流量仪表应用和发展若干动态.pdf

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1、流量 仪表应用和发展若干动态蔡武 昌 流量仪表应用和发展若干动态 F l o w Me a s u r i n g I n s t r u men t Ap p l i c a t i o n s a n d De v e l o p i n g Tr en d s 簦 武 g (中国仪 器仪表行业协会流量仪表专业委 员会,上海2 0 0 2 3 3)摘要:回顾 了前一时期差压式、电磁式、科里奥利质量式、热式、间接法质量式流量计的应用和发展概况。阐述了弯管流量计、椭 圆 节流流量计、内锥体流量计、具有 自诊断功能的电磁流量计、宽范围度非满管电磁流量计、压缩天然气汽车加气机用科里奥利流量计、能测

2、气液混合流体的科里奥利流量计、微机电系统热式流量计等的若干情况。在新测量原理流量仪表方面,概述 了声纳流量计和微 波气同双相流量计,以及利用蝶阀瓣产生差压的蝶流量控制阀和用电磁流量计在线测量液体粘度。关键词:差压流量计 电磁流量计质量流量计声纳流量计微波流量计应用和发展 中图分类号:T H 8 1 4 文献标识码:A Ab s t r a c t:F l o wme t e r a p p l i c a t i o n s a n d d e v e l o p me n t s f o r t he p r e v i o us p e rio d a l-e r e v i e we d

3、Av a i l a b l e d e v i c e s i n c l u d e d i ff e ren t i a l p res s u r e,e l e c t roma g n e t i c,C o rio l i s,t h e r ma l a n d i n d i r e c t ma s s fl o wme t e r s Ad v a nt a g e s o f e l b o w fl o wme t e r s,o v a l t h r o a t flo wme t e r s,V c o n e fl o wme t e r s,e l e c

4、t r o ma g n e t i c fl o wme t e r s wi th s e l f-d i a g n o s t i c abi l i t y,p a r t i a l l y fil l e d e l e c t r o ma gne t i c fl o wme t e r s wi th wi d e r ang e ab i l i ty,Co r i o l i s ma s s fl o wme t e r s for n a t u r a l g a s d i s p e n s e r s for v e h i c l e s,Co ri o

5、l i s ma s s fl o w me t e rs m e a s u r i n g t w o p h ase(g a s l i q u i d)fl u i d,ME MS the r mal fl o w me t e rs,e t c,a r e e x p o u n d e dF l o wme t e rs u t i l i z i n g n e w me asu r i n g p rin c i p l e s a r e o u d i n e dTh e s e d e v i c e s c o n t a i n s o n a r fl o wme

6、t e rs,mi c r o wa v e fl o q ne t e rs for t w o p h a s e(g a s l i qu i d)fl u i d,b u t t e r fl y fl o w c o n t r o l v alv e s u s i n g d i ff e ren t i al p res s u r e i n d u c e d b y the v alv e p l a t e a n d o n l i n e ma g n e t i c fl o w me t e rs me a s u r i n g l i qu i d v i

7、s c o s i t y Ke y wo r ds:Di ff e r e n t i al p res s u r e flo wme t e r El e c t r o ma gn e t i c fl o wme t e r Ma s s flo w me t e r S o n a r fl o wme t e r Mi c row a v e fl o wme t e r Ap p l i c a t i o n an d d e v e l o p me n t 0 引言 随着 1 9世纪末城市供水 系统 和管道燃气 的建设,出现 了叶轮式 水表、膜(皮囊)式煤 气 表、文 丘

8、里 管 差 压式流量计等 流量 仪表,2 0世纪 二三 十年 代又 出现 孔 板 和喷 嘴节 流的差压式流量计、浮(转)子 流量计 和容 积式流量计等 基于力学原理的机械式 流量 仪表。进入 4 o年代 以流程 工业 和城 市公 用事 业 为先 导 的工业 社 会,大量使用 流量仪表并提 出各种要求。促使 不同测量 原理 的新颖 流量仪表问世和发展并进 入工业应用。例 如:电学原 理 的电磁流量 计(5 0年代)、静 电场 流量计(六七 十年 代);声 学 原 理 的 超 声 流 量 计(七 八 十 年 代);热学 原理的热式质量流量计(6 0年代);光学原 理 的激光 流速计(7 0年代);

9、力学原理 的流体振 动流量 计(涡街(旋 涡分离)流量计、旋涡进动 流量计、射流流 量 计,六七 十年代),利用 科里 奥利力 原理 的质量 流量 计(8 0年代)等。9 0年代 以后,虽然在国际流量测量学 术会议见到一些新 测量 原理 流量 仪表 的论 文,但很 少 见到能达到工业 实用 阶段 的流量 仪表 投 向市场,推 向 市场 的新 型号仪表 只是 在原测 量 原理 的基 础上 改进。扩展应用 领域,提高性 能 和增加 功 能。本文 主要 就这 自动化仪表 第 2 7卷第 7期2 O 0 6年 7月 类新型号流量仪表 的发展动 态作 一回顾;此 外,近年市 场上 出现 了一些新 测量原

10、 理 的流量 仪表,例 如利 用声 纳技术 和利用 微波技 术的仪表。在此作简要介绍。1 差压式流量计 差 压式流 量计在工业应用流量仪表 中长期居于第 一位,然 而近几 十年新测量原理仪表层 出不穷,百花争 放。以其 优越性能。侵蚀差压式仪表传统应用领地。差 压式 流量仪表因范 围度窄、要求前置直管段 长、压力损 失大(孔板和喷嘴),导压管 易阻塞故 障多 和安装复 杂 等不足之处,挡不住各类新颖仪表 的优越性 能,使其 所 占份额一路下滑。在 国外销售 金额 进入 2 1世纪 以来 已退居第二位。上世纪 8 0年代 以来人 们试 图改进 差压 式流量 仪 表 的这些不足。例 如:取 消或缩

11、 短外接 导压 管,节 流装 置 和差压变送器组 成一体的一体化仪表探索新型或改 进原有节 流装置 或差压发生器,如弯管流量计、椭圆节 流流量计、内锥体流量计等。其 中若干品种经十余年 现 场试 用考核。被用户所认可,逐渐扩 大应用。国外有 人提出“再认识”差 压式 流量计 的论 点,近几年 差 压式 流量计市场 占有率有止跌 回升之势。我 国也有这 l 维普资讯 http:/ 流量仪表应用和发展若干动态蔡武 昌 样的趋势。1 1弯管流 量计 由于可以利用管线拐弯位置现成弯管 或专 门制造 的弯管差压发 生器,从这 一意义 上 可以认 为没 有 因测 量而增加压力损失,直管段 长度要求也较低(

12、前 5 D,后 2 D),范围度也 可 以提 高 到 1 0:l,只是产 生 的差压 较 低。然而我 国过去 不太重 视,直 到上 世纪六 七 十年代 开始才在核工业和冶金工业应用,经研究和实践渐渐 认识 和推广。冶金 自动化研究 设计 院对 圆形、矩形 弯管作 气体 实流实验研究,求取 流量方 程式 和仪表系数,以及来 流 流速分布畸变影 响和直管段长度等安装要求等 。河 北理工学院研究弯管流量计规模化生产的工艺和技术 要求,如弯径 比测 量方 法等。这些 研究 成果对 推 动 弯管流量计在工业 上推广 应用作 出了贡献,如 在钢铁 工业用于高炉煤气等大管径气体流量测量,各工业部 门应用于测

13、量水、蒸 汽 流量。近 年在 我 国各界 已引起 注视,有 了较大发展,仅河北理工 学院智能仪器厂一 家 企业就 销售 了 6 0 0 0余 台套;从多 国仪器 仪 表展 M I C O N E X 2 0 0 5展会上,国 内企业 展示 差 压 发生 器 2 l 家 中有 5家展 示弯管流量计 中反映 出来。实验研究 认为 未经实 流校准 的仪 表测 量精度 一般 为 4 5 ,实流 校准 的 则 为 l 1 5 (测 量 液 体 也 有 称 可 达 0 5 )。当前我 国弯管 流量 计 的发 展,某些 方面 已处 于前 列。1 2 椭 圆节流流 量计 为降低 差压流量计 的压 力损 失,上

14、 世纪六 七 十年 代曾在文丘里 管 基础 上 改进 开 发若 干 种低 压 损 流量 管,如道尔(D a l 1)管、低压损管、G e n t i l e 管等,道 尔管压 1 一 损仅为标准文丘里管的。前几年山武公司 j(日)又 开发 出 一种 喉部 前端 由椭 圆旋转 面过 渡 的节 流件 组成的椭圆节流 流量计,节流是 在 无 回流 区平滑 流线 下完成,如图 l b所 示,不 存在像 孑 L 板下游 管壁 附 近回流 区内形成 涡流,如图 l a所示,所产 生较 大压力 损失。椭 圆节流流量计 的压损 仍 比标 准文丘 里 管高,图 1 孔板 和椭 圆节流件 的流线 F i g 1

15、F l o w l i n e s o f o r i fic e a n d o v a l t h r o t t l e e l e me n t s 但据 山武公 司称 I:L:f L 板 低约 4 0 7 0 ,有 较 宽的范 围度(1 0 2 0):1),上游 直管 段长 度要 求也 较低,视 上游挠流件而异,最短 只要 0 5 D。山武公 司还开发 了以椭 圆节 流件 和具有 计算 功能 多参 数测量 差 压 变送 器 组 成 一体 的 C N G(压 缩 天然 气)汽车加气 机用 的 M V C 1 5 A型差 压式 质量 流量计。该差 压变送 器除测量差压外,还检测流体温度

16、和压 力,按 A G A(美 国煤气协会)R e p o N o 8 天然气压缩 因子 计算 所规定 的计 算式,在计 算单 元 进行 演 算求 取 质 量流量。它与另一 C N G汽 车加气 机 常用 的科 里奥 利,1 、质量 流量计 相 比,压 损小 f 约为 l,外形 紧凑、f-U,1、f 体积约为l,但测量精度较低仅为l R(测量值),、叶,而科 里奥利流量计为 0 2 0 5 R。山武公 司还 以 椭圆节流体 组 成称作 A i r c u b e型 空气 管 理用 流量 计,口径 从 5 0 1 5 0 m m4种,是一种适 用于工 厂压缩空气 运行 节能管理 的一体 型差压 式

17、流量 计,可作压 力温度 补偿,给出质量流量,能在现 场显 示瞬 时流量、累积 总 量、管 内压力,并有模 拟量 和脉 冲量输 出,测量 精 度为 3 R。1 3内锥体 流量计 图 2所示 内锥 体流量 计是一种 由流体 向外壁逐渐 能量 损 失 Pt 图 2 内锥 体 差 压 发 生 器 Fi g、2 V Co n e d p g e n e r a t o r 收缩(即节 流)方 式 的差 压 发 生 器 组 成 的 流量 仪 表(美),Mc C r o m e t e r 公 司于 2 0世纪 8 0年代推 向市场,商 业名 V-C o n e F l o w m e t e r,流量业

18、 界也 有称 环形 文丘 里 管(a n n u l a r v e n t u r i)流 量计。流体 流 过节 流 锥体 时 具有 调整来流流速分 布畸 变 的作 用,因此前 置直 管段 长度 要求 较低;锥体后缘产生旋 涡远小于孑 L 板后 缘,从 而低压端压 力波动小、输 出差压稳 定,可以利用较低差 压。国外样 本称:实流校准 的仪 表测量精度为 0 5 R,前直管段 长度 要求 03 D,后 直 管段 却 要 0l D。2 PROCES S AUTOMAT I ON I NS TRUM ENTAT I ON Vo i 2 7 No 7 J u l y 2 O 0 6 维普资讯 ht

19、tp:/ 流量仪表应用 和发展 若干动 态蔡 武昌 有资料却称前置直管段 02 D,后置直管段却要 3 5 D 。内锥体流量计流 出系数 当管道雷诺数 R e 18 0 0 0 即趋常值,从 而使 有较 宽 的范 围度,典型 为 1 0:1。压 1 1 力损失仅为孔板的 。j 二 在 我 国Mc C r o m e t e r公 司 的 展 品 曾 在M I C O N E X 2 0 0 2展会上 展示,近 年其他 企 业相 继 入市,市 场十分 活跃,展 会 展示 厂 商 日益 增 多,MI C O N E X 2 0 0 5 展会上有 9家国内外企业展出,其中国内企业 6家。对 于当前

20、国内内锥体 流量 计 的状况,有流量 测试 专 家认 为:国外 厂商样 本提供 的技术 指标 并不 完全被 厂商 自己发表报告 的试 验数据 所 支持,且 试验 还做得 不够,对有些技术指标 表示 置疑;国 内实验亦 不完 善,应组织全社会力量做进一步试验研究。1 4 利 用蝶 阀为差压发生器测量并控制流量 近几年市场上 出现一种 能作 流量测 量 和控制 的,由蝶阀组、调节单元 和执行单元组成 一体 的蝶控 制阀。液体流过蝶 阀瓣产 生扰动摩 阻力 等形 成压 力降,使 蝶 瓣上下游两侧受到 压力差 形成 的力,蝶瓣 轴 受到相 应 的力矩。在轴端贴上应变片组成应变传感器以感受力 矩,从而推

21、求差压。实 验表 明应 变量与 差压 大体 上呈 正 比线性关 系,从差压 推求流量,再经调节单元和执行 单元控制 阀瓣开度。本 控制阀适 用于定量批量控制 和 定流量控制,能 实现一般 定流量 控制 阀不 能实 现的从 高差压到 微 差压(可测 0 0 1 0 6 MP a,推荐 0 0 3 0 3 M P a)的定流量控制。一 般“流 量计+调节 器+控 制阀”组成的控制系统,流量控制误差维持在 5 范 围内还感 到困难,据资料 称东洋,L (阀)公司 的 i t y型一体 型蝶控 制阀流 量控制误 差能 达到 4-3 F S (满度 值),图 3所示是 P I 控制 流量 的运行 例。_

22、=暑 流 量控 制上 限值 、_,一一 _、一 、一 、奎 些 ,:图 3 i-t y型 阀流 量 控 制 Fi g 3 Fl o w c o n t r o l f o r i-t y t y p e v a l v e 70 6 0 5 o 1 0 垦 3 0 20 2电磁流量计 近十余年来电磁流量计发展较快,在世界范围内 其销售金额 已据流量仪表诸品种 的首位。近年发展 主 自动化仪表 第 2 7卷第 7期2 0 0 6年 7月 要是拓展应用领域、改善性 能和增加 功能。例如:降低 电导率阈值(电容电极检测信号仪表),降低功耗(干 电池供 电仪 表,二线 制仪 表(2 0 0 2年前 后

23、 已 占 3 4 );降低价位(电磁水表,水行业 专用仪 表)等。此 外,最近在增加 自诊 断功 能方面又有进展,新 型的仪表 相继面市;非满管仪 表向更低下 限流量延伸;探索 用电 磁流量计测量原理 在线检 测液体 粘度,下文就 这 三方 面作 了扼 要阐述。2 1 电磁流量计 自诊 断功能方面的进展 电磁 流量 计是无 阻扰测量,且接液 部件 易作 耐腐 蚀处理,因之较多应用于腐蚀性液体和液固双相流体,如各类酸碱液、矿浆、食 品果酱、废污水 等。这类 严酷 测量介质易在传感器测量部 位(电极 和衬里壁)结垢、附着污秽、磨损,妨碍测 量或影 响测 量准确 性,需 要定 期维护,必要时将流量传

24、感器卸下管线检查 和清扫。流量传感器卸下管线检查有时要影响正常生产,且 比较麻烦,于是人们用通用仪表检查 电极接触 电阻、绝缘 电阻 等作 出判 断,是 否 真正 需要 卸 下管 线 处理。这种检查方法需要 专门训练,通常 由 电磁 流量计 制造 厂售后服 务专 业人 员操 作,使用 单位 人 员不 易 掌握。上世纪 9 0年 代 中期 开 始,世 界 知 名制 造 厂(如 A B B K e n t(英),D a n f o S S(丹),E+H(瑞 士),F i s c h e r+P o e r (德)相继 开 发在 线 检测 电磁流 量 计 的专 用 仪器(例 如:商业名 C a l

25、M a s t e r 检验器,M a g C h e c k检验 器等),和 便携式 P C机配 合使 用,比较方 便地 在 现场 在线 检验 电磁流量计,检查项 目有励磁线圈完好性,信号电极电 路 的完好性,电极 的绝缘性 和接液 电 阻(判 断污 秽 或 垢层覆盖电极),转换器的励磁电流和输出信号等。本方法 比通用仪表检查操作方便、判断准确,使用单位 可实施。然而 电极污秽和垢层沉积等故障形成是一个渐变 过程,超过限度前所引 起测量值 的变 化不会 或不 易被 运行人员察觉,如果故障发生在检查周期 中间,还是要 停运维护。专用检测仪 器 尚不 能完 全符合 生产需 要,人们要求具有对这些

26、运行故障 和仪表本身故 障能随 时 作 自诊断 的仪表。横 河 电 机 在 MI C O N E X 2 0 0 3 展 会 上 展 示 的 A D M A G A X F型 电磁 流量 计,就 具有 电极 沾 污诊 断功 能。当电极被绝缘 附着物 沾污后,从所 监测信 号源 阻 抗,发出4个等级污染程度的预警信号,提示运行人员 及 时清洗,保证 仪表测 量准确 性和正常运行。K r o h n e 公 司近年投 入 市场 的 I F C 3 0 0型 电磁流 量 计设计有更 多诊 断功能,除对仪 表本身 重要 电子元 器 件 和软件 进行 诊断外,还能作如下诊断:3 维普资讯 http:/

27、流量仪表应用和发展若干动态蔡武 昌 诊断流量传感器电极被污染或绝缘层覆盖程 度,腐蚀或泄漏、衬里变形、磁场下 降;诊断传换器输出信号线性度,励磁电路的完整 性 和准确性(包括励磁线 圈电阻和励磁 电流);监控和诊断流程和环境的条件的变化,如液体 电导率是 否变 化,液 中气 泡 和 固体 颗 粒(或 纤 维)含 量,外界磁场 等。诊断是通 过仪 表 内部 一些设 定(输 入)条 件 改变 前后,测 量某些 内在参数变化以作 比较与判断。例如:测 量电压、电流、电阻判断 电极污染程度,电极泄漏,液 体电导率和磁场下 降;测 量 电极 噪声 判断 电极是 否 在 腐蚀,液中是否有气泡;改变两线圈连

28、接方法使产生 不 同磁场分布,从流量信 号 的变 化判 断衬里 变形 和来 流 流速分布畸变等。2 2非满管 电磁流量计 具有 自由表 面 自然流 动的非 满管 电磁 流量计,自 1 9 9 2年 由 F i s c h e r+P o r t e r 公 司投 放市场 以来,至少 已 有 4家企业提供定型产 品。非满管 电磁流量计是 由测 量流过流量传感器测量 管 内液体流速和过流面积两者 的乘积获得 的,过 流面积 A是 通过测 量管 内液位 高度 取得的。它们取决于:所连接管道的坡度 i;管 内壁粗糙度 n;管内径,其流量关系式是由曼宁流 速 公式深 化而来,流量如下式所示。1 1 Q=

29、可 可 A (1)n 如以坡度 o 3 的非 常光滑 D N 5 0 0混凝土管(或钢 管)为例,液位高度为 9 5 内径时流量约为 1 O 4 Om h,液 位高度 1 0 时(5 0 m i n 是最低电极位置,流速约 1 5 m s),流量约为 2 m h,测量范围度约为 5 0:1。爱知时计 电机公 司(日)近年开 发 的仪 表,其流量 传感器 内装 P B(p o l m e r b o w l u s)流槽,收缩 流通 通道成 为 倒 梯 形,以 提 高 下 限 流 量,流 量 范 围 度 扩 展 到 1 0 0 0 1,并且不存在单独使 用 P B流槽时无 流动 而测 量部位滞

30、留剩液所 造成误 测量 和误 积算总量 的缺 点。以某一装在排放 口的 D N 2 0 0仪表 为例,测得 最大 流量 为 3 5 0 m h,最小 流量 为 0 3 5 m h。据 称 范 围度 在 3 5 0 4 0时,误 差 4-2 R,3 5 0 4时,误 差 4-5 R,3 5 0 0 3 5时,误差 4-8 R 。本仪表 还可装 在下水 道末 端排 放 口,与排放 口常 用 的差 压式 K e n n i s m喷 嘴相 比,测 量精 度和 范 围度均 优越(喷嘴精 度为 4-5 ,范围度为 1 0:1)。2 3 用电磁 流量 计测量液体粘度u 德 国 K a r l s r u

31、h e大学 研制 一种 用 于在 线 实 时测量 流程 液体粘度 的专 用 电磁 流量 计。专用 电 磁流 量计 原理,如图 4所示,改变传统 电磁流量计 的励 磁方 法,产生 两种 磁通 密度、B,和 磁场 分布,测 量两 种磁 场 分 布条 件下感应 的流量信 号 电势、u ,求得 与 流速 分布廓形(v e l o c i t y p r o fi l e)有关的量,建立一个两参数 流变学 模 型(r h e o l o g i c a l m o d e 1)。在 此 基础 上 可 大体 探求出流速分布廓形,而粘度变化也会使廓形产生相 应变化 尊 a B0 磁场 b BI 磁场 图 4

32、 电磁流量计 两种磁场 分布 F i g 4 Two k i n ds o f ma g n e t i c fie l d d i s t r i b ut i o n o f e l e c t r o ma g n e t i c flo wme t e r 流体粘度是表示 流体 内摩擦 大小 的参数,是剪 切 速率和剪切应力 的函数,数值可用 多种数学模 型表述,如常 见表达粘度 的有指数方程=K 7 (2)式 中:K是粘稠度;是 剪切速 率;N是 指数 律 的指 数。改装后 电磁流 量计 中所测 得 的流 量信 号 比和指 数 之 间有 如图 5所示 的关 系,即在 其他 流体 和流

33、动 参数 恒定 的条件 下流速分布廓形变化可反映 出流体粘度变 化。另外 用一台差 压变送 器测量 管系压 力损失(即差 压)以求取 K。因为 K是差 压 卸,平均 流速 和 的 函 数,即 K=卸,N)。这 样 就可从 和 K获悉 在线 流动中液 体粘度的信息。研究还 对糖浆(牛顿 流体)、淋溶土溶 液(1 u v i s c o l s o l u t i o n)和 番茄 酱(后两 种 均 为 非牛顿流体)作了实验验证。测量 信 号 比ui u o 图 5 流 变学参数 Fi g 5 Rh e o l o g i c a l pa r a me t e r N 3 质量流量计 质量 流量

34、计 可分为直接法和间接法两大类。直接 法直接检测与质量流量有函数关系的变量求取;间接 法又称推导法,测 量体积流量再 与其他 参数(如密度)4 PROCES S AUTOMAT I ON I NS TRUM ENTATI ON Vo 1 2 7 No 7 J u l y 2 O O 6 维普资讯 http:/ 流量仪 表应用 和发展若 干动态蔡 武昌 传 感器组合求得质量流量。当前直接法仪表用得最 多 的是科里奥利流量计 和热式 流量计,近年 在应用 领域 开拓和新型仪表开发 又有所进 展;间接法 仪表第 二参 数 以前均用另外 的传感 器检 测,近 年开发 了若 干在 流 量传感器上附设第二

35、参数检测元件 的间接法 质量 流量 仪表,简化了工程设计和安装调试,方便使用。下文就 这些方面作扼要 阐述。3 1 科里奥利(质量)流量计 3 1 1 测量压 缩天然气和高压氢气 早期科里奥利流量 计 只能应 用于液 体,现 在 已可 用 于中高压气体,近年开发 用于汽 车加气 机 中测量 压 缩天 然气 的仪表,流量 范围 1 2 52 5 k g m i n,测量 精 度 0 5 R,工作压力 2 5 MP a 。正在研 制用于燃料 电池氢气加气机用超高压科里奥利流量计,最高使用 压力 9 5 MP a,流 量 范 围 0 0 5 2 k g m i n,测 量误 差 (1 +零 点稳 定

36、性误 差)。3 1 2 测量气液二相混合流体 传统科里奥利流量计测量气液二相混合流体时气 体 占空 比 G V F(g a s v o i d f r a c t i o n)超过 1 0 就无法准确 测量质量 流量。牛津大学 和 F o x b o r o 公 司合 作开 发 出 带 有 A D F C(高级科里 奥利流量计数 字控制)专用件 的 C F F 5 0型流量变送器。嘲 嘲 蝗 0 GVF 流量 图 6 G V F和质量流量记 录例 Fi g 6 Re c o r d i n g e x a mp l e s o f GVF a n d Ma s s f l o w 图 6是测量

37、环氧 乙烷运行 2 0小 时 内 G V F和标 准 t f s 密度(CF T5 0 型)o 流 量(一般仪 表)I-1 流 量(CFf S O 型)图 7 从空管状 态进入测量过程 的记 录例 Fi g 7 Re c o r d i n g e x a mp l e s f r o m e mp t y s t a t u s t o me as u r e p r o c e s s 自动化仪表 第 2 7卷第 7期2 O O 6年7月 化后 的质量流量记 录例,运行 时会 形成气 液二相 的气 泡流或塞状流,从 图上 可以看 出 G V F高达 5 0 以上。C F F-5 0型仪表还

38、适 用 于批 量控 制 开始进 液 时处 于空管或半空管状 态而仍 能进行准 确批量计 量。图 7 所示是 开始时从 空管状 态进 入计量 的过程记 录。3 2薄膜型热式流量计 当前 热式 流量计 在流程工业应用较多的是热量传 递效应的热分 布 式 和热 消 散效应(金 氏定 律)的侵 入 式两类,前 者用 于测量 微小管径气体 和液体 流量,后者 用于中大管径气体流量,其加热 和温 度检测元 件绝 大 部分 由电阻丝 组成。上 世纪 9 0年代 中后期 出现 了在 电子器件微机械加工 的薄膜 型热分 布式热 式流量 计,即微机电系统 ME M S(m i c r o e l e c t r

39、o m e c h a n i c a l s y s t e m)在流量测量上应用,现在国内市场 上也 已见到。如图 8 所示在硅基 片上 刻蚀 加热 电阻 R 、上 下 游测 温 电阻 R R 和周 围温度 电阻 R ,检测 件贴 装于测 量管 道 内 壁。流量为零时,温度分 布上 下游对 称,R =R ,有气 流时对称性被破坏,产 生温差,R R ,以此推导 出流 量 。0 5 5 mm b 无 气流 时 a 检测 件 c 有气 流通 过 时A A 线 图 8微 流 量 检 测 件 基 片 Fi g 8 Base s l i c e o f mi cr o flo w d e t e c

40、 t o r 薄膜 型仪表 与细 管 型热分布 式仪表 相 比,有响应 更快、灵 敏度更 高等优 点;但其所测流体 的化学性质会 给测量值 带来变 化,此外长期 运行 和漂移 操作方 面 的 一些 问题 还需提 高。薄膜 型仪表 因流量 检测 件小、响 应快,在 应用其 他热式流量 计受 到限制 的领域 得到 拓 展,例如家用热水器预混合燃烧喷嘴流量控制,家用热 量计上测量热水消耗 总量,燃料 电池 上用作气 体流 量 控制等。有资料 称 M E MS流量传感器 2 0 0 4年世 界 市场容量 已达 2 6 亿余 美元。MI C O N E X 2 0 0 5展会上(美)S i a g o

41、公 司展示 了医用 F S系列 ME M S气体 流量传 感器,应用 于呼 吸机、麻 醉 机等流量监控;工 业用 L M 系列传 感器 应用 于燃气 和 其它清洁气体生产过程流量监 测 和控 制,口径在 5 0 1 0 0 i n l n4种。3 3间接法质量流量计 间接 法质量 流量计 是以测 量体积流量(q )仪表 或 测量 p g 的流量仪表(如差压 流量计)与密度(P)仪 表 5 2 0 8 6 4 2 0 2 4 蓦 7 柑 一 崾 掣 一 器 维普资讯 http:/ 流量仪表应用和发展若 干动 态蔡 武昌(或温度 压力仪表)组合运算获得质量流量。早期这 种方法应用的第二、第三参量均

42、由独立的传感器检测 组合,使用时分别安装并作 系统 调试。进入 上世纪 9 0 年代,各仪表制造厂纷纷推出流量传感器和其他参量 传感器组 成一体 的间接法 质量流量计,如带压力 温度 补偿 或密度计 算的气体 涡轮流 量计、气 体旋 进旋 涡流 量计等。近十余年又有所发展,在流量传感器上附设 其他参数检测元件,使仪表结构更为简洁和使用方便。3 3 1 旋涡强度 型涡街质 量流量计 检测旋涡发生体所受到旋涡升力 ,其值与流速 ,平方成正 比,即 F =k l p U 2 (1)式 中:P为流体密度,旋涡 频率 厂 与流速 成 正 比,即f=k U,两者相除得质量流量 q ,即 孚:k 3p U:

43、q m (3)k2U 式 中:k。、k:、k,均为系数。3 3 2 超声质量流量计 超声质量流量计是在传播时间法超声流量计测量 体积流 量基础 上,再 利用超 声测 量第二 参量 流体 声阻 抗和密度,演算求得质量流量。本仪表是英国 C r a n-fi e l d大学研制,试 图应 用于航 空工业。3 3 3 植入温度检测元件质量流量计 电磁流量计电极 内植 入铂 电 阻,检测液 体温 度后 在转换器 内查表取得 相应密度,从所 测体 积流量 求得 质量流量;也可对不同温度体积流量作体积胀缩修正,补偿流经热交换反 应器前 后流 入 流 出温 度不 同引起 的体积变化。例如修正流入热反应器多路

44、分管体积 流 量和一路总管流 出总流量 间由温度差 引起 的体积变化 量。横河 电机开发 的 d i g i t a l Y E WF O L型涡街 流量计也 在旋涡发生体 内植 入铂 电阻测温 元件,测 量液 体质 量 流量 和饱 和蒸气 流量,若测 量过热蒸 汽则 还要 另外装 一压力变送器。4 声纳流量仪表 成立 于 1 9 9 6年 的(美)C i D R A 公 司 利 用 声 纳 技 术,开发 商业名 称 为 S O N A R T r a c (声纳 踪迹)的流量 监测系统,用于测量单 相 或多相 流体。它 是不 同于超 声流量计 的另 外一 种 非侵 扰性(n o n-i n

45、v a s i v e)声学 流 量测量技 术,可以在既设 管道外 夹装 一组 阵列声压 传 感器监听和解读(i n t e r p r e t)管道内流体流动旋涡所产 生压力场,因这是 采用接 受性(p a s s s i v e)听 测方 法,测 量浆液等多相流体时可获得与测量单相流体 同样水平 的性能和测量精度。S O N A R T r a c 流 量 监 测 系 统 工 作 原 理 如 图 9所 示,采用具有专利权 的方法,即基 于完善 的声纳 阵列处 理技术。在流程管道 湍流流动存 在固有的连贯性旋涡 扰动,流经管外夹装 的阵列 传感器 位置时,听测 旋涡扰 动形成 的压力场,追

46、随旋涡经过 阵列的速 度,求 取流体 的体积流量;通过检测 声波在管 内流体传播 速度,还 可 获取单相 和双相流体成 份的信 息,例 如 已知两种介 质 的密度 和声速(如油 水;湿蒸汽)的混 合流体,可 求取 它们 的体 积组成百分 比。图 9声纳流量仪 表工作原理 Fi g 9 Op e r a t i o n a l p r i n c i pl e o f S o n a r flo w me a s ur i n g i n s t r u men t S O N A R T r a c V F 1 0 0型仪表常用管 径有 5 0 9 0 0 m l n之间 1 6种规格,测 量

47、液体 流速 范 围 11 0 m s,流 量测量精度一般 为 1 R,经 实流校 准为 0 5 R,重 复 性为 0 3 R,也适用于纸浆、矿浆等固液二相流体,以 及含有气泡液体。5 微波气 固双相流量计 德 国斯威 尔工程公司(S WR E n g i n e e r i n g C o r p )在 M I C O N E X 2 0 0 5展会上展 示采 用微 波技术 的双相 流量 计,用 于管道 气力输 送颗粒或粉末总量计量,固相间管 道配比流量控制,煤粉燃烧等粉 气配比流量控制。图 1 0所示是其 展品之 一,称作浓相 流量 D F(d e n s fl o w)微波流 量计 的工作

48、 原理 示 意 图。在 流量 传 感器 的测量管 中,通过高频 交流 电磁 场产 生一 个均匀 的测 量场,当固相流体通过时吸收测量场能量,产生一个与 被输送 固相流量相关 的信号。在测量管上置有两个相 距 6 8 m m的微波传感 器,两 个位置交流场 的能量变化 图 1 0 D e n F l o w型微 波流量计工作原理 Fi g 1 0 Op e r a t i o na l pr i nc i p l e o f mi c F o wa,e flo w me a s ur i n g i ns t r ume n t o f De n Fl o w 6 P R OC F _&A U

49、T OMAT I ON I N S T R U ME NT A T I ON V 0 J 2 7 N o 7 J 岫 2 O o 6 维普资讯 http:/ 流量仪 表应 用和发展 若干动态蔡武 昌 都被测量 出来,在转换 器 内的相关器 能测 出 固体 在两 传感器之间 的流过 时间,计 算 出 固体 流速。再 通 过 仪表另一浓度 检测 计算 单 元所得 的 浓度 K和测 量 管 流通面积 A,便可 求得 固体 物料 的质 量 流量 q =K A。仪表有 q 、K和 三个输出值。本仪表实质上 是利用微波检测技术 的相关 流量计。定 型产 品名义 口 径从 1 0 2 5 0 m m,在 标

50、定 范 围内 的测 量精 度 土(2 5)参考文献 1 佐岛聪夫 平凡 流量 计 再评价差 压 面积 J (日)计测技术,2 0 0 4,(3):1 3 2 泉头太 郎检 出端 进化 c=土为差压式流量计 测定领域 扩 大 J (日)计测技术,2 0 0 4(3):48 3 蔡武 昌记 MI C O N E X 2 0 0 2展示 的流量仪表 J 世界仪 表与 自 动化,2 0 0 2,(1 1):l 5一l 7 4 马竹 梧弯管 流量 计 的进 展及其 在工业 中的应用与 前景 J 冶金 自动化,2 0 0 5,(3):58 5 李志,等弯管流量计 的研究 与应用 J 河北 理工 学院学 报

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