管道流體計(jì)量應(yīng)用領(lǐng)域

流量測量技術(shù)與儀表的應(yīng)用大致有以下幾個(gè)領(lǐng)域。

一，工業(yè)生產(chǎn)過程

流量儀表是過程自動(dòng)化儀表與裝置中的大類儀表之一，它被廣泛適用于冶金、電力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、輕紡、食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)及人民日常生活等國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，是發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，節(jié)約能源，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益和管理水平的重要工具在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。在過程自動(dòng)化儀表與裝置中，流量儀表有兩大功用：作為過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)的檢測儀表和測量物料數(shù)量的總量表。

二，能源計(jì)量

能源分為一次能源（煤炭、原油、煤層氣、石油氣和天然氣）、二次能源（電力、焦炭、人工燃?xì)?、成品油、液化石油氣、蒸汽）及載能工質(zhì)（壓縮空氣、氧、氮、氫、水）等。能源計(jì)量是科學(xué)管理能源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。流量儀表是能源計(jì)量儀表的重要組成部分，水、人工燃?xì)?、天然氣、蒸汽和油品這些常用的能源都使用著數(shù)量極其龐大的流量計(jì)，它們是能源管理和經(jīng)濟(jì)核算不可缺少的工具。

三，環(huán)境保護(hù)工程

煙氣，廢液、污水等的排放嚴(yán)重污染大氣和水資源，嚴(yán)重威脅人類生存環(huán)境。國家把可持續(xù)發(fā)展列為國策，環(huán)境保護(hù)將是21世紀(jì)的最大課題。空氣和水的污染要得到控制，必須加強(qiáng)管理，而管理的基礎(chǔ)是污染量的定量控制。

我國是以煤為主要能源的國家，全國有上百萬個(gè)煙囪不停地向大氣排放煙氣。煙氣排放控制是根治污染的重要項(xiàng)目，每個(gè)煙囪必須是安裝煙氣分析儀表和流量計(jì)，組成連櫝排放監(jiān)視系統(tǒng)。煙氣的流量沆量有很大因難，它的難度為煙囪尺寸大且形狀不規(guī)則，氣體組分變化不定，流速范圍大，臟污，灰塵，腐蝕，高溫，無直管段等。

四，交通運(yùn)輸

有五種方式：鐵路公路、航空、水運(yùn)、和管道運(yùn)輸。其中管道運(yùn)輸雖早已有之，但應(yīng)用并不普遍。隨著環(huán)保問題的突出，管道運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)引起人們的重視。管道運(yùn)輸必須裝備流量計(jì)，它是控制、分配和調(diào)度的眼睛，亦是安全監(jiān)沒和經(jīng)濟(jì)核算的必備工具。

五，生物技術(shù)

21世紀(jì)將迎來生命科學(xué)的世紀(jì)，以生物技術(shù)為特征的產(chǎn)業(yè)將獲得迅速發(fā)展。生物技術(shù)中需監(jiān)測計(jì)量的物質(zhì)很多，如血液，尿液等。儀表開發(fā)的難度極大，品種繁多。

六，科學(xué)實(shí)驗(yàn)

科學(xué)實(shí)驗(yàn)需要的流量計(jì)不但數(shù)量多，且品種極其繁雜。據(jù)統(tǒng)計(jì)流量計(jì)100多種中很大一部分是應(yīng)科研之需用的，它們并不批量生產(chǎn)，在市面出售，許多科研機(jī)構(gòu)和大企業(yè)皆設(shè)專門小組研制專用的流量計(jì)。

七，海洋氣象，江河湖泊

這些領(lǐng)域?yàn)槌ㄩ_流道，一般需檢測流速，然后推算流量。流速計(jì)和流量計(jì)所依據(jù)的物理原理及流體力學(xué)基礎(chǔ)是共通的但是儀表原理及結(jié)構(gòu)以及使用條件有很大差別。2100433B

流量測量的發(fā)展可追溯到古代的水利工程和城市供水系統(tǒng)。古羅馬凱撒時(shí)代已采用孔板測量居民的飲用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法測量尼羅河的流量。我國著名的都江堰水利工程應(yīng)用寶瓶口的水位觀測水量大小等等。17世紀(jì)托里拆利奠定差壓式流量計(jì)的理論基礎(chǔ)，這是流量測量的里程碑。自那以后，18、19世紀(jì)流量測量的許多類型儀表的雛形開始形成，如堰、示蹤法、皮托管、文丘里管、容積、渦輪及靶式流量計(jì)等。20世紀(jì)由于過程工業(yè)、能量計(jì)量、城市公用事業(yè)對(duì)流量測量的需求急劇增長，才促使儀表迅速發(fā)展，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展極大地推動(dòng)儀表更新?lián)Q代，新型流量計(jì)如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。至今，據(jù)稱已有上百種流量計(jì)投向市場，現(xiàn)場使用中許多棘手的難題可望獲得解決。

我國開展近代流量測量技術(shù)的工作比較晚，早期所需的流量儀表均從國外進(jìn)口。

流量測量是研究物質(zhì)量變的科學(xué)，質(zhì)量互變規(guī)律是事物聯(lián)系發(fā)展的基本規(guī)律，因此其測量對(duì)象已不限于傳統(tǒng)意義上的管道液體，凡需掌握量變的地方都有流量測量的問題。流量和壓力、溫度并列為三大檢測參數(shù)。對(duì)于一定的流體，只要知道這三個(gè)參數(shù)就可計(jì)算其具有的能量，在能量轉(zhuǎn)換的測量中必須檢測此三個(gè)參數(shù)。能量轉(zhuǎn)換是一切生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，因此流量和壓力、溫度儀表一樣得到最廣泛的應(yīng)用。

用以校核流量計(jì)精度的精密設(shè)備。標(biāo)定裝置是伴隨管道采用流量計(jì)而出現(xiàn)的。在40～50年代，標(biāo)定裝置是小型的標(biāo)準(zhǔn)容積罐，計(jì)量精度為容積的千分之一。60年代以來，各種類型的標(biāo)準(zhǔn)體積管已廣泛地在管道中用于標(biāo)定流量計(jì)。U形體積管是在精加工的U形管段上,設(shè)置兩個(gè)檢測開關(guān),兩個(gè)開關(guān)之間的管段體積是經(jīng)過更高一級(jí)的標(biāo)定容器進(jìn)行仔細(xì)測定的已知數(shù)，作為標(biāo)準(zhǔn)體積，其精度可達(dá)±0.02%。這種標(biāo)定裝置在流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)體積管串聯(lián)起來進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，先用油流將流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)體積管進(jìn)行預(yù)熱，使其溫度與油流溫度相同；然后將球型隔離器投入油流，在油流推動(dòng)下，隔離器首先觸動(dòng)第一個(gè)檢測開關(guān)，并同時(shí)打開流量計(jì)計(jì)數(shù)器輸入門電路，開始記錄被標(biāo)定的流量計(jì)發(fā)出的脈沖。當(dāng)隔離器觸動(dòng)第二個(gè)檢測開關(guān)時(shí)，即停止計(jì)數(shù)。如此進(jìn)行數(shù)次，將標(biāo)準(zhǔn)體積管的容積與計(jì)數(shù)器記錄的平均脈沖數(shù)所代表的容積值進(jìn)行比較，即得出流量計(jì)的修正系數(shù)。在成品油管道上進(jìn)行多種油品的計(jì)量時(shí)，應(yīng)經(jīng)常用不同油品進(jìn)行標(biāo)定,以取得不同的修正系數(shù)。U形體積管標(biāo)定裝置見圖2。在管道計(jì)量中，只在起點(diǎn)站和終點(diǎn)站及主要分輸站等大量收、發(fā)油品的計(jì)量點(diǎn)上，才設(shè)有體積管標(biāo)定裝置；其他收發(fā)量少的站，均可用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)進(jìn)行校核。

按結(jié)構(gòu)可分為容積式流量計(jì)和渦輪式流量計(jì)。

容積式流量計(jì)

由設(shè)在轉(zhuǎn)子上的機(jī)械部件構(gòu)成的幾個(gè)能隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的密閉容積（圖1），每轉(zhuǎn)一周可傳遞一定體積的油量，根據(jù)轉(zhuǎn)數(shù)的積累計(jì)算通過的油量。容積式流量計(jì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)是靠流量計(jì)進(jìn)出口油流的壓差。它適用于潤滑性較好、粘度較高的重質(zhì)油品，如原油、重質(zhì)成品油等的計(jì)量。容積式流量計(jì)的計(jì)量范圍受到轉(zhuǎn)子重量的影響，其精度只適用于一定流量的計(jì)量，計(jì)量更大流量時(shí)，要幾臺(tái)并聯(lián)使用。

渦輪式流量計(jì)

根據(jù)油流速度計(jì)算大輸量流量計(jì)。這種流量計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，重量較輕，壓降較小，并易于維護(hù)。其工作原理是將一個(gè)帶翼片的渦輪轉(zhuǎn)子置于被計(jì)量的油流中心，渦輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，渦輪轉(zhuǎn)速與油的流速成正比。在渦輪上鑲有一塊磁鐵，每轉(zhuǎn)一圈即在外部的感應(yīng)線圈中產(chǎn)生一個(gè)脈沖，經(jīng)過標(biāo)定，確認(rèn)一定數(shù)量的脈沖數(shù)代表一個(gè)計(jì)量單位。渦輪在油流中旋轉(zhuǎn)，減少了機(jī)械磨損，轉(zhuǎn)子重量輕，能適應(yīng)較大的流量變化。這種流量計(jì)用于各種輕質(zhì)油品的計(jì)量。

各種油品有不同的熱膨脹系數(shù)和可壓縮系數(shù)。此外，同類油品，因其比重不同而熱膨脹系數(shù)也不相同，例如比重為0.7900和0.7912的煤油，它們的熱膨脹系數(shù)分別為0.000515和0.000538。因此，管道輸送的油品體積隨著溫度和壓力的改變而變化，其中尤以溫度的變化對(duì)體積的變化影響最大。油品進(jìn)入管道后，經(jīng)過多次離心泵的攪動(dòng)，并受管道摩擦阻力和土壤熱場的影響，油品溫度會(huì)發(fā)生變化，從而引起油品體積的變化。為了統(tǒng)一計(jì)量，在管道收發(fā)油品，都是根據(jù)油品的熱膨脹系數(shù)，將實(shí)測油品平均溫度下的體積值換算為20℃時(shí)的油品體積值。

天然氣的體積受溫度和壓力的影響更大，因而必須將各次的計(jì)量值統(tǒng)一換算為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和20℃的基準(zhǔn)狀態(tài)值。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織第30專門委員會(huì)制定了“用孔板測量充滿圓管的流體的流量”ISO5167 國際標(biāo)準(zhǔn)。凡符合此標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)流裝置,流體通過量和各參數(shù)間的關(guān)系,可按照規(guī)定的計(jì)算方法直接計(jì)算。其誤差不超過標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的限值，因而不需要單獨(dú)標(biāo)定，精度一般可達(dá) ±1%。孔板流量計(jì)只能在一定的計(jì)量范圍內(nèi)保持一定的精度，超過其適用范圍，精度將明顯降低。在輸量變化很大的情況下，為保持計(jì)量精度，一般采用一組不同量程的孔板流量計(jì)，以便隨流量變化選擇適合的孔板流量計(jì)進(jìn)行測量。

中國規(guī)定采用的計(jì)量單位是：對(duì)于液體介質(zhì)，體積單位為標(biāo)準(zhǔn)立方米,重量單位為噸,基準(zhǔn)狀態(tài)為20℃；對(duì)于氣體介質(zhì)，體積單位為標(biāo)準(zhǔn)立方米，基準(zhǔn)狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和20℃。美國、日本等國所規(guī)定的基準(zhǔn)狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和15.6℃(60°F)。

管道流體計(jì)量包括管道輸送的油品計(jì)量和天然氣計(jì)量。這兩種流體計(jì)量都以體積為單位。早期油品的計(jì)量是以重量為單位。20世紀(jì)40年代初期，直徑為100毫米的容積式流量計(jì)開始在成品油管道上使用。后來又出現(xiàn)了多種容積式流量計(jì)，如刮板式流量計(jì)、腰輪式流量計(jì)等。60年代出現(xiàn)了渦輪式流量計(jì)，這種流量計(jì)體積小,計(jì)量的流量范圍較寬，并能保持較高的精度,被應(yīng)用于輕質(zhì)油品的計(jì)量。近年來，非浸入式超聲波流量計(jì)日益廣泛應(yīng)用于管道流體計(jì)量。隨著流量計(jì)的改進(jìn)，與之配套的流量計(jì)標(biāo)定裝置也不斷發(fā)展，如60年代出現(xiàn)機(jī)械式雙向直管體積管標(biāo)定裝置；此后又出現(xiàn)了單向和雙向U形體積管標(biāo)定裝置,使流量計(jì)標(biāo)定達(dá)到更高的精度。

天然氣管道的計(jì)量在30年代已開始采用壓差式孔板流量計(jì)，這種流量計(jì)一直沿用至今。渦輪式流量計(jì)能適應(yīng)天然氣管道輸量變化，近年來也開始應(yīng)用。