通过分析流量测量原理、现场条件及测量要求,正确地选用流量仪表,使选购的仪表性能满足实际运行参数要求,达到准确计量的目的。本文结合笔者几年的工作实践,谈一下流量测量仪表的选用。
1首先确定是否需要安装流量仪表
如果仅希望知道管道中流体是否在输送流动,观测其大体流量,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的。由于其结构简单,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,反观从国外引进石化、汽轮机等成套设备中,在较多的工位上装有流动窥视窗或指示器。
如果测量要求高,则需要安装一台流量仪表。应充分利用现场条件,不一定要专门安装流量传感器,可利用管道系统中弯管,也可测量有其它阻流体管段(如T型管)的压力降,通常也可达到同样目的。流量和差压间的关系,可通过作一些简化假设计算(如弯管),或用外夹装便携式超声流量计在该阻力管段的上游(或下游)管系合适位置在线比较校验。
2分析因素
收集各类仪表样本、技术数据和选用手册等,充分了解各类仪表规范性能;再分别按性能要求和仪表规范、流体特性、安装场所、环境条件和经济适用五个方面因素,按后面所提出的问题,逐一分析,列表比较。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要求良好的可靠性和重复性,有时还要求较宽的测量范围,而将测量精确度要求放在次要地位;批量配比生产则希望有好的精确度等。考虑顺序一般先从“性能要求和仪表规范”开始,适当考虑其他因素。若认为“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小),则其他因素为次要因素。
3精确度
流体测量中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的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0·5%~5%之间,选用高精度差压计与之相配也就没有意义了(目前我厂所用的ROSEMOUNT3051标示误差在0·075%)。
流量仪表规范所示的精确度等级是在某一较宽流量范围内,如果使用条件在某一特定流量或很狭窄的流量范围,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。
4重复性
重复性在过程控制应用中是很重要的指标,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,对某一流量值一段时间内同方向进行多次测量的一致性。然而实际应用中,仪表优良的重复性受许多因素包括流体粘度、密度等变化影响,往往被误认为仪表重复性不好。因此有参量变化的场所,不要选择对此参量变化敏感的仪表。例如浮子流量计易受流体密度影响,涡轮流量计用于高粘度测量时易受流体粘度影响等。若仪表输出特性是非线性的,则影响更为突出。
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,在流量范围内使用同一个仪表常数,线性度差可能就要降低仪表精确度。随着微处理器技术的发展,可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。
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。通常设计管道流体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,流速过高则输送功率大,增加运行费用。例如水等低粘度液体经济流速为1·5~3m/s,高粘度液体经济流速为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,一般相差一档规格,采用异径管连接。同一口径不同类型的仪表上限流量受各自工作原理和结构的约束,差别很大。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下限流量不能改变,但流量上限变化可以调整差压变送器量程来适应;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。
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,例如公用事业自来水量计量的昼夜和冬夏季节差很大,就要求很宽的范围度。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,不过仪表价格要高出一倍多。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(上限值和最小上限值之比)可达10,再乘上所设定上限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,把上限流量的流速提得很高,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,一般要求范围度宽下限流速更低些才好。
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,或在流通管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10kPa。而泵送能耗与压损及流体密度、流量成正比,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输水用流量仪表,应考虑压损所造成能量损耗,勿使压损过大而增加泵送费用,压力损失较大的仪表短短几年为测量付出的泵送费用往往超过低压损价格较贵仪表的购置运行等费用。
9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。
综上所述,流量仪表的选用是一项系统工程,对某一具体应用场所可以采用的仪表可能有几种方案,在选择时只凭以往经验和单纯考虑初装费用贸然作出决定,可能会失去选择最适合仪表的机会。因此,在流量测量设计中,根据现场状况选购的仪表性能正好能满足实际运行参数要求,才能使其充分发挥作用,达到准确计量的目的。