孫淮清 教授
一、前言
目前無論流量計用戶或儀表生產廠對流量計的主要特性、流量計測量準確度都有一些模糊的概念，例如儀表用戶一般認為生產廠產品樣本或使用說明書上列舉的流量計準確度就是他們使用時的準確度，而儀表生產廠在宣傳產品時亦認為用戶可以按其列舉的指標選用。實際上以上所述的流量計準確度皆應稱為實驗室準確度或流量計的基本誤差。目前除以標準節流裝置為檢測件的差壓流量計外，其它流量計皆需在流量實驗室流量標準裝置上進行校驗，以確定流量計的特性，包括其主要技術指標流量計的準確度。當流量計投用現場后，由于安裝、使用及流體條件的變化，流量計測量準確度有可能不變或產生巨大變化，這時流量計的準確度應稱為現場準確度?，F場準確度和實驗室準確度是因為現場使用條件變化產生差別的，這些變化因素稱為影響量。本文先簡要介紹一下現場主要影響量——流體條件的一些特性。流體條件的影響量有三：1.流體物性；2.流體流動特性；3.流體性狀。
1.流體物性：一般流量計在實驗室里用典型介質：水、空氣和油品進行校驗，但是現場流體介質千萬種，這些介質的物性：密度、黏度、電導率、聲速，導熱系數等對各類流量計有不同程度的影響，其中密度和黏度是普遍性的影響量，由于物性變化使儀表特性偏移，應采取相應措施予以修正（或補償），這是智能型流量計的基本功能之一。
2.流體流動特性：在流量實驗室里是在以下流體條件進行校驗的。
①具有充分發展管流速度分布，無漩渦、軸對稱速度分布；
②牛頓流體；
③充滿圓管的單相流體；
④定常流。
但是在現場常會遇到以下兩種干擾：非充分發展管流和非定常流。
①非充分發展管流：儀表安裝于工藝管道受前置阻流件干擾的影響，它往往形成速度分布畸變和旋轉流，它使儀表特性偏離實驗室的校驗特性因而降低測量準確度。
②非定常流：流體流動表現為脈動流或間歇流，其造成的原因非常復雜，至今流量標準總是避開這個難題。
3.流體性狀：流體性狀是指流體的腐蝕、磨蝕、積垢、臟污、堵塞等特性，工藝管道中流體遠非潔凈介質，對儀表檢測件及管道壁產生不良影響，它是隨時間延長而逐漸惡化的，因此流量檢測件及工藝管道必須定期進行檢查和維護。
一種類型流量計在推廣使用過程中都要積累流體條件影響量的研發資料以供用戶現場使用之需，這些資料包括理論分析和實踐應用，我們稱它是該類型流量計的軟實力。一種通用型流量計只有具備足夠的軟實力才能在現場順利應用，用戶要鑒別某種流量計的成熟程度亦可根據其軟實力進行評估。
二、節流式差壓流量計的發展歷程
我們以最古老最成熟的一類流量計為例來說明流量計軟實力聚集的一般規律。
1.以標準節流裝置為檢測件的差壓流量計是流量計中第一大類流量計，其軟實力居各類流量計之首。正是借助其軟實力，其應用范圍之廣泛尚無任何一類流量計可與之相比，全部單相流體，包括液、氣、蒸汽等皆可測量，部分混相流，如氣固、氣液、液固等亦可應用，一般工業生產過程的管徑，工作狀態（壓力、溫度）皆可測量。標準節流裝置有三類：孔板、噴嘴和文丘里管，標準節流裝置全世界通用，得到國際標準化組織（ISO）的認可，對標準節流裝置的試驗研究是國際性的，其它流量計一般只限于個別廠家或科研群體進行，因此與標準節流裝置相比，其試驗研究的廣度與深度不可同日而語。標準節流裝置無須實流校準可預估流量與輸出信號的關系及其測量誤差，在全部流量計中是唯一的。標準型節流式差壓流量計有三個特點為其它流量計所不具備：
①檢測件結構形狀和技術要求標準化并且國際上通用；
②檢測件流出系數數據庫由全世界聚集，由數據庫擬合出通用的流出系數與可膨脹性系數；
③對現場影響量進行長期的大量的試驗研究，積聚豐富的資料供確定現場準確度使用。例如，ISO5167：2003（E）中直管段長度規定有較詳細的表列數據可用，并且得到全世界通用與認可。
2.抑制非充分發展管流干擾的直管段長度規定與配置流動調整器的要求在ISO5167：2003（E）中有詳細與成熟的表列數據可用。其它類型流量計的國際標準雖亦有一些規定但都比較粗糙，沒有詳細的表列數據可用。因此ISO5167：2003（E）的一些抑制非充分發展管流干擾的直管段長度規定有時為其它類型流量計作為借鑒應用。其它類型流量計（例如轉型流量計渦輪、渦街、電磁、超聲、科氏質量等）的這些內容可能在儀表生產廠產品使用說明書中有詳細的表列數據，但它無法在全世界及同樣品種中借用，其原因應追溯到檢測件結構形狀和技術要求未標準化并且沒有通用的流出系數上。
應該指出，即使是標準節流裝置，噴嘴和文丘里管數據的完整性和成熟性與孔板相比亦有明顯差距，經典文丘里管的直管段長度規定在新修訂的標準［ISO5167：2003（E）］中有重大的修改即是實例。
3.美國AGA3號報告（天然氣與其它烴類氣體的孔板流量計）（2004年第4版）中列舉參考文獻約240篇，其中安裝影響為59篇，管壁粗糙度13篇，流動調整器38篇，脈動流影響13篇，共計123篇。在A2~A19論文中還有不少資料是關于現場試驗的，由上述可見有關現場研究試驗的論文約占一半以上，實際上全球流量工作者皆特別關注現場影響量對流量計準確度的影響，它是一個永不停頓的研究課題，它隨著應用領域的擴展而增加。
4.筆者編撰的《流量測量節流裝置設計手冊》第七章“標準節流裝置偏離標準規定的處理和測量的附加誤差”中收集若干確定現場準確度的資料，這些資料引自國外有關標準，規程（如BS1042，VDI2040，ISO/TR15377，ISO/TR12767，ISO/TR3313等）有一定的權威性。資料分為①節流裝置結構不符合標準要求：如孔板開孔直角入口邊緣銳利度；孔板厚度；取壓口位置與質量；排泄孔和放氣孔；實際管道內徑和節流件孔徑與設計值不符；環室有臺階；節流件安裝偏心；孔板偏移等；②管道布置不符合標準要求：節流件上下游側安裝異徑管；節流件上下游側直管段長度不足；流動情況不符合標準要求時影響傾向；③使用條件不符合標準要求：孔板撓曲，孔板上下游端面沉積臟物；孔板上游側測量管沉積臟物；文丘里管內壁沉積臟物；經典文丘里管使用條件偏離標準的影響；④管道粗糙度不符合標準要求：節流件上游側管道粗糙度對管道內流速分布有重要影響，因而影響流出系數標準值，管道粗糙度不但與初始管材，管道加工情況有關，它會隨著時間延長而不斷改變的，它與流體性狀密切相關，節流裝置定期檢查與維護還應包括測量管內壁狀況，這是常被忽視的影響量。
三、新型流量計的發展現狀
1.渦輪流量計（以下簡稱TUF）
TUF是受流體條件影響嚴重的流量計，在物性方面：液體TUF受黏度影響較大，氣體TUF較??；受密度影響，則氣體TUF較大，液體TUF較??；在流體流動特性方面：TUF應有足夠長的直管段長度或安裝流動調整器，在流體性狀方面，腐蝕磨蝕、結垢、臟污、堵塞會嚴重影響流量計特性直至不能正常工作。在新型流量計中TUF是發展較早的一類流量計，它已頒布相當完備的標準規范文件，如ISO2715、 ISO9951 、 OIMLR6、R3 2 、 A G A N 0 7 、 P r E N 1 2 2 6 1 、JISZ8765、JISB7501等。但是這些標準文件與ISO5167有顯著的差別，它缺少ISO5167的三個特點，因此我們難以藉助標準文件對儀表現場準確度的影響量進行修正。TUF的檢測件無法提出統一的結構形狀和技術要求，因此統一的流出系數（或儀表系數）是不存在的，當然現場影響量對不同的結構形狀是會產生不同的影響的。結構形狀的創新會使TUF特性更上一層樓，因此統一結構形狀不是此類流量計的選擇。目前，TUF為保持高準確度在現場配備在線校驗系統，如天然氣輸配氣站，但是在城市企業或公用事業的應用就難以實行這種措施，如何確定現場準確度仍然是值得探討的課題。
2.電磁流量計（以下簡稱EMF）
按照EMF遵循的工作原理法拉第電磁感應定律，儀表的流量（流速）僅與流體流速有關，不受流體的密度、黏度、溫度、壓力以及一定范圍內的電導率變化的影響，但是實際上由于儀表的結構型式、安裝條件及使用現場條件的差別，實踐證明，這些影響量對流量計的測量準確度是有一定影響的，特別是高準確度級別時這些影響已不容忽視。1990年國際儀表用戶協會（WIB）委托荷蘭TNO（荷蘭應用科學研究組織）和荷蘭DSM研究所對8家電磁流量計制造廠提供的20臺準確度優于1%的流量計進行影響量的研究試驗，試驗歷時2.5年，影響量有流體電導率、黏度、流體溫度、環境溫度、管道尺寸，襯里材料等。
一般儀表廠產品使用說明書對某類型電磁流量計皆指出其電導率閾值（下限值）的數值，說明不能低于閾值，如低于閾值會增加示值誤差直至不能應用。WIB試驗證明流量計在閾值附近示值誤差甚至有1%~6%的變化，儀表生產廠提供的閾值數值是在實驗室理想工作條件下得到的，現場受流體電導率均勻性、連接信號線、外界噪聲等的影響，需要提高閾值。例如：一個數量級才能正確測量，低流速的流量比高流速的流量影響大，小口徑儀表影響比大口徑儀表影響大。液體黏度的影響在一些介質：調制糖、水溶液、甘油水溶液黏度為5，15，75和200mm2/s（cst）中試驗，證明示值誤差變化在0.7%~1.6%，變化最大的一臺儀表近4% 。黏度異于水的介質其特性曲線（以雷諾數為參數）不能用水校驗的特性曲線代表。液體溫度和環境溫度對其它參數（如電導率、黏度等）的影響波及流量計測量準確度，對小口徑和低流速儀表比較敏感。WIB在20℃~45℃內試驗，對DN10~DN40示值偏移達0.2%~0.3%。流體雜質在管道內附著和沉淀會顯著影響儀表特性，產生的示值誤差不容忽視。附著物電導率大于液體電導率，則測得流量值偏低，若電導率低，則測得值偏高，液體中含有氣泡，視氣泡的流型而異，如電極被覆蓋，則輸出信號晃動，甚至不能正常工作。在幾種常用的流量計中電磁流量計的抗非充分發展管流的干擾是較強的，一般前置直管段長度10D已可抗嚴重干擾，如空間雙彎頭，各種閥開度。在標準（GB/T18660，GB/T18659，JISB7554，ZBN12007等）中有一些表列數據，但與ISO5167比較，無論明細方面及成熟程度差距較大。
3.超聲流量計
目前流行的時差法超聲流量計實際上是徑流速計型插入式流量計（外夾式除外），它確定的是面平均流速，而流量應由體平均流速反映，如果速度分布為軸對稱，且為充分發展管流，則面平均流速與體平均流速有一定比例關系，當流量變化（即雷諾數）時，兩種平均流速的差值可以從5%變到8%，即反映面平均流速的流量比體平均流速的流量偏大5%~8%。問題的棘手在于現場應用時由于速度分布畸變及旋轉流使兩種平均流速不存在簡單的關系了。時差式超聲流量計對阻流件干擾的抑制發展出多聲道型式，人們希望用多聲道組成聲道網絡，可以用計算機分析整個管道橫截面上的分布畸變與旋轉流，制定儀表信號處理方案獲得高的測量準確度，歐洲燃氣測試聯盟（GERG）2004年對目前世界上最著名的幾家氣體超聲流量計生產廠產品進行不良安裝條件下測試，證明多聲道氣體超聲流量計對阻流件干擾仍然敏感，甚至達到1.2%的測量偏差。另外，由于超聲流量計傳感器結構型式五花八門，某生產廠產品的現場試驗的數據并不一定能為另外生產廠借用。氣體超聲流量計國際標準正在制訂中，標準草案特別提出要制訂把實驗室校驗的儀表特性轉換為現場儀表特性，如何保持特性轉換是一個重點內容，在目前所有國際標準中它是第一份提出這個要求的，這亦從側面反映這個問題對此種類型流量計是一個核心問題。標準草案中還反映另一個棘手的問題——噪聲影響必須予以關注。在工藝管道中噪聲源有管件和閥門等，情況隨機性大且很復雜，如何克服目前已提出不少辦法，但要列入標準尚需進行大量的測試認證。應該指出，近年國際上推崇超聲流量計為21世紀流量計是有一定根據的，它具有一系列特點為其它類型流量計所不及，但是從上述介紹可見，要達到期待的優良特性及實際應用尚有一段相當艱巨的路程，應該相信，困難是可以克服的，只要投入足夠的研發力度，實現的日子就會到來。
四、結束語
1.流量測量準確度應分為實驗室準確度和現場準確度兩種。實驗室準確度是在實驗流量標準裝置參比工作條件下校驗得到的，流量計投用現場后由于工作條件偏離參比工作條件，流量計準確度變為現場準確度，變化多少與影響量有關，而影響量又是與流量計工作原理關聯的，例如電導率對電磁流量計，噪聲對超聲流量計，振動對科氏質量流量計都是這些儀表特有的影響量或者是主要影響量。只要尋找出影響量使流量計產生的系統誤差，就可以借助微機技術進行修正（或補償）。1980年以來智能型流量計迅速發展，其主要功能之一就是彌補流量計在現場使用中準確度降低的缺陷。
2.節流式差壓流量計近年采用微機技術對影響量進行補償，如溫壓補償，流出系數和可膨脹性系數補償等使儀表傳統的不足，如范圍度窄，測量準確度不高等得到改善，應該說全部流量計與30年前相比都獲得質的提高，今后借助高科技提升儀表的準確度是流量計科研工作的主題。
3.標準檢測件與非標準檢測件的差別：在改善現場準確度方面應注意標準檢測件相比于非標準檢測件有很大的優越性。我們舉以下實例來說明。ISO5167和ISO9300中標準節流裝置：孔板、噴嘴、文丘里管、文丘里噴嘴和臨界流文丘里噴嘴等是本文所指的標準檢測件，其它流量檢測件皆稱為非標準檢測件，雖然其中有些檢測件有國際標準或國家（行業）標準為依據。標準節流裝置的標準文件有三個特點，這在上文中已闡明，它可以按照標準文件設計、制造、安裝和使用，無須實流校準而確定其流量與信號的關系并估算其測量的不確定度。而非標準檢測件的國際標準或國家（行業）標準則缺乏這些能力，必須實流校準后投用，目前渦輪流量計（ISO2715，ISO9951），電磁流量計（ISO6817，ISO9104），科氏質量流量計（ISO10790）皆具有國際標準，但仍須逐臺實流校準投用，這是標準中明文規定的。比較一下二者標準文件的內容亦就一目了然。最重要的是標準檢測件得力于全社會對現場影響量的試驗研究，積累豐富的資料，使得現場準確度的確定有充分的資料可用，而非標準檢測件無法動用全社會力量來做此項工作，因此其資料只能適用提供單位的產品，其適用范圍當然就非常有限了。前文我們亦談到如渦輪，電磁，科氏質量流量計，不可能提出統一的結構形狀和技術要求，從儀表原理看，統一性會扼殺創新性，如何解決這個矛盾？有無兩全的辦法？可能是今后這些新型流量計值得探討的問題。
4.節能減排要求流量計貫徹執行GB17167《用能單位能源計量器具配備和管理通則》中的流量計準確度強制性技術指標，對關系國計民生的流體介質：水、天然氣、煤氣、蒸汽、油品等數值似乎不高（1%~2.5%）但是難度不小，這些數值應該是現場實測數據。目前國內流量計行業準備好實施國際的物質基礎嗎？實事求是地說尚有一定差距，如何解決它是擺在全行業面前的問題。
5.流量計國家計量檢定規程確定的流量計準確度是實驗室準確度，周期檢定只檢查實驗室校準的流量計性能是否有變化，儀表現場準確度沒有進行監管，建議標準文件中適當增加這方面的內容，計量部門增加現場使用的科研力量和監管力度。
轉載自《計控信息》報721期
