流量测量方法和仪表选择.docx
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流量测量方法和仪表选择
流量测量方法和仪表的选择考虑因素
据有关资料报道：
发现约有６０％流量仪表所选择测量方法是不合适或者使用不正确，其中一部分虽然采用适宜的测量方法，却错误地布置和安装。
由此可见正确选择和使用流量仪表并非易事。
要正确和有效地选择流量测量方法和仪表，必须熟悉流量仪表和生产过程流体特性这两方面的技术，还要考虑经济因素，归纳起来有五个方面因素，即性能要求，流体特性、安装要求、环境条件和费用。
对某一应用场所可以采用的仪表可能有几种方案，如选择时只凭以往经验和单纯考虑初装费用贸然作出决定，从而失去了选择最适和仪表的机会。
例如仪表的流量范围和实际流量不匹配、对测量要求不高的场所选用过于复杂和昂贵的仪表、仪表安装后就不能正常工作，这些情况是屡见不鲜的。
如涡街波动剧烈，孔板超出量程范围。
有时候还会产生事故，如易闪蒸液体烧毁涡轮流量计的涡轮，在负压下拉坏电磁流量计衬里等。
１．测量方法和仪表的选择步序
1.1确定是否真正要安装流量仪表
如果仅希望知道管道中流体是否在输送流动，其大体流量，那么选用流动窥视窗或流动指示器就能以较低费用达到这一目标。
他们是一些结构简单的器具，往往有一活动体（板、球、翼轮等）显示流体是否流动，有些能知识流动快慢的大体程度，精确度很低，误差一般在２０－３０％之间，或更大。
国内流量仪表制造业对窥视窗和流动指示器重视宣传不够，仅有几个企业提供产品，从而设计单位和直接用户忽视了这类简易器具，或想使用因品种单一，不能在多种形式中选择合用产品。
反观从国外引进石化成套设置中，在较多的工位上装有流动窥视窗或指示器。
如果测量要求比上述高些，指示流量误差在2－10％之间，则安装一台流量仪表。
若按后文选择步序认为选择差压式仪表,也不一定要专门安装孔板节流体等流量传感器，可利用弯管流量计或或用外夹装便携式超声流量计。
1.2初选测量发放
确定必须安装流量仪表后，进一步详细了解使用要求和各种条件。
首先按照流体类型和特性，采取排除法在“初选表”不能和不宜采用的测量方案，作第二步深入考虑和分析。
1.3分析因素
按初选确定的各方案，向初选仪表的各制造厂收集样本、技术数据和选用手册等，充分了解仪表规范性能；再分别按性能要求和仪表规范、流体特性、安装场所、环境条件和经济考虑五个方面因素，按后文各节所提出的问题，逐一分析，列表比较。
考虑顺序按测量目的和侧重点而与初选时不同，一般先从"性能要求和仪表规范"开始，再如图1所示考虑其它因素。
如适用对象认为"经济因素"是主要因素（如大管径输送要求泵送费用低、商贸核算要求测量误差造成损失小），则在考虑"性能要求和仪表规范"的另一方面因素时，有时候还要回复到考虑迁移方面因素，五方面因素交替考虑，其相互关系如图2所示。
图1分析五方面因素程序
图2五方面因素相互关系
２．性能要求和仪表规范方向的考虑
2.1总论
测量方法确定后选择仪表在性能要求上考虑的内容有：
瞬时流量还是总量（累计流量）、精确度、重复性、线性度、流量范围和范围度、压力损失、输出信号特性和响应时间等。
不同测量对象有各自测量目的，在仪表性能方面有其不同侧重点。
例如商贸核算和储运对精确度要求较高；连续测量过程控制通常只要求良好的可靠性和重复性，有时还要求宽的范围度，而对测量精确度要求还放在次要地位；批量配比生产则希望有好的精确度。
2.2测量流量还是总量
使用对象测量的目的有两类，即测量流量和计量总量。
管道连续配比生产或过程控制使用场所主要测量瞬时流量；灌装容器批量生产以及商贸核算、储运分配等使用场所大部分只要取得总量或辅以流量。
两种不同功能要求,再选择测量方法上就有不同侧重点
有些仪表如容积式流量计、涡轮流量计等，测量原理上就以机械技术或脉冲频率输出，直接得到总量，因此具有较高精确度，适用于计量总量。
电磁流量计、超声流量计、节流式流量计等仪表原理上是以测量流体流速推导出流量，响应快，适用于过程控制，但装有积算功能环节后也可获得总量。
涡街流量计具有上者优点，但其抗震、抗干扰性能差，不适用于过程控制而适用于计量总量。
2.3精确度
整体的测量精确度要求多少？
在某一特定流量下使用，还是在某一流量范围内使用？
在什么测量范围内保持上述精确度？
所选仪表的精确度能保持多久？
是否易于重新校验？
是否要（或能）现场在线核对仪表精确度？
这些问题必须细致地考虑。
如不是单纯计量总量，而是应用在流量控制系统中，则检测仪表精确度的确定要在整个系统控制精确度要求下进行，因为整个系统不仅有流量检测的误差，还包含有信号传输、控制调节、操作执行等环节的误差和各种影响因素，如操作执行环节往往有２％左右的回差，对测量仪表确定过高的精确度（比如说0.5级）是不合理和不经济的。
就流量仪表本身而言，检测元件（或传感器）和转换／显示仪表之间只精确度亦应适当确定，如未经实流标定均速管、楔形管、弯管等差压装置误差在1％－5％之间，选用高精度差压计与之相配也就没有意义了。
流量仪表规范所定的精确度等级是在某一较宽流量范围内适用，如果使用条件在某一特定流量或很狭窄的流量范围，例如用涡轮流量计计量油品桶装分发，只有在阀门全开情况下启用，流量基本恒定，或仅在很小范围内变化，此时使用的测量精确度可比规定值高。
如能在此测量点专门标定，可提高精确度，比如说从0.5级提高到0.25级或更高。
用于商贸核算、储运和物料平衡要求较高精确度时，还应考虑精确度的持久性，是否易于重新校验等关键因素，以及是否有在线校验的可能性。
在比较各制造厂的仪表性能规范时，要注意误差的百分率是指引用误差（测量上限或量程的百分率，常用％F.S表示），还是相对误差（测量值的百分率，常用％R表示）。
通常样本或使用说明书只示误差％，而未注明％Ｆ.S或％R，往往是指％F.S，因为过去流量仪表瞬时流量的误差％F.S为多，这是不够严谨的。
如果能做到％R，为表示其性能优越，必定注明。
还要注意制造厂产品说明书所定精确度是指基本误差，在现场使用环境、动力、流体条件变化将产生附加误差。
现场使用精确度应为基本误差与影响量产生的附加误差所合成，如影响量大，附加误差可能远远超过基本误差。
2.4重复性
重复性在过程控制应用中是重要的指标，由仪器本身原理与制造质量所决定，而精确度除取决于重复性外，尚与量值标定系统有关。
严格地说重复性是指环境条件、介质参量等不变情况下，对某一流量值段时间内同方向进行多次测量的一致性。
然而实际应用中，仪表优良的重复性被许多因素包括流体粘度、密度等变化所干扰，然而这些变化因素还未到需要作专门检测修正的地步，这些影响往往被误认为仪表重复性不好。
例如浮子流量计受流体密度影响，小口径仪表还受粘度影响；涡轮流量计用于高粘度范围时的粘度影响；有些未作修正处理的超声流量计流体温度对声速影响等。
若仪表输出特性是非线性的，则这种影响更为突出。
2.5线性度
流量仪表输出主要有线性和平方根非线性两种。
大部分流量仪表的非线性误差不列出单独指标，而包含在基本误差内。
然而对于宽流量范围脉冲输出用作总量积算的仪表，线性度是一个重要指标，使有可能在流量范围内用同一个仪表常数，线性度差就要降低仪表精确度。
随着微处理器技术的发展，采用信号适配技术修正仪表系统非线性，从而提高仪表精确度和扩展流量范围。
如需作管道流量配比、流量相加或热量计要对温度差和流量相乘时，应选择线性输出的仪表，可以简化计算过程。
2.6上限流量和流量范围
上限流量也称满度流量。
选择流量仪表的口径应按被测管道使用的流量范围和被选仪表的上限流量和下限流量来选配，而不是简单地按管道通径配用。
虽然通常设计管道流体最大流速是按经济流速来确定的。
因为流速选择过低，管径粗投资大；过高则输送功率大，增加运行费用。
例如水等低粘度液体经济流速为1.5-3ｍ／ｓ，高粘度液体0.2-1ｍ／ｓ，大部分流量仪表上限流量的流速接近或略高于管道经济流速，因此仪表选择口径与管径相同的机会较多，安装就比较方便。
如不相同也不会相差太多。
然而同一口径不同类型的仪表上限流量（也可以说上限流速）受各自工作原理和结构的约束，差别很大。
以液体为例，上限流量的流速以玻璃管浮子流量计最低，在0.5-1.5m／s之间，容积式流量计在1.5-2.5ｍ／s之间，涡街流量计较高在5.5-7m／s之间，电磁流量计则在1-7m／s（甚至0.5-10m／s）之间。
有些仪表流量上限值订购后就不能改变如容积式仪表和浮子式仪表等，差压式仪表孔板等设计确定后上下限流量不能改变，但可以调整差压变送器量程（或换差压变送器）以适应；有些仪表则不经实流校验用户可自行重新设定流量上限值，如某些型号的电磁流量计和超声流量计。
2.7范围度
范围度为上限流量和下限流量的比值，其值愈大流量范围愈宽。
线性仪表有较大范围度，一般为10：
1；非线性仪表则较小，通常仅3：
1，能满足一般过程控制用流量测量和商贸核算总量计量。
但有些商贸核算用仪表要求较宽的范围度，例如公用事业水量出荷计量的昼夜和冬夏季节差很大，就要求很宽的范围度。
若选用文丘利管差压式仪表就显得不能适应。
然而差压式仪表范围度拓宽近年有一些突破，主要在差压变送器及微机技术应用方面采取措施，亦可达10：
1。
某些型号的电磁流量计用户可自行调整流量上限值，上限可调比（最大上限值和最小上限值之比）可达10：
1，再乘上所设定上限值20：
1的范围度，一台仪表扩展意义的范围度（即考虑上限可调比）可达（50-200）：
1，还有些型号仪表具有自动切换上限流量值功能。
有些制造厂为表示其范围度宽，把最大上限流负的流速提得很高，液体7-10m／s，气体50-75m／s，实际上这么高的流速一般是用不上的，关键是下限流速是否适应测量要求。
一般要求范围度宽是使下限流速更低些才好。
2.8压力损失
除无阻碍流量传感器（电磁式、超声式等）外，大部分流量传感器或要改变流动方向，或在流通通道中设置静止的或活动的检测元件，从而产生随流量而变的不能恢复的压力损失，其值有时高达数十kPa。
首先应按管道系统泵送能力和仪表进口压力等条件，确定最大流量时容许的压力损失，据此选定仪表。
因选择不当而产生过大的压力损失往往影响流程效率。
管径大于500mm输水用仪表，应考虑压损所造成能量损耗勿使过大而增加泵送费用。
2.9输出信号特性
输出信号往往左右仪表的选择。
流量仪表的信号输出和显示归纳为：
①流量（体积流量或质量流量）；②总量；②平均流速；④点流速。
有些仪表输出电流（或电压）模拟量，另一些输出脉冲量。
模拟量输出一般认为适合于过程控制，易于和调节阀等控制回路单元接配；脉冲量输出适用于总量和高精度测量流量。
长距离信号传输脉冲量输出比模拟量输出有较高传送准确度。
输出信号的方式和幅值还应有与其它设备相适应的能力，如控制接口、数据记录器、报警装置、断路保护回路和数据传送系统等。
2.10响应时间
应用于脉动流动场所应注意仪表对流动阶跃变化的响应。
有些使用场所要求仪表输出跟随流动变化，而另一些为获得综合平均只要求有较慢响应的输出。
瞬态响应常以时间常数或响应频率表示，其值前者从几毫秒到几秒，后者在数百赫兹以下，配用显示仪表可能相当大地延长响应时间。
仪表的流量上升和下降动态响应不对称会急剧增加测量误差。
2.11可维护性
当实际工况与设计选型差距巨大或仪表发生故障时，有没有手段就地维修和修正应该得到重视，因为流量仪表一旦安装再拆下维护会很麻烦而且需要时间。
在这方面表现最好的是差压式测量方法，因为其与流体接触元件为免维护不动件，测量用电气元件为可拆可调的通用差压变送器。
所以差压式测量方式的正常运转率最高，据统计在全球差压节流式测量方式占所有测量方式的45%以上。
2.12标准及依据
目前只有节流式流量测量装置的生产、安装、使用具有国家和国际标准《GB/T2624-1993》和《ISO5167》，节流式流量测量装置被普遍用于贸易结算。
仪表性能选择因素数据表
精确度
（基本误差）
重复性误差
范围度
响应时间
（ms或s）
（%R或%FS）
差压式
孔板
±（1-2）FS
（2）
3:
1、15:
1
（2）
喷嘴
±（1-2）FS
（2）
3:
1、15:
1
（2）
文丘利管
±（1-2）FS
（2）
3:
1、15:
1
（2）
弯管
±5FS
（2）
3:
1
（2）
楔形管
±（1.5-3）FS
（2）
3:
1
（2）
均速管
±（2-5）FS
（2）
3:
1
（2）
浮子式
玻璃锥管
±（1-4）FS
±（0.5-1）FS
（5-10）:
1
无数据
金属锥管
±（1-2.5）FS
±（0.5-1）FS
（5-10）:
1
无数据
容积式
椭圆齿轮
液
±（0.2-0.5）R
±（0.05-0.2）R
10:
1
<0.5s
腰轮
10:
1
<0.5s
刮板
气
±（1-2.5）R
±（0.05-0.2）R
（10-20）:
1
>0.5s
膜式
±（2-3）R
±（0.05-0.01）R
100:
1
>0.5s
涡轮式
液
±（0.2-0.5）R
±（0.05-0.5）R
（5-10）:
1
5-25ms
气
±（1-1.5）R
电磁式
±0.2R-±1.5FS
±0.1R-±0.2FS
（10-100）:
1
>0.2s
旋涡式
涡街式
液
±1R
±（0.1-1）R
（5-40）:
1
>0.5s
气
±2R
旋进式
±（1-2）R
±（0.25-0.5）R
（10-30）:
1
无数据
超声式
传播速度差法
±1R-±5FS
±0.2R-±1FS
（10-300）:
1
0.02-120s
多普勒法
±5FS
±（0.5-1）FS
（5-15）:
1
无数据
靶式
±（1-5）FS
无数据
3:
1
无数据
热式
±（1.5-2.5）FS
±（0.2-0.5）FS
10:
1
0.12-7s
科氏力质量式
±（0.2-0.5）R
±（0.1-0.25）R
（10-100）:
1
0.1-3600s
插入式（涡轮,电磁,涡街）
±（2.5-5）FS
±（0.2-1）R
（10-40）:
1
（4）
符号说明：
最适用
通常适用
?
在一定条件下适用
不适用
测量性能
安装条件
精确度
最低雷诺数
范围度
压力损失
输出特性
高精度适用性
高精度
总量适用性
公称通径范围（mm）
传感器安装方位和流动方向
上游直管段长度要求
差压式
孔板
中
2*
小-中
中-大
SR
?
?
50-1000
任意
短-长
喷嘴
中
1*
小-中
小-中
SR
?
?
50-500
任意
短-长
文丘利管
中
7.5*
小-中
小
SR
?
50-1200
任意
很短-中
弯管
低
1*
小
小
SR
>50
任意
很短-中
楔形管
低
5*
小-中
中
SR
25-300
任意
短-中
均速管
低
小
小
SR
>25
任意
短-中
浮子式
玻璃锥管
低-中
中
中
L
1.5-100
垂直从下向上
无
金属锥管
中
中
中
L
?
10-150
无
容积式
椭圆齿轮
中-高
中
大
L
6-250
水平或垂直
无
腰轮
中-高
中
大
L
15-500
无
刮板
中-高
中
大-很大
L
15-100
无
膜式
中
2.5*
大
小
L
15-100
水平
无
涡轮式
中-高
小-中
中
L
10-500
任意
短-中
电磁式
中-高
无限制
中-大
无
L
6-3000
任意
无-中
旋涡式
涡街
中
2*
小-大
小-中
L
?
50-300
任意
很短-中
旋进
中
1*
中-大
中
L
?
50-150
任意
很短
超声式
传播速度差法
中
5*
中-大
无
L
?
?
>100（25）
任意
短-长
多普勒法
低
5*
小-中
无
L
>25
任意
短
靶式
低-中
2*
小
中
SR
?
15-200
任意
短-中
热式
中
中
小
L
4-30
任意
无
科氏力质量式
高
无数据
中-大
中-大
L
6-150
水平或任意
无
插入式（涡轮,电磁,涡街）
低
无数据
（2）
小
L
>100
（2）
中-长
（2）取决于差压变送器的性能
下表注：
（1）圆缺孔板;
（2）取决于测量头类型;（3）四分之一圆孔板，锥形入口孔板;（4）500mm管径以下；（5）只适用高压气体;（6）2500mm管径以下;（7）取决于传感器结构;（8）>200摄氏度
流量测量方法和仪表初选表
符号说明：
最适用
通常适用
?
在一定条件下适用
不适用
流体特性和工艺过程条件
液体
气体
流体特性
工艺过程
一般
小流量
大流量
腐蚀性
高温
蒸汽
清洁
脏污
颗粒纤维浆
浆
腐蚀性
粘性
非牛顿流体
液液混合
液气混合
高温
低温
小流量
大流量
脉动流
差压式
孔板
（1）
（3）
?
?
喷嘴
?
?
?
（4）
?
文丘利管
?
?
?
弯管
?
?
?
?
均速管
?
浮子式
玻璃锥管
金属锥管
容积式
椭圆齿轮
?
腰轮
?
（4）
刮板
膜式
涡轮式
?
（4）
电磁式
?
?
旋涡式
涡街
（4）
?
?
旋进
超声式
传播速度差法
?
?
?
?
?
?
多普勒
?
?
靶式
?
?
?
?
科氏力质量式
?
?
?
?
?
?
（3）
?
（3）
插入式涡轮,电磁,涡街）
（2）
（2）
（2）
（2）
（2）
（2）
（2）
（2）
（2）
（2）
3流体特性方面的考虑
3.1总论
1.2节初选测量方法按流体类型等初定若干适用方案后，还应向工艺流程部门获取详细的流体物性诸多参量和属性，进一步考虑对所选择方案的适应性。
除了流体类别以外，通常还要考虑流体的温度、压力、密度、粘度和润滑性、腐蚀性和磨蚀性等，有些应用场所还有卫生要求。
某些测量方法还要考虑流体物性中特殊参量，例如采用电磁流量计要了解液体的电导率。
各类流量仪表总会受到流体物性中某一种或几种参量的影响，所以流体的物性很大程度上支配着待选仪表的型式。
所选择测量方法和仪表不仅要适应被测流体的性质，还要考虑在测量过程中流体物性某一参量变化的影响量。
常见流体密度、粘度、蒸汽压力和其他参量可以从手册中查到评估在使用条件下流体各参量和所选定仪表技术规范的适应性。
然而常会遇到不十分清楚流体的确切成分、温度和压力变化、流动特性等，要用户确定流体各物性的值是有困难的，此时应向制造厂咨询，估计拟选定的仪表可否使用。
3.2流体温度和压力
必须仔细地界定流体的工作压力和温度，特别在测量气体时温度压力变化造成过大的密度变化可能耍改变所选择的测量方法。
如温度或压力变化造成较大流动特性变化而影响测量准确度等性能时，必要作温度和（或）压力修正。
此外，流量仪表外壳的结构设计和选用材质也决定于流体的温度和压力，因此必须确切知道压力和温度的最大和最小值。
压力和温度变动很大时，更应特别仔细选择。
测量气体流量时还要肯定某些仪表（如差压式）流量上限位的温度和压力，是在工况状态下还是在标准状态下?
3.3流体密度和比重
大部分液体应用场所，其密度和比重相对恒定，除非温度变化很大而引起较大密度变化，一般不需作修正。
在气体应用场所，有些仪表的范围度和线性度，取决于气体密度，通常要知道在标准状态下和使用状态下的值以便选择。
亦有将流动状态的值转换到某些公认的参比值，这种方法在石油气储运方面应用普遍。
低密度气体对某些测量方法特别是利用气体动量推动检测元件工作的仪表（例如涡轮流量计），呈现困难。
3.4粘度和润滑性
仪表性能往往随雷诺数而变，雷诺数与流体粘度有关。
气体和液体不同，其粘度并不会因温度和压力变化而有显着的变化，其值一般较低，且各种气体之间差别较小。
因此确切的气体粘度数据并不如液体那样重要。
粘度对不同类型流量仪表范围度的影响趋势各异，对大部分容积式仪表粘度增加范围度扩大，而涡轮式和涡街式仪表则相反，粘度增加范围度缩小。
在评估仪表的适应性时，通常要掌握液体的温度-粘度特性。
某些非牛顿流体（如钻井泥浆、纸浆、巧克力、油漆）性质的液体，它们的流动状态复杂，不易断定其属性，因此选择仪表时要非常谨慎，必要时与制造厂磋商。
润滑性是更不易评价的特性。
通常认为高粘度液体也有好的润滑性，但是有时候不定如此。
润滑性对有活动测量元件的仪表（例如容积式和涡轮式）非常重要，有些液体特别是溶剂润滑性极差，会缩短仪表轴承寿命轴承工况又影响仪表运行性能和范围度。
3.5化学腐蚀和结垢
流体的化学性有时成为选择测量方法和仪表的决定因素。
某些流体会引起仪表接触零件腐蚀，表面结垢或析出结晶体金属表面产生电解化学作用。
这些现象都将降低流量仪表性能和使用寿命，仪表制造厂为此采取措施提供若干变型产品或专用仪表，以相
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