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流量儀表的生產(chǎn)廠家在儀表出廠前都應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定其準(zhǔn)確度，一般宣稱都在±1%左右。而在現(xiàn) 場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，絕大多數(shù)流量儀表的準(zhǔn)確度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到，本文從技術(shù)的角度 分析其原因何在？
影響流量儀表準(zhǔn)確度的主要因素
排除流量儀表原理與結(jié)構(gòu)自身的原因，影響其準(zhǔn)確度的外在因素主要?dú)w結(jié)為以下三個(gè)方面：
(1) 流體的物性
在試驗(yàn)中常用的介質(zhì)為水、空氣及油品。 而在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中面臨的將是數(shù)以萬計(jì)的各種流體，其物性(如密度、黏度、電導(dǎo)體、導(dǎo)熱系 數(shù)，聲速、成分……)均不同于在試驗(yàn)中常用的介質(zhì)，將或多或少地影響流量儀表的準(zhǔn)確度。 但這些流體的物性可以通過一些工程手冊(cè)查到，并給予修正以減輕其影響。這也是流量儀表智能化的一項(xiàng)重要內(nèi)容。
(2) 流體的性狀
在現(xiàn)場(chǎng)通過流量儀表的流體不可能如實(shí)驗(yàn) 室所用流體那么潔凈，它們可能會(huì)有沉淀物， 有腐蝕性。使用一段時(shí)間后，還會(huì)在管邊檢測(cè) 件上產(chǎn)生積垢、磨損、腐蝕。在管壁上的沉淀 物將改變管道的壁厚及粗糙度。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板而 言會(huì)改變β值，造成±3~10%的誤差；對(duì)渦輪、轉(zhuǎn)子、容積式流量計(jì)的運(yùn)動(dòng)件造成磨損、 腐蝕，輕則產(chǎn)生誤差，重則無法工作；對(duì)電磁 流量計(jì)的電極、超聲流量計(jì)的換能器、熱式流量計(jì)的熱電阻的污染會(huì)降低其靈敏度，增大誤差；對(duì)差壓式流量計(jì)取壓孔的造成阻塞，等等。當(dāng)然這個(gè)過程是緩慢的，但絕不能掉以輕心。而只要重視定期維修并形成制度也可以減輕(或消除)其影響。
(2) 流體的性狀
在現(xiàn)場(chǎng)通過流量儀表的流體不可能如實(shí)驗(yàn) 室所用流體那么潔凈，它們可能會(huì)有沉淀物， 有腐蝕性。使用一段時(shí)間后，還會(huì)在管邊檢測(cè) 件上產(chǎn)生積垢、磨損、腐蝕。在管壁上的沉淀 物將改變管道的壁厚及粗糙度。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板而 言會(huì)改變β值，造成±3~10%的誤差；對(duì)渦輪、轉(zhuǎn)子、容積式流量計(jì)的運(yùn)動(dòng)件造成磨損、 腐蝕，輕則產(chǎn)生誤差，重則無法工作；對(duì)電磁 流量計(jì)的電極、超聲流量計(jì)的換能器、熱式流量計(jì)的熱電阻的污染會(huì)降低其靈敏度，增大誤差；對(duì)差壓式流量計(jì)取壓孔的造成阻塞，等等。當(dāng)然這個(gè)過程是緩慢的，但絕不能掉以輕心。而只要重視定期維修并形成制度也可以減輕(或消除)其影響。
(3) 流動(dòng)的特性
在實(shí)驗(yàn)室中，流量儀表應(yīng)處于較為理想的流 動(dòng)狀態(tài)中，它應(yīng)是：
◇ 牛頓流體：在流程工業(yè)中，除食品工業(yè)多為 牛頓流體。
◇ 定常流：測(cè)量管段中流量不隨時(shí)間變化的一種流動(dòng)狀態(tài)，但有緩慢的變化是允許的，在工業(yè)中所說的脈動(dòng)流(流量隨時(shí)間變化較快的一種流動(dòng)狀態(tài))即非定常流。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中由于泵、壓氣機(jī)、 鼓風(fēng)機(jī)、某些調(diào)節(jié)器、閥門的振蕩都將產(chǎn)生脈動(dòng)流，它將給流量儀表帶來較大的誤差。早在1956年Head 就提出了這個(gè)問題，并提出了脈動(dòng)系數(shù)Ip的概念，以界定脈動(dòng)流對(duì)流量測(cè) 量的影響，并認(rèn)為當(dāng)Ip小于0.03時(shí)就可以視為定常流；大于0.03就應(yīng)給予重視。
1989年，Mottram和Sproston就指出了脈動(dòng)流會(huì)給流量 儀表帶來誤差，這種影響對(duì)差壓式流量儀表尤為嚴(yán)重。其他如：對(duì)渦輪流量計(jì)脈動(dòng)流會(huì)引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化；對(duì)渦街流 量計(jì)如脈動(dòng)的頻率與渦街頻率相近，將產(chǎn)生所謂“同步現(xiàn)象”，也會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。對(duì)流體而言，氣體的可壓縮性 優(yōu)于液體，脈動(dòng)流在流動(dòng)中將很快被衰減，對(duì)流量儀表的影響將小于液體。人們關(guān)注脈動(dòng)流對(duì)流量儀表的影響已近60 年，雖然也開展了許多研究力圖進(jìn)行修正，但至今尚缺乏足夠的數(shù)據(jù)。當(dāng)前常用的方法是在管道中采用濾波器來消除(或減輕)它的影響。
◇ 單相流體：流量儀表在單相或者多相流體的測(cè)量結(jié)果有 很大的差異，本文只討論單相流量儀表的測(cè)量，流量儀表也僅是在單相流量實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校驗(yàn)，而在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，將不可避免地會(huì)遇到多相流體的問題。
在流程工程中，由于流體流經(jīng)各種阻力件，將不可避免 地產(chǎn)生摩阻、分離，以及由于截面的變化、壓力的下降，使溶于液相中的氣相分離出來產(chǎn)生空穴，對(duì)于節(jié)流裝置來說由 于孔板的流動(dòng)變化較為劇烈產(chǎn)生空穴的機(jī)率將為文丘利管的8 倍，道爾管的三倍，空穴的產(chǎn)生如能限制在一定范圍內(nèi)，所產(chǎn)生測(cè)量誤差可高達(dá)20%，如果失控發(fā)展太大，將可能損壞儀表。
對(duì)于氣固，及液固兩相流來說，對(duì)于流量儀表的測(cè)量也將帶來較大的誤差及危害，這些已在上節(jié)流體的性狀中有所表述，不再贅述。避免的方法，是盡可能地將流量儀表安裝在垂直的管道上方，以避開固相的沉積。
◇ 充分發(fā)展紊流：眾所周知，管道中的流速分布影響了絕大部分原理(科氏、容積除外)流量儀表的準(zhǔn)確度，所以ISOTC30 規(guī)定流量儀表要保持較高的準(zhǔn)確度必需安裝在充分發(fā)展紊流中，當(dāng)然流量實(shí)驗(yàn)室也應(yīng)具有充分發(fā)展紊流，這樣校驗(yàn) 的流量系數(shù)才有意義。一般來說，只要具備了30D(D為管內(nèi) 徑)的直管段長度就可獲得充分發(fā)展紊流。
但是在工程日益現(xiàn)代化、大型化的趨勢(shì)下，工程中管徑日益增大，工藝設(shè)計(jì)從節(jié)約場(chǎng)地出發(fā)從未考慮流量儀表維持較高準(zhǔn)確度所必需的直管段長度，且現(xiàn)場(chǎng)的阻力件品種成千上萬，組合形形色色，管道中的流速分布十分復(fù)雜，在試驗(yàn)室理想條件下所校驗(yàn)的流量系數(shù)，由于流場(chǎng)差異，不可能無誤地傳遞給現(xiàn)場(chǎng)的流量儀表，因此難以得到較高的準(zhǔn)確度。
上述討論了影響流量儀表準(zhǔn)確度的因素如流體的物性、 性狀和流動(dòng)特性，都可修正或采取一定措施減輕或消除其影響，唯獨(dú)流速分布很難解決，因?yàn)楣に囋O(shè)計(jì)不可能照顧到流量儀表所需的直管段長度，以下討論幾種典型阻力件對(duì)流量儀表的影響。
阻力件對(duì)流量測(cè)量準(zhǔn)確度的影響
(1) 彎頭
◇ 在工藝流程中，為改變方向或高度常采用彎頭，是最常見的一種管道阻力件，無論是充分發(fā)展紊流或“自由流動(dòng)” (從大氣汲入)通過彎頭后，流動(dòng)都將變得較為復(fù)雜，流速分布不再對(duì)稱于軸心，且伴有漩渦(如方管還有二次流)，對(duì)流量測(cè)量準(zhǔn)確度的影響主要取決于彎頭的曲率半徑及流速的大小。
◇ 當(dāng)流體流經(jīng)彎管時(shí)，將發(fā)生離心力，外壁壓力增大流速下降；內(nèi)壁壓力減小流速上升，而自彎頭流向直管時(shí)，流動(dòng)的效應(yīng)相反，外側(cè)流速加大，內(nèi)側(cè)流速減小，同時(shí)由于流體 流動(dòng)的慣性，在內(nèi)側(cè)將產(chǎn)生較大的漩渦區(qū)，外側(cè)形成較小的漩渦區(qū)(如圖1)。
◇ 當(dāng)彎頭曲率半徑減小，或管徑增大時(shí)，分離的效應(yīng)將增 強(qiáng)，在彎頭1/3處，流動(dòng)加劇惡化，但在流體粘性的作用下， 漩渦將逐漸弱化，流速分布將趨于均衡，約10D后基本改善流動(dòng)情況。因而，在單彎頭后10D之內(nèi)，不宜安裝流量儀表。
◇ 多彎頭組合：上述情況是單彎頭前為充分發(fā)展紊流，在 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)是很少見的。常見的是多個(gè)彎頭或彎頭與其他阻 力件的組合，所以僅做幾個(gè)單頭試驗(yàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能解決非充分 發(fā)展紊流的問題。這種復(fù)雜的組合，加大了二次流、漩渦 及離心力的強(qiáng)度，流動(dòng)會(huì)更加惡化，管道越大(D>400mm)改善越困難。據(jù)專業(yè)人士估計(jì)，直管段長度至少應(yīng)大于20D， 否則準(zhǔn)確度很難達(dá)到5%。加大彎頭之間的間距有可能弱化相互的影響，專業(yè)人士建議，二個(gè)彎頭之間的距離不應(yīng)小于5D。
(2) 變徑管
為了改變工藝管道的口徑通常采用變徑管，主要有擴(kuò)管及縮管兩種形式。長期以來它對(duì)流場(chǎng)的影響一視同仁，未加區(qū)別(如美國API ANSI 1991-1999)。但筆者認(rèn)為，縮管如果處理適當(dāng)不僅不至于破壞流場(chǎng)，而且可以消除漩渦、改善流場(chǎng)，現(xiàn)對(duì)以下兩種情況進(jìn)行討論:
◇ 突變管：即管徑的改變沒有過渡，突然地?cái)U(kuò)大(如圖2)或 突然縮小，都將產(chǎn)生漩渦，破壞流場(chǎng)，管徑變化越大，破壞性越強(qiáng)。
◇ 漸變管：一是漸擴(kuò)管，流體通過漸擴(kuò)管是一個(gè)動(dòng)能轉(zhuǎn)化 為位能的過程，如擴(kuò)張角不超過10°，這個(gè)轉(zhuǎn)變是漸變穩(wěn)定的，流體不會(huì)分離，也不會(huì)產(chǎn)生較大壓損，如文丘利的擴(kuò)張段。但工藝上往往不允許有如此長的擴(kuò)張段，特別是當(dāng)管徑較大時(shí)，尤為突出；二是漸縮管，流體通過漸縮管是一個(gè)位能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能的過程，較易實(shí)現(xiàn)。以致收縮角大至60°都不會(huì)產(chǎn)生分離(如文丘利管的進(jìn)口)，而且還會(huì)消除漩渦改善流 場(chǎng)，不少廠家已認(rèn)識(shí)到這點(diǎn)，并利用它作為一種成本低、效率高的整流器，如文丘利渦街流量計(jì)、艾伯特流量計(jì)，美國 康樂創(chuàng)的氣體超聲波流量計(jì)，等等。據(jù)資料，上述后者對(duì)流量儀表準(zhǔn)確度的影響將較前者可大到約20倍。
(3) 閥門
在流程工業(yè)中通常采用閥門來改變流量的大小。閥門的形式多樣，是一個(gè)較復(fù)雜的阻力件，不僅給流動(dòng)帶來漩渦，而且惡化流速分布(如圖3)。相當(dāng)多的閥門在使用中都不是處 于全開的狀況，開度越小，惡化流場(chǎng)越嚴(yán)重。而且，在流體的控制中閥門往往作為一個(gè)降壓裝置，使流體產(chǎn)生壓損，壓力急劇下降，還容易產(chǎn)生空穴，進(jìn)一步增加流量儀表的誤差及危害。
鑒于上述原因，在工藝布局上，應(yīng)盡可能地將閥門安排在流量儀表的下游；如必需安排在上游，則流量儀表距離閥門至少應(yīng)有5D以上的直管段長度，如無法保證，則可將閥門安排在管道的旁路上，而在安裝流量儀表的主管道上游安裝 一個(gè)干擾較小的球閥或梭式閥。專業(yè)人士特別提醒要小心地安排流量儀表與閥門之間的相對(duì)位置，否則會(huì)引起無法容忍的測(cè)量誤差。
(4) 歧管
在流程工業(yè)中，如從主管道流出一部分流體或有一部分流體從外流入主管道都要采用歧管。一般來說前者對(duì)流場(chǎng)的影響將小于后者，當(dāng)然這種影響還取決流入或流出流體的流 量與主管道流量的比例，比例越小影響也越小。當(dāng)流體從歧管流入主管道時(shí)往往不可避免地和主管道的流動(dòng)產(chǎn)生漩渦并惡化流速分布，直到兩種流體完全混合為止。如必需確保 流量準(zhǔn)確度，流量儀表應(yīng)盡量避開歧管，或加長上游直管段長度。
上述介紹僅為幾種典型的阻力件，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，形形色色的阻力件會(huì)根據(jù)工藝要求，以各種方式組合起來，形成各種流動(dòng)形式，對(duì)流量儀表的影響，也很難通過試驗(yàn)來加以規(guī)范修正。當(dāng)前國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISOTC30) 還是建議采用整流 器(或稱流動(dòng)調(diào)整器)，以便在不長的直管段長度獲得較為理想的流場(chǎng)，讓流量儀表保持較高準(zhǔn)確度。
意猶未盡之語
(1) 流速分布的影響
本文分析了流量儀表在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)受制于工藝條件。不可能處實(shí)驗(yàn)室那樣的理想條件，所帶來的誤差，其中有些影響因素(如流體的物性，性狀)是可以通過修正減弱或消除，而 有些則不可能，如面對(duì)萬千種阻力件及其結(jié)合所帶來的復(fù)雜流場(chǎng)，它們難以通過實(shí)驗(yàn)室模擬重現(xiàn)，無法修正，而它們卻又是影響流量儀表(特別是曾占流量儀表市場(chǎng)中大部分的經(jīng)典 式節(jié)流裝置)提高準(zhǔn)確度最大的障礙。
(2) 流動(dòng)調(diào)整器的作用
為了改善流動(dòng)狀態(tài)，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISOTC30，一直推 薦采用流動(dòng)調(diào)整器，類型多達(dá)幾十種，但并未見成效。問題不僅是增加成本及安裝維護(hù)量，而它本身就有一定的長度(有的可達(dá)2D)，而在安裝上它還要求距阻力件及流量儀表各約 4~5D，總計(jì)約10D，對(duì)于中小口徑來說可能不成問題，而在 工程規(guī)模日益增大的趨勢(shì)下，現(xiàn)場(chǎng)就無能為力、難以提供。 因此，采用流動(dòng)調(diào)整器并非上策。一而再地提出也談不上有什么深遠(yuǎn)意義。
(3) 勇于創(chuàng)新，另辟新徑
在流量儀表家族中，經(jīng)典式節(jié)流裝置使用時(shí)間最長，裝機(jī)量曾幾乎占60%以上，且積累了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)……雖然 優(yōu)點(diǎn)多多，但無法面對(duì)直管段不足，準(zhǔn)確度下降的矛盾。只能是無可奈何花落去了，這是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的形勢(shì)的要求，近十年來國內(nèi)外，涌現(xiàn)了不少新型的節(jié)流裝置(內(nèi)錐、 整流、平衡、槽道、梭式)。它們的共同特點(diǎn)就是上游直管段長度只要求2~5D。即可保持±0.5~1%的準(zhǔn)確度。當(dāng)然它還稚嫩，這是一個(gè)新生事物都會(huì)遇到的問題，難道孔板的發(fā)展初期不也是這樣嗎？
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