標題流量檢測技術和傳感器設計若干趨勢

摘要：論述前一時期封閉管道主流流量儀表更新換代新型號儀表，在流量檢測技術和流量傳感器結構設計方面若干趨勢。流量檢測技術增強在運行時自身檢查診斷動能，流量檢測件的多參數測量．復合式流量計。結構設計方面將原有使用方集成的相關功船件集合在流量傳感器內。關蕾詞：流量檢測技術 自診斷 復合式流量計 發展趨勢 電磁流量計
0引言
進入20世紀五六十年代。在公用事業和流程工業大量使用流量儀表的推動下。渦輪式、電磁式成為工業實用儀表，七八十年代旋渦式、超聲式、熱式、科里奧利質量式亦相繼進入市場，90年代蓬勃發展的科里奧利質量流量計有人稱之為20世紀最后的新穎流量計。這些新穎流量計與差壓式、容積式、浮子式等傳統儀表組成當代封閉管道用10大類主流流量儀表。
近年雖有一些新測量原理已達工業實用階段的流量儀表進入市場，如測量單相液體和液固雙相流體的聲納流量計?，測量氣固雙相流體的微波流量計”‘j，但尚處于積累經驗推廣應用的初始階段。流量儀表業界的主要力量還是對成熟的主流儀表進行換代，開發新型號流量儀表。新—代流量儀表從提高性能、增加功能、方便使用、拓展應用領域等方面進行改進，有以下一些趨勢：
①在流量檢測技術方面，流量儀表在運行時增強自身檢查診斷功能；流量檢測元件在檢測主參量以外其他參量的功能方面有拓展，如科里奧利質量流量計和電磁流量計已經或試圖實現測量黏度；兩種流量測量方法各取其長。組合在一起。
②在流量傳感器結構設計方面形成一個理念，就是將使用方的集成工作集合到流量儀表內，例如間接式氣體質量流量計將所需溫度／壓力傳感器集合進流量儀表，將異徑管等功能件納人流量傳感器。
l增強流量儀表運行中檢查診斷功能
我國流量儀表檢定規程規定的檢定周期較短，為1-4年，貿易用儀表則短至半年。在實踐中常有超過檢定周期較長時間，而儀表仍能保持良好性能；也有使用條件狀況嚴酷（如磨損、腐蝕、結垢）。未屆檢定周期就出現不易察覺的性能劣化，因此使用者需能夠在運行時在線自行測試、檢驗、診斷儀表性能，驗證所測流量是否仍在規定準確度范圍內等性能要求。
過去儀表主要是針對電子元器件和軟件進行自身檢查診斷。近年許多新型號流量儀表卻常利用流量檢測元件（或檢測系統）其他物理效應引起的一些現象，檢查檢測元件的特性是否仍保持在原有允許范圍內，判斷儀表性能的完好性。例如科里奧利質量流量計檢查測鼉管剛性，電磁流量計檢查磁場強度，據此評判儀表性能是否良好。
這種在線間接檢查驗證的方法，使能夠在檢定周期內發現隱性故障，減少計量損失；或延長儀表使用周期，減少離線校準次數和拆卸停運肘閫，提高流程生產效率，節省費用。
1．1科里奧利質量流量計
科里奧利質量流量計測量管剛性變化會影響流量測量和密度測量的儀表校準系數。測量管受流體沖刷磨損或腐蝕，壁厚減薄，或內壁結垢，均要影響測量管剛性而引起測量誤差。管壁均勻磨損壁厚1．0％，質量流量產生約0．8％偏差，相對于準確度0．2％一O．5％的儀表，影響是相當可觀的；密度產生約0．033 g／cm3偏差。
美國Micav M060n公司科里奧利質量流景計測量管剛性在線檢查，是通過儀表專用處理器和FCF數據處理專用軟件發出特定信號給流量傳感器，傳感器回饋信號與內存記憶數據比對．據此判斷測量管剛性是否變化。
1．2電磁流量計
電磁流量計是測試檢查磁場強度、電極信號系統絕緣性和電極與液體間接觸電阻等以評判儀表的完好性。
橫河電機ADMAG AXF型儀表具有電極沾污自診斷功能。當電極被緩慢附著絕緣層，從所檢測信號源阻抗．發出4個等級污染程度的預警信號，提示運行人員及時清理維護。
德國Krohne公司1FC300型儀表有更多的監測診斷系統，不僅診斷儀表自身，還可判斷外界流程測量條件的變化（如液體電導率變化，液體中氣泡或顆粒含量變化．來流流速分布畸變等）。診斷是通過儀表內部一些設定（輸入）條件改變前后，測量某些內在參數變化以作比較與判斷.
電極電阻監測系統可監測電極表面覆蓋附著層，電極泄漏，液體品種變換（如食品工業管系更換介質前熱水清洗的探知，并不予計量）。測量電極噪聲判斷電極腐蝕現象（電極和地之間存在電化學電勢），液體中含有氣泡或固體顆粒。勵磁系統在切換兩線圈連接方向，產生兩種磁場強度和磁場分布下的兩流量信號，按其比值的變化，判斷襯里變形和來流流速分布廓形變化。
1．3超聲流量計
貿易儲運交接計量的超聲流量計是以超聲波在流體內順逆流動方向傳播，利用傳播速度差與流體流速之問的關系，求取流體流量。在測量氣體時人們利用實測聲速與被測氣體聲速或與混合氣體按成分計算所得聲速（即從流量計外獲得的參比量）進行比較，驗證超聲流量計。
 用超聲流量計作天然氣交接計量日益增多。EmeⅫ公司的Daniel多聲道超聲流量計的用戶超聲接口CUl（customer ultrasonic interface）軟件對儀表作內部診斷。保證運行良好。然而天然氣聲速隨著成分而變，這些檢查診斷還沒有與外界任何參比量比較，還不能判斷測量是否準確。需要一個外界參比量。這一參比聲速是以氣相色譜儀所測天然氣成分和實時壓力／溫度經計算機計算獲得，連續地比較。
巴西IPT技術研究所分析串接兩臺相同型號DN600五聲道超聲流量計發送石油的流量和聲速統計__數據，以檢查驗證交接計量的運行狀況Ⅲ。
2流量檢測系統的多參數測量
流量傳感器的檢測元件或檢測系統除感受主要變量獲得與流量有關信號外，同時按其他物理現象感受其他變量，獲得第二、第三參量的信號，以增加功能，擴展應用領域。這類技術思路肇始于上世紀八九十年代，近年又有新發展。例如科里奧利質量流量計測量管原可測流量、密度兩個參量，現在又增添了測黏度；非滿管電磁流量計檢測系統除測量流速外，還作管內液位測量，現在又提出滿管時可測液體黏度的方法。
2．1科里奧利質量流量計
本儀表普遍可測量流量和密度兩個參量，現在有些型號可測流體黏度。在科里奧利力作用下，儀表測量管兩半部分振動頻率產生相位差，利用相位差與流量間正比關系求取質量流量口。；利用測量管諧振頻率與介質密度間函教關系求取密度p；利用測量管振動幅度受制于液體黏度，黏度越大維系振動所需激勵電流越大，通過測量所需激勵電流，推算黏度u
從質量流量和密度又可獲得衍生的體積流量（口。=q。巾）；測量兩種互溶性液體（如乙醇與水）時，可從濃度／密度關系曲線獲悉溶質在溶劑中的濃度，兩種非互溶性液體（如油／水乳化液）時，可直接計算求取濃度；測量液固雙相流體時，可獲悉固相含量。
科里奧利質量流量計在測量質量流量的同時，可以通過所測第二、第三參量監測或控制流體濃度、黏度等品質指標。例如監測氨水稀釋流程濃度，達到目標指標時指令下游控制閥門開啟，發送并計量；在計量發送產品液的同時。判斷流過液體是產品液還是清洗液，以切換下位閥門至各自管系。文獻[8]列舉了除監測黏度外11個各類應用案例。
2．2電磁流量計
管道中液體在磁場切割磁力線運動時，產生與流速成正比的感應電動勢，從管壁兩端電極測得。在滿管流時從測得平均流速乘上流通面積，即得體積流量。用電磁流量計測非滿管流量時，除測流速外，還要測管中液位高度以獲得液流流通面積，因它們亦隨流量大小而變。第二參量液位高度亦從電磁系統中獲得，是通過切換兩勵磁線圈連接端，得兩種磁場分布和強度以及由此產生兩個感應電動勢值，其比值與液位高度存在一定函數關系，由此比值求得液位高度。從第一參量平均流速和第二參量液位高度即流通面積相乘得非滿管的流量。電磁流量計是當前測量滿管或非滿管流量的主要儀表之一。
德國Karlsruhe大學研制一種用于在線實時測量液體黏度的專用電磁流量計，其原理是通過變換磁場分布和強度，取得兩個感應電動勢值，其比值與流速分布廓形以及液體黏度有函數關系，從而求得液體的黏度”?。若通用電磁流量計上結合本測量黏度的方法，開發新型號電磁流量計，即有測量黏度功能的通用電磁流量計。
3復合式流量儀表
這是一類由兩種測量原理（或方法）組合的復合式流量儀表（hybrid flowmeter），取長補短以提高性能。例如在市場上已有十余年由傳播時間法和多普勒法組成的復合式超聲流量計，前者測量準確度高而不能測量含有氣泡或顆粒較多的液體，后者可測第二相含量較高但準確度較低，第二相含量達到一定值時會白行切換。
近年在市場上見到由渦街流量測量和熱學流量測量組合的復合式流量計?1。在儀表矩形測量通道內并列插入渦街檢測件和熱式檢測件．分別測得體積流量和質量流量，體積流量由所裝入壓力和溫度傳感器作壓力／溫度換算成質量流量。大流量時用渦街法測量得流量吼，小流量時用熱學法測量得q。，以盡可能大的流量范圍用準確度較高的渦街法測量，流量變化所測吼>q．，切換封熱學法測量。日本Oval公司稱作HMD型儀表口徑有25—100mm六種，測量準確度為4-5％R，范圍度為500：1，但從性能圖上讀到若要維持±2％R準確度時范圍度約為80：1。
該類儀表不僅適用于空氣、氮氣等管系的使用量管理，因其優越的微小流量測量性能，還可作管系泄漏監測，用作節能管理流量計。
4流量儀表集合相關功能件
儀表制造供應商參照流量儀表現場應用經驗，近十余年來紛紛將原由應用方安裝調試的相關功能件（或配套儀表）集合于流量儀表。應用方減少了安裝調試工作，降低用戶總費用TOC（total owne：r cost）；供應方增加了儀表功能價值和收益。
例如國外盛行十余年國內近年型號日益增多的一體化差壓式流量計，將孔板等差壓發生器和差壓變送器集合在一起，取消了現場安裝引壓管，減少建造工程量和日常維護工作，消滅潛在故障點。又如間接式氣體質量流量計應用初期，也是由用戶分別安裝渦輪式等體積流量計、溫度／壓力變送器和流量演算器，自行組合調試，現在均被智能式氣體渦輪流量計和旋進旋渦流量計等代替，它們將功能器件集合在流量儀表內，方便應用，簡潔了使用現場，現在又出現一些集合相關功能件的新型號儀表。
4．1渦街流量計+變徑管
渦街流量計的額定流量偏高．在應用中往往選擇流量計口徑比管徑小一檔規格，再裝一組漸縮漸擴異徑管以相適應。儀表制造廠就按此需要推出帶漸變異徑段的新型號渦街流量計。
4．2電磁流量計+變徑管
電磁流量計可用于較高流速，也常遇選用口徑比管徑小一檔規格的儀表。有些新型號儀表的流量傳感器進出端也設計有漸變異徑段，若變徑圓錐角不過大．不僅提高流速，還可改善流速分布，從而可適當縮短前置直管長度。
4．3熱式流量計+流動調整器
接入管段型金氏定律（熱消散效應）熱式流量計需要較長前置直管，若長度不足，則需在流量計前裝流動調整器，用戶感到十分不便。儀表制造廠設計將流動調整器集合在儀表進口段，例如裝名為Vortabs片狀調整器或多孔流動調整板（一塊或多塊），就不再要求用戶在儀表前裝流動調整器。若流量計上游有控制閥擾動，無流量調整板的儀表需要45D（D為儀表內徑）的直管，而有流動調整板的儀表只要≥3D