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&液体流量的测量
液体流量的测量
本文以常见的液体水、黏度范围宽广的液体油品和(易蒸发)高饱和蒸气压液体液氨为例，讨论液体流量测量问题，并介绍容积式(椭圆齿轮、腰轮、旋转活塞、刮板、螺杆等)流量计、多普勒超声流量计、科氏力质量流量计等的工作原理及其在液体流量测量中的应用。
1 水流量的测量
(1)水流量测量的特点
水流量的测量难度并不高，不同原理的流量计大多数都可用来测量水的流量，但也不是随便装一台就肯定能用得好的。这是因为同样是水流量测量命题，由于水的洁净程度不同，流体工况条件各异，流量测量范围悬殊，可靠性要求差异，测量精确度要求有高有低以及费用承受能力不一样，仪表的选型也不一样。严格地说，在可供选择的种类众多的仪表中选定一种既好又省的仪表不是一件容易的事。这不仅要求工程师们对各种流量计的特性有充分的认识，对其价格有充分的调查研究，更重要的是对测量对象的具体要求，工况参数和使用环境有足够的了解。
居民用水表可以使用几年甚至十几年不出故障，但是工业生产中使用的相同原理的水表，故障多，寿命也不长。这是因为居民家庭用水是间歇的，水质也较好，而工业生产中的用水一般是连续的，而且水质也可能要差一些。在仪表选型时不能忽视这些差异，不能片面认为普通水表既然在家庭使用可以长命百岁，换到工厂使用也应可长命百岁。
另外，水中的杂物易将仪表卡滞、堵塞，水中的泥沙易在仪表测量管内壁沉积，易将排污阀堵死，这也是系统设计时应予注意的。
(2)仪表选型
①用于贸易结算的测量对象。用于贸易结算的测量对象包括自来水流量、原水流量和企业内部自制水流量，计量精确度应达到±2.5%R。若流体为自来水，由于比较洁净，适用的仪表种类很多，但最便宜的应数旋翼式水表； DN&200后，选用电磁流量计是适直的，其计量精确度可达±(0.3~1)%R。可根据费用的额度选择合适的型号，一般来说，精确度越高价格越贵。
旋翼式水表有的型号带远传发讯器，所发出的脉冲信号经转换器或二次表也可显示瞬时流量，或与DCS、数据采集系统相连，但这样的配置在使用现场并不多见，这一方面是因旋翼式水表靠旋翼和齿轮系不停地旋转来计量，在连续运行的场合寿命并不长，另一方面是因其耐压等级和温度等级都有一定的局限性。
对于水质不够洁净的测量对象，选用旋翼式水表、容积式仪表和涡轮之类靠旋转部件不停地转动来计量的仪表都是不适宜的，因为转动部分易堵易卡。此类流体有时还难免夹带一些长纤维之类的物体，如麻丝、聚四氟乙烯生料带等，长纤维易挂在涡街流量计的旋涡发生体上，导致仪表失准。这时选用涡街流量计应谨慎。
②用于过程监视与控制的测量对象。过程监视与控制用的水流量仪表，对测量精确度要求一般不像贸易结算用的那样高，主要考虑的是可靠性、价格和输出信号的种类等。在工矿企业的老装置上，使用最多的仍然是节流式差压流量计。新建装置中，人们更喜欢使用涡街流量计，这是因为节流式差压流量计安装复杂，维护工作量大，压力损失大，露天安装的仪表还需考虑防冻等，而涡街流量计安装和维护都非常简单，因而节流式差压流量计在水流量测量中大有被挤出市场之势。但是涡街流量计只能解决部分水流量测量问题，因为口径较大的涡街流量计价格比同口径的电磁流量计贵，而且口径最大的涡街流量计也只能做到DN300~ DN400。最小口径的涡街流量计现在是做到DN15，其最小可测水流量为O.32m3/h，而电磁流量计的口径从DN2.5~ DN3000，可测流量从O.m3/h， 因而覆盖范围比涡街流量计宽得多。在能够测量的最低流速方面涡街只能达到约0.4m/s。而电磁流量计在O.lm/s时己能正常测量。
更小的流量值测量属微小流量，请参阅相关资料。
大口径电磁流量计价格也很贵，节约的方案是选用插入式流量计，其中常用的有均速管、插入式涡街流量计和插入式电磁流量计等，插入式涡街流量计可测流速下限为0.32m/s，而电磁流量探头可测流量下限无限制，只是误差略大些，约为±(0.2%R+lmm/s)
③泥沙含量较高的测量对象。泥沙含量较高的水流量测量对象常见于原水，如果选用的是节流式差压流量计或均速管差压流量计，取压阀和排污阀常被泥沙堵死，影响使用，相比之下，插入式涡街流量计和插入式电磁流量计不会出现此类情况。
大口径水流量计往往流速较低，水中泥沙易在测量管内壁沉积而使流通截面积减小，导致流量示值偏高，所以应定期清理。详见3.5节。
④去离子水的流量测量。去离子水和高纯蒸馏水是纯度极高的水，其电导率约比通用型电磁流量计能够测量的电导率小3个数量级，因此不能用电磁流量计测量。
⑤污水流量的测量。污水的特点是脏污，有些还有一定的腐蚀性。以管道输送的污水可用电磁流量计测量，通过明渠排放的污水，适合用明渠流量计测量，请参阅3.5节。
⑤处于气液相平衡状态的测量对象。处于气液相平衡状态的水，例如锅炉除氧器水箱出口水，若要测其流量，流量计应安装在增压泵之后，如果安装在增压泵之前，由于流体流过流量计总是有一定的压损，处于气液相平衡状态的水由于压力降低而导致部分液体汽化，引起流量计示值偏高。
(3)电磁流量计的安装
①直管段长度要求。电磁流量传感器的直管段要求比大部分其他流量计的直管段要求低。90°弯头、T形管、同心异径管、全开闸阀后通常认为只要离电极中心线(不是传感器进口端连接面) 5倍直径(5D)长度的直管段，不同开度的阀则需10D；下游直管段为(2~3)D或无要求；但要防止蝶阀阀片伸入到传感器测量管内。
如果阀不能全开使用，应按阀截流方向和电极轴成45°角度安装，附加误差可大为减小。
②安装位置和流动方向。传感器安装方向水平、垂直或倾斜均可，不受限制。但测量固液两相流体最好垂直安装，自下而上流动，这样能避免水平安装时衬里下半部局部磨损严重，低流速时固相沉淀等缺点。
水平安装时要使电极轴线平行于地平线，不要处于垂直于地平线，因为处于底部的电极易被沉积物覆盖，顶部电极易被液体中可能存在的气泡擦过，遮住电极表面，使输出信号波动。图3.28所示管系中， c、d为适宜位置； a、b、e为不宜位置。b处可能会出现液体不充满的情况， a、e处易积聚气体，且e处传感器后管段也有可能不充满，排放口最好适当翻高。对于固液两相流C处也不适宜。
图3.28的要求不仅适用于电磁流量计，也适用于测量液体流量的其他流量计。
③转换器安装和连接电缆。分体式电磁流量计的转换器应安装在传感器附近便于读数和维修的地点，也可安装在仪表室，其环境条件可比传感器好得多。
转换器和传感器之间的距离受制于被测介质电导率和信号电缆型号，即电缆的分布电容、导线截面和屏蔽层数等。要用制造厂随仪表所附(或规定型号)的信号电缆。电导率较低的液体和传输距离较长时，也有规定用三层屏蔽电缆的。一般仪表"使用说明书"对不同电导率液体给出相应传输距离范围。单层屏蔽电缆用于工业用水或酸碱液体时，通常可传送距离为100m。
为了避免信号受干扰，信号电缆必须单独穿在经良好接地的钢质保护管内，绝对不能将信号电缆与电源线穿在同一根钢管内o
2 石油流量的测量
(1)石油流量测量的特点
石油是国民经济的血液，一年数亿吨的石油在采集、输送、储存、加工及分配等各个环节需要用大量的流量测量仪表。由于石油在各个不同环节所表现出来的特性差别很大，计量数据用途也有不同，所以仪表选型、使用等也有很大差异。
与其他液体计量相比，石油流量测量有下列主要特点。
①石油品种较多，不同品种之间差异较大。
a.中低黏度石油产品如煤油、柴油，黏度不高，温度不高，流体洁净，对测量无苛刻的要求。
b.高黏度油品如原油、重油、渣油等，黏度较高，为了便于输送，往往被加热到较高温度。流体中含有固态杂质，流量测量前须严格过滤。
c.低黏度油品如汽油、液化石油气，黏度很低。
②计量精确度要求高。用于贸易结算的油品计量，必须达到规定的精确度，以保证供需双方的利益。GB 17167规定，分厂(车间)和重点用能设备能耗考核用汽油、柴油、原油计量应达到0.5%R精确度；进出企业结算用汽油、柴油、原油计量应达到0.35%R精确度，而在大宗油品计量中，计量精确度的要求更高，意义更大。例如经原油交接计量站计量的原油，一个站每年约为数百万吨，千分之一的误差就将引起每年100万元的结算差额。
③应考虑在线实流校准。用于石油计量的流量计，一般口径较大，拆下送检极不方便，一般应有实流校准设施或留有连接标准表的接口，以便进行在线实流校准。
④质量流量测量。大多数情况下以质量流量结算。
⑤流体易燃易爆。
(2)仪表的选型和使用
①容积式仪表的使用。
容积式流量计在石油产品的计量方面有悠久的使用历史，石油行业积累了丰富的经验，其中ISO 《液态任用除计量泵以外的定排量(容积式)仪表系统的体积测量》就包含了很多实践经验。容积式流量计在石油计量中具有独特的优势，关键原因是流体本身的自润滑作用，使这种仪表能长期、稳定运行，而且精确度高，范围度较大(一般可达10：1)。
石油计量用的容积式流量计常用的有椭圆齿轮式、腰轮式、螺杆式、旋转活塞式、刮板式等多种，不同的种类其口径、范围和适用的流体黏度也不同。
容积式流量计选型和使用中应注意如下几点。
a.精确度与流量范围度有关。同一台仪表如果额定精确度等级较高，只能在较低的范围度内得到，如果想得到较大的范围度则必须要降低精确度等级。例如，各类转子式液体仪表范围度为5：1时，基本误差为±0.2%R；范围度为10：1时，则降为±0.5%R。表3.9是不同口径0.2级腰轮流量计在不同油品条件下应用能获得的流量范围。
b.流体黏度对测量误差有一定影响。与涡轮流量计等其他流量计相比，黏度影响较小， 此外，还与许多其他流量计随黏度增大而误差增大不同，黏度增大因间隙间泄漏减小而性能改善。图3.29所示是液体黏度对一台腰轮流量计基本误差的影响。
从图中可看出，在0.8~11mPa?s黏度范围内，黏度影响较大，黏度从5.65mPa?s下降到0.8mPa?s，误差负向增大约0.5%；在1l~51mPa?s时，黏度对仪表误差仍有明显影响；黏度大于51mPa·s时，黏度对误差影响已不明显。上述只是实验一例，间隙不同，黏度影响程度也不同。由此可见，精确度要求越高的测量，越要注意黏度带来的误差影响。
对于O.2级精确度容积式流量计，测量过程中黏度不能有很大变化，才能保证精确度。图3.29所示的是流体黏度在一个较宽广的范围内变化时被试仪表所表现出来的误差，而在实际应用中，一个具体的测量对象其流体黏度变化范围是比较窄的，用户在订货的时候要向制造厂提供具体黏度数据，制造厂对产品校准时，设法将常用黏度条件下的误差校正到最小。
容积式流量计校准时的液体黏度与实际使用的液体黏度应尽量接近，但往往做不到这一点，因为一套标准装置要为各方面的用户服务，要用来校准多种类型的流量计。此时可用两种黏度上下相邻的液体校准，再按下式用线性内插方法求得误差。
式中 E——实测液体黏度的误差， %；
El、E2——分别为用比实测液体黏度大、小的液体校准的误差， %；
μ——实测液体的黏度， mPa·S；
μ1、μ2——分别为比实测液体黏度大、小的液体黏度， mPa·S。
c.不同型式的仪表适用黏度范围有较大差异。用于油品测量的容积流量计常用的有椭圆齿轮式、腰轮式、螺杆式、刮板式、旋转活塞式等，其中螺杆式对高黏度流体的适应性最佳。
d.流体温度对测量误差的影响。容积式流量计的测量误差同仪表计量室容积和间隙大小密切相关。流体温度升高时，计量室容积增大。转动部件每转一周，通过仪表的液体量相应增大。例如椭圆齿轮流量计计量室和齿轮均为铸钢时，测量值变化+0.36%/l0℃；均为铸铁时，测量值变化+0.33%/10℃；计量室为铸铁，齿轮为铸铝时，则为+0.14%/10℃。
e.压力损失及黏度对压力损失的影响。容积式流量计是由流体能量来推动测量元件，因此带来相当高的压力损失。此压力损失要比同样口径和流量的涡轮式或其他有阻碍流量计大。液体用仪表在最大流量时站度为1~5mPa·s，液体的压力损失在20~100kPa之间。若黏度增加，压力损失随着增加。图3.30所示为椭圆齿轮流量计在不同黏度液体下流量压力损失曲线，从中可以看到在相同流量下，黏度增加造成压损增加的程度。
压力损失Δρ与流量q之间的关系可用Δρ=kqn表示(其中K为系数， n为指数)。黏度在5mPa?S以下时n=2，在500mPa?S以上时n=1；在两者之间时，n=l.9~1.1。
f.间隙对压力损失的影响。在转子式容积流量计中，转子同壳体之间的间隙直接影响压力损失。在测量高黏度介质时，有时采用加大转子与壳体之间间隙的方法，以减小由黏性而引起的剪切力，降低压力损失。图3.31所示为同一种黏度、同一口径、不同间隙的腰轮流量计的ΔP=f(q)曲线。
g.用于测量液化石油气时需特殊处理。液化石油气(LPG)槽车发送，加油站加液常用容积式流量计(如螺杆式)计量。石油气的组成以丁烷为主，常处于气液平衡状态，环境温度变化引起LPG温度相应变化，从而使得其压力相应变化，夏季压力常高于2MPa，此压力还受其组成影响。LPG的密度较小，介于0.51~0.58g/cm3之间，是其组成、温度和压力的函数。
LPG的黏度很低，低于汽油的黏度0.7mPa?8很多，仅为0.10~ O.17mPa?8。用水(黏度约1mPa·8)校准的容积式流量计用于测量LPG，仅黏度影响就可能带来0.5%左右示值偏差和最小流量值升高；此外，还有润滑性差带来的影响。为了改善这种影响，仪表必须有外加润滑剂的润滑系统。
由于LPG处于气液平衡状态，故压缩系数较大，压力升高体积压缩达(0.44~0.73)%/MPa，常用适当的方法予以补偿。
LPG系统在任何时候即使停止运行，仪表、泵等也需充满液体，尽量避免空管或半空。
因为未充满时液体蒸发，在仪表等器件表面析出沉积物，沉积垢屑将磨损仪表，缩短使用寿命。
h.预防转子卡死。转子式容积流量计转子一旦卡死，液体就无法通过，因此在设计、 操作和维护时都应注意，预防转子卡死。
在设计阶段应考虑在仪表前加装过滤器，如果液体中团体较多，可分多级过滤，前级滤网目数少，后级滤网目数逐级增多。在维护时应注意过惊器的定期排放清理。如果没有停车排放的机会，可并联设置过滤器，用阀门切换轮换清理。
仪表投运时应谨慎操作，切换速度不能太快，防止热冲击对机械部件的损伤。还应防止因操作不慎引起流量计两端过大的压差，导致仪表损伤。正常的操作顺序应是先打开旁通阀(如图3.32所示)，冲走管道内可能存在的焊渣、铁锈等，然后缓慢开启上游切断阀，让仪表温度缓慢升高(如果流体是经预热的)，待温度平衡后，缓慢开大下游切断阀，最后徐徐关闭旁通阀，并注意观察流量示值，不让流量超过上限值太多。
对于锅炉等设备燃油计量用的容积式流量计，为了防止断油带来严重后果，往往采用两路供油，并分别测其流量，也可采用两台流量计并联使用。
用蒸汽冲洗管道时，禁止蒸汽通过流量计。
1.容积式流量计的缺点。容积式流量计的缺点除了上面所述转子易卡而影响通液之外， 主要还有下面几点。
·结构复杂，体积大，笨重，尤其是口径较大时，体积庞大，故一般只适用于中小口径。
·由于高温条件下零件热膨胀、变形，低温条件下材料变脆等问题，容积式流量计不适用于高低温场合，流体温度范围只能达到一30~160℃，压力最高lOMPa。
·对流体洁净程度要求高，当含有颗粒等各种固形物时，流量计上游须装滤网目数足够多的过滤器，并要经常清理，维护工作量大。
·转动部分长期运转，引起机械磨损，一般都导致计量误差增大。
·部分型式容积流量计(如椭圆齿轮式、腰轮式、旋转活塞式)在测量过程中会引起流动脉动，较大口径仪表噪声较大，甚至使管道产生振动。
②不同类型容积式仪表的特点
a.椭圆齿轮流量计。安装在计量腔内的一对相互啃合的椭圆齿轮，在流体的作用下交替相互驱动，各自绕轴旋转。齿轮与壳体之间有一新月形计量室，齿轮每转一周就排出4份固定的容积，因此由齿轮的转动次数就可计出流体流过的总量。其原理如图3.33所示o
椭圆齿轮流量计对流体的清洁度要求较高，如果被测介质过滤不清，齿轮很容易被固体异物卡死而停止测量。其另一不足之处是齿轮既作计量之用又作驱动之用，使用日久齿轮磨损后，齿轮与壳体之间所构成的新月形计量室容积相应增大，齿轮与壳体之间的间隙也相应增大(导致泄漏增大)，这两个因素都使得仪表示值偏低。在仪表超负荷运行时，磨损加速，上述情况变得更加严重。
对于高黏度液体，仪表的活动测量元件负荷增加。椭圆齿轮流量计为了减少液体在齿隙间挤压负荷，有时在齿轮上开若干沟槽卸荷(≥150mPa·s时)，大于500mPa·s时，则采用缺齿的椭圆齿轮。
b.腰轮流量计。在腰轮流量计中，由腰轮同壳体所组成的计量室和腰轮转数实现计量， 其原理如图3.34所示。
由于同计量精确度密切相关的是腰轮，而驱动由专门的驱动齿轮担任，因此，驱动齿轮的磨损不影响计量精确度。另外，根据力学关系分析，主动轮对从动轮的驱动，驱动力由驱动轮传递，两个腰轮之间无明显摩擦，所以腰轮磨损极微小，这一特点使得腰轮流量计能长期保持较高的测量精确度。
c.旋转活塞式流量计。旋转活塞式流量计工作原理如图3.35所示。其显著的特点是其最大、最小流量比相同口径的其他容积式流量计都小，如表3.10所示，主要用于各种工业炉窑燃油计量。由于结构关系，该原理仪表必须水平安装。投入使用前必须利用所设的排气螺塞进行排气，才能保证计量精确度。
d.弹性刮板式流量计。前面所述的几种容积式流量计虽然具有较高的计量精确度，但有一个共同的弱点，即要求流经流量计的介质相当清洁，介质中固体颗粒不得大于转子与壳体之间所存在的最小间隙，否则会造成流量计卡死或因磨损而误差显著增大。故要求在流量计的上游安装过滤器，过滤网的目数必须根据所采用的流量计合理选择。但在杂质量较多的场合，过滤器极易堵塞，需进行频繁的清洗，使管线无法正常输液，例如未经处理的井口原油。
弹性刮板流量计是一种结构独特的容积式流量计，其结构如图3.36所示。作为计量部件的转子和刮板与计量腔为弹性接触，刮板具有很大的回弹余地。所以，即使介质中含有较多杂质、固体粒度较大，也可正常工作，不会发生卡死和严重的磨损现象。与腰轮流量计相比，具有运行无脉动和噪声小的优点。但计量精确度不如腰轮高，一般能做到±l%R；使用氟橡胶作弹性材料时，使用温度可达130℃。
e.螺杆式流量计。螺杆式流量计也有称双螺旋流量计和双转子流量计，其典型结构如图3.37所示。它是由两个以径向螺旋线间隔套装的螺旋状转子组成，当液体从正方向流经转子时带动转子转动，转子与测量室壳体将流入的液体分割成已知体积的"液块"并排出，液体流量与转子的转数成正比。
螺杆式流量计的另一种结构如图3.38所示，其核心是一对螺旋回转子。
螺杆式流量计具有椭圆齿轮、腰轮流量计等高精确度的优点，但消除了椭圆齿轮、腰轮流量计等所固有的流量脉动和噪声大的缺点。
由于特殊设计的螺旋转子，使得转子转矩一定，等速回转，等流量，无脉动，无噪声。由于一对转子排量大，所以相同流量上限的仪表，螺杆式流量计体积小得多，重量也轻。
范围度宽，最大可达300：1。但当液体黏度很高（&100mPa?s）时，因流量上限受仪表两端压差制约，范围度有一定程度下降。
表3.11所示为典型的螺杆式流量计测量范围。
③涡轮流量计的使用
涡轮流量计在石油成品流量测量中应用得也很广，这主要是因为石油本身是良好的润滑剂，在流量测量过程中能对轴和轴承进行良好的润滑，有利于仪表的长时期可靠运转。轴和轴承经特殊设计的涡轮流量计甚至在难度较高的液化石油气流量测量中，也能获得成功应用。
·精确度高，对于液体，国内产品能做到±(0.2~0.5)%R，国外产品有的可达到±0.15%R。
·重复性好，短期重复性可达0.05%，如经常校准，可得到非常高的准确度，在定量发料、定量装桶操作中都能获得理想效果。
·输出脉冲频率信号，在与批量控制仪、流量显示表连接进行信号处理中，可基本做到不增加误差。
·范自度较宽，最大和最小流量比可达6：1~10：1，中大口径甚至可达40：10
·惯性小，响应快，时间常数为1~50ms，变化速率较低的脉动流量引入的误差可忽略 。
·结构简单、紧凑、轻巧，安装维护方便，流通能力大。如果发生故障，不影响管道内液体的输送。
·耐高压，可用于高压流体的测量。
·耐腐蚀，传感器采用耐腐蚀材料制造，能耐一般腐蚀性介质腐蚀。
·涡轮轴承与轴之间的摩擦导致磨损，使仪表准确度发生变化，所以用于贸易结算的表计须定期校准。现在有的产品采用宝石轴承和镍基碳化钨轴，使耐磨性得到根本改进，准确度可保持3~4年不变。
·一般涡轮流量计不适用于高黏度流体，随着黏度的增大，流量计测量下限值提高，范围度缩小，线性度变差。
·对流体的洁净程度要求较高，流量计前应加装过滤器，滤网目数与仪表口径有关，小口径目数多些，大口径目数少些o
c.仪表精确度与其范围度有关，这一点同容积式流量计相似。仪表的误差随相对流量变化的典型曲线如图3.39所示，即在20%~30%FS处仪表出现误差的"高峰"，其原因人们尚在讨论之中。在实际应用中，要避开误差大的区间才能获得高的精确度，因而引起范围度的缩小。在批量发料和定量装桶操作中，仪表运行在非常狭小的流量范围内，这时能得到极高的准确度。
d.仪表精确度与黏度的关系。对于同一台涡轮流量计~当所测流体的黏度变化时，其测量精确度和范围度都会有明显的变化。黏度升高，范围度缩小，误差向负方向移动，如图3.40所示。因此，黏度和温度都较高的场合不宜使用涡轮流量计。
e.材料的热膨胀引入误差的修正。当实际使用流体温度同校准时有很大差别时，就需按下式对仪表常数进行修正。
式中 K0——校准时的仪表常数， P/L；
Kt——使用时的仪表常数， P/L；
t0——准时的流体温度，℃；
t——使用时的流体温度， ℃；
βR——叶轮材料的温度膨胀系数，℃-l；
βH——壳体材料的温度膨胀系数，℃-l，
f.防止产生气穴。流体流过涡轮流量计总是有一定的压力损失，如果被测流体为易汽化的液体或干脆就处于气液平衡状态，则在流量计叶轮处很容易出现液体的部分汽化，并在叶轮的出口侧产生气穴。由于液体汽化时体积膨胀，导致仪表示值显著偏高。遇到这种情况，应设法使流量传感器出口端压力高于式(3.88)计算的最低压力。
式中 Pmin——最低压力， Pa；
Δρ——传感器最大流量时压力损失， Pa；
P0——被测液体最高使用温度时饱和蒸气压， Pa。
g.能测量双向流的涡轮流量计。这种流量计至少有两个信号检测器，流量显示仪表同这两个检测器配合能鉴别信号的相位，从而对流向作出判断。仪表分别累积"正"向流量总量、"逆"向流量总量，并计算"正""逆"向总量之差，最后予以显示。瞬时流量显示不仅有数值，而且有代表流动方向的符号。
④差压式流量计。
前面所述的容积式流量计、涡轮流量计主要是因精确度高，在油品计量中获得广泛应用，但寿命和可靠性不尽如人意，尤某是转子式容积流量计安全性不高，因此在过程控制油品流量测量中，因精确度要求不高，首先满足可靠性，常优先选择差压流量计。例如石油炼制过程中的油品流量测量，各种工业炉窑、锅炉等燃油流量测量。
差压式流量计在油品流量测量中的应用同在水流量测量中的差异主要是黏度和冷却后易堵两个问题，有些牌号的油品黏度较高，为了不使流量测量下限被抬高，常常选用喷嘴节流装置。原油、重油、渣油等被加热后才能在管道中正常输送的流体，为了防止因冷却而堵塞引压管线，常采用冲洗油隔离和干脆取消引压管线而采用带隔离膜片的法兰式差压变送器直接装在取压口上。有些测量对象，流体中杂质含量较高，标准节流装置易因固形物沉积和对锐缘的磨损而失准，常采用楔形节流件，如图3.41所示。图中的冲洗油经恒节流孔对取压口连同短管进行连续冲洗，高低压管冲洗流量近似相等，对仪表零点的影响可以忽略。这一措施一方面可防止黏稠物堵塞取压管，另一方面在流体温度很高时，可以降低与差压变送器测量头接触的流体温度。
⑤内锥式流量计。
内锥式流量计(V-Cone flowmeter)是美国MCCROMETER公司 于20世纪80年代研制推向市场的一种新型差压式流量计。其结构如图3.42所示。
由于它用悬挂于管道中央的一个锥形桶来节流，因此耐磨性好，在测量含有固体颗粒的液体时，有显著的优越性。由于流体在内锥与管壁之间所构成的环缝中流过，所以在测量温气体和饱和蒸汽时，不会积液。由于流体在由内锥与管壁所构成的环形通道中流过时，流通截面积逐渐缩小，流速加大，因而具有整流作用，所以对上游阻流件不敏感。由于它须在流量标准装置上逐台标定，而且可以将标定点误差在二次表中进行校正，所以精度可以提高。在测量气液、气固两相流方面有明显的优势。
在仪表口径较小、环形通道宽度较窄时，建议在内锥流量计前面安装过滤器，以防直径较大的固形物卡在通道内，引起示值偏高。
⑥超声流量计。
近几年来，超声流量测量技术已发展得相当成熟，价格也在降低，其突出的优势和应用领域主要体现在以下方面。
流量换能器可不与被测介质直接接触，流体的高压、含有较多杂质以及易凝固、易结晶等恶劣条件都不对流量测量构成威胁。近几年来，超声流量计应用于重油、燃油流量测量的实例逐渐多起来。
夹装式超声流量计虽然精确度不高，但安装方便，常用于流量监视和过程控制，尤其适合无停车机会的场合。还常用来作其他流量计的比对手段，即在怀疑已经装设的液体流量计失准时，将其夹装在相应的管段，同被校表进行比对。这一用途在本书第6章中作了介绍。
近几年有的公司推出的多声道超声流量计精确度达到±0.5%R。有的适用于气体，有的适用于清洁的液体，可用于贸易交接。
在超声流量计应用中，以下几方面需正确处理。
a.正确选型。超声流量计按工作原理分有传播时间法和多普勒(效应)法。前一方法己在3.2.4节作了扼要介绍，而多普勒(效应)法是利用声学多普勒原理确定流体流量的。多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动时，会引起声波在频率上的变化，这种频率变化正比于运动的目标和静止的换能器之间的相对速度。图3.43所示是多普勒流量计示意，超声换能器安装在管外，超声换能器A向流体发出频率为fA的连续超声波，经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射，散射的超声波产生多普勒频移fd，接收换能器B收到频率为fB的超声波，其值为
式中 V——散射体运动速度， m/s；
C——超声波在静止流体中的传播速度， m/s；
θ——声道角。
多普勒频移fd正比于散射体流动速度，即
移项整理得
在液体流量测量中，传播时间法超声流量计适用于洁净流体的流量测量，而多普勒超声流量计适用于固相含量较多或含有气泡的液体。
超声流量计的精确度差异很大。在传播时间法超声流量计中，大管径的带测量管的多声道流量计，精确度较高，基本误差一般可达到±(0.5~1)%R，也有高达±0.15%R，夹装式可达到±(1~3)%R。而多普勒法超声流量计一般可达到±(3~10) %FS，但当固体粒子含量基本不变时，可达±(0.5~3) %FS。
b.黏度对仪表示值的影响。式(3.91)所示的流体流速其实只是换能器声道上的流体平均流速，而人们要测量的是整个流通截面上的平均流速，由于整个截固上流速分布的不均匀，由式(3.91)测得的流速V计算平均流速时还得进行流速分布系数修正，此系数是流体雷诺数的函数。图3.44示出此修正系数同雷诺数的关系。从图中可以看出，流体在从层流向紊流过渡的区间修正系数K存在明显的突变，这对仪表示值影响较大，而且带有一定的随机性，因为当被测流体为黏度较高的油品时，黏度随温度有大幅度的变化，很难准确计算流体的雷诺数以进行恰到好处的修正。所以在流速较低、ReD&5000时，流量测量精确度难以提高，具体应用时应尽量避开这一段。
对于黏度较低的液体，这个问题却不用担心，例如常温条件下的水在DN150管道中流动，
ReD=5000所对应的流速低于0.05m/s，在流速如此低的条件下，超声流量计精确度指标原本就走得很低，所以用户不会计较。
c.注意换能器的耐温等级。换能器的耐温等级一般有低、中、高温三种，其中高温换能器适用的流体温度可达210℃，当被测流体为重油、渣油时，由于流体温度较高，换能器连同黏合剂都应选高温型。
⑦科氏力质量流量计
a.工作原理。科里奥利质量流量计(Coriolis mass flowmeter)简称科氏力质量流量计， 它是基于下述原理工作的。
当一个位于一旋转体内的质点作向心或背离旋转中心的运动时，将产生一惯性力，如图3.45所示。当质量为也的质点以匀速V在一个围绕固定点P并以角速度ω旋转的管道T内移动时，这个质量将获得两个加速度分量；其一是轴向加速度ar(向心加速度)，其量值等于ωr2，方向朝向P；其二是横向加速度at(科里奥利加速度)，其量值等于2ωv，方向如图3.45所示，与ar垂直。
为了使质点具有科里奥利加速度，需在at的方向施加一个大小等于2ωVδm的力，这个力来自管道。反向作用于管道上的反作用力就是科里奥利力Fc=2ωVδm。
从图3.45可看出，当密度为ρ的流体以恒定流速V沿图中所示的旋转管道流动时，任何一段长度为Δx的管道都将受到一个大小为ΔFc的横向科里奥利力：
式中 A——管道的内截面积。
由于质量流量δqm可表示为
由此可以看出，通过(直接或间接)测量在旋转管道中流动的流体施加的科氏力就能测得质量流量。
b.优点。科氏力质量流量计投入工业应用之后，尽管售价高，但仍以其不可替代的许多优点取代部分容积式流量计、速度式流量计、差压式流量计等，稳定地占领市场。其优点主要如下。
·直接测量质量流量，有很高的测量精确度。
·可测量流体范围广泛，包括高黏度流体、液固两相流体、含有微量气体的被气两相流体以及密度足够高的中高压气体。
·上、下游管路引起的旋涡流和非均匀流速分布对仪表性能无影响，通常不要求配置专门长度的直管段。
·流体委黏度变化对测量值影响不显著，流体密度变化对测量值影响也极微小。
·有多路输出，可同时分别输出瞬时质量流量或体积流量、流体密度、流体温度等信号。还带有若干开关量输入输出口，某些型号仪表能实现批量操作。
·有双向流量测量功能。
·零点稳定性差，影响其精确度的进一步提高。
·不能用于测量密度较低的介质，如低压气体。
·液体中含气量稍高一些就会使测量误差显著增大。
·对外界振动干扰较为敏感。
·不能用于较大管径，目前只能做到DN150~DN300。
·测量管内壁磨损、腐蚀、沉积结垢会影响测量精确度。
·压力损失大，尤其是测量饱和蒸气压较高的液体时，压损很易导致液体汽化，出现气穴，导致误差增大甚至无法测量。
d.测量管结构特点。各个制造商所设计的科氏力质量流量计的测量管形状各不相同， 可分成两类，即弯曲形和直形，设计成弯曲形是为了降低刚度，因而可比直形管管壁取得厚一些，仪表性能受磨蚀、腐蚀影响减小，但易积存气体和残渣，引起附加误差。此外，弯形管组成的传感器重量和体积都比直形管大。
直形管不易积存气体，也便于清洗。垂直安装时，流体中的固体颗粒不易沉积在管壁上。传感器尺寸小，重量轻，但刚度大，管壁相对较薄，测量值受磨蚀、腐蚀影响大。
测量管段数又有单管和双管之分。其中单管型易受外界振动干扰影响；双管型可降低外界振动干扰影响，容易实现相位的测量。
e.传感器的安装。传感器应确保安装在管道中充满被测流体的位置上，并应尽量消除或减少流体中的固体颗粒在测量管内壁沉积，否则仪表的测量性能将下降。为了做到这两点，对于使用最多的直形管和U形管，应满足表3.12所列的要求。
科氏力质量流量计的原理和结构都决定了外界振动对它会造成影响，因此流量传感器的安装场所应尽量远离大功率泵、电机等振动干扰源。
在传感器与管道的连接中，做到"无应力"是至关重要的，这对减小整机零点漂移起决定性作周。所谓"无应力"是指要力求避免或减少因安装因素造成的应力，为此，传感器的安装应采用坚固的支架，支架支撑的部位如图3.46和图3.47所示。在相连接的管道振动无法避免时， 传感器与管道之间应采用挠性连接或通过膨胀节减小振动。
传感器如需串联(或并联)使用，不但传感器之间要保持适当的距离，而且串联(或并联)传感器之间的工艺管道上应安装牢固的支架，因为传感器之间的工艺管道能将每一个传感器测量管的振动在传感器之间作不同程度的传送，从而产生一定的相互干扰，这些干扰振动会造成流量计零点不稳定，并对流量计的调整造成困难。在这种场合，也可要求制造厂错开两传感器的振动频率。
图3.48所示的配管方法，虽然流量计出口管也有2m的高度，但因此管道升高后又降低，静压被抵消，所以背压仍无保证。
图3.49所示的配管方法也是容易犯的错误。由于出口端无液封，空气易从出口窜入管道，并逐渐上升，不仅流量计背压保证不了，而且管道内不能保证充满液体，所以仪表往往无法正常工作。
流量计的使用必须满足背压要求。在测量液化的气体或热溶剂，以及有析出气体趋向的介质时，为防止汽蚀的产生，必须保证安装在管路中的传感器有足够的背压。背压是指传感器下游端口处流体的压力，一般常在距传感器下游端口3L (L为传感器长度)之内的管道处测量。最小背压指标为ρ≥AΔρ+Bp0，式中，Δp为流量计压损；ρ0为最高工作温度下介质的饱和蒸气压；A、B为系数，视流量传感器的结构及介质的性质而定，一般由实验得出。目标是避免管路系统中任何一处的压力不低于管内液体的饱和蒸气压，以防液体汽化。
直管型流量汁测量管刚度大，谐振频率高，由于上述的各种原因，当背压不足时，对测量管的振动稳定性会造成一定影响。实验表明，零流量时，流量测量管内至少要保持0.02MPa(表压)的静压力。要做到这一点，将传感器装在上升管的较低部位，而且传感器下游上升管道的高度应不低于2m(视介质密度而定)，如图3.50所示。
零漂的检查与调整零点不稳定性会对仪表输出引入系统误差。仪表零点应在初次安装或安装有所改变后进行调整，有些仪表的零点要在工作温度、压力和密度下调整。对振动管弹性温度补偿的不当可导致零点偏移误差。在仪表运行的第1个月内建议每周检查一次零点，如零点变化小，可减少检查次数。
f.仪表的开箱检验。配备流量标准装置的单位是极个别的，因此，科氏力质量流量计开箱后多采用简易的方法判别其是否正常。例如，将传感器的一端用盲板封住，另一端朝上，注满水，通电后检查变送器输出，其密度示值应接近水的密度值，流量示值应接近零。打开下端盲板，让测量管中水逐渐流出，密度显示值应下降。
g.测量精确度与范围度。大部分制造商以"量程误差加零点不稳定度"的方式表达基本误差，这是因为这种仪表零点稳定性较差。这种表达方式初看上去精确度很高，但计入零点不稳定度后，精确度并不怎么高。
零点不稳定性通常以%FS表示，也有以流量值kg/min表示，零点不稳定度一般在±(0.01~0.04)%FS之间。当流量为下限流量时，因零点不稳定性引入的误差是很可观的，所以仪表选用时，应将口径选得尽可能小一些，这样可将零点不稳定度的数值减小，提高实际得到的测量精确度，但压力损失增加。
科氏力质量流量计的范围度大部分在10：1~50：1之间，有些则高达100：1~150：1。
基本误差与范围度有关，例如Micro Motion公司D系列产品在10：1时为±0.36% R，20：1时为±0.58%R。
h.流量范围和压力损失。在科氏力质量流量计的选型计算中，压力损失是需要给予特别关注的指标，尤其是在被测流体黏度较高的情况下，仪表的压力损失比其他原理流量计高得多。如果所选定的流量计其流量测量范围能满足需要，但在需要测量的最大流量附近压损大于工艺专业允许压损，就会导致因阻力过大而影响流体输送。解决这一矛盾的方法有两个，其一是提高输送泵的扬程，这必将增加动力损耗。如无可能，只得牺牲测量精确度，将流量计口径换大。
各型号的传感器在其技术指标中，都会给出传感器的压损与流体质量流量、流体黏度之间的对应曲线图，这些压损曲线是根据理论计算与实验数据相结合而绘制的。图中所有曲线都是在介质密度为1000kg/m3的条件下得出的，而且都给出了几种黏度参数在全流量范围内的传感器压损。图3.51是流量传感器的一张典型压损曲线图。图中μ=lmPa·s相当于常温下水的黏度，μ=0.01mPa·s相当于大部分气体的黏度。这两根曲线是斜率较大的直
线，表示在图示的流量范围内，流动处于紊流状态，压损Δρ同流量qm之间基本为平方关系。μ=500mPa·s是高黏度流体，相应的曲线是斜率较小的直线，表示在图示的流量范围内，流动处于层流状态，压阵同流量之间呈线性关系。μ=25mPa·s和μ=100mPa·s是中等黏度曲线，分别由斜率不同的两段直线组成，每条折线的节点表示层流与紊流的临界流量点。
当实际介质密度不为1000kg/m3或实际秸度与图中标注秸度不相同时，就要进行换算，具体换算方法可参阅文献。
1.液固混合流的测量。科氏力质量流量计测量含有少量固体的液体流量时，一般都能取得很好的成绩，但当流体中的固体具有强磨蚀作用或为软固体时，就应按流体的特点选用合适类型的测量管。
固体含量较高或含有软固体的流体，很容易在测量管中堵塞。对于双管型测量管，测量管的内径一般不到仪表名义口径的一半，是易堵的原因之一，其次是测量管的形状，在各种形状的测量管中，直形管最不容易堵塞。另外，流体的特性也很重要，有些流体中的固形物由于外形尺寸较大，相互之间摩擦系数大，非常容易堵塞。
测量管一旦被堵塞，如果测量管形状是弯曲的，则疏通非常困难，因此最好的办法是选用直形测量管。
有文献报道，用科氏力质量流量计测量沥青石墨糊流量，也工作得很好，但缺少经长时间运行后测量管磨蚀情况数据和仪表精确度变化数据。有的文献介绍用垂直安装的直形测量管测量磨蚀作用强的流体，效果最好。
j.高黏度流体的测量。原油、重油、渣油等具有较高黏度的液体，以前大多采用容积式流量计、靶式流量计等测量流量，现在己有很多改用科氏力质量流量计，可靠性好，准确度高。流量计配以伴热保温，即使仪表为间歇使用也不致凝结堵塞。但也存在一些需注意的问题，如介质黏度较高，容易在测量管管壁上教结，形成"挂壁"现象，从而对测量管的振动频率产生影响，降低测量准确度。当工艺条件为间歇进料时，这一问题更要予以注意。"挂壁"问题主要通过管线吹扫和良好的伴热保温来解决，因此在安装时就得配置适当的清扫系统和伴热保温系统。
高黏度流量测量的另一个问题是在黏度较高时仪表压力损失大，在同一个流量条件下，黏度越高压损越大。此黏度高到一定程度就要影响流体输送，为了防止此有害情况的出现，需要监视流体温度。简单的办法是将流量计输出通道中的一个经组态用于流体温度显示报警。
伴热保温的方法常用的有电热带和蒸汽。有的文献建议不要采用电热带，因为电热带伴热易因供热过多导致传感器线圈过热，而用蒸汽伴热，因伴热管中蒸汽己进入饱和状态，在采用中低压蒸汽伴热的情况下，即使传感器箱体内温度升到与饱和蒸汽温度一样高，也不致达到烧毁线圈的温度。
k.含气液体的测量。制造商通常声称含有百分之几体积比游离气体的液体对流量示值影响不大，但其影响值无具体数据。然而有关文献提供的信息表明，液体中含有游离气体对流量示值的影响，不同设计的仪表差异很大，流体的压力、流速、黏度、气体在液体中的分布状态等不同，带来的影响也不一样。因此，最好在流量计上游加装消气器。
l.温度对流量示值的影响。流体温度和环境温度的变化都会对仪表的示值产生影响， 尽管流量计中己对测量管温度作了测量，并己对此影响作了补偿，但补偿无法做到恰到好处，这种影响是通过测量管的弹性模数起作用的。有的制造商做过温度影响试验，所以能够提出影响量指标，还有不少制造商提不出影响量指标。表3.13列出了部分产品的介质温度影响量。由于出厂检验所用介质是常温条件下的水，如果实际使用时介质温度较高，则造成的实际影响是可观的。
m.压力对流量示值的影响。早期仪表制造商的样本和使用说明书等技术文件通常声称科氏力质量流量计的流量示值不受流体温度、压力、密度和黏度变化的影响，然而使用实践证明并非如此。这种流量计因为测量精确度较高，有很大部分用于贸易交接。一根管道将交接双方连接起来，在供需双方各装一套流量计，而且往往是同一制造厂的同一型号规格产品。由于输送距离较远，流体的温度、压力、密度、黏度等参数都会有一定变化，于是引发计量差量，制造厂处于非常被动的地位，只得投入人力、财力作进一步研究，并收到一定效果。例如Micro Motion公司在其新的样本中对其不同型号的产品的流体静压影响作了表述。表3.13所列是部分产品介质压力变化影响和介质温度变化影响。由于出厂检验时所用的压力是O.1~0.2MPa，所以在实际使用压力较高时，造成的实际影响也是可观的。对压力影响进行补偿的常用方法有两个。一是在线补偿，适用于流量变送器中带有压力补偿功能的产品，另装一台压力变送器，并将信号送入流量转换器，然后在转换器组态时指定补偿功能和压力信号对应的上下限压力值。另一方法是离线补偿，适用于压力较稳定的对象，从常用压力值计算出流量校正值，然后在转换器组态中将流量标定系数予以校正。温度变化因其影响值是正负双向，还不能予以校正。
n.密度对流量示值的影响。流体密度变化对流量示值的影响虽不很大，但在精密计量中仍需引起注意。Danfoss公司对自己的科氏力质量流量计产品所做的试验也证明存在密度影响。10mm口径仪表，介质密度为2kg/L的流量示值与1kg/L相比，相差-0.1%；0.5kg/L介质与1kg/L相比，相差+0.06%。
对密度影响进行补偿的前提条件是制造商提供密度影响量的数据，其次是掌握具体测量对象的流体密度，然后计算校正值予以校正。
o.密度输出信号用于判断流体品质或类别。经科氏力质量流量计测量的流体有时品质会发生变化，这种品质的变化往往表现为流体密度的变化，于是利用流量计的密度测量功能同具有逻辑判断功能的显示、控制仪表(计算机)配合，可对此品质进行监视。例如待测流体存放在储罐中，料液和料中所含水分在罐中分层，罐中料液经流量计计量发往另一设备或工序时，在料被即将抽尽前，先是料液和水的过渡层进入流量计，这时仪表的密度示值会有明显变化，从而关闭阀门，确保料液品质。
p.在液体双组分流测量中的应用。对于互不相溶的双组分液体，设ρ、ρ1、ρ2分别为双组分流体的密度及两种组分各自的密度；X1、X2分别为两组分的体积流量百分含量；r1、r2分别为两种组分的质量流量百分含量。于是
实际应用中，ρ值可由质量流量计测得，ρ1、ρ2是已知的或经化验可得到的。于是可导出
设双组分流体的总质量流量为qm，两种组分的质量流量分别为qml和qm2，则
qm1=qmr1 （3.99）
q.水锤现象及对策。在批量操作过程中，若调节阀安装在流量计下游，这时要注意防止当阀门快速切断时在管路中出现强烈的"液压撞击"(即"水锤")现象，以免损坏流量计或影响流量计的正常工作。这一情况在科氏力质量流量计中尤为突出，因为液体在测量管中流过时流速高，因而具有很高的动能。为此，流量计下游阀门的设置应有分段(多级)关闭能力，避免下游阀门突然关闭时，造成"水锤"现象。
r.密度切除功能的应用。密度切除功能是科氏力质量流量计所特有的功能，利用这一功能可以有效地防止"虚量"，确保流量的准确性。
所谓密度切除功能就是根据具体被测流体可能达到的密度范围，确定密度下限值和上限值，当测量管内被测介质的密度不在这个范围之内时，变送器就"认为"被测介质流动异常而置流量输出为零。例如，某种轻质油在工况下的密度为O.85kg/L，工况变化造成的介质密度正常波动范围为±O.05kg/L，这样可将密度测量范围设定在O.75~O.95 kg/L。这样的设定既可保证在测量管内充满介质时流量计有正确的输出，又可有效地防止易汽化的介质在停输时来国涌动而产生错误的流量指示。
s.典型故障及其处理。下面是文献提供的几个实例，有启发和参考价值。
例1某公路发油站采用科氏力质量流量计作为定量控制计量表，在给汽车槽车发油的过程中常出现忽多忽少的现象，但流量计的检定结果是合格的。经过现场仔细的分析后发现，位于流量计下游的电磁阀的快速关闭造成了强烈的流体液压撞击，对传感器工作的影响很大。若将流量计和电磁阀换位(即让电磁阀在前，流量计在后)，就隔断了电磁阀关闭对流量计的影响，从而使流量计的工作情况恢复正常。
例2某台科氏力质量流量计在使用过程中经常出现虚计量现象，即管道中没有流量时，流量计的累积数会发生变化。经过现场仔细检查后发现，传感器两端的安装支撑不符合要求，一是两端支撑不等距，二是支撑的底部与地面悬空，没有牢固连接。在采取措施使传感器两端支撑的安装符合要求后，流量计计量情况恢复正常。
例3某台科氏力质量流量计测量液化石油气，其正常密度在0.52~0.56kg/L之间，但在测量过程中，时常出现密度显示值低于0.5kg/L。此时，即使管道中无流体流过，流量计也可能出现正负方向虚流量，累积值有增有减。造成这种现象的主要原因是流量计背压不足，液化气汽化，介质气液两相比例超过了规定范围，以致不符合流量计正常使用的要求。目前解决的办法一般有两个：一是提高工艺管线的压力及流量计的背压，避免工艺介质产生汽化；二是采用小流量、低密度切除功能，即让流量计在低于指定的流量时不进行计量，或利用科氏力质量流量计具有能根据被测介质的密度范围进行选择计量的功能，使流量计在介质密度低于某一范围时不进行计量。
例4某台科氏力质量流量计在运行期间，其计量值与油罐检测计量结果偏差较大。经检查发现，传感器安装位置与泵房距离太近，当两台泵同时工作时，振动过大，影响了传感器的稳定工作。当将传感器移到远离振源的地方以后，情况恢复了正常。
例5某台科氏力质量流量计测量90#汽油，当流量上升到60t/h以上时，流量计显示的密度值为1~3g/cm3并显示"Dens Overing"、"Sensor Error"故障指示，一旦流量降下来后，一切又恢复正常。经过现场仔细检查，认为传感器的安装以及现场应用环境等均没有问题。在将流量计拆回检定过程中发现，传感器"Y"型流量分配器的入口处卡进了两块鹅卵石，估计是由工艺管线施工时带进的，取出后，流量计检定合格，现场使用良好。
由上述实例可见，正确的安装、合理的工艺管线配置、良好的应用环境等对质量流量计的正常工作是十分重要的。
3 (易蒸发)高饱和蒸气压液体流量的测量
本文以液氨为例讨论乙烯、丙烯、氯乙烯等高饱和蒸气压液体流量的测量。
液氮流量测量同前面讨论过的水流量测量、油流量测量有以下两个重大的差别。一是液氨的饱和蒸气压高，在标准大气压条件下，其沸点为-33.4℃，因此必须在压力条件下输送和储存。二是这种流体的流量测量中容易因仪表的压力损失而在流量计的出口处产生气穴和伴随而来的汽蚀现象，引起流量计示值偏高和流量一次装置受损。液态乙烯、丙烯等流量测量中遇到的情况也相同。本文分析液氨流量测量中遇到的问题及其处理方法，对其他饱和蒸气压较高液体的流量测量也有参考价值。
（1)液氨流量测量的特点
①储存在储槽中液氨的气液分界面处一般处于气液平衡状态。图3.52所示为氨厂入库液氮流量测量的典型流程。来自氨冷凝器的合成气、气态氨、液态氨混合物在氨分离器中进行分离，液氮经流量计和液位调节阀送低压氨中间槽。显然图中氨分离器和中间槽的气液分界面处，气液两相均处于平衡状态。
液氨流量测量应尽量避免出现两相流。然而接近气液平衡状态的液氨，在流过流量计时，如果压头损失较大，则很容易引起部分汽化，影响测量精确度。
②流体密度的温度系数较大。从液氨的ρ=?（t)函数表可知，在常温条件下，液氮温度每变化1℃，其密度变化0.2%以上。因此，液氨计量必须进行温度补偿。
③精确度要求高。原化工部有关文件要求，液氨计量应达到1级精确度。如果不采取有效措施，是很难达到这个要求的。
④流体易燃易爆。仪表选型时应选用防爆型仪表，仪表安装、使用和维修中，都应遵守防爆规程。
⑤被测介质有腐蚀性。氨对铜等材料有强烈的腐蚀作用，因此，仪表与被测介质直接
接触的部分应能耐受氨的腐蚀，仪表的电子学部分应有IP67及以上的防护能力，以防周围环境中腐蚀性气体对电子学部分的气体腐蚀。
(2)气穴和汽蚀及防止流体汽化问题
在液体流动的管路中，如果某一区域的压力降低到液体饱和蒸气压力之下，那么在这个区域内液体将会产生气泡，这种气泡聚集在低压区域附近，就会形成气穴，发生气穴现象。在装有透明管道的试验装置上，能观察到气穴的存在，它表现为在管道内一个基本不变的区域出现一个气团。
在水流管路中，这种气泡所包含的主要是水蒸气，但是由于水中溶解有一定量的气体，所以气泡中还夹带有少量从水中析出的气体。这种气泡随着水流达到压强高的区域时，气泡中的蒸气会重新凝结为液体，此时气泡会变形破裂，四周液体流向气泡中心，发生剧烈的撞击，压力急剧增高，其值可达几百个大气压，不断破裂的气泡会使流道壁面的材料受到不断的冲击，从而使材料受到侵蚀。如果管路上装有流量计，则汽蚀现象将引起测量误差增大，并能损坏一次装置。气泡从形成、增长、破裂以及造成材料侵蚀的整个过程就称为汽蚀现象。
汽蚀现象与热力学中的沸腾现象有所不同，两者虽然都有气泡产生，但是汽蚀起因是由于压强降低，而沸腾则是由于温度升高。
液氨同其他饱和蒸气压较高的流体一样，在流量测量中，流量一次装置内或出口端极易出现气穴现象。
处于汽液平衡状态的流体，在温度升高或压力降低时，必然有部分液体发生相变。例如液氨在10℃条件下，平衡压力为O.595lMPa，如果将压力降低一些(例如将液氨中间槽中的气态氨排掉一些)，必然引起一定数量的液氨汽化，升腾到气相中。由于这一蒸发过程是从液相中吸取汽化热，所以汽化现象发生的同时，液相温度下降，一直降低到与槽中新的压力相对应的平衡温度。
同样，如果为槽中的气相提供一定的冷量，则有一部分气态氨变成液态氨，槽中气相压力相应下降。
处于汽液平衡状态的氨，在输送过程中，如果温度不变而将其压力升高(例如用泵加压)，或者压力不变而将其温度降低(例如用冷却器将液氨冷却)，则液氨进入过冷状态。
处于过冷状态的液氨，如果压力降低一些，只要不低矛当时液氮温度相对应的平衡压力，液氨不会出现汽化现象。
液氨储槽或中间槽总有一定高度，在稳态情况下，处于汽液平衡状态的液氮，仅仅是气液两相分界面处的那一部分，如果槽中无冷却管之类的附件，槽中液体的温度可看作是均匀一致的。因此，分界面以下液位深处的液氨，由于液柱的作用使静压升高，所以进入过冷状态。离分界面越远，液氮过冷深度越深。
为了避免液氮流量测量时出现汽化现象，选用下面的设计和安装方法将是有效的。
①选用压力损失较小的仪表。例如有一液氨流量测量对象的最大流量为40m3/h，选用DN50涡街流量计时的最大压力损失为0.02MPa，比选用DN50涡轮流量计的压力损失(为0.025MPa)小。
②合理选择安装位置。流量传感器安装位置应选择在槽的底部出口管道上。在保证直管段的前提下，与槽的出口处应尽量近些。这样，液氨在输送过程中，可减少经输送管道从大气中吸收热量。同时，安装位置应尽量低些，这样可提高过冷深度。
③将调节阀安装在流量计后面。图3.52所示的流程中，氨中间槽与氨分离器之间有较大压差，此压差绝大部分降落在调节阀上。液氨流过此阀时，压力突然降低，一定数量的液体汽化，从而出现气液两相流。为了避免流过流量计的流体中存在两相流，节流阀必须装在流量计下游。如果氨分离器的液相出口配有切断阀，则正常测量时必须将切断阀开足。在现场曾经发生过切断阀逐渐关小的同时，流量计示值不仅不下降反而大幅度升高的情况，就是因为切断阀关小时，液氨迅速汽化，体积膨胀数十倍到数百倍，从而使输出与体积流量成正比的速度式流量计输出突然升高，出现短时间的虚假指示。
④提高过冷深度。横河电机公司提出了该公司生产的YF100型涡街流量计压力损失和不发生气穴现象的管道压力计算公式，即
式中 Δρ——压力损失， MPa；
ρ——液体的密度， kg/m3；
V——流速， m/s；
p——最低管道压力(绝对压力)， MPa；
ρ——流体的饱和蒸气压(绝对压力)， MPa。
如果能满足式(3.102)的要求，肯定能不产生气穴，但是在使用现场往往满足不了这一要求，幸运的是该公式的第二项提供了解决问题的另一个方法，即降低液体的饱和蒸气压。从前面分析可知，对于一种确定的液体，其饱和蒸气压ρ0是其温度的函数，温度越低P0越低。液氮在进流量计前，经适度冷却，使温度降低，从而如降低，这样，尽管流量计进口压力不变，也能收到不产生气穴的效果。
冷却进流量计的液氮在氨厂不是一件难事，只要将流量计前一定长度的管道改为夹套管，并引入少量的液氨经节流膨胀，汽化后的氨温度降低，为管中的液氨提供冷量，汽化后的氨放出冷量后进回收系统。流程示意如图3.53所示。
(3)仪表的选型与使用
①涡轮流量计。在液氨流量测量中，涡轮流量计使用最为广泛，在3.3.2节的油品流量测量中涡轮流量计表现出来的优点，在液氨流量测量中也都具有。尤其是其优越的重复性为提高计量精确度奠定了基础。液氨极为纯净，流量计前不一定要装过滤器。但是其轴承材质的选择很值得研究，有很多氨厂使用国产涡轮流量计，其轴承为改性石墨，据报道效果不佳，原因是液氨对政性石墨有侵蚀性，影响使用寿命。近几年来从国外引进的配有硬质合金轴和宝石轴承的涡轮流量计，既耐一般介质的侵蚀和腐蚀，又耐磨，在容易汽化的液体中使用效果很好。
涡轮流量计的美中不足仍然是轴承的寿命，石墨轴承的正常寿命可达2年，宝石轴承寿命更长些。彻底解决这一薄弱环节的方法是改用涡街流量计。
②涡街流量计。涡街流量计完全没有可动部件，液氨对旋涡发生体也无磨损，因此，可以说其寿命是无限的。除此之外，它还有下列优点：结构简单牢固，安装维护方便；精确度较高，测量液体时，一般可达±(0.5~1.0)%R，无零点漂移；范围度宽，合理选择仪表口径，范围度可达20：1；压损小。
在一定雷诺数范围内，输出频率信号不受流体物性(密度、黏度)和组分的影响，即流量系数仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸有关，只需在一种典型介质(通常为水)中校验而适用于各种介质。
其局限性是不适用低雷诺数测量(ReD应大于2×104)，所以高黏度、低流速的测量对象不宜选用。
③容积式流量计。有些饱和蒸气压力较高的流体也有容积式流量计成功应用的实例，老式的容积式流量计只能计工作状态下的体积总量。带电脉冲(频率)信号输出的新式容积式流量计与显示仪表配合，不但可计体积总量和瞬时流量，也可进行流体温度补偿。
④科氏力质量流量计。用科氏力质量流量计测量高蒸气压流体流量选用时应谨慎，因为科氏力质量流量计测量管内流速高，压损大，过冷深度不足的液体流过仪表测量管时极易产生汽化而不能工作。
(4)流量传感器非线性误差的修正
图3.54是某台涡轮流量传感器在全量程范围内的误差曲线，其最大误差不大于±0.5%。该流量传感器在出厂检验时通过实流(一般为水)校准，确定各规定校验点流量系数，然后取各流量系数中数值最大和最小的两个值算术平均数作为该台仪表的仪表常数，因此，所谓误差就是各校验点流量系数相对于仪表常数之间的相对误差。传统的流量显示仪表接收传感器送
来的频率信号fi，然后按下式计算体积流量。
式中 qv——体积流量， m3/h；
fi——传感器输出的频率信号， P/S
Km——传感器平均流量系数(仪表常数)， P/L。
这样，在被测流体的黏度和密度同校准时的流体相近，安装也合理正确时，测量系统能得到±0.5%R的准确度(忽略流量显示表的误差)，其误差主要来自流量传感器。
其实在流量全量程范围内都用一个流量系数是不合理的，因为客观上一台流量传感器在不同瞬时流量时，其流量系数也不同，如果能将流量传感器校准时各校验点所对应的流量系数置入仪表，然后用查表和线性插值的方法计算流量系数，并进一步计算瞬时流量，那么各点的误差即得到校正，最后只剩下重复性误差，从而使系统精确度大大提高。
在智能化流量显示仪表或DCS中，上述校正通常是用折线方法完成，折线段数一般取9或15段，折线的横坐标为瞬时流量，其纵坐标为校正系数Ka。当流量显示仪的功能指栏选中"进行校正"时，式(3.103)变为
式中 K——流量系数校正系数。
式中 Ki——各点实际流量系数， P/L 。
Kα随qv变化的关系通常用对照表给出，由于Kα和qv都是未知数，因此求Ka和qv是一个迭代的过程。图3.55所示为某型号流量演算器实际使用的传感器误差校正计算程序框图。
工业用流量传感器出厂校准时，校验点一般只取5个，用这些数据只能组成4段折线。用4段折线来代表一根完整的Ki=f(qv)曲线，实践表明是不够理想的。如有必要可在仪表订货时要求仪表制造厂适当增加校验点，这些校验点的选取应能覆盖具体测量对象的测量上限，在流量常用点附近和流量系数变化较大的区间，校验点可取得密一些。表3.14所示为一台涡轮流量传感器的校验点流量值qv、流量系数Ki、仪表常数Km、误差、流量系数校正系数Ka对照表。
(5)液氨密度的温度补偿
①温度补偿模型的建立。用户要求液氨以质量流量计量，而涡轮流量计、涡街流量计等给出的仅仅是体积流量，即
qv = 3.6fi/kt
式中 qv——体积流量， m3/h ；
fi——流量传感器输出频率， P/s ；
Kt——流量传感器在流体温度为t条件下的流量系数， P/L。
由质量流量与体积流量的关系知
式中 qm——质量流量， kg/h；
ρf——工作状态下流体密度， kg/m3。
而液氨密度又是温度的函数，即ρ= f（t）。
液氨密度随温度变化的关系，在理化手册中一般都用表格的形式描述，在二次表中直接使用这种表格较麻烦，所以一般都将此表格回归成表达式的形式。
由于液氮的ρ= f（t）函数并非直线，所以如果用一次关系式去拟合，在不同的温度段，就必须使用不同的系数和常数，使用起来很不方便。在早期的二次仪表中，只能作一次关系式运算的情况下，实属不得已而为之。
现在的流量二次表运算功能已经相当丰富，将二次多项式的系数和常数项填入菜单并置入仪表，己是举手之劳。所以，用一般二次多项式去描述ρ= f （t）的关系，不仅使用方便，而且精确度也高。
式中 t——液氮温度， ℃；
td——液氨参考温度，℃；
ρd——与td对应的液氨密度， kg/m3；
μl——液体一次补偿系数， l0-2 ℃；
μ2一一液体二次补偿系数， 10-6 ℃-2。
下面举例说明从表格形式变换到二次表达式的方法。
实现从表格形式到二次表达式的变换，可以用线性回归方法，但若手头没有现成的回归程序，则可列出二元一次方程组手算，后一种方法既不复杂，而且得到的表达式精确度也不低。例如有一液氨流量对象，流体常用温度为5℃，常年可能出现的最低温度和最高温度分别为-5℃和15℃，从手册中查到这三个温度条件下的液氧密度，如表3.15所示。
如图3.56，选td=5℃，则ρd = 631.7kg/m3，将这段曲线的两个端点的温度和密度数据，以及td、ρd数据代入式（3.107)得到下面的方程组。
解此方程组得μ1=-O.21925
μ2=-3.95757
其中μl为一次项系数，μ2为二次项系数。于是式(3.107)就具体化为
经验证，这一求解结果与表3.15中所列的三点ρ= f(t)数据完全吻合，而与曲线两端点之间的其他点数据比较，最大误差为±0.01%，所以是可以使用的。
②流体温度补偿的实施。流体温度补偿的数学模型建立之后，在流量显示仪或DCS中实现补偿实质上是将数学模型写入仪表或DCS，其中参考温度(流体常用温度)td以及td所对应的密度ρd作为常数写入仪表。流体实际温度t为自变量，是仪表输入信号，仪表运行后，每一个计算周期将t代入式(3.107)计算一次ρ，进而计算质量流量。
③测量元件的选型。由于液氨密度的温度系数绝对值较大，相应的补偿量也较大，所以，测温元件最好选精确度较高的A级Ptl00铅热电阻，在t= 15℃时，其误差限为0.18℃。典型的流量二次表在300℃以下时最大误差为±O.3℃，用方和根的方法合成后， 测温系统最大误差为±0.35℃，由此给流量测量带来的不确定度δρ/ρ约为±0.08%。
铂热电阻的结构选择应考虑易燃易爆环境和被测介质的低温可能导致测温套管内结冷凝水，因此可选用隔爆型铠装结构。
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