氣體流量計的發(fā)展方向

      在物資量計量領(lǐng)域中,流體流量的檢測與控制是各行各業(yè)加強物料管理、能源管理，進行物資交接、財務結(jié)算，經(jīng)濟核算，效 益分析與評價及至決策的重要依據(jù)；也是企業(yè)監(jiān)控生產(chǎn)過程，使其保護、、安全、平穩(wěn)運行和改善環(huán)境的重要手段。從某種意義上講：計量就是眼睛，計量 就是金錢，計量就是效益。現(xiàn)代企業(yè)對流量計量的要求越來越高，主要反映在滿足準確性、可靠性、及時性和自動化水平的程度等方面。

　　1、常用的幾種測量方法簡述

　　為了滿足各種測量的需要，幾百年來人們根據(jù)不同的測量原理，研究開發(fā)制造出了數(shù)十種不同類型的流量計，大致分為容積式、速度式、差壓式、面積 式、質(zhì)量式等。各種類型的流量計量原理、結(jié)構(gòu)不同既有獨到之處又存在局限性。為達到較好的測量效果，需要針對不同的測量領(lǐng)域，不同的測量介質(zhì)、不同的工作 范圍，選擇不同種類、不同型號的流量計。工業(yè)計量中常用的幾種氣體流量計有：

　　（1）差壓式流量計

　　差壓式流量計是以伯努利方程和流體連續(xù)性方程為依據(jù)，根據(jù)節(jié)流原理，當流體流經(jīng)節(jié)流件時（如標準孔板、標準噴嘴、長徑噴嘴、經(jīng)典文丘利嘴、文丘 利噴嘴等），在其前后產(chǎn)生壓差，此差壓值與該流量的平方成正比。在差壓式流量計中，因標準孔板節(jié)流裝置差壓流量計結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、研究zui充分、已標 準化而得到zui廣泛的應用。孔板流量計理論流量計算公式為：

　　　 　 　　

　　式中，qf為工況下的體積流量，m3/s；c為流出系數(shù)，無量鋼；β=d/D，無量鋼；d為工況下孔板內(nèi)徑，mm；D為工況下上游管道內(nèi)徑，mm；ε為可膨脹系數(shù)，無量鋼；Δp為孔板前后的差壓值，Pa；ρ1為工況下流體的密度，kg/m3。

　　對于天然氣而言，在標準狀態(tài)下天然氣積流量的實用計算公式為：

　　式中，qn為標準狀態(tài)下天然氣體積流量，m3/s；As為秒計量系數(shù)，視采用計量單位而定，此式As=3.1794×10-6；c為流出系 數(shù)；E為漸近速度系數(shù)；d為工況下孔板內(nèi)徑，mm；FG為相對密度系數(shù)，ε為可膨脹系數(shù)；FZ為超壓縮因子；FT為流動濕度系數(shù)；p1為孔板上游側(cè)取壓孔 氣流靜壓，MPa；Δp為氣流流經(jīng)孔板時產(chǎn)生的差壓，Pa。

　　差壓式流量計一般由節(jié)流裝置（節(jié)流件、測量管、直管段、流動調(diào)整器、取壓管路）和差壓計組成，對工況變化、準確度要求高的場合則需配置壓力計（傳感器或變送器）、溫度計（傳感器或變送器）流量計算機，組分不穩(wěn)定時還需要配置在線密度計（或色譜儀）等。

　　（2）速度式流量計

　　速度式流量計是以直接測量封閉管道中滿管流動速度為原理的一類流量計。工業(yè)應用中主要有：

　　①渦輪流量計：當流體流經(jīng)渦輪流量傳感器時，在流體推力作用下渦輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比，渦輪轉(zhuǎn)動周期地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻 值，檢測線圈中的磁通隨之發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生周期性的電脈沖信號。在一定的流量（雷諾數(shù)）范圍內(nèi)，該電脈沖信號與流經(jīng)渦輪流量傳感器處流體的體積流量成 正比。渦輪流量計的理論流量方程為：

　　 式中n為渦輪轉(zhuǎn)速；qv為體積流量；A為流體物性（密度、粘度等），渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)（渦輪傾角、渦輪直徑、流道截面積等）有關(guān)的參數(shù)；B為與渦輪頂隙、流體流速分布有關(guān)的系數(shù)；C為與摩擦力矩有關(guān)的系數(shù)。

　　②渦街流量計：在流體中安放非流線型旋渦發(fā)生體，流體在旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地分離釋放出兩列規(guī)則的交替排列的旋渦渦街。在一定的流量（雷諾數(shù)）范圍內(nèi)，旋渦的分離頻率與流經(jīng)渦街流量傳感器處流體的體積流量成正比。渦街流量計的理論流量方程為：

　　式中，qf為工況下的體積流量，m3/s；D為表體通徑，mm；M為旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面積之比；d為旋渦發(fā)生體迎流面寬度，mm；f為旋渦的發(fā)生頻率，Hz；Sr為斯特勞哈爾數(shù)，無量綱。

　　③旋進渦輪流量計：當流體通過螺旋形導流葉片組成的起旋器后，流體被強迫圍繞中心線強烈地旋轉(zhuǎn)形成旋渦輪，通過擴大管時旋渦中心沿一錐形螺旋形 進動。在一定的流量（雷諾數(shù)）范圍內(nèi)，旋渦流的進動頻率與流經(jīng)旋進渦流量傳感器處流體的體積流量成正比。旋進旋渦流量計的理論流量方程為：

　　式中，qf為工況下的體積流量，m3/s；f為旋渦頻率，Hz；K為流量計儀表系數(shù)，P/m3（p為脈沖數(shù)）。

　　④時差式超聲波流量計：當超聲波穿過流動的流體時，在同一傳播距離內(nèi)，其沿順流方向和沿逆流方向的傳播速度則不同。在較寬的流量（雷諾數(shù)）范圍內(nèi)，該時差與被測流體在管道中的體積流量（平均流速）成正比。超聲波流量計的流量方程式為：

　　式中，qf為工況下的體積流量，m3/s；V為流體通過超聲換能器皿1、2之間傳播途徑上的聲道長度，m；L為超聲波在換能器1、2之間傳播途徑上的聲道長度，m；X為傳播途徑上的軸向分量，m；t1為超聲波順流傳播的時間，s；t2為超聲波逆流傳播的時間，s。

　　速度式氣體流量計一般由流量傳感器和顯示儀組成，對溫度和壓力變化的場合則需配置壓力計（傳感器或變送器）、溫度計（傳感器或變送器）、流量積 算儀（溫壓補償）或流量計算機（溫壓及壓縮因子補償）；對準確度要求更高的場合（如貿(mào)易天然氣），則另配置在線色譜儀連續(xù)分析混合氣體的組分或物性值計算 壓縮因子、密度、發(fā)熱量等。

　　（3）容積式流量計

　　在容積式流量計的內(nèi)部，有一構(gòu)成固定的大空間和一組將該空間分割成若干個已知容積的小空間的旋轉(zhuǎn)體，如腰輪、皮膜、轉(zhuǎn)筒、刮板、橢圓齒輪、活 塞、螺桿等。旋轉(zhuǎn)體在流體壓差的作用下連續(xù)轉(zhuǎn)動，不斷地將流體從已知容積的小空間中排出。根據(jù)一定時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動的次數(shù)，即可求出流體流過的體積量。容 積式流量計的理論流量計算公式：

　　　式中，qf為工況下的體積流量，m3/s；n為旋轉(zhuǎn)體的流速，周/s；V為旋轉(zhuǎn)體每轉(zhuǎn)一周所排流體的體積，m3/周。

　　在標準狀態(tài)下，容積式流量計的體積流量計算公式與速度流量計相同。氣體容積式流量計屬機械式儀表，一般由測量體和積算器組成，對溫度和壓力變化 的場合則需配置壓力計（傳感器或變送器）、溫度計（傳感器或變送器）、流量積算儀（溫壓補償）或流量計算機（溫壓及壓縮因子補2、氣體流量計現(xiàn)場應用存在 的問題分析

　　綜上所述，各種不同類型的氣體流量計其輸出的信號只與工況流量呈正比例（線性刻度）關(guān)系，其與被測介質(zhì)標態(tài)流量之間的刻度只能依據(jù)其某一特定工 況（如設(shè)計工況）來確定，如果現(xiàn)場的實際工況（如介質(zhì)的溫度、壓力、成分及流量范圍等）已經(jīng)發(fā)生了變化，這時仍按原刻度關(guān)系讀取標態(tài)流量，顯然就會產(chǎn)生不 同程度的附加誤差，使流量讀數(shù)（原刻度）失去意義。要想準確地測量氣體流量，則就要求使用現(xiàn)場實際工況與設(shè)計工況一致并保持穩(wěn)定。然而實際工況經(jīng)常發(fā)生變 化，也正因為變化才需要快速、可靠地知道變化后實際工況下條件下的準確流量，否則，測量的意義也就不復存在。

　　在現(xiàn)場實際應用中，工況穩(wěn)定是相對的，變化是的。因此，氣體流量計除了需要配置作為關(guān)鍵部分的流量傳感器之外，對工況變化有規(guī)律、準確度要 求不高，無需遠傳或自動控制的場合，采取配置壓力計、溫度計、計算器由人工錄取參數(shù)查表格的方法計算流量這種補償方式不僅不連續(xù)、不快捷，而且繁瑣、誤差 大。在絕大多數(shù)情況下，現(xiàn)場實際工況變化往往是突發(fā)和未知的，不僅頻繁出現(xiàn)且波動范圍大，此時仍依靠人工錄取參數(shù)查表格方法快速而又準確地計算流量已不現(xiàn) 實，必須采取自動補償措施。

　　3、含水量的測量

　　為了實現(xiàn)自動補償，曾經(jīng)經(jīng)歷了zui初的機械補償階段，這種補償方式只能對某一參數(shù)（如壓力）進行校正，由于流量計不僅結(jié)構(gòu)復雜、體積笨重、可動部件多，故障 率高，而且準確度低，當補償不*時，還得進行定點校正；該方式應用時不夠靈活，對于參數(shù)頻繁波動的場合則無法正常發(fā)揮補償作用。其后出現(xiàn)的機械式電動補 償裝置，它將介質(zhì)的工況質(zhì)量、壓力及溫度參數(shù)，分別轉(zhuǎn)換成電阻或電壓等形式的信號，通過電路并配合機械機構(gòu)組成自動補償系統(tǒng)，以完成連續(xù)補償運算，但這類 補償裝置仍存在結(jié)構(gòu)復雜，調(diào)校困難的缺點；補償不*，準確度也不高，電動單元組合儀表的出現(xiàn)給流量自動補償帶來了轉(zhuǎn)機,它通過變送器同時檢測出流體的工 況流量、壓力及溫度等參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換為相應的統(tǒng)一電流信號，按照某種運算關(guān)系，將這些信號送入計算單元（如加減器、乘除器、開方器、比例積算器等）進行 運算，然后輸出代表補償后的流量信號用于顯示、記錄或控制，這種方法實現(xiàn)了快捷的自動連續(xù)補償、準確度也有所提高，單元組合儀表具有通用性強、系統(tǒng)組成靈 活的優(yōu)點，但仍然存在補償不*的缺點，隨著集成電路的發(fā)展和計算機技術(shù)的應用，氣體流量自動全補償方案的實現(xiàn)已出現(xiàn)曙光而成為現(xiàn)實，大規(guī)模集成電路具有 運行穩(wěn)定可靠、體積小、功能強的優(yōu)點，計算機具有強大的運算能力和數(shù)據(jù)存儲能力，可以實現(xiàn)多功能、多參數(shù)、多支路、主準確度的補償，流量積算儀（溫壓補 償）或流量計算機（全補償）已成為當前流量儀表的主流。

　　相信隨著科技的進步和發(fā)展，將傳感技術(shù)、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)應用到氣體流量計中，全補償一體化的氣體流量計已成為可能，將會給氣體流量計量帶來一場深刻的革命。