《流量測量方法與儀表選用》

本講就實踐中常見共性的流量傳感器或變送器在管道系統方面的失誤，如液體氣穴和混入氣體，氣體中凝結液等的產生，以及正常運行因其它設備（如泵）的緣故誤解為流量儀表的故障等作些說明，并提出一些防范措施。

1 不良安裝
  安裝流量儀表前，首先要了解標準、規程和制造廠于使用說明書上提出的安裝要求，然后選擇理想的安裝位置，判斷其上下游管配件對測量的影響程度，是否有足夠上下游直管段長度，等等，使之符合要求，避免因不良安裝而產生額外系統誤差。
  不良安裝有兩種類型：第1種是安裝操作不慎所致，應盡量避免；第2種是受管道系統客觀條件限制（如上游直管段長度不足），達不到規定要求所造成的，而又無法作相應改善，則要評估影響測量值的程度。
1.1 第一類不良安裝
  操作不慎的不良安裝，常見的有：①孔板進口面反裝；②儀表和管道間密封襯墊內徑小于管徑和儀表內徑而產生束流；③密封墊片未對準中心，部分蓋住了流通面積而破壞正態流速分布；④儀表處于錯誤的流動方向；⑤安裝在流速分布剖面不良和有漩渦的場所；⑥差壓式儀表引壓管線斜率不正確，存在不希望有的相（如測量液體時有氣體）；⑦將敏感于振動干擾的儀表裝在有振動的管道；⑧儀表或電信號傳輸導線置于強電磁場中；⑨缺少必要的防護性配件，等等。這些問題是眾所周知的，應予避免，然而由于目前新建工程的儀表安裝由安裝公司承接，許多單位缺乏經過專門訓練的儀表安裝人員，常由水電工擔任，忽視儀表的安裝要求是屢見不鮮的。
  密封襯墊孔徑DN應略大于儀表內徑Dm，如DN小于Dm會產生束流現象而對節流差壓式、渦輪式、渦街式、超聲式、靶式等儀表的測量值帶來影響。例如渦街式儀表規定前接管道內徑Dp不應過小，應符合0.98Dm≤Dp≤1.05Dm，亦即密封襯墊孔徑亦不應小于0.98Dm。密封襯墊安裝偏心，遮住部分流通面積，畸變速度分布，引成嚴重不對稱。由于不對稱流動就在流量傳感器的進口處發生，即上游直管段長度為零，會對節流差壓式、渦輪式、渦街式、超聲式、電磁式、靶式等儀表的測量值帶來很大影響。密封襯片孔徑過小或安裝偏心，雖然對容積式、浮子式、科里奧利質量式等儀表的流量值沒有影響或影響極小，但會增加額外的壓力損失。
1.2 第二類不良安裝
  為了使現場使用的流量儀表獲得與實流校驗相同的精度，一定要滿足規定的流動條件。例如，大部分流量儀表要求上游束流是充分發展的流動，保證下游配管件的擾動不會上溯影響測量值，即要求一定長度上下游直管段。現場安裝條件往往不易滿足，但要盡量避開以下擾動源。
1.2.1 上游擾動源
  上游擾動源有彎頭、異徑管、支管和閥等，遇到最多的是各種彎頭及彎頭組合件，如同平面雙彎頭及空間雙彎頭等。流體在彎頭中由于離心力的作用，外壁產生擴散效應，內壁產生收縮效應，形成橫向流動的二次流，彎頭下游發生速度分布畸變和漩渦。圖1所示三維管道布置如同空間雙彎頭，亦會產生嚴重漩渦。

  各類流量儀表對上游流動擾動敏感性不一。圖2所示為不同彎曲半徑R與管徑D比值（R／D）在不同上游直管段下對孔板系數的影響。R／D愈小影響愈大，但直角彎頭（即R／D＝O）反而比彎曲彎頭影響小。圖3所示為不同漩渦角的漩渦流對孔板系數的影響。

在各類流量儀表中，對節流差壓式直管段長度要求曾進行過大量試驗研究，典型阻流件成熟的結果已在國際標準（ISO）中規定。其它儀表至今未達到如此成熟的程度，無論是標準規范或制造廠使用說明書提供的數據，不及節流差壓式完善，有時只能起參考作用。Hayward認為：其它類型儀表在無可靠的資料時，可借鑒開孔面積比0.5的標準孔板所規定最短上游直管段長度，作為大體上的參照，但這僅僅是粗略的指南，因為有些儀表要更長的直管段，如特別敏感于漩渦的渦輪式和渦街式儀表遇到漩渦流時［1］。
1.2.2 下游側的擾動
  通常想象流體流出儀表后的流動狀態不會影響儀表，這是一種錯覺。彎頭或閥門等形成的擾動會上溯傳播影響幾倍管徑長度的距離，如儀表離開它們過近還會受到影響。大部分情況下5倍管徑下游直管的已足夠了，有些特例可能要稍長些，但可認為10倍管徑長度能可靠地應付任何下游擾動源。
1.3 避免產生安裝附加誤差的通則
  容積式儀表能適應上游嚴重的擾動，浮子式和科里奧利質量流量計對上游擾動不敏感，其它流量儀表都會不同程度地受上游擾動的影響。Hayward認為：除按標準規范或制造廠規定要求外，還可遵循下列通則。
  a.避開最有害的漩渦。盡可能在儀表上游100D的距離內沒有圖1所示典型漩渦發生源。
  b.要有“足夠”長度的上下游直管段。多少才是“足夠”長度？一種說法是只要上述通則a能夠滿足，節流差壓式儀表標準規范所作規定認為是“足夠”的，對大部分即使敏感于流動擾動的其它流量儀表也是適用的；另一種說法是上游50D和下游10D直管段長度已十分保險，有些類型儀表遠低于此要求。
  c.如直管段長度不能滿足而又要保證測量精度，則可采取以下兩種變通方法之一。
  ①在現場安裝條件下標定，或在相同于安裝條件的彎頭等配件與儀表一起在試驗室流量標準裝置上校驗。
  ②在儀表上游加裝下節所述流動調整器。

2 流動調整器
2.1 流動調整器類型
  要消除漩渦的直管長度很長（例如消除10°初始旋轉角所需長度要150D以上），流動調整器的主要功能是消除漩渦，然而也可改善速度分布畸變，恢復到接受的參比速度分布幾何形狀。
  圖4所示3大類流動調整器：a類是以消除漩渦為主；b類是消除漩渦和改善中等程度速度分布畸變；c類是消除漩渦和改善嚴重速度分布畸變。裝用流動調整器會增加阻力，在下游與儀表之間還要裝一小段直管。流動調整器的壓力損失與消除速度分布畸變程度而異，a類最小，c類最大。文獻［2］列有各型流動調整器計算壓力損失的壓損系數以及贊克型和三菱型開孔的具體尺寸。

2.2 流動調整器的安裝

  流動調整器安裝不慎所產生危害有時會超過流動改善，裝用時應遵循以下基本準則。
  a.與三菱型相似的多孔板流動調整器即使非常接近流動擾動源，也能很好地起作用。因此，可以直接裝在彎頭、閥等擾動源出口的法蘭上。
  b.其余各類流動調整器必須安裝在距離擾動源下游至少3D的地方，否則易被剛產生的擾動削弱整流作用。
  c.從流動調整器流出的速度分布仍存在一些畸變，因此在其下游與儀表之間還應有一段直管以消除畸變，理想長度20D以上，但應不低于10D；如能與儀表裝在一起實流校驗，則5D就夠了。

3 氣穴形成的失誤
  在測量液體流量時，儀表內部產生氣穴將導致錯誤的測量值。氣穴產生的原因是儀表內部壓力低于液體蒸氣壓所致，應提高工作壓力或儀表下裝背壓閥以提高儀表內部壓力，勿使低于規定的值。儀表內部最低壓力點的位置因儀表測量原理和結構而異，如孔板鄰近其下游側，渦輪流量計在渦輪處，渦街流量計在漩渦發生體處。有些儀表內部最低壓力低于背壓很多。
  防止流量儀表產生氣穴所需最小背壓應是多少？對于節流差壓式儀表的檢測件應不低于它們的初始氣穴數，見式（1）和表1；其它儀表按式（2）計算最小背壓，例如渦輪流量計和渦街流量計式中A，B兩常數分別是3和1.5，這是較保守的值。
  氣穴用無量綱氣穴數λ來表征：

λ＝（p－pv）／（1－2ρ2）        (1)

式中：p為流體靜壓，Pa；pv為流體蒸氣壓，Pa；ρ為流體密度，kg／m3；為平均流速，m／s。

防止流量計產生氣穴的最小背壓（p3）min為

（p3）min＝A（p1－p2）＋BPv        (2)

式中：A，B為常數，由實驗確定；p1為進入流量儀表前的壓力，Pa；p2為流量儀表內的最低壓力，Pa；pv為流體蒸氣壓，Pa。
 還有常被忽視的另一禍源，即儀表上游管線配件（如閥）產生的氣穴，特別是石油制品，燃料和溶劑產生的氣穴形成云霧狀氣泡在其下游保持相當長的距離，極易造成儀表測量誤差。流量控制閥在接近關閉狀態時最易發生氣穴；某些三通閥和四通閥在改變流通方向時也容易產生強烈的氣穴。

4 液體中夾雜氣體
  上節提到氣穴會在液體中產生氣泡而造成誤差，此外另有幾種進入空氣或產生氣體的途徑。
4.1 管道充液不全殘留空氣
  管道系統檢修時要排盡液體，啟用時重新充液。有時候完全充滿亦相當困難，因為管線所有高點（如倒U形管彎頭頂部）和死角易潴留氣團，日后遇到壓力或流量突然波動，氣團破裂帶走部分氣體。這是管線投入運行初期流量儀表測量不準確的原因之一。少量體積的氣泡會帶來相當大的誤差，實驗表明含1％體積氣泡的液體進入渦輪流量計會產生＋5％誤差。過多氣泡還會阻塞差壓式儀表的引壓管，使測量無法進行。
  良好設計的管線只有很少高點，且在這些高點置有排氣閥，人工排放潴留氣體。如有許多高點的管線，排放氣體帶來很大工作量，改用自動排氣閥或在流量儀表上游裝氣體分離器來替代，分離夾帶氣體。國內多家制造廠有氣體分離器定型產品。
4.2 密封泄漏
  空氣粘度遠比液體小，某處密封能保持液體不外泄，卻不一定保證氣體不外泄。負壓管道連接處密封稍有不慎，極易將空氣吸入管內。負壓管（如泵吸入端）的密封不良將空氣吸入是眾所周知的，但管壓略高于大氣壓若出現脈動流，產生瞬間管壓低于大氣壓，亦會將空氣吸入。要經常檢查負壓管各連接處，一旦發現密封有損壞征兆，應即予更換。
4.3 漩渦卷入空氣
  儲存容器液位高度下降到距離管道進口端只有幾倍進口直徑（取決于吸入流速）時，就會產生漩渦，將液氣界面的空氣卷入液體而進入管道。這可能是遇到管道進入空氣最普遍和進氣量最多的原因。

4.4 冷卻收縮形成的氣體
  這是一種比較隱蔽的空氣混入液體的方式。充滿液體的管線停止運行后逐漸冷卻，由于熱膨脹系數不同，液體收縮比管線大得多，管道中形成真空的收縮空
間，液體中溶解空氣便分離出來形成氣泡積聚于管線高點，重新開車必須排除這些氣體。如果開始運行時流量測量出現正向誤差，就要考慮這一因素。
4.5 應用氣體分離器
  氣體分離器又稱消氣器，過去與容積式儀表配套使用居多。液體從上述幾種途徑進入氣體而影響測量值時，有時亦須裝氣體分離器，特別是間歇運行和測量價值較高的石油制品等，以及貿易核算要求嚴格的場所。流程工業連續運行的系統中液體不常出現夾雜氣體現象，過去流量儀表前一般很少裝氣體分離器，但現在要求提高，在渦輪式儀表等前有加裝氣體分離器的趨勢。

  分離器排放的氣體是空氣，或是液體的飽和蒸氣和夾雜的液滴，如是易燃液體，要妥善處置，確保安全。