原創 紀綱 

寧波市科奧流量儀表有限公司推薦

紀綱（1941—），男，學士，高級工程師，長期從事儀表產品開發和流量測量儀表應用開發工作，公開發表論文70余篇，合著有《數字顯示調節儀表原理及維修》、《流量測量方法和儀表的選用》、《儀表常用數據手冊 第二版》、《流量測量儀表應用技巧 第二版》、《流量測量系統遠程診斷集錦》、《儀表工試題集-現場儀表分冊 第三版》，E-mail:[email protected]

摘要：

流量測量儀表在國民經濟和人民生活中扮演著重要角色，因而受到普遍關注。在溫度、壓力、流量、液位四大參數中，流量測量是難度高、有待解決問題多的一類測量。我國流量儀表開發、研究、制造起步較晚，但發展較快。改革開發之后，民企、中外合資企業和外商獨資企業蓬勃發展。新型流量計高歌猛進，傳統流量計穩中有進，產品品種進一步向深度和廣度發展。新技術、新工藝、新材料、新設備的應用推動了技術水平的提高。軟件技術向流量儀表全面滲透，促進了儀表產品的智能化、現代化。但流量技術蓬勃發展的同時，也存在不少問題，如低水平重復、低價無序競爭較多、投資不足、自主創新較少、個別企業誠信不夠。在技術進步方面，敘述了科里奧利質量流量計、超聲流量計、電磁流量計、一體化差壓流量計、聲納流量計等部分成果，重點對流量測量儀表應用技術進行了研究。最后指出從事產品研究和制造的工程師應足夠重視現場應用和對被測流體物性的認識。

0 引言

流量儀表在國民經濟的多個領域和人民生活中扮演重要角色。

流量測量是溫度、壓力、流量、液位四大參數測量中難度高、有待解決問題多的一類測量?，F在投向市場的流量測量儀表據稱超過100種，而且每年都有新型的流量計問世，但是仍有一些測量任務難以解決[1]，主要原因如下。

①被測介質種類繁多，物理化學性質極其復雜。其中液體的凝固、結晶、氣化、結垢、磨蝕、堵塞、高黏度，氣體的冷凝、組分隨時間而變化，腐蝕性介質對儀表的化學腐蝕、介質與電磁流量計電極的化學反應等，一直困擾著儀表工作者。

②介質臟污、沉積會污染檢測件，使流量測量結果產生漂移，甚至完全無法工作。

③被測介質的狀態變化范圍寬廣，高壓、高溫、低靜壓、極低溫等對流量測量造成極大的困難。

④多相流測量對象，例如氣液、液固、氣固及氣液固多相流，流量測量難度極高，其中只有小部分測量難題得到解決。

⑤大流量和微小流量測量。大到江水流量，小到滴注液流。

⑥現場環境條件惡劣，使流量儀表難以適應。

⑦流動脈動對大多數流量測量儀表產生影響，使誤差增大。這些誤差有些很容易被預測和感知，而另一些卻很難察覺。

1 我國流量儀表的發展歷史與現狀

1.1 發展歷程

早在20世紀30年代，我國已建立有私營小型流量儀表廠，最早是從流量儀表修配開始，后來發展到制造旋翼式水表、差壓流量計等，其余流量儀表全靠進口。 

新中國成立以后，上海一些儀表制造廠開始仿制國外流量計，形成了一定的生產能力，主要產品有橢圓齒輪流量計、差壓流量計等。從20世紀50年代末到20世紀60年代，在原第一機械工業部的組織下，我國依靠自己的力量相繼研發了玻璃轉子流量計（浮子式流量計）、電磁流量計、渦輪流量計、腰輪流量計等。從20世紀70年代到20世紀80年代，北京化工研究院、重慶工業自動化儀表研究所、上海自動化儀表九廠等先后研發了熱式質量流量計、渦街流量計、旋進旋渦流量計、超聲流量計、旋轉活塞流量計、刮板流量計、遠傳轉子流量計等流量儀表。20世紀90年代以后，民營企業加入到了流量儀表制造的隊伍，而且開發新產品的熱情特別高漲。多家單位推出了科里奧利質量流量計、雙轉子流量計、液體多聲道超聲流量計、帶溫度壓力補償的一體化流量計等。

1.2 現狀

①民企、中外合資企業和外企唱主角。

我國改革開放后，社會生產力得到大提升，人們的思想得到了大解放，民營企業得到了大發展。在所有制方面，國家對儀表類產品實行開放政策，國內流量儀表生產企業從原來的國企和集體所有制企業向民企轉化，因此民企數量迅速增加。另外，受中國經濟持續高速發展和龐大的市場吸引，國外流量儀表制造企業紛紛在中國大陸成立獨資企業，形成現在的民企、中外合資企業和外商獨資企業唱主角的局面。其中，民企大多生產中低端產品，而外企生產技術含量高、附加值高的高端產品。有專家估計，中國現有流量儀表生產企業有600余家。

②新型流量計高歌猛進，傳統流量計穩中有進。

封閉管道通用流量測量儀表一般分為九大類，其中差壓式、容積式、浮子式、渦輪式稱為傳統流量計，投入工業應用已達半個多世紀。其余為新技術流量計[1-2]。

近年來，新技術流量計發展迅猛，精確度提高，功能增強，適用范圍進一步擴大，市場占有率也逐年提升。其中，科里奧利質量流量計用來測氣體時，原來只能測量工況條件下密度大于一定限值的氣體。經過多年研究，現有技術已經消除了這一限值，只要質量流量在可測范圍之內，就能測量。

與此同時，傳統流量計也并非無所作為，例如已有一百多年歷史的標準差壓流量計，從1991年發布ISO 5167：1991（E）以來，得到了進一步的研究。2003年發布的ISO 5167：2003（E），只要雷諾數≥4 000，就能使流量系數不確定度達到0.5%[3-4]，而且可膨脹性系數模型精確度也進一步提高。而差壓裝置與多變量變送器結合，更使差壓式流量計技術水平得到了提升。

傳統流量計的發展使其守住了陣地，市場占有率雖有所下滑，但每年絕對銷量并無明顯變化[5]。

③ 軟技術向流量測量儀表全面滲透。

半個世紀前的流量計全部靠硬件解決問題，流量計均為純機械式或機電式。

微電子技術、傳感器技術、計算機技術、通信技術的發展大大推動了流量測量儀表的發展。20世紀50年代的差壓計是純機械式的，精確度等級只能做到1.5級[6]，校驗這些差壓計的標準器只有0.5級。軟件技術進入流量計后，與其他先進技術相結合，將差壓變送器精確度等級提高到0.055級和0.04級。

再例如渦街流量計，耐振是其必須應對的大問題。在引入軟件處理方法之前，耐振指標連一倍加速度都很困難；引入軟件處理技術后，耐振指標可達兩倍加速度[7]。

④ 產品品種進一步向深度和廣度發展。

封閉管道通用流量測量儀表的研發，一般都是從中等口徑規格開始，然后向大口徑、小口徑延伸，以滿足各類測量對象的需要。因此，配齊大流量大口徑和小流量小口徑流量計是向廣度發展的一個標志。

現在新型流量儀表都有了小流量小口徑儀表，例如科里奧利質量流量計口徑小到0.25～1 mm（如美國Micro Motion流量計），滿度流量可達3.33 g/min；因為聲程太短，超聲流量計的口徑小于20 mm以前很難實現?，F在最小口徑可做到1 mm，流量范圍為5～100 mL/min。

2 我國流量儀表發展存在的問題

我國流量儀表發展主要存在四個方面的問題。

①發展處于初級階段，競爭無序。

我國流量儀表行業從所有制性質來看，是國企、民企、中外合資企業和外商獨資企業共存的局面。本土企業現在幾乎能生產發達國家企業所能生產的產品，其中民企主要生產中、低端產品，而高端市場基本上被國外品牌占據。

在全部的600余家企業中，民企占絕大多數，而大多數民企技術力量相對薄弱，研發投入不多，產品低水平重復、競爭無序，具有發展初級階段的特征。有專家認為，這種局面處于新興市場的不穩定狀態，需要經過市場的幾輪淘汰，企業才能確定在流量儀表生產行業中的地位和在市場的份額。

②自主創新能力不夠。

在競爭激烈的國內流量儀表市場中，有一部分素質較好、經濟技術實力雄厚、產品研發能力較強的企業，根據市場需要，腳踏實地不懈努力，開發出具有一定特色、技術水平較高的產品，并不斷改進、優化，受到用戶的歡迎。上海維思儀器儀表有限公司的多聲道超聲流量計就是一個典型案例。但就產品研發而言，國內流量儀表行業現在仍然處于自發狀態，沒有一個強有力的研發機構帶頭，也沒有一個領導機構進行規劃指導，全憑各個企業艱難地跟在發達國家著名品牌先進技術的后面追趕。而研發經費投入不足，也嚴重阻礙國內流量儀表行業技術水平的迅速提高、趕超國際先進水平。

一個典型的例子是渦街流量傳感器。中國現在自主品牌渦街流量計廠家有幾十家，其中有兩個品牌掌握了軟件技術，上限流速能達到國際先進水平（75~80 m/s），耐振性能也很好，其余品牌都停留在較低水平，流速高于40 m/s就會出現“漏脈沖”現象[8-9]。

③個別企業誠信不夠。

在競爭激烈的國內流量儀表市場中，各類企業都使出了渾身解數，絕大多數企業都以優良的品質、豐富的功能、先進的技術指標和合理的價格贏得用戶的信任。但也有個別企業不是在提高質量上下功夫，而是靠夸大不實宣傳忽悠用戶，甚至捏造部分數據，欺騙用戶。一個典型案例是關于差壓式流量計的。

曾經有家儀表公司在宣傳其差壓流量計時稱，采用一臺高精度差壓變送器來測量天然氣流量，精確度等級可達1.5級，量程比可達65倍。殊不知在滿量程流量的165處，差壓只有滿量程差壓的14 225。且不考慮氣體溫度、壓力等因素對系統不確定度的影響，僅差壓測量不確定度的影響較大，即使采用的是當今世界上精確度等級較高的0.04%差壓變送器，在差壓為0.024%FS點，差壓變送器輸出為0～0.064%FS都有可能，這哪里還有精確度可言。

此類廠商的不實宣傳慣用手法主要表現在以下幾方面。一是毫無根據地杜撰技術指標，所提供的技術指標既無理論依據，也無試驗數據支撐。二是偷換概念，混淆視聽，忽悠用戶。例如混淆引用誤差與示值誤差的概念；用傳感器的不確定度代替流量測量系統不確定度；用3倍量程比的不確定度代替10倍量程比的不確定度等。

等到用戶在實際使用后發現問題，已造成損失。因此，用戶在聽了有關廠商宣傳后，要增強自我保護意識，一定要仔細分析或向有經驗的人員咨詢，并簽訂詳細的技術協議。

④對流量儀表應用技術研究和普及不夠。

流量測量技術復雜，流量計種類繁多，要做到合理選型、合理安裝、正確調試投運以及正確維護不是一件容易的事。

流量計能得到廣泛應用的基礎是制造廠提供的產品要性能優良、可靠性高，能滿足測量任務的需要。要做到這一點非常不容易。于是研發機構和制造廠千方百計改進原有產品，并推出新產品。

制造廠應重視產品的現場應用，避免產品經不起現場考驗。舉一個例子。在電廠大型鍋爐的供水管道上，都配有供水流量計，大多采用標準差壓流量計。

差壓裝置安裝在水平管道上，配有三對取壓口，主要用于聯鎖保護和控制。儀表投運后普遍存在一個問題，即朝天的一對取壓口輸出的差壓值越來越小。究其原因是取壓口被錯誤地設置在水平線上方，不符合規程。因為鍋爐進水中總是溶解有一定量的永久性氣體，流水撞擊在節流件上，有時會析出微量氣體，鉆進正端取壓口，氣體積累多了之后，使得取壓口輸出的差壓值變小。正確的做法是將這對取壓口移到水平線下方。所以差壓裝置設計人員應對產品的現場安裝以及被測流體的物性有足夠的認識。據說日本有些儀表公司的產品開發工程師和現場應用工程師，每幾年輪換一次。這樣，工程師們的經驗會更趨全面，避免閉門造車，脫離實際。三對取壓口在節流裝置上的分布如圖1所示。

圖1  三對取壓口在節流裝置上的分布圖

其次，用戶、設計院、制造廠都要開展流量測量儀表的應用研究，研究流量儀表使用中碰到的問題并找到解決方法，從而合理選型。

流量測量儀表是一種嚴重依賴現場安裝的儀表。由于流量測量儀表種類繁多，技術復雜，與復雜多變的測量對象配合，難度很高。這就使得世界一流制造商所提供的一流品質的流量計，在有些使用現場卻不能圓滿地完成流量測量任務，影響生產和經營。對大量的實例進行調查、診斷、分析，結果表明，問題的癥結大多不在儀表本身，而是系統問題。其中，不合理的安裝占了很大的比例。除此之外，還存在許多其他問題，這又回到前面討論過的困難。這些困難有的有辦法解決，有的暫時還沒找到解決辦法。

人類對自然界的認識總是逐漸深入、不斷提高的，流量測量中存在的困難得到解決的部分會越來越多。

3 流量儀表的發展趨勢

我國流量儀表的水平與發達國家相比還有很大差距，發達國家的先進技術值得我們學習。下面談談幾種流量計的發展趨勢。

①采用科里奧利質量流量計測量氣液兩相流流量。

處于氣液平衡狀態的液體在管道內被輸送，大多會因溫度壓力條件的變化而析出氣體或部分氣化，使之變成氣液兩相流。這給流量測量帶來極大的困難。

美國Micro Motion公司在用科里奧利質量流量計測量氣液兩相流方面取得了突破，目前的水平是可測的含氣率體積比上限達到30%。進一步研究表明，含氣率的適應范圍有望進一步提高。

②自診斷技術在智能流量計中的應用成果豐碩。

每種流量計都會有發生故障的時候。故障一旦發生，輕者使用不便或誤差增大，重則喪失部分功能甚至完全不能工作。

例如科里奧利質量流量計測量管被磨損后，測量誤差會相應增大，對振動管的剛度進行檢測，能對磨損情況進行判斷。

在多聲道超聲流量計的聲道診斷中，診斷結果的顯示圖形化，是軟件技術滲透流量測量儀表的一大趨勢。以前的流量計顯示屏幕較小，只能用代碼顯示診斷結果?，F在屏幕增大后用圖形化顯示，不僅簡單明了，而且形象易懂，很受使用者的歡迎。以下以美國通用電氣（general electric,GE）公司的圖形用戶界面（graphic user interface,GUI)軟件進行現場診斷的圖形顯示為例[10]。各聲道平均增益顯示圖、正常和故障狀態下信號質量的比較圖、整流器部分阻塞后的診斷結果顯示圖、整流器部分阻塞后的診斷結果顯示圖和B聲道SOS分布圖如圖2~圖5所示。

圖2  各聲道平均增益顯示圖

圖3  正常和故障狀態下信號質量的比較圖

圖4  整流器部分阻塞后的診斷結果顯示圖

圖5  B聲道SOS分布圖

電磁流量計空管，引起很高的電動勢，導致儀表指示滿度。采用分時測量技術測量這對電極之間的介質電阻，從而對是否空管進行判斷，并在空管后，采取置零措施，而且予以報警，從而消除因空管造成的隱患。

③非滿管電磁流量計嶄露頭角。有一類像污水管道的流量測量對象，管內水流不充滿是常態，這時就適合用非滿管電磁流量計來測量。在這種流量計的傳感器中，除了配有測量導電液體流速的電極之外，還帶有集成電容液位測量系統。根據液位高度計算流通截面積，再將其與流速相乘便得到體積流量。

④超聲流量計用途更趨廣泛。

用超聲脈沖在混合氣體中的傳播速度與氣體平均分子量之間的關系，對混合氣體的平均分子量進行測量。這對火炬氣等混合氣體的流量測量有著特殊意義。因為來自各個生產裝置進入火炬的氣體，一般為陣發性排氣，不同裝置排出氣體的組成都有其固有的特點，測出陣發性排氣的平均分子量就可判斷是哪個裝置排出來的。這對生產調度管理意義特別重大。超聲流量計在測量低速流動的氣體方面具有顯著的優越性，但在測量高速流動的氣體方面比較困難。這是因為氣體在高速流動時會產生噪聲，對被測信號造成干擾。美國GE Sensing公司在這方面的研究取得突破，最高可測氣體流速達到85 m/s。

在歐洲的一些國家，低價的超聲流量計在家用供暖以及燃氣計量中應用廣泛。

⑤差壓流量計進展。

一百多年以來，差壓式流量計都是分體式的，即組成系統的差壓裝置、差壓變送器（差壓計）、壓力變送器、溫度傳感器、顯示裝置（流量計算機）等，在現場配管、組裝。由于施工人員不像制造廠人員那樣專業，再加上管線較長，組裝要求高，存在的問題不少，會造成差壓信號傳遞失真，導致較大測量誤差。

現在有幾家儀表公司相繼推出多變量變送器。在該變送器中預置標準差壓流量計的多種算法，并與標準差壓裝置組裝為一體，組成一體化差壓流量計。這將使得測量精確度更有保證，而且大大節省工程成本，很受用戶歡迎。

由高低量程兩臺差壓變送器與差壓裝置等組成的雙量程差壓流量計，提高了量程低段的流量測量精確度，在保證1.0%系統不確定度的前提下，使量程比得到拓寬[11-12]。

4 渦街流量計的進展

渦街流量傳感器送出的脈沖信號代表的是旋渦發生體出口處的體積流量，而旋渦發生體前后的差壓ΔP與流體密度ρ成正比。采用一臺差壓變送器測量出壓差，計算得到質量流量。用這種方法測量變組分氣體質量流量，既準確又經濟[13]。

5 新穎測量方法還在出現

近年來，隨著科學技術的發展，科研人員開發出新穎測量原理的流量計，其中有聲納流量計、微波流量計等。

6 結論

流量測量儀表在國民經濟的多個領域和人民生活中扮演著重要角色，因而受到人們的普遍關注。

我國自從改革開放以后，流量儀表工業獲得了高速發展，民營企業、中外合資企業、外商獨資企業蓬勃發展，促進了流量儀表的發展和自由競爭；民營企業主要占領中低端市場，外資企業主要占領高端市場。

隨著新技術、新方法、新材料、新設備的發展，尤其是軟件技術全面滲透到流量儀表，新產品不斷涌現，技術性能不斷提高，特別是科里奧利質量流量計、超聲流量計、電磁流量計、一體化差壓流量計、渦街流量計等，成果豐碩。

流量儀表應用技術也是值得儀表公司重視的問題。很多品質一流的流量儀表在現場使用效果不好，大多不是儀表本身的問題，而是使用方式問題。因此，從事儀表研發、制造和現場服務的工程師，要加深對流體物性的認識和儀表對復雜的使用條件的適應性研究。