬公里，我國1996年底僅為1.9萬公里，處于落后狀態(tài)。管道運輸必須裝備流量計，它是控制、分配調度的眼睛，亦是安全性（監(jiān)視物流堵塞）的監(jiān)測系統(tǒng)。管道運輸流量計除傳統(tǒng)的流量計如孔板、電磁、容積式外，近年出現(xiàn)的相關流量計是極具潛力的的新型流量計，國內已有用于混相流測量的實例。
5．生物技術
據(jù)說二十一世紀是生命科學的世紀，以生物技術為特征的產業(yè)將獲得迅速發(fā)展，生物技術中需監(jiān)測的物質很多，如血液、尿液、藥液、營養(yǎng)液等等，其被監(jiān)測對象很多為混相流、脈動流、非牛頓流體，亦是流量測量的難點。 6．科研實驗
科研實驗需要的流量計不但數(shù)量多，品種極為繁雜，據(jù)統(tǒng)計流量計有100多種，其中很大一部分是應科研實驗之需，它們并不批量生產在市面出售。我國有很多科研單位或大型企業(yè)有專門小組研制自己需要的流量計，特別是國防部門更是常事。
■ 化工中間試驗工廠
它是化工生產的一個中間環(huán)節(jié)，一種化工產品從實驗室研制到大批量生產必須經(jīng)中間試驗，這種實驗工廠可以說是生產實驗數(shù)據(jù)的工廠，數(shù)據(jù)的準確可靠是第一位，這里流量計是必備的儀表，它是監(jiān)測物料數(shù)量的儀表，由于規(guī)模小，大都是小、微流量的測量。
■ 發(fā)動機效率試驗
發(fā)動機種類繁多，泵、風機、壓縮機、動力機械等，發(fā)動機效率試驗必須檢測三個參數(shù)：溫度、壓力和流量。一般認為流量測量比較困難，原因是其使用條件特殊，測量對象阻流件復雜，無直管段安裝條件，流體組分變化，流動為脈動流等。
7．海洋氣象，江河湖泊
這些領域為敞開流道，一般需檢測流速，然后推算流量。流速（流量）計一般所依據(jù)的物理原理及流體力學基礎理論與密封管道雖有共通之處，但儀表原理及結構以及使用條件有很大差別，國際標準化組織（ISO）有專門技術委員會制訂此類流量計的國際標準。國際流量學術會議一般皆包括此部分內容。
我們列舉了七類應用領域，它遍及國民經(jīng)濟各部門，ISO、IEC及OIML等國際標準化組織設有眾多技術委員會制訂有關國際標準。
國際標準化組織（ISO）有9個技術委員會涉及流量或流速的測量，它們是： TC（技術委員會）30（封閉管道）、TC113（明渠）、TC28（石油產品）、TC115（泵）、TC117（工業(yè)風機）、TC118（壓縮機）、TC131（液壓）、TC112（真空技術）、TC116（采暖）。國際電工委員會（IEC）有3個委員會：TC4（水輪機）、TC5（汽輪機）、TC65（流程測控）。國際法制計量組織（OIML）有十余個國際建議或國際文件涉及流量測量。
二 流量測量的困難問題
流量測量的困難分為兩方面：流體特性和測量特性。
1． 流體特性
臟污流：流體臟污、沉積和堵塞，如煤氣、煙廢氣、污水等；
腐蝕流：管道腐蝕嚴重因而帶來臟污流，儀表耐蝕要求高；
高參數(shù)流：高溫、高壓、真空及低溫極端工作條件下的流量測量；
脈動流：發(fā)動機、壓縮機、泵出口流體脈動、石油天然氣井噴流脈動等；
大流量：管徑達數(shù)米，液體流量達108kg/h，氣體流量達106kg/h；
微流量：流量下限極低，液體為10-2kg/h，氣體為10-4kg/h；
高粘性流：流體粘度極高，雷諾數(shù)很低，粘度可達數(shù)帕斯卡?秒；
混相流：如氣液、液固、氣固及氣液固多相流；
質量流：被測介質工作時狀態(tài)及組分變化很大，體積測量法無法準確測量；
蠕動流：流速極緩慢，雷諾數(shù)極低，大小口徑皆有，如瀝青、漿液等。
前面介紹各應用領域皆有一些實例。
2． 測量特性
現(xiàn)場工作條件惡劣，檢測件可靠性差；
流量為動態(tài)量，難以獲得高準確度；
儀表結構大都為法蘭連接，只在停流時才允許拆卸維修，有些生產過程連續(xù)進行，只在大修時才能停流，中間儀表有故障無法檢修；
儀表實驗室校驗的工作條件與現(xiàn)場工作條件相差很大，準確度偏離無法確定；
校驗設備龐大昂貴，校驗費用亦不菲，周期校驗是個難題。
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