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摘要文章從氣體的特性人手,通過氣體流量計(jì)和孔板流量計(jì)性能上的比較,突出了氣體流量計(jì)在氣體測量中的優(yōu)勢,介紹了氣體流量計(jì)的分類、選型和安裝。
隨著我國經(jīng)濟(jì)形勢的飛速發(fā)展以及加人WTO,市場的競爭日趨激烈。各行各業(yè)都面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。如何提高企業(yè)的管理水平,如何降低生產(chǎn)成本以提高生產(chǎn)效率,成為一個(gè)企業(yè)興衰存亡的關(guān)鍵。其中,能源消耗是所有企業(yè)必須要計(jì)人生產(chǎn)成本的重要支出項(xiàng)目。所以正確、合理地使用能源就成為了企業(yè)管理的重要內(nèi)容。
現(xiàn)今,各式各樣的流量計(jì)產(chǎn)品,對(duì)燃?xì)?、燃油、蒸氣等多種形式的動(dòng)力能源進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量,通常應(yīng)用在如下這些場合。
鍋爐出口氣體流量、熱網(wǎng)氣體流量、冷凝水及各種用汽設(shè)備耗汽量的計(jì)量。
供水,回水流量計(jì)量;燃?xì)饬髁?燃油流量;¼壓縮空氣產(chǎn)量和用量的計(jì)量;½其它氣體流量計(jì)量（氧氣、氮?dú)?、二氧化碳等）。這里我們主要探討一下氣體流量計(jì)在氣體計(jì)量中的應(yīng)用
。
1氣體的特性
氣體是比較特殊的介質(zhì),有飽和及過熱兩種狀態(tài)。隨著工況（如溫度、壓力）的變化,過熱氣體經(jīng)常會(huì)轉(zhuǎn)變成為飽和氣體。請(qǐng)看圖1。圖1中的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)分別為（水）氣體的壓力和溫度值。圖中的曲線稱作飽和曲線。曲線上的點(diǎn)為飽和狀態(tài)的氣體參數(shù)值,飽和曲線以上部分為過熱氣體,以下部分為液態(tài)水。

由此圖可以看出飽和氣體的溫度和壓力值是一一對(duì)應(yīng)的,即當(dāng)飽和氣體的溫度或壓力有一值確定,另一值也就可以確定了。例如:150℃的飽和氣體對(duì)應(yīng)的壓力值為0.476MPa。絕壓為0.6MPa的飽和氣體對(duì)應(yīng)的溫度為158.94℃。而過熱氣體的溫度和壓力并不一一對(duì)應(yīng),在圖中是在飽和曲線以上的區(qū)域。例如:150℃的氣體當(dāng)其壓力值大于0.476MPa時(shí),就稱其為過熱氣體。只是過熱度不同。壓力值等于0.476Mpa時(shí),稱為飽和氣體。另外還有一個(gè)概念是濕氣體（干氣體）,氣體的溫壓狀態(tài)在飽和曲線以下區(qū)域時(shí)我們就不能稱其為氣體而是水了。飽和氣體實(shí)際上是水分子由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的臨界值,飽和氣體由于溫度或壓力的改變部分氣態(tài)水分子轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài),即氣體中攜帶了部分的水時(shí)就稱其為
“濕氣體”。*氣態(tài)水分子稱為“干氣體”。濕氣體在管道中實(shí)際上是兩相流,會(huì)影響流量儀表的計(jì)量精度。當(dāng)氣體攜帶的水量較大時(shí),其對(duì)管道中的儀表及閥門等設(shè)備沖擊很大,可能損壞某些設(shè)備,俗稱“水錘”。解決濕氣體的方法是保持氣體的過熱度,例如:加強(qiáng)管道保溫,注意倍壓等,還應(yīng)注意管道排水。
2測量氣體流量的儀表分類及選擇
目前,測量氣體流量的儀表主要有氣體流量計(jì)、差壓式（孔板、均速管、彎管）流量計(jì)、分流旋翼式流量計(jì)、阿牛巴流量計(jì),浮子式流量計(jì)等,但從儀表工作原理上來講主要分為氣體和差壓兩大類。這里主要討論氣體流量計(jì)、孔板流量計(jì)。氣體流量測量在80年代以前普遍采用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì),但從流量儀表發(fā)展?fàn)顩r來看,孔板流量計(jì)盡管其歷史悠久、應(yīng)用范圍廣,人們對(duì)它的研究也Z充分,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Z完整,但用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)來測量氣體流量,它仍存在一些不足之處:其一,壓力損失較大;其二,導(dǎo)壓管、三組閥及連接頭容易泄漏;其三,量程范圍小,一般為3:1,對(duì)流量波動(dòng)較大易造成測量值偏低。而氣體流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單,變送器直接安裝于管道上,克服了管路泄漏現(xiàn)象。另外,氣體流量計(jì)的壓力損失小,量程范圍寬,對(duì)飽和氣體測量量程比可達(dá)30:1。因此,隨著氣體流量計(jì)測量技術(shù)的成熟,氣體流量計(jì)的使用越來越受到人們的青睞。
3氣體流量計(jì)及孔板流量計(jì)的對(duì)比
3.1氣體流量計(jì)與孔板流量計(jì)目前的技術(shù)水平
氣體流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)由氣體發(fā)生體、檢測元件、信號(hào)處理放大電路組成,目前對(duì)于氣體發(fā)生體的研究已達(dá)到相當(dāng)完善的程度,以三角型發(fā)生體為Z佳型體,檢測元件有熱敏電阻、應(yīng)變片、壓電晶體、差動(dòng)電容、超聲波等。信號(hào)處理部分有許多已微機(jī)化。氣體流量計(jì)具有安裝方便（可直接在管道上安裝）、體積小、互換性強(qiáng)、長期運(yùn)行精度高,可適用于大多數(shù)液體、氣體和氣體測量。目前世界市場的氣體流量計(jì)的銷售額每年遞增30%左右。目前,孔板流量計(jì)的技術(shù)發(fā)展水平仍以確定的經(jīng)驗(yàn)公式為基礎(chǔ),1980年標(biāo)準(zhǔn)化組織將R41
與R781兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)合并成標(biāo)準(zhǔn)1505167（1980）。孔板節(jié)流裝置由于結(jié)構(gòu)簡單,造價(jià)低、可靠等優(yōu)點(diǎn),它幾乎適用于所有介質(zhì)測量,而與之配套的差壓變送器發(fā)展迅速,使其本身具有的不足得以彌補(bǔ)。
3.2氣體流量計(jì)與孔板流量計(jì)綜合性能評(píng)價(jià)
孔板流量計(jì)（簡稱孔板）由節(jié)流件取壓裝置和差壓變送器組成,導(dǎo)壓管對(duì)于易凍的場所需要有伴熱措施,一個(gè)流量測量回路靜密封點(diǎn)為20個(gè)左右,使用中存在如下問題:易凍、易堵、易漏、伴熱容易造成差壓變送器器件老化、某些場合導(dǎo)壓管需加隔離液,由于伴熱或工藝操作不穩(wěn),正、負(fù)導(dǎo)壓管隔離液液線常常不等,產(chǎn)生液柱差,使流量指示不準(zhǔn)。以上都會(huì)使流量系數(shù)發(fā)生變化,測量精度降低,管縮短導(dǎo)壓管把差壓變送器直接安裝在管道上,但仍有流動(dòng)的死區(qū)。氣體流量計(jì)（簡稱氣體）只有3個(gè)靜密封點(diǎn),不易泄漏,沒有流動(dòng)的死區(qū),
不需伴熱保溫,不受流體重度、溫度、壓力、和粘度等影響,流量系數(shù)長期不變。但氣體在有振動(dòng)場合使用時(shí),會(huì)使流量測量不準(zhǔn)。目前,市場上已推出抗振型的氣體,來克服振動(dòng)對(duì)流量測量不準(zhǔn)的影響。
（1）初步投資
一臺(tái)進(jìn)口氣體大約2萬元人民幣（DN15-DN80）,而一臺(tái)節(jié)流裝置包括差壓變送器、孔板及法蘭、導(dǎo)壓管、閥門、保溫箱或保護(hù)箱也需1.5萬元人民幣,從長遠(yuǎn)觀點(diǎn)看,采用氣體仍然是合算的。
（2）安裝費(fèi)用
氣體安裝簡單,只需保證流量計(jì)前后有一定的直管段即可?？装逯本€段、同心度、導(dǎo)壓管、變送器、保溫箱都有一定的安裝要求、安裝費(fèi)用是氣體的數(shù)倍。
（3）維護(hù)費(fèi)用
氣體除在計(jì)量上要求周期性標(biāo)定外,一般不會(huì)出現(xiàn)故障。而孔板則不然,會(huì)泄漏,定期排污,灌隔離液,更換導(dǎo)壓管、閥門、保溫、清洗孔板等,有一定的維護(hù)量。如200套流量孔板測量回路（需保溫伴熱）,每二年,保溫伴熱系統(tǒng)改造就得投入一定的維修費(fèi),這還不包括差壓變送器的更新,孔板更新費(fèi)用,算下來足可以買一定數(shù)量的進(jìn)口氣體。
（4）運(yùn)行成本
氣體消耗費(fèi)用:如20套流量孔板測量回路（需保溫伴熱）,每個(gè)伴熱點(diǎn)耗汽0.02t/h,如果每年平均按4300小時(shí)計(jì)算,氣體費(fèi)用為40元/t,則每年需消耗氣體費(fèi)用大約為68.8萬元,每個(gè)回路每年耗費(fèi)用為0.344萬元。º能耗費(fèi)用:氣體的壓力損失比孔板小,約是孔板的1/15。因此,長期的運(yùn)行對(duì)泵及風(fēng)機(jī)能耗費(fèi)少?？装迨菤怏w5倍,當(dāng)用于氣體或氣體流量測量時(shí),由于密度小,同一管徑體積流量大,壓力損失更是嚴(yán)重,耗能費(fèi)更高。
泄漏排污費(fèi):排污費(fèi)視排污次數(shù),一般為每年約20次左右,排出的污物及物料污染大氣環(huán)境,污水超標(biāo),環(huán)保部門也要對(duì)其罰款。
（5）長期運(yùn)行精度
孔板的設(shè)計(jì)系統(tǒng)精度1.5%-2.5%,由于差壓與流量是非線性關(guān)系,當(dāng)流量低于30%時(shí),誤差增大,氣體更為嚴(yán)重,另一方面,由于使用介質(zhì)的長期磨損,銳角變鈍,使流量系數(shù)發(fā)生變化,也是影響精度的一個(gè)重要原因。
由于氣體的特殊結(jié)構(gòu),當(dāng)精度經(jīng)實(shí)際確定后（約為0.5%-1%測量值）,精度幾乎是不變的。
（6）可互換性
同一臺(tái)氣體可測量氣體、液體及氣體的流量,電子線路板及敏感元件對(duì)不同口徑的流量計(jì)來說都是通用的,信號(hào)輸出通常有三種形式:脈沖、模擬及數(shù)字信號(hào)。可以通過電路板的開關(guān)來切換,用戶可隨時(shí)根據(jù)自己的需要切換到另一種輸出信號(hào)。更改量程也很容易，對(duì)模擬輸出來說，只需改變輸入的脈沖頻率就行。
孔板則不然，孔徑是為特定的介質(zhì)而設(shè)計(jì)的.互換性差，改變量程也比較困難，需重新計(jì)算孔板。
（7）量程比
由于氣體的輸出頻率與流Z成線性關(guān)系，則流量的量程比可達(dá)20:1一80:1,差壓流量計(jì)的差壓與流盆成非線性關(guān)系，在小流量時(shí)側(cè)量不準(zhǔn)，量程比只有3:1-5:1。如果擴(kuò)大量程比，必須設(shè)法提高差壓變送器的精度。
（8）可靠性
現(xiàn)在有種更為可靠的氣體出現(xiàn)，它在一個(gè)表體上安裝了兩套電子線路、兩套敏感元件，且相互獨(dú)立，可用于重要的流量測童場合，差壓式流量計(jì)難以做到這點(diǎn)。
（9）節(jié)能效果
如氣體用量為一20t/h，壓力為3.9MPa,溫度為44590.如果用孔板測量氣體，造成壓力損失為0.03一0.05MPa，如按0.03MPa算，這塊孔板所耗電能為82kW.按一年300天計(jì)，每年耗電59萬kW"h，折算標(biāo)準(zhǔn)煤為68.51。如果采用氣體能耗僅為孔板的1/15一1/20，若以1/20計(jì)，則每年僅耗煤3.34t.僅占孔板能耗的3.33%,
由于氣體的輸出頻率與流量成線性關(guān)系，當(dāng)它與調(diào)節(jié)閥、調(diào)節(jié)器集成一個(gè)控制系統(tǒng)時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)時(shí)滯和時(shí)間常數(shù)都小到可忽略的一個(gè)滯后環(huán)節(jié).可視為比例環(huán)節(jié)，廣義對(duì)象的特性*取決于回路中其他環(huán)節(jié)，對(duì)控制系統(tǒng)幾乎無影響;孔板則不然.由于它的輸出與流量成非線性關(guān)系，回路增益隨著流里而變化，雖然利用調(diào)節(jié)閥的流量特性來補(bǔ)償廣義對(duì)象的線性影響，但效果并不明顯.因此，必須引人開方器，開方器的引人雖然使廣義對(duì)象的特性不隨工作點(diǎn)而變化.明顯改變了調(diào)節(jié)品質(zhì)，但在小流量時(shí)反應(yīng)快、靈敏、容易引起系統(tǒng)調(diào)節(jié)誤差增大。
綜上所述，氣體在許多流量測量中用氣體來代替孔板是可行的.既省錢又省力，它確實(shí)給流量測峨帶來許多好處。
4氣體流量計(jì)的原理及分類
4.1氣體流量計(jì)的原理
氣體流量計(jì)是根據(jù)“卡門氣體”原理研制成的一種流體振蕩型流量儀表。在流動(dòng)的流體中插人一個(gè)斷面為非流線型柱狀物體時(shí)，在住體后部兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生兩交錯(cuò)排列的旋渦。
旋渦分離的頻率與流速成正比，與柱體的寬度成反比.可以用下式表示:

式中:f為旋渦分離頻率;S.為無量綱常數(shù)（斯特勞哈爾數(shù)）;V為柱體側(cè)面的流速;d為柱體的迎流面寬度。
由式（1）可見，通過測量旋渦的分離頻率便可測出流體流速和瞬時(shí)流量。斯特勞哈爾數(shù)S.是可通過實(shí)驗(yàn)確定的無Z綱常數(shù)。斯特勞哈爾數(shù)S.與雷諾數(shù)Re函數(shù)關(guān)系中的線性部分，就是氣體流量計(jì)的線性測盆范圍。檢測出頻率I即可求得管內(nèi)流體的流速，再由流速求出體積流量。一段時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)與流體的體積之比（流過單位體積流體對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)）稱為儀表系數(shù)（K系數(shù)）。
K=N/Q
式中:K為儀表系數(shù)（1/m）;N為脈沖數(shù);p流體體積（ms）o
氣體流Z計(jì)采用壓電晶體元件檢測旋渦分離頻率。旋渦在柱體后部兩側(cè)交替分離，產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，安裝在柱體后面尾流中的探頭感受到交變力（見圖3）;埋設(shè)在探頭體內(nèi)部的壓電晶體元件受到交變力的作用產(chǎn)生交變電荷;交變電荷信號(hào)經(jīng)檢測放大器處理后，以頻率信號(hào)輸出（傳感器），或進(jìn)一步變換成與流量成比例的4-20mA直流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出（變送器）。氣體流量計(jì)原理圖見圖3所示。

4.2氣體流量計(jì)的結(jié)構(gòu)分類
目前在國內(nèi)銷售的氣體流量計(jì)按旋渦發(fā)生體與檢測體的位置結(jié)構(gòu)可分為一體式和分體式兩大類。
一體式結(jié)構(gòu)是指發(fā)生休和檢測體安裝在同一部件中，該部件既分離產(chǎn)生旋渦又檢測旋渦的脈沖數(shù)。發(fā)生體在儀表內(nèi)采用懸價(jià)梁結(jié)構(gòu)，可感受旋渦沖擊力。
檢側(cè)體位干發(fā)生體內(nèi).通過發(fā)生體的震蕩檢測旋渦脈沖數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是檢測體不與側(cè)璧介質(zhì)接觸，可提高其壽命。缺點(diǎn)是懸份梁結(jié)構(gòu)易被介質(zhì)中的臟污（如氣體中結(jié)垢、煤氣中的焦油等）堵死而失去震蕩能力，從而使檢測體無法檢測脈沖數(shù)而使儀表無法工作。另外，由于發(fā)生體的質(zhì)量較大，受重力影響大，所以抗振性能較差。目前橫河公司的氣體流量計(jì)屬于這種結(jié)構(gòu)。
分體式結(jié)構(gòu)的發(fā)生體和檢測體是分離安裝在儀表中的不同位置。這種結(jié)構(gòu)在儀表的抗振性能及耐臟污上有很大提高。缺點(diǎn)是檢測體與測量介質(zhì)直接接觸，一旦檢側(cè)體發(fā)生故障更換時(shí)需切斷流Z.會(huì)給用戶帶來麻煩。由此而知分體式結(jié)構(gòu)儀表對(duì)檢測體的質(zhì)量要求是很高的。分體式結(jié)構(gòu)的氣體流Z計(jì)按發(fā)生體和檢側(cè)體的位置不同又可分為分體內(nèi)置式（如E+H公司、羅斯蒙特公司產(chǎn)品）和分體外置式（ABB一菲雪波特公司、北京菲波儀表有限公司）兩種結(jié)構(gòu)，內(nèi)置式儀表的檢測體與發(fā)生體安裝在同一中心點(diǎn)上.發(fā)生體兩側(cè)開孔取信號(hào)。外置式儀表的檢測體安裝于發(fā)生體后端，如圖3中的旋渦發(fā)生處。內(nèi)置式與外置式結(jié)構(gòu)并沒有本質(zhì)區(qū)別，但內(nèi)置式結(jié)構(gòu)由于開孔處也有被臟污堵塞的問題.故在現(xiàn)場使用中耐臟污的能力不如外置式理想。
5正確選型、安裝、調(diào)試并用好氣體流量計(jì)
5.1用好氣體流量計(jì)是行要各方面配合的系統(tǒng)工程
①先進(jìn)的設(shè)計(jì)和高品質(zhì)的產(chǎn)品是基礎(chǔ).設(shè)計(jì)不良和粗制濫造的氣體隨處可見，可靠性是產(chǎn)品的*質(zhì)勝;②正確選型是滿憊使用的前提，氣體測量原油，生油，氫氣等高a度介質(zhì)有附加條件（沮度管徑.流公），面對(duì)大管道小流址的工藝設(shè)計(jì)，應(yīng)以流量定口徑.采取縮管，利多弊少。
5.2氣體流量計(jì)類型
氣體流量計(jì)的系統(tǒng)按信號(hào)類型分為流量傳感器和流量變送器;氣體流量計(jì)的系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)和安裝可分為一體型和分離型。分離型在于使檢測電路部件脫離高溫、地下或高空等惡劣或不便的環(huán)境;氣體流量計(jì)的系統(tǒng)按供電電源類型又可分為系統(tǒng)供電和電池供電;氣體流量計(jì)還可選擇是否有當(dāng)?shù)仫@示。5.3合理的選擇原.AlJ①滿足基本功能，不追求錦上添花;②可選基本型儀表就不選取特殊型儀表;③盡量避免采用模擬信號(hào)傳輸?shù)南到y(tǒng);④要與原有系統(tǒng)協(xié)調(diào).也要考慮未來的更新和發(fā)展;⑤采用廣義性能價(jià)格比概念，對(duì)性能、可靠性以及安裝、維修費(fèi)用等進(jìn)行綜合比較。
5.4選型前應(yīng)完成的兩個(gè)甚本工作
①由給定流貧范圍（通過計(jì)算）確定流量計(jì)口徑;②根據(jù)介質(zhì)壓力，溫度管道連接及其他現(xiàn)場條件要求確定流Z計(jì)的具體型號(hào)?？趶接?jì)算的依據(jù):工藝參數(shù)和儀表數(shù)據(jù);參數(shù)的單位換算，介質(zhì)物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫;儀表參數(shù)數(shù)據(jù)庫:流量，流速，阻力損失。
5.5選型前應(yīng)了解的其他信息
①儀表原理、特點(diǎn)、應(yīng)用場合等;②儀表的結(jié)構(gòu)、外形及安裝尺寸;③與儀表相配的附件，配套儀表信息。
5.6正確安裝帶來滿愈使用
①動(dòng)手安裝前務(wù)必先閱讀操作手冊;②位置、直管、方位、流向、法蘭對(duì)中;③電氣接線:需用心連接.先查后通電。
5.7儀裹調(diào)整和故陣處理
①儀表調(diào)整時(shí)，先核實(shí)工況條件，然后根據(jù)廠家的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整;②遵循“確認(rèn)現(xiàn)象一判定原因一動(dòng)手處理”的程序（儀表無流Z顯示并不等于儀表出故障）。
目前我國對(duì)燕汽的計(jì)量記錄及結(jié)算值的單位基本上是質(zhì)M流量。而氣體流量計(jì)測量值均是體積流量。
這就需要實(shí)時(shí)采集氣體的溫度和壓力，在積算儀或計(jì)算機(jī)中計(jì)算出密度進(jìn)行補(bǔ)償。以側(cè)量過熱氣體為例.使用氣體流量計(jì)時(shí)應(yīng)安裝壓力變送器和溫度感器采集壓力和溫度講行補(bǔ)償計(jì)算.如圖4

6結(jié)束語
綜上所述.氣體流量儀表的選用是非常重要的.準(zhǔn)確側(cè)Z燕汽流Z是生產(chǎn)部門都必需和普遍關(guān)心的問題。隨肴經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，提高測量水平的呼聲越來越高。因此，應(yīng)針對(duì)生產(chǎn)的實(shí)際情況，做一些更加細(xì)致的技術(shù)工作，切實(shí)探索出一條氣體流量測量的成功之路。