流量仪表现场准确度的确定是仪表发展的最大挑战

作者：金湖瑞特仪表有限公司

欢迎访问e展厅 展厅 12 流量计展厅 涡轮流量计, 涡街流量计, 旋涡流量计, 电磁流量计, 罗茨流量计, ... 一、前言 目前无论流量计用户或仪表生产厂对流量计的主要特性、流量计测量准确度都有一些模糊的概念，例如仪表用户一般认为生产厂产品样本或使用说明书上列举的流量计准确度就是他们使用时的准确度，而仪表生产厂在宣传产品时亦认为用户可以按其列举的指标选用。实际上以上所述的流量计准确度皆应称为实验室准确度或流量计的基本误差。目前除以标准节流装置为检测件的差压流量计外，其它流量计皆需在流量实验室流量标准装置上进行校验，以确定流量计的特性，包括其主要技术指标流量计的准确度。当流量计投用现场后，由于安装、使用及流体条件的变化，流量计测量准确度有可能不变或产生巨大变化，这时流量计的准确度应称为现场准确度。现场准确度和实验室准确度是因为现场使用条件变化产生差别的，这些变化因素称为影响量。本文先简要介绍一下现场主要影响量——流体条件的一些特性。流体条件的影响量有三：1.流体物性；2.流体流动特性；3.流体性状。 1.流体物性：一般流量计在实验室里用典型介质：水、空气和油品进行校验，但是现场流体介质千万种，这些介质的物性：密度、黏度、电导率、声速，导热系数等对各类流量计有不同程度的影响，其中密度和黏度是普遍性的影响量，由于物性变化使仪表特性偏移，应采取相应措施予以修正（或补偿），这是智能型流量计的基本功能之一。 2.流体流动特性：在流量实验室里是在以下流体条件进行校验的。 ①具有充分发展管流速度分布，无漩涡、轴对称速度分布； ②牛顿流体； ③充满圆管的单相流体； ④定常流。 但是在现场常会遇到以下两种干扰：非充分发展管流和非定常流。 ①非充分发展管流：仪表安装于工艺管道受前置阻流件干扰的影响，它往往形成速度分布畸变和旋转流，它使仪表特性偏离实验室的校验特性因而降低测量准确度。 ②非定常流：流体流动表现为脉动流或间歇流，其造成的原因非常复杂，至今流量标准总是避开这个难题。 3.流体性状：流体性状是指流体的腐蚀、磨蚀、积垢、脏污、堵塞等特性，工艺管道中流体远非洁净介质，对仪表检测件及管道壁产生不良影响，它是随时间延长而逐渐恶化的，因此流量检测件及工艺管道必须定期进行检查和维护。 一种类型流量计在推广使用过程中都要积累流体条件影响量的研发资料以供用户现场使用之需，这些资料包括理论分析和实践应用，我们称它是该类型流量计的软实力。一种通用型流量计只有具备足够的软实力才能在现场顺利应用，用户要鉴别某种流量计的成熟程度亦可根据其软实力进行评估。 二、节流式差压流量计的发展历程 我们以最古老最成熟的一类流量计为例来说明流量计软实力聚集的一般规律。 1.以标准节流装置为检测件的差压流量计是流量计中第一大类流量计，其软实力居各类流量计之首。正是借助其软实力，其应用范围之广泛尚无任何一类流量计可与之相比，全部单相流体，包括液、气、蒸汽等皆可测量，部分混相流，如气固、气液、液固等亦可应用，一般工业生产过程的管径，工作状态（压力、温度）皆可测量。标准节流装置有三类：孔板、喷嘴和文丘里管，标准节流装置全世界通用，得到国际标准化组织（ISO）的认可，对标准节流装置的试验研究是国际性的，其它流量计一般只限于个别厂家或科研群体进行，因此与标准节流装置相比，其试验研究的广度与深度不可同日而语。标准节流装置无须实流校准可预估流量与输出信号的关系及其测量误差，在全部流量计中是唯一的。标准型节流式差压流量计有三个特点为其它流量计所不具备： ①检测件结构形状和技术要求标准化并且国际上通用； ②检测件流出系数数据库由全世界聚集，由数据库拟合出通用的流出系数与可膨胀性系数； ③对现场影响量进行长期的大量的试验研究，积聚丰富的资料供确定现场准确度使用。例如，ISO5167：2003（E）中直管段长度规定有较详细的表列数据可用，并且得到全世界通用与认可。 2.抑制非充分发展管流干扰的直管段长度规定与配置流动调整器的要求在ISO5167：2003（E）中有详细与成熟的表列数据可用。其它类型流量计的国际标准虽亦有一些规定但都比较粗糙，没有详细的表列数据可用。因此ISO5167：2003（E）的一些抑制非充分发展管流干扰的直管段长度规定有时为其它类型流量计作为借鉴应用。其它类型流量计（例如转型流量计涡轮、涡街、电磁、超声、科氏质量等）的这些内容可能在仪表生产厂产品使用说明书中有详细的表列数据，但它无法在全世界及同样品种中借用，其原因应追溯到检测件结构形状和技术要求未标准化并且没有通用的流出系数上。 应该指出，即使是标准节流装置，喷嘴和文丘里管数据的完整性和成熟性与孔板相比亦有明显差距，经典文丘里管的直管段长度规定在新修订的标准［ISO5167：2003（E）］中有重大的修改即是实例。 3.美国AGA3号报告（天然气与其它烃类气体的孔板流量计）（2004年第4版）中列举参考文献约240篇，其中安装影响为59篇，管壁粗糙度13篇，流动调整器38篇，脉动流影响13篇，共计123篇。在A2~A19论文中还有不少资料是关于现场试验的，由上述可见有关现场研究试验的论文约占一半以上，实际上全球流量工作者皆特别关注现场影响量对流量计准确度的影响，它是一个永不停顿的研究课题，它随着应用领域的扩展而增加。 4.笔者编撰的《流量测量节流装置设计手册》第七章“标准节流装置偏离标准规定的处理和测量的附加误差”中收集若干确定现场准确度的资料，这些资料引自国外有关标准，规程（如BS1042，VDI2040，ISO/TR15377，ISO/TR12767，ISO/TR3313等）有一定的权威性。资料分为①节流装置结构不符合标准要求：如孔板开孔直角入口边缘锐利度；孔板厚度；取压口位置与质量；排泄孔和放气孔；实际管道内径和节流件孔径与设计值不符；环室有台阶；节流件安装偏心；孔板偏移等；②管道布置不符合标准要求：节流件上下游侧安装异径管；节流件上下游侧直管段长度不足；流动情况不符合标准要求时影响倾向；③使用条件不符合标准要求：孔板挠曲，孔板上下游端面沉积脏物；孔板上游侧测量管沉积脏物；文丘里管内壁沉积脏物；经典文丘里管使用条件偏离标准的影响；④管道粗糙度不符合标准要求：节流件上游侧管道粗糙度对管道内流速分布有重要影响，因而影响流出系数标准值，管道粗糙度不但与初始管材，管道加工情况有关，它会随着时间延长而不断改变的，它与流体性状密切相关，节流装置定期检查与维护还应包括测量管内壁状况，这是常被忽视的影响量。 三、新型流量计的发展现状 1.涡轮流量计（以下简称TUF） TUF是受流体条件影响严重的流量计，在物性方面：液体TUF受黏度影响较大，气体TUF较小；受密度影响，则气体TUF较大，液体TUF较小；在流体流动特性方面：TUF应有足够长的直管段长度或安装流动调整器，在流体性状方面，腐蚀磨蚀、结垢、脏污、堵塞会严重影响流量计特性直至不能正常工作。在新型流量计中TUF是发展较早的一类流量计，它已颁布相当完备的标准规范文件，如ISO2715、 ISO9951 、 OIMLR6、R3 2 、 A G A N 0 7 、 P r E N 1 2 2 6 1 、JISZ8765、JISB7501等。但是这些标准文件与ISO5167有显著的差别，它缺少ISO5167的三个特点，因此我们难以藉助标准文件对仪表现场准确度的影响量进行修正。TUF的检测件无法提出统一的结构形状和技术要求，因此统一的流出系数（或仪表系数）是不存在的，当然现场影响量对不同的结构形状是会产生不同的影响的。结构形状的创新会使TUF特性更上一层楼，因此统一结构形状不是此类流量计的选择。目前，TUF为保持高准确度在现场配备在线校验系统，如天然气输配气站，但是在城市企业或公用事业的应用就难以实行这种措施，如何确定现场准确度仍然是值得探讨的课题。 2.电磁流量计（以下简称EMF） 按照EMF遵循的工作原理法拉第电磁感应定律，仪表的流量（流速）仅与流体流速有关，不受流体的密度、黏度、温度、压力以及一定范围内的电导率变化的影响，但是实际上由于仪表的结构型式、安装条件及使用现场条件的差别，实践证明，这些影响量对流量计的测量准确度是有一定影响的，特别是高准确度级别时这些影响已不容忽视。1990年国际仪表用户协会（WIB）委托荷兰TNO（荷兰应用科学研究组织）和荷兰DSM研究所对8家电磁流量计制造厂提供的20台准确度优于1%的流量计进行影响量的研究试验，试验历时2.5年，影响量有流体电导率、黏度、流体温度、环境温度、管道尺寸，衬里材料等。 一般仪表厂产品使用说明书对某类型电磁流量计皆指出其电导率阈值（下限值）的数值，说明不能低于阈值，如低于阈值会增加示值误差直至不能应用。WIB试验证明流量计在阈值附近示值误差甚至有1%~6%的变化，仪表生产厂提供的阈值数值是在实验室理想工作条件下得到的，现场受流体电导率均匀性、连接信号线、外界噪声等的影响，需要提高阈值。例如：一个数量级才能正确测量，低流速的流量比高流速的流量影响大，小口径仪表影响比大口径仪表影响大。液体黏度的影响在一些介质：调制糖、水溶液、甘油水溶液黏度为5，15，75和200mm2/s（cst）中试验，证明示值误差变化在0.7%~1.6%，变化最大的一台仪表近4% 。黏度异于水的介质其特性曲线（以雷诺数为参数）不能用水校验的特性曲线代表。液体温度和环境温度对其它参数（如电导率、黏度等）的影响波及流量计测量准确度，对小口径和低流速仪表比较敏感。WIB在20℃~45℃内试验，对DN10~DN40示值偏移达0.2%~0.3%。流体杂质在管道内附着和沉淀会显著影响仪表特性，产生的示值误差不容忽视。附着物电导率大于液体电导率，则测得流量值偏低，若电导率低，则测得值偏高，液体中含有气泡，视气泡的流型而异，如电极被覆盖，则输出信号晃动，甚至不能正常工作。在几种常用的流量计中电磁流量计的抗非充分发展管流的干扰是较强的，一般前置直管段长度10D已可抗严重干扰，如空间双弯头，各种阀开度。在标准（GB/T18660，GB/T18659，JISB7554，ZBN12007等）中有一些表列数据，但与ISO5167比较，无论明细方面及成熟程度差距较大。 3.超声流量计 目前流行的时差法超声流量计实际上是径流速计型插入式流量计（外夹式除外），它确定的是面平均流速，而流量应由体平均流速反映，如果速度分布为轴对称，且为充分发展管流，则面平均流速与体平均流速有一定比例关系，当流量变化（即雷诺数）时，两种平均流速的差值可以从5%变到8%，即反映面平均流速的流量比体平均流速的流量偏大5%~8%。问题的棘手在于现场应用时由于速度分布畸变及旋转流使两种平均流速不存在简单的关系了。时差式超声流量计对阻流件干扰的抑制发展出多声道型式，人们希望用多声道组成声道网络，可以用计算机分析整个管道横截面上的分布畸变与旋转流，制定仪表信号处理方案获得高的测量准确度，欧洲燃气测试联盟（GERG）2004年对目前世界上最著名的几家气体超声流量计生产厂产品进行不良安装条件下测试，证明多声道气体超声流量计对阻流件干扰仍然敏感，甚至达到1.2%的测量偏差。另外，由于超声流量计传感器结构型式五花八门，某生产厂产品的现场试验的数据并不一定能为另外生产厂借用。气体超声流量计国际标准正在制订中，标准草案特别提出要制订把实验室校验的仪表特性转换为现场仪表特性，如何保持特性转换是一个重点内容，在目前所有国际标准中它是第一份提出这个要求的，这亦从侧面反映这个问题对此种类型流量计是一个核心问题。标准草案中还反映另一个棘手的问题——噪声影响必须予以关注。在工艺管道中噪声源有管件和阀门等，情况随机性大且很复杂，如何克服目前已提出不少办法，但要列入标准尚需进行大量的测试认证。应该指出，近年国际上推崇超声流量计为21世纪流量计是有一定根据的，它具有一系列特点为其它类型流量计所不及，但是从上述介绍可见，要达到期待的优良特性及实际应用尚有一段相当艰巨的路程，应该相信，困难是可以克服的，只要投入足够的研发力度，实现的日子就会到来。 四、结束语 1.流量测量准确度应分为实验室准确度和现场准确度两种。实验室准确度是在实验流量标准装置参比工作条件下校验得到的，流量计投用现场后由于工作条件偏离参比工作条件，流量计准确度变为现场准确度，变化多少与影响量有关，而影响量又是与流量计工作原理关联的，例如电导率对电磁流量计，噪声对超声流量计，振动对科氏质量流量计都是这些仪表特有的影响量或者是主要影响量。只要寻找出影响量使流量计产生的系统误差，就可以借助微机技术进行修正（或补偿）。1980年以来智能型流量计迅速发展，其主要功能之一就是弥补流量计在现场使用中准确度降低的缺陷。 2.节流式差压流量计近年采用微机技术对影响量进行补偿，如温压补偿，流出系数和可膨胀性系数补偿等使仪表传统的不足，如范围度窄，测量准确度不高等得到改善，应该说全部流量计与30年前相比都获得质的提高，今后借助高科技提升仪表的准确度是流量计科研工作的主题。 3.标准检测件与非标准检测件的差别：在改善现场准确度方面应注意标准检测件相比于非标准检测件有很大的优越性。我们举以下实例来说明。ISO5167和ISO9300中标准节流装置：孔板、喷嘴、文丘里管、文丘里喷嘴和临界流文丘里喷嘴等是本文所指的标准检测件，其它流量检测件皆称为非标准检测件，虽然其中有些检测件有国际标准或国家（行业）标准为依据。标准节流装置的标准文件有三个特点，这在上文中已阐明，它可以按照标准文件设计、制造、安装和使用，无须实流校准而确定其流量与信号的关系并估算其测量的不确定度。而非标准检测件的国际标准或国家（行业）标准则缺乏这些能力，必须实流校准后投用，目前涡轮流量计（ISO2715，ISO9951），电磁流量计（ISO6817，ISO9104），科氏质量流量计（ISO10790）皆具有国际标准，但仍须逐台实流校准投用，这是标准中明文规定的。比较一下二者标准文件的内容亦就一目了然。最重要的是标准检测件得力于全社会对现场影响量的试验研究，积累丰富的资料，使得现场准确度的确定有充分的资料可用，而非标准检测件无法动用全社会力量来做此项工作，因此其资料只能适用提供单位的产品，其适用范围当然就非常有限了。前文我们亦谈到如涡轮，电磁，科氏质量流量计，不可能提出统一的结构形状和技术要求，从仪表原理看，统一性会扼杀创新性，如何解决这个矛盾？有无两全的办法？可能是今后这些新型流量计值得探讨的问题。 4.节能减排要求流量计贯彻执行GB17167《用能单位能源计量器具配备和管理通则》中的流量计准确度强制性技术指标，对关系国计民生的流体介质：水、天然气、煤气、蒸汽、油品等数值似乎不高（1%~2.5%）但是难度不小，这些数值应该是现场实测数据。目前国内流量计行业准备好实施国际的物质基础吗？实事求是地说尚有一定差距，如何解决它是摆在全行业面前的问题。 5.流量计国家计量检定规程确定的流量计准确度是实验室准确度，周期检定只检查实验室校准的流量计性能是否有变化，仪表现场准确度没有进行监管，建议标准文件中适当增加这方面的内容，计量部门增加现场使用的科研力量和监管力度。(end)

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