紀(jì) 綱，武因超

(1.上海同欣自動(dòng)化儀表有限公司，上海 200070；2.南京化學(xué)工業(yè)園公用事業(yè)有限責(zé)任公司,江蘇 南京 210047)

0 引言

流量儀表在國民經(jīng)濟(jì)的多個(gè)領(lǐng)域和人民生活中扮演重要角色。

流量測量是溫度、壓力、流量、液位四大參數(shù)測量中難度高、有待解決問題多的一類測量?，F(xiàn)在投向市場的流量測量儀表據(jù)稱超過100種，而且每年都有新型的流量計(jì)問世，但是仍有一些測量任務(wù)難以解決[1]，主要原因如下。

①被測介質(zhì)種類繁多，物理化學(xué)性質(zhì)極其復(fù)雜。其中液體的凝固、結(jié)晶、氣化、結(jié)垢、磨蝕、堵塞、高黏度，氣體的冷凝、組分隨時(shí)間而變化，腐蝕性介質(zhì)對(duì)儀表的化學(xué)腐蝕、介質(zhì)與電磁流量計(jì)電極的化學(xué)反應(yīng)等，一直困擾著儀表工作者。

②介質(zhì)臟污、沉積會(huì)污染檢測件，使流量測量結(jié)果產(chǎn)生漂移，甚至完全無法工作。

③被測介質(zhì)的狀態(tài)變化范圍寬廣，高壓、高溫、低靜壓、極低溫等對(duì)流量測量造成極大的困難。

④多相流測量對(duì)象，例如氣液、液固、氣固及氣液固多相流，流量測量難度極高，其中只有小部分測量難題得到解決。

⑤大流量和微小流量測量。大到江水流量，小到滴注液流。

⑥現(xiàn)場環(huán)境條件惡劣，使流量儀表難以適應(yīng)。

⑦流動(dòng)脈動(dòng)對(duì)大多數(shù)流量測量儀表產(chǎn)生影響，使誤差增大。這些誤差有些很容易被預(yù)測和感知，而另一些卻很難察覺。

1 我國流量儀表的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

1.1 發(fā)展歷程

早在20世紀(jì)30年代，我國已建立有私營小型流量儀表廠，最早是從流量儀表修配開始，后來發(fā)展到制造旋翼式水表、差壓流量計(jì)等，其余流量儀表全靠進(jìn)口。

新中國成立以后，上海一些儀表制造廠開始仿制國外流量計(jì)，形成了一定的生產(chǎn)能力，主要產(chǎn)品有橢圓齒輪流量計(jì)、差壓流量計(jì)等。從20世紀(jì)50年代末到20世紀(jì)60年代，在原第一機(jī)械工業(yè)部的組織下，我國依靠自己的力量相繼研發(fā)了玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)(浮子式流量計(jì))、電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)等。從20世紀(jì)70年代到20世紀(jì)80年代，北京化工研究院、重慶工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所、上海自動(dòng)化儀表九廠等先后研發(fā)了熱式質(zhì)量流量計(jì)、渦街流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)、超聲流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì)、刮板流量計(jì)、遠(yuǎn)傳轉(zhuǎn)子流量計(jì)等流量儀表。20世紀(jì)90年代以后，民營企業(yè)加入到了流量儀表制造的隊(duì)伍，而且開發(fā)新產(chǎn)品的熱情特別高漲。多家單位推出了科里奧利質(zhì)量流量計(jì)、雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)、液體多聲道超聲流量計(jì)、帶溫度壓力補(bǔ)償?shù)囊惑w化流量計(jì)等。

1.2 現(xiàn)狀

①民企、中外合資企業(yè)和外企唱主角。

我國改革開放后，社會(huì)生產(chǎn)力得到大提升，人們的思想得到了大解放，民營企業(yè)得到了大發(fā)展。在所有制方面，國家對(duì)儀表類產(chǎn)品實(shí)行開放政策，國內(nèi)流量儀表生產(chǎn)企業(yè)從原來的國企和集體所有制企業(yè)向民企轉(zhuǎn)化，因此民企數(shù)量迅速增加。另外，受中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展和龐大的市場吸引，國外流量儀表制造企業(yè)紛紛在中國大陸成立獨(dú)資企業(yè)，形成現(xiàn)在的民企、中外合資企業(yè)和外商獨(dú)資企業(yè)唱主角的局面。其中，民企大多生產(chǎn)中低端產(chǎn)品，而外企生產(chǎn)技術(shù)含量高、附加值高的高端產(chǎn)品。有專家估計(jì)，中國現(xiàn)有流量儀表生產(chǎn)企業(yè)有600余家。

②新型流量計(jì)高歌猛進(jìn)，傳統(tǒng)流量計(jì)穩(wěn)中有進(jìn)。

封閉管道通用流量測量儀表一般分為九大類，其中差壓式、容積式、浮子式、渦輪式稱為傳統(tǒng)流量計(jì)，投入工業(yè)應(yīng)用已達(dá)半個(gè)多世紀(jì)。其余為新技術(shù)流量計(jì)[1-2]。

近年來，新技術(shù)流量計(jì)發(fā)展迅猛，精確度提高，功能增強(qiáng)，適用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，市場占有率也逐年提升。其中，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)用來測氣體時(shí)，原來只能測量工況條件下密度大于一定限值的氣體。經(jīng)過多年研究，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)消除了這一限值，只要質(zhì)量流量在可測范圍之內(nèi)，就能測量。

與此同時(shí)，傳統(tǒng)流量計(jì)也并非無所作為，例如已有一百多年歷史的標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計(jì)，從1991年發(fā)布ISO 5167：1991(E)以來，得到了進(jìn)一步的研究。2003年發(fā)布的ISO 5167：2003(E)，只要雷諾數(shù)≥4 000，就能使流量系數(shù)不確定度達(dá)到0.5%[3-4]，而且可膨脹性系數(shù)模型精確度也進(jìn)一步提高。而差壓裝置與多變量變送器結(jié)合，更使差壓式流量計(jì)技術(shù)水平得到了提升。

傳統(tǒng)流量計(jì)的發(fā)展使其守住了陣地，市場占有率雖有所下滑，但每年絕對(duì)銷量并無明顯變化[5]。

③ 軟技術(shù)向流量測量儀表全面滲透。

半個(gè)世紀(jì)前的流量計(jì)全部靠硬件解決問題，流量計(jì)均為純機(jī)械式或機(jī)電式。

微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展大大推動(dòng)了流量測量儀表的發(fā)展。20世紀(jì)50年代的差壓計(jì)是純機(jī)械式的，精確度等級(jí)只能做到1.5級(jí)[6]，校驗(yàn)這些差壓計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)器只有0.5級(jí)。軟件技術(shù)進(jìn)入流量計(jì)后，與其他先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，將差壓變送器精確度等級(jí)提高到0.055級(jí)和0.04級(jí)。

再例如渦街流量計(jì)，耐振是其必須應(yīng)對(duì)的大問題。在引入軟件處理方法之前，耐振指標(biāo)連一倍加速度都很困難；引入軟件處理技術(shù)后，耐振指標(biāo)可達(dá)兩倍加速度[7]。

④ 產(chǎn)品品種進(jìn)一步向深度和廣度發(fā)展。

封閉管道通用流量測量儀表的研發(fā)，一般都是從中等口徑規(guī)格開始，然后向大口徑、小口徑延伸，以滿足各類測量對(duì)象的需要。因此，配齊大流量大口徑和小流量小口徑流量計(jì)是向廣度發(fā)展的一個(gè)標(biāo)志。

現(xiàn)在新型流量儀表都有了小流量小口徑儀表，例如科里奧利質(zhì)量流量計(jì)口徑小到0.25～1 mm(如美國Micro Motion流量計(jì))，滿度流量可達(dá)3.33 g/min；因?yàn)槁暢烫?，超聲流量?jì)的口徑小于20 mm以前很難實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在最小口徑可做到1 mm，流量范圍為5～100 mL/min。

2 我國流量儀表發(fā)展存在的問題

我國流量儀表發(fā)展主要存在四個(gè)方面的問題。

①發(fā)展處于初級(jí)階段，競爭無序。

我國流量儀表行業(yè)從所有制性質(zhì)來看，是國企、民企、中外合資企業(yè)和外商獨(dú)資企業(yè)共存的局面。本土企業(yè)現(xiàn)在幾乎能生產(chǎn)發(fā)達(dá)國家企業(yè)所能生產(chǎn)的產(chǎn)品，其中民企主要生產(chǎn)中、低端產(chǎn)品，而高端市場基本上被國外品牌占據(jù)。

在全部的600余家企業(yè)中，民企占絕大多數(shù)，而大多數(shù)民企技術(shù)力量相對(duì)薄弱，研發(fā)投入不多，產(chǎn)品低水平重復(fù)、競爭無序，具有發(fā)展初級(jí)階段的特征。有專家認(rèn)為，這種局面處于新興市場的不穩(wěn)定狀態(tài)，需要經(jīng)過市場的幾輪淘汰，企業(yè)才能確定在流量儀表生產(chǎn)行業(yè)中的地位和在市場的份額。

②自主創(chuàng)新能力不夠。

在競爭激烈的國內(nèi)流量儀表市場中，有一部分素質(zhì)較好、經(jīng)濟(jì)技術(shù)實(shí)力雄厚、產(chǎn)品研發(fā)能力較強(qiáng)的企業(yè)，根據(jù)市場需要，腳踏實(shí)地不懈努力，開發(fā)出具有一定特色、技術(shù)水平較高的產(chǎn)品，并不斷改進(jìn)、優(yōu)化，受到用戶的歡迎。上海維思儀器儀表有限公司的多聲道超聲流量計(jì)就是一個(gè)典型案例。但就產(chǎn)品研發(fā)而言，國內(nèi)流量儀表行業(yè)現(xiàn)在仍然處于自發(fā)狀態(tài)，沒有一個(gè)強(qiáng)有力的研發(fā)機(jī)構(gòu)帶頭，也沒有一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃指導(dǎo)，全憑各個(gè)企業(yè)艱難地跟在發(fā)達(dá)國家著名品牌先進(jìn)技術(shù)的后面追趕。而研發(fā)經(jīng)費(fèi)投入不足，也嚴(yán)重阻礙國內(nèi)流量儀表行業(yè)技術(shù)水平的迅速提高、趕超國際先進(jìn)水平。

一個(gè)典型的例子是渦街流量傳感器。中國現(xiàn)在自主品牌渦街流量計(jì)廠家有幾十家，其中有兩個(gè)品牌掌握了軟件技術(shù)，上限流速能達(dá)到國際先進(jìn)水平(75～80 m/s)，耐振性能也很好，其余品牌都停留在較低水平，流速高于40 m/s就會(huì)出現(xiàn)“漏脈沖”現(xiàn)象[8-9]。

③個(gè)別企業(yè)誠信不夠。

在競爭激烈的國內(nèi)流量儀表市場中，各類企業(yè)都使出了渾身解數(shù)，絕大多數(shù)企業(yè)都以優(yōu)良的品質(zhì)、豐富的功能、先進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)和合理的價(jià)格贏得用戶的信任。但也有個(gè)別企業(yè)不是在提高質(zhì)量上下功夫，而是靠夸大不實(shí)宣傳忽悠用戶，甚至捏造部分?jǐn)?shù)據(jù)，欺騙用戶。一個(gè)典型案例是關(guān)于差壓式流量計(jì)的。

此類廠商的不實(shí)宣傳慣用手法主要表現(xiàn)在以下幾方面。一是毫無根據(jù)地杜撰技術(shù)指標(biāo)，所提供的技術(shù)指標(biāo)既無理論依據(jù)，也無試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。二是偷換概念，混淆視聽，忽悠用戶。例如混淆引用誤差與示值誤差的概念；用傳感器的不確定度代替流量測量系統(tǒng)不確定度；用3倍量程比的不確定度代替10倍量程比的不確定度等。等到用戶在實(shí)際使用后發(fā)現(xiàn)問題，已造成損失。因此，用戶在聽了有關(guān)廠商宣傳后，要增強(qiáng)自我保護(hù)意識(shí)，一定要仔細(xì)分析或向有經(jīng)驗(yàn)的人員咨詢，并簽訂詳細(xì)的技術(shù)協(xié)議。

④對(duì)流量儀表應(yīng)用技術(shù)研究和普及不夠。

流量測量技術(shù)復(fù)雜，流量計(jì)種類繁多，要做到合理選型、合理安裝、正確調(diào)試投運(yùn)以及正確維護(hù)不是一件容易的事。

流量計(jì)能得到廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)是制造廠提供的產(chǎn)品要性能優(yōu)良、可靠性高，能滿足測量任務(wù)的需要。要做到這一點(diǎn)非常不容易。于是研發(fā)機(jī)構(gòu)和制造廠千方百計(jì)改進(jìn)原有產(chǎn)品，并推出新產(chǎn)品。

制造廠應(yīng)重視產(chǎn)品的現(xiàn)場應(yīng)用，避免產(chǎn)品經(jīng)不起現(xiàn)場考驗(yàn)。舉一個(gè)例子。在電廠大型鍋爐的供水管道上，都配有供水流量計(jì)，大多采用標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計(jì)。差壓裝置安裝在水平管道上，配有三對(duì)取壓口，主要用于聯(lián)鎖保護(hù)和控制。儀表投運(yùn)后普遍存在一個(gè)問題，即朝天的一對(duì)取壓口輸出的差壓值越來越小。究其原因是取壓口被錯(cuò)誤地設(shè)置在水平線上方，不符合規(guī)程。因?yàn)殄仩t進(jìn)水中總是溶解有一定量的永久性氣體，流水撞擊在節(jié)流件上，有時(shí)會(huì)析出微量氣體，鉆進(jìn)正端取壓口，氣體積累多了之后，使得取壓口輸出的差壓值變小。正確的做法是將這對(duì)取壓口移到水平線下方。所以差壓裝置設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)產(chǎn)品的現(xiàn)場安裝以及被測流體的物性有足夠的認(rèn)識(shí)。據(jù)說日本有些儀表公司的產(chǎn)品開發(fā)工程師和現(xiàn)場應(yīng)用工程師，每幾年輪換一次。這樣，工程師們的經(jīng)驗(yàn)會(huì)更趨全面，避免閉門造車，脫離實(shí)際。三對(duì)取壓口在節(jié)流裝置上的分布如圖1所示。

圖1 三對(duì)取壓口在節(jié)流裝置上的分布圖

其次，用戶、設(shè)計(jì)院、制造廠都要開展流量測量儀表的應(yīng)用研究，研究流量儀表使用中碰到的問題并找到解決方法，從而合理選型。

流量測量儀表是一種嚴(yán)重依賴現(xiàn)場安裝的儀表。由于流量測量儀表種類繁多，技術(shù)復(fù)雜，與復(fù)雜多變的測量對(duì)象配合，難度很高。這就使得世界一流制造商所提供的一流品質(zhì)的流量計(jì)，在有些使用現(xiàn)場卻不能圓滿地完成流量測量任務(wù)，影響生產(chǎn)和經(jīng)營。對(duì)大量的實(shí)例進(jìn)行調(diào)查、診斷、分析，結(jié)果表明，問題的癥結(jié)大多不在儀表本身，而是系統(tǒng)問題。其中，不合理的安裝占了很大的比例。除此之外，還存在許多其他問題，這又回到前面討論過的困難。這些困難有的有辦法解決，有的暫時(shí)還沒找到解決辦法。

人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)總是逐漸深入、不斷提高的，流量測量中存在的困難得到解決的部分會(huì)越來越多。

3 流量儀表的發(fā)展趨勢

我國流量儀表的水平與發(fā)達(dá)國家相比還有很大差距，發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)技術(shù)值得我們學(xué)習(xí)。下面談?wù)剮追N流量計(jì)的發(fā)展趨勢。

①采用科里奧利質(zhì)量流量計(jì)測量氣液兩相流流量。

處于氣液平衡狀態(tài)的液體在管道內(nèi)被輸送，大多會(huì)因溫度壓力條件的變化而析出氣體或部分氣化，使之變成氣液兩相流。這給流量測量帶來極大的困難。

美國Micro Motion公司在用科里奧利質(zhì)量流量計(jì)測量氣液兩相流方面取得了突破，目前的水平是可測的含氣率體積比上限達(dá)到30%。進(jìn)一步研究表明，含氣率的適應(yīng)范圍有望進(jìn)一步提高。

②自診斷技術(shù)在智能流量計(jì)中的應(yīng)用成果豐碩。

每種流量計(jì)都會(huì)有發(fā)生故障的時(shí)候。故障一旦發(fā)生，輕者使用不便或誤差增大，重則喪失部分功能甚至完全不能工作。

例如科里奧利質(zhì)量流量計(jì)測量管被磨損后，測量誤差會(huì)相應(yīng)增大，對(duì)振動(dòng)管的剛度進(jìn)行檢測，能對(duì)磨損情況進(jìn)行判斷。

在多聲道超聲流量計(jì)的聲道診斷中，診斷結(jié)果的顯示圖形化，是軟件技術(shù)滲透流量測量儀表的一大趨勢。以前的流量計(jì)顯示屏幕較小，只能用代碼顯示診斷結(jié)果?，F(xiàn)在屏幕增大后用圖形化顯示，不僅簡單明了，而且形象易懂，很受使用者的歡迎。以下以美國通用電氣(general electric,GE)公司的圖形用戶界面(graphic user interface,GUI)軟件進(jìn)行現(xiàn)場診斷的圖形顯示為例[10]。各聲道平均增益顯示圖、正常和故障狀態(tài)下信號(hào)質(zhì)量的比較圖、整流器部分阻塞后的診斷結(jié)果顯示圖、整流器部分阻塞后的診斷結(jié)果顯示圖和B聲道SOS分布圖如圖2～圖5所示。

圖2 各聲道平均增益顯示圖

圖3 正常和故障狀態(tài)下信號(hào)質(zhì)量的比較圖

圖4 整流器部分阻塞后的診斷結(jié)果顯示圖

圖5 B聲道SOS分布圖

電磁流量計(jì)空管，引起很高的電動(dòng)勢，導(dǎo)致儀表指示滿度。采用分時(shí)測量技術(shù)測量這對(duì)電極之間的介質(zhì)電阻，從而對(duì)是否空管進(jìn)行判斷，并在空管后，采取置零措施，而且予以報(bào)警，從而消除因空管造成的隱患。

③非滿管電磁流量計(jì)嶄露頭角。有一類像污水管道的流量測量對(duì)象，管內(nèi)水流不充滿是常態(tài)，這時(shí)就適合用非滿管電磁流量計(jì)來測量。在這種流量計(jì)的傳感器中，除了配有測量導(dǎo)電液體流速的電極之外，還帶有集成電容液位測量系統(tǒng)。根據(jù)液位高度計(jì)算流通截面積，再將其與流速相乘便得到體積流量。

④超聲流量計(jì)用途更趨廣泛。

用超聲脈沖在混合氣體中的傳播速度與氣體平均分子量之間的關(guān)系，對(duì)混合氣體的平均分子量進(jìn)行測量。這對(duì)火炬氣等混合氣體的流量測量有著特殊意義。因?yàn)閬碜愿鱾€(gè)生產(chǎn)裝置進(jìn)入火炬的氣體，一般為陣發(fā)性排氣，不同裝置排出氣體的組成都有其固有的特點(diǎn)，測出陣發(fā)性排氣的平均分子量就可判斷是哪個(gè)裝置排出來的。這對(duì)生產(chǎn)調(diào)度管理意義特別重大。超聲流量計(jì)在測量低速流動(dòng)的氣體方面具有顯著的優(yōu)越性，但在測量高速流動(dòng)的氣體方面比較困難。這是因?yàn)闅怏w在高速流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，對(duì)被測信號(hào)造成干擾。美國GE Sensing公司在這方面的研究取得突破，最高可測氣體流速達(dá)到85 m/s。

在歐洲的一些國家，低價(jià)的超聲流量計(jì)在家用供暖以及燃?xì)庥?jì)量中應(yīng)用廣泛。

⑤差壓流量計(jì)進(jìn)展。

一百多年以來，差壓式流量計(jì)都是分體式的，即組成系統(tǒng)的差壓裝置、差壓變送器(差壓計(jì))、壓力變送器、溫度傳感器、顯示裝置(流量計(jì)算機(jī))等，在現(xiàn)場配管、組裝。由于施工人員不像制造廠人員那樣專業(yè)，再加上管線較長，組裝要求高，存在的問題不少，會(huì)造成差壓信號(hào)傳遞失真，導(dǎo)致較大測量誤差。

現(xiàn)在有幾家儀表公司相繼推出多變量變送器。在該變送器中預(yù)置標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計(jì)的多種算法，并與標(biāo)準(zhǔn)差壓裝置組裝為一體，組成一體化差壓流量計(jì)。這將使得測量精確度更有保證，而且大大節(jié)省工程成本，很受用戶歡迎。

由高低量程兩臺(tái)差壓變送器與差壓裝置等組成的雙量程差壓流量計(jì)，提高了量程低段的流量測量精確度，在保證1.0%系統(tǒng)不確定度的前提下，使量程比得到拓寬[11-12]。

4 渦街流量計(jì)的進(jìn)展

渦街流量傳感器送出的脈沖信號(hào)代表的是旋渦發(fā)生體出口處的體積流量，而旋渦發(fā)生體前后的差壓ΔP與流體密度ρ成正比。采用一臺(tái)差壓變送器測量出壓差，計(jì)算得到質(zhì)量流量。用這種方法測量變組分氣體質(zhì)量流量，既準(zhǔn)確又經(jīng)濟(jì)[13]。

5 新穎測量方法還在出現(xiàn)

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科研人員開發(fā)出新穎測量原理的流量計(jì)，其中有聲納流量計(jì)、微波流量計(jì)等。

6 結(jié)論

流量測量儀表在國民經(jīng)濟(jì)的多個(gè)領(lǐng)域和人民生活中扮演著重要角色，因而受到人們的普遍關(guān)注。

我國自從改革開放以后，流量儀表工業(yè)獲得了高速發(fā)展，民營企業(yè)、中外合資企業(yè)、外商獨(dú)資企業(yè)蓬勃發(fā)展，促進(jìn)了流量儀表的發(fā)展和自由競爭；民營企業(yè)主要占領(lǐng)中低端市場，外資企業(yè)主要占領(lǐng)高端市場。

隨著新技術(shù)、新方法、新材料、新設(shè)備的發(fā)展，尤其是軟件技術(shù)全面滲透到流量儀表，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，技術(shù)性能不斷提高，特別是科里奧利質(zhì)量流量計(jì)、超聲流量計(jì)、電磁流量計(jì)、一體化差壓流量計(jì)、渦街流量計(jì)等，成果豐碩。

流量儀表應(yīng)用技術(shù)也是值得儀表公司重視的問題。很多品質(zhì)一流的流量儀表在現(xiàn)場使用效果不好，大多不是儀表本身的問題，而是使用方式問題。因此，從事儀表研發(fā)、制造和現(xiàn)場服務(wù)的工程師，要加深對(duì)流體物性的認(rèn)識(shí)和儀表對(duì)復(fù)雜的使用條件的適應(yīng)性研究。