第3章 流量计的特性、选择和审查 3.1引言 本章的目的是帮助读者尽可能详细地确定所选流量计的要求，以使他们能够选到正确的仪器。有时，需要一台流量计的理由很清楚： 就是要测量流量，但有些时候问题并不那么清晰，比如对于制造商或者潜在制造商来说， 他们希望的流量计类型和设计是能满足特定市场的需求。如果你是研发人员，你可能在研究那些目前的仪器还不能测量的领域。 在编写本章的过程中，我对第一版(Baker，2000)做了一点改变，包括自己对以前的一些想法有了 拓展(Baker，1988，1989； Baker和Smith，1990)，同时也得益于其他人的想法(Endress+Hauser，1989，2006)，其中文献Baker（1988，1989）是我对20世纪80年代为止最好的总结，在文献Baker和Smith(1990)中我们提出了另一条思路， 即尽量详细地给出使用者的要求，并以表格形式与制造商进行交流。 许多人都试图提出一种选择流量计的方法，我认为一套辅助选择的专家系统是一个努力的方向，但是许多制造商所提供的在线或查询光盘的方法也是很好的途径，这些资料可以反映制造商的最新进展。 3.2应用的描述 大部分制造商 形成了他们自己对仪表的选择，以覆盖最常见的应用。我感到疑虑的是，对于具体应用而言这样做能否得到最合适的仪表？ 在Cranfield大学、剑桥和Endress+Hausser 的定期课程中，我们让学员分组并为特定的应用选择流量计，结果是对于每一个应用都有不少于一种流量计或多或少地满足要求，这意味着手中的工作可以用不止一种仪器来解决，而制造商会根据经验提供他们认为最好的。 本章中，我依据文献Baker和 Smith(1990)设计了一个题目，利用一个表格开展了使用者和制造商之间的讨论。读者可能会认为使用者或制造商难以全部完成这样的表格，在此，我要解释一下表格所包含的内容： （1） 表格包含了一台仪表特性的核对表，以防止疏忽。 （2） 表格可以根据使用者的要求进行修改、简化、减少长度和复杂性。 在附录3.A.1中，该问卷设置了8个栏目，可供读者复印使用。该问卷是为流量计使用者和制造商提供的，也可以为潜在制造商对市场的某些空缺而选择仪表设计和类型，或者帮助研发人员寻求仪器新的应用领域。8个栏目总结如下： A. 仪表商的一般介绍 B. 仪表的使用行业和专门应用的一般介绍 C. 待测流体的具体描述 D. 现场描述 E. 电气和控制方面的描述 F. 其他应用信息，如准确度、材料、维护和清洗 G. 制造商的附加信息和要求，如保修、过滤要求和价格 H. 其他考虑和结论 流量计的标定要与仪器的要求和选择紧密联系，为了保证一致性，标定的最后部分要与特性描述表相呼应，同时检查对于最初标定(如果有的话)的正确性和选择的适用性。 3.3特性描述表格的说明 A制造商和（或）经销商的信息 当接触制造商时，重要的是需要知道对方是否只是想卖给你某种流量计，而不管该流量计是否适用于你，还是他们有一系列的流量计，其中有能够满足你的需要。还可以了解他们卖出了多少，以及顾客的满意度。对于制造商来说，展现自己高质量生产线的照片，国际销售情况以及服务团队是明智的选择。 谈到这点时，我并没有排除那些小制造商，他们销售的产品有着自己的特点和用途，这样的制造商有自己的强项。事实上， 制造商需要清楚自己的位置和销售战略。大多数制造商对于某一国家的批发都是中小型的，提供的服务也是个性化的。 B仪表的使用行业和专门应用 该项目是给制造商提供清晰的关于应用、场地、现场维护和安全的基本概述。还应该参照有关安全的文档、其他标准、法律对于电磁兼容(EMC)和安全完整性等级(SIL)等方面的规定(注意欧洲的EC标记)。Endress+Hausser(2006)提供了有关安全方面要求、标准和规定。 C流体的具体描述 使用者应该尽量给制造商提供信息以避免流体和仪器之间的不匹配。在要求提供的特性中，导电性只是对于电磁流量计才需要考虑，透明性是与流体中要应用的光学传感有关，可压缩性可能与差压式和超声流量计有关，制造商需要在应用中提及这些。 润滑性在某些流量计市场中可能会用到，这包括被测流体希望能润滑流量计转子或者活塞。润滑性可能与边界润滑特性有关(根据与J.D.SummerSmith 的私人通信)，在摩擦学领域中不常用润滑性这一词，它一般 表示被测流体润滑仪表中浸入流体部分的轴承、旋转或振动的滑动面的能力。 SummersSmith(1994)指出： “边界润滑可以通过钢表面的单层肥皂膜进行很好的演示(肥皂是脂肪酸的金属盐，如硬脂酸与钢表面的氧化膜反应形成铁硬脂酸盐)”。碳氢分子的长链也可能形成表面层。化学性质活跃的极性分子与表面反应生成致密叠层，会特别有利于边界润滑(图3.1)。即使表面层被磨开，分子也会重新粘接形成新的层(SummersSmith，1994)。 参见Hutchings(1992，4.6节)关于边界润滑的进一步描写。如果该表面层不能形成，或者流体阻碍其形成，则“润滑性”不好。 图3.1关于边界润滑的简单图示(根据Hutchings，1992) 有些气体(如氧气)需要专门的润滑，因为它会氧化钢管，使管壁有产生厚层铁锈的危险，有时对于氧气会规定最大速度。 固体颗粒的黏附性对有轴承的流量计肯定是个问题，必须采取过滤，否则会产生磨损。 D现场描述 得到的很多数据需要分类并形成现场计划。如何安装以及现场安全问题是最基本的因素。有些安装可能只能通过手工完成，因而重量需要严格限制。 E电气和控制方面的描述 所采用的仪器是否带有现代化的数据通信，或者只是现场独立供电，或者其他可能的情况，这些 将使仪表特性差别很大。另外，所有现场安全问题需要在这里列出(或在D中考虑)，建议参考相关的安全条例。 F其他应用信息 对于准确度问题，用户不应该提出超过需要的要求，制造商也不应该夸大产品性能。准确度应该与整个系统和安装条件相一致，仪器的响应时间应该满足工厂的要求。比如，某工厂加料时间为10s，那么仪表应该比加料时间足够快才能得到合适的加料精度。制造商提供的仪表应该能承受工厂运行中的一些极端条件(如医疗卫生工厂的蒸汽清洗)。 G制造商推荐的仪器和要求 制造商应对用户推荐尽可能满足其需求的仪表，同时应该指出哪些情况下仪表不能达到指标。对流量计的标定细节应该给予提供。 表格可能由几家制造商提供，该部分应对他们做比较。 H其他的考虑和结论 制造商可以利用这个机会提供进一步的信息，而用户在此之中进行总结并作选择。 3.4流量计选择的总结表 表3.1根据本书内容列出了流量仪表的主要种类，并试图涵盖测量范围和其他信息。希望能帮读者了解关于一台仪表的应用能力。我清楚有些情况下该表不能很好地反映某些仪表的特性，这一点需要注意，如测量范围会比表中所说大些或小些。读者应该参考制造商的手册。 为方便起见，这些仪表可进一步分为动量式、体积式和质量式仪表。这样的划分对一些通性作了强调，如动量式仪表会对流体密度变化敏感。对于同一组中比较特别的仪表，它的特性很适合于某些专门应用，这会在表3.1的注解或之后的章节中叙述。所以，该表可以作为回答有关仪表的特性方面的首要参考，我尽力将表中数据 准确地给出，但难免仍不能反映有些设计中的变化、口径和应用的范围的增加。 待测流体的性质 首先应选择是气体还是液体，这会排除掉一些流量计。关于悬浮液和两相(或者多相)流量计的选择现在还是比较严格的。在表3.1中，“X”表示不合适，“*”表示合适，“**”表示比其他更合适。“？”表示一般不用，但可能适用于该应用。电磁流量计对于悬浮液测量有重要地位。不过，科氏流量计据称有时也可以用于悬浮液测量，还有专门为此设计的超声流量计。电磁流量计对于导电相是连续情况的两相流是有用的。文丘里也能用于两相流。相关式或多普勒超声流量计也可以考虑应用于多相流。 有旋转部件的流量计不太适用于有脏物、易磨损或者润滑性能不佳的流体。涡街流量计也不适用于磨损性流体。进行流量测量时，需要避免空化。对于现在市场上的电磁流量计而言，液体应该是导电的。 流量计量程和特性 准确度可能是最难确定的一个参数，因为商家和用户都会过分强调他们自己的要求和性能。 也许把准确度当成经标定后的重复性会更加实用。表3.1中： ***表示随机误差<测量值的0.1%； **表示随机误差<测量值的0.5%； *表示随机误差<测量值的2.0%。 这些估计是我个人对于流量仪表准确度的理解，具体的仪表应该能达到这些值。标准孔板在没有标定之前流出系数的不确定度在0.5%~0.75%，由于尺寸、压力、密度等的测量误差使得总的不确定度会大于这个值。经过标定之后，总的随机误差应该小于0.5%，这一点由实验数据得到了证实。有些制造商声称他们的仪表精度比表中所列出的高，这一点需要求证。 优于0.5%的仪表有可能只是在个别设计中实现，有些制造商可能就无法总是做到他们所说的。变面积流量计的重复性经常是对满量程而言的，所以对于表中*级别而言，也许对大流量才属实。 精度与随机误差有关，它不会改变偏倚，而偏倚是由测量方法、地点、长时间引起的。直径、温度和流动根据制造商的资料可以作最好的估计，不过读者需要核实最新的资料。很多 表3.1流量计选择总结表 12345678910111213 流量计种类液体或 气体浆料其他 两相流准确度典型 量程比d直径范围e /mm温度范围f /℃流量范围f /(m3/h)（或kg/h)压损对安装的 敏感性 初期 成本注 动量型a 孔板 液X?**5∶150~10001~3×105 气**5∶150~10001~4×106 HH/ML/M假定同心ISO孔板和差压传感器 文丘里 液****5∶150~120030~7000 气**5∶150~1200400~105 MMM/H 喷嘴 液？***5∶150~6302~1.7×104 气**5∶150~63020~2.5×105 H/MM不包括临界喷嘴 临界流 文丘里喷嘴 气XX***雷诺数范围2.1×104~3.2×107 MLM这是质量流量计 细节参考 ISO 9300:2003 变面积 液XX?10∶150~150-200~35010-4~100 气？10∶115~15010-2~2000 ML/ML玻璃或塑料，更高要求用钢； 量程与设计有关 其他类似 文丘里 液？？？5∶113~1200 气5∶113~1200 MH/MM/H参考制造商数据 均速管 液XX？10∶125~12000最高45010~3×104 气10∶125~12000-100~450200~6×105 LHL 层流气XX？20∶1？最高120HLM专门适应脉动流 体积型 容积法 液XbXb***10∶14~200-50~2900.01~2000 气***80∶1 -40~650.01~1200 H/MLH/M 量程比可能由容积法气体仪表得到 涡轮 液XX***10∶15~600-265~3100.03~7000 气***30∶125~600 -10~500.01~25000 MHL/M 高精度，除水之外还可以用于其他介质 续表 12345678910111213 流量计种类液体或 气体浆料其他 两相流准确度典型量 程比d直径范围e /mm温度范围f /℃流量范围f /(m3/h)(或kg/h)压损对安装的 敏感性 初期 成本注 涡街 液??**20∶115~300-200~4003~2000 气**20∶115~30050~104 H/MH/ML/M 射流法适合于广泛场合； 也许可用于气/固流 电磁液******100∶12~3000-50~19010-2~105LMM商业化只用于导电液体 磁共振液/气？****100L1~100 G2~400实际值L？H/M适用于多相流 传播时间式超声 液?b?b**20∶110~2000-200~2603~105 气**30∶120~1000-50~2600.04~105 L H/MM/H单束超声对安装敏感 H/MM/H相关法和多普勒法适用于两相流 声呐液/气******10∶150~1500-40~10010~50000LL?测量范围可能更大 质量型 多传感器液**c**c????HH 惠斯通桥液XX**50∶16~60-18~150（0.05~2.3×104)?LH 适用于发动机试验 多相流流量计液+气*****10∶119~150 -40~1200.1~10m/s(液体 为主) <20m/s(气体为主)？？H 所列数据与设计和技术有关h 热式 液XX*15∶12~60~65(0.002~100)ML(CTMF)M 气*50∶16~200-50~300(2×10-4~8000)L/M M/H (ITMF) 对气体大流量 CTMF+旁通或 ITMF 角动量液XX*7∶120~50-40~150（100~4.5×103）MMM 适合于飞机燃油流动 续表 12345678910111213 流量计种类液体或 气体浆料其他 两相流准确度典型量 程比d直径范围e /mm温度范围f /℃流量范围f /(m3/h)(或kg/h)压损对安装的 敏感性 初期 成本注 科氏 液*X***100∶11~200+-240~400+（0.1~2×106）M/L LH直管基本没有压降除非管径较小 气**量程对气体可能更小 ***，非常高； **，高/更合适； *，中等/合适； ?/空白，低/不合适； X，不合适； L，低； M，中等； H，高； CTMF，毛细管热式流量计； ITMF，全通径热式流量计。 a. 有些专有仪表提供特殊性能： 高压差，线性特性。 b. 已制造专门测量浆料的仪表。 c. 针对多相流已开发出多传感器系统。 d. 典型的估计值，可通过聪明型变换器或一些设计使得该值更高或更低。 e. 可能有更大或更小管径的仪表。满足ISO要求之外的差压流量计需要标定。 f. 可能有其他的量程范围。 g. 有些应用中需要流动调整器减轻该效应。 h. (与Oddie 博士的私人通信，2015) 场合下，有心的读者可以发现仪表更多的应用，而且制造商也总是期望扩大他们产品的用途。注意，在流量范围一栏中，括号中的流量是以kg/h为单位，而不是m3/h。 表中没有给出最高压强的数据，这是因为一般情况下仪表都合适于正常的工业应用，而对于例外的高压应用，会采用孔板、涡轮，或者其他专门设计的仪表(如振动环形活塞式正排量流量计)。有些场合下，最小压强的规定倒是很重要，因为空化是很危险的，这方面应该向制造商了解。 压力损失用H(高)、M(中)、L(低)表示，只有过流段是通管式的仪表才列为L，因为它的压损与同长度的管道相同。孔板列为H，容积式仪表和涡街列为H/M。压力损失这样标识，比如对容积式仪表是因为需要推动机构，如果是电子传感器的一般损失则可以忽略。 关于上游管段的影响将是一个许多章节都会论及的问题。容积式仪表对于上游条件不敏感，所以列为L， 有些仪表对上游条件也不太敏感，但大多数流量计是受影响的， 需要在它们上游5D以上才能连接其他配件，如弯管。 L，效应可忽略； M，不确定度增加小于2%； H，不确定度增加大于2%； 这一分类是我个人的理解，制造商也许会有他们自己的看法。 大多数流量计对于脉动流都是敏感的，也有一些例外，比如容积式、一些超声、层流流量计，还有专门为了气体克服脉动流而设计的流量计。 基本算作无流阻的流量计包括电磁、超声、声呐、核磁共振和部分科氏流量计，在失效时会阻止流动的流量计可能只有容积式，其他的流量计都在一定程度上对流动有阻碍，文丘里由于流道变化光滑，其阻碍效应很小。 目前为止，只有超声和声呐流量计可能制成外夹式(非侵入式)。 响应时间决定于流体惯性、部件惯性和电子线路阻尼，其中前两个因素是测量原理固有的，不可减少，电子线路方面的响应速度在保证稳定性和噪声条件下可以提高。 流量计安装的影响与环境考虑有关，如外部温度、湿度、是否露天、电磁辐射和振动等，这些问题需要向制造商咨询。现场的防暴和安全问题也需要考虑。 成本与价格 这一问题可能是最重要的，但价格变化之大在这里难以归纳，所以，我把仪表根据基本成本列为H(高)、M(中)、L(低)三类。不过，M的一类好像覆盖了很多，如电磁和涡轮流量计，100mm直径时它们的价格比是4∶1。另外，制造商希望造出相对廉价的仪表，这也会影响这一栏的结果。因此，当存在低价和高价时，会采用L/M或M/H的方法进行归纳。 仪表的初期价格当然应该包括购买和安装。还有关于接下来的维护、由于仪表存在 而导致的能量损失、因仪表提供信息而节约的费用。如果必须安装仪表，那么带来的好处应该优于开支，但使用者还是有责任安装性价比最高的仪表。 3.5流量计审查问卷大纲 在本章中，我们应仔细阅读作为使用者和制造商需要回答的问题，才能为专门的应用选择仪表。然后阅读选择表，该表针对大多数应用，给出了比测量范围更多的信息。 本章最后一节给出了将来流量计需要审查安装的基本信息。审查的目的应该是建立以下一点或几点：  流量计对于任务的合适性  仪表的现状  对新仪表而言，最佳的特性  针对精密测量和维护而言，流量计位置的合适性 如果要采用现场标定，则需要考虑一些选择。附录3.A.2基于Baker和Smith(1990)的文献，给流量计使用者提供了引导。它应该与特性问卷(如果有的话)一起使用，或者为以后编制一份特性问卷。 3.6最后的建议 对于使用流量计的公司，应知道流量计标定的结果变化是很大的。如果管路安装许可，对由于老旧、磨损和尺寸不匹配而进行仪表更换会使测量精度得到提高。但是，这并不意味减少了费用，因为正确的测量往往意味着更高的花费。从统计的角度看，审查和更换的费用是难以在整体收益中得到弥补。当然，如果为了控制或经济的理由，得到更高精度的绝对流量是必需的。 对于负责购买仪表的人们，需要认真确定你的要求，在你找到符合要求的商业产品之前不要大意，有时要对所有需要做一平衡。 对于制造商，需要确定自己是否对于以下几点有清楚理解：  你提供的设计为什么能够优于你的竞争者？  你希望所销售的产品是能够覆盖95%的应用，还是专门针对特定应用？  你的产品的弱点是什么？需要怎样克服？ 对于研究中心，应找到应用中还没有解决的问题，以及采用什么技术解决。 对于发明者，从应用的问题出发去发现与流动相关的固有特性，并研究它是否可作为流量计的基础。记住，现代信号分析技术可使机械设计变得简单。 发展出满足不同方面人们的专家系统肯定是有用的，但可能其产品以及更新费用会很高，影响它的价值，我倒是希望这一说法在某一天被证明是错误的。 附录3.A仪表特性和审查问卷 3.A.1仪表特性问卷 A制造商信息 A1制造商的名称和地址 A2联系人姓名和职位 A3公司规模和国际地位 A4仪表量程和量程比 A5其他产品 A6认证情况(BS 5750，ISO 9000，UK NAMAS等) B客户经营内容和仪表的应用 B1应用现场地址 B2联系人姓名和职位 B3仪表应用的一般描述和数据传送方式 B4现场安全要求 B5现有仪表维护的一般规定 C流体特性 C1流体的化学性质，状态(液态还是气态)，与流体不能相容的材料 C2流体的化学纯度，是否有其他组分或者污染？其他组分是什么？是否可能产生沉淀？ C3普通的特性 C3.1密度 C3.2黏度(是否非牛顿流体，状态怎样) C3.3导电性 C4其他已知的特性 C4.1润滑性及其他特性 C4.2磨蚀性 C4.3透明度 C4.4压缩性 C4.5可燃性或其他安全考虑 D现场情况(如需要附上现场计划) D1最大、最小、标称流量 D2管路(如需要附上管路草图，草图要延至上游50D，尤其标出阀门等可能产生旋流的部件) D2.1管道外径 D2.2管道内径 D2.3管道和衬的材料 D2.4法兰尺寸和其他连接情况 D2.5上游第一个阀门 D2.6与上游第一个阀门的距离 D2.7与下游阀门的距离 D2.8管道流向 D3环境等因素 D3.1包括所需的安全等级和防爆等级在内的危险因素