标题流量检测技术和传感器设计若干趋势

摘要：论述前一时期封闭管道主流流量仪表更新换代新型号仪表，在流量检测技术和流量传感器结构设计方面若干趋势。流量检测技术增强在运行时自身检查诊断动能，流量检测件的多参数测量．复合式流量计。结构设计方面将原有使用方集成的相关功船件集合在流量传感器内。关蕾词：流量检测技术 自诊断 复合式流量计 发展趋势 电磁流量计
0引言
进入20世纪五六十年代。在公用事业和流程工业大量使用流量仪表的推动下。涡轮式、电磁式成为工业实用仪表，七八十年代旋涡式、超声式、热式、科里奥利质量式亦相继进入市场，90年代蓬勃发展的科里奥利质量流量计有人称之为20世纪最后的新颖流量计。这些新颖流量计与差压式、容积式、浮子式等传统仪表组成当代封闭管道用10大类主流流量仪表。
近年虽有一些新测量原理已达工业实用阶段的流量仪表进入市场，如测量单相液体和液固双相流体的声纳流量计?，测量气固双相流体的微波流量计”‘j，但尚处于积累经验推广应用的初始阶段。流量仪表业界的主要力量还是对成熟的主流仪表进行换代，开发新型号流量仪表。新—代流量仪表从提高性能、增加功能、方便使用、拓展应用领域等方面进行改进，有以下一些趋势：
①在流量检测技术方面，流量仪表在运行时增强自身检查诊断功能；流量检测元件在检测主参量以外其他参量的功能方面有拓展，如科里奥利质量流量计和电磁流量计已经或试图实现测量黏度；两种流量测量方法各取其长。组合在一起。
②在流量传感器结构设计方面形成一个理念，就是将使用方的集成工作集合到流量仪表内，例如间接式气体质量流量计将所需温度／压力传感器集合进流量仪表，将异径管等功能件纳人流量传感器。
l增强流量仪表运行中检查诊断功能
我国流量仪表检定规程规定的检定周期较短，为1-4年，贸易用仪表则短至半年。在实践中常有超过检定周期较长时间，而仪表仍能保持良好性能；也有使用条件状况严酷（如磨损、腐蚀、结垢）。未届检定周期就出现不易察觉的性能劣化，因此使用者需能够在运行时在线自行测试、检验、诊断仪表性能，验证所测流量是否仍在规定准确度范围内等性能要求。
过去仪表主要是针对电子元器件和软件进行自身检查诊断。近年许多新型号流量仪表却常利用流量检测元件（或检测系统）其他物理效应引起的一些现象，检查检测元件的特性是否仍保持在原有允许范围内，判断仪表性能的完好性。例如科里奥利质量流量计检查测鼍管刚性，电磁流量计检查磁场强度，据此评判仪表性能是否良好。
这种在线间接检查验证的方法，使能够在检定周期内发现隐性故障，减少计量损失；或延长仪表使用周期，减少离线校准次数和拆卸停运肘阃，提高流程生产效率，节省费用。
1．1科里奥利质量流量计
科里奥利质量流量计测量管刚性变化会影响流量测量和密度测量的仪表校准系数。测量管受流体冲刷磨损或腐蚀，壁厚减薄，或内壁结垢，均要影响测量管刚性而引起测量误差。管壁均匀磨损壁厚1．0％，质量流量产生约0．8％偏差，相对于准确度0．2％一O．5％的仪表，影响是相当可观的；密度产生约0．033 g／cm3偏差。
美国Micav M060n公司科里奥利质量流景计测量管刚性在线检查，是通过仪表专用处理器和FCF数据处理专用软件发出特定信号给流量传感器，传感器回馈信号与内存记忆数据比对．据此判断测量管刚性是否变化。
1．2电磁流量计
电磁流量计是测试检查磁场强度、电极信号系统绝缘性和电极与液体间接触电阻等以评判仪表的完好性。
横河电机ADMAG AXF型仪表具有电极沾污自诊断功能。当电极被缓慢附着绝缘层，从所检测信号源阻抗．发出4个等级污染程度的预警信号，提示运行人员及时清理维护。
德国Krohne公司1FC300型仪表有更多的监测诊断系统，不仅诊断仪表自身，还可判断外界流程测量条件的变化（如液体电导率变化，液体中气泡或颗粒含量变化．来流流速分布畸变等）。诊断是通过仪表内部一些设定（输入）条件改变前后，测量某些内在参数变化以作比较与判断.
电极电阻监测系统可监测电极表面覆盖附着层，电极泄漏，液体品种变换（如食品工业管系更换介质前热水清洗的探知，并不予计量）。测量电极噪声判断电极腐蚀现象（电极和地之间存在电化学电势），液体中含有气泡或固体颗粒。励磁系统在切换两线圈连接方向，产生两种磁场强度和磁场分布下的两流量信号，按其比值的变化，判断衬里变形和来流流速分布廓形变化。
1．3超声流量计
贸易储运交接计量的超声流量计是以超声波在流体内顺逆流动方向传播，利用传播速度差与流体流速之问的关系，求取流体流量。在测量气体时人们利用实测声速与被测气体声速或与混合气体按成分计算所得声速（即从流量计外获得的参比量）进行比较，验证超声流量计。
 用超声流量计作天然气交接计量日益增多。EmeⅫ公司的Daniel多声道超声流量计的用户超声接口CUl（customer ultrasonic interface）软件对仪表作内部诊断。保证运行良好。然而天然气声速随着成分而变，这些检查诊断还没有与外界任何参比量比较，还不能判断测量是否准确。需要一个外界参比量。这一参比声速是以气相色谱仪所测天然气成分和实时压力／温度经计算机计算获得，连续地比较。
巴西IPT技术研究所分析串接两台相同型号DN600五声道超声流量计发送石油的流量和声速统计__数据，以检查验证交接计量的运行状况Ⅲ。
2流量检测系统的多参数测量
流量传感器的检测元件或检测系统除感受主要变量获得与流量有关信号外，同时按其他物理现象感受其他变量，获得第二、第三参量的信号，以增加功能，扩展应用领域。这类技术思路肇始于上世纪八九十年代，近年又有新发展。例如科里奥利质量流量计测量管原可测流量、密度两个参量，现在又增添了测黏度；非满管电磁流量计检测系统除测量流速外，还作管内液位测量，现在又提出满管时可测液体黏度的方法。
2．1科里奥利质量流量计
本仪表普遍可测量流量和密度两个参量，现在有些型号可测流体黏度。在科里奥利力作用下，仪表测量管两半部分振动频率产生相位差，利用相位差与流量间正比关系求取质量流量口。；利用测量管谐振频率与介质密度间函教关系求取密度p；利用测量管振动幅度受制于液体黏度，黏度越大维系振动所需激励电流越大，通过测量所需激励电流，推算黏度u
从质量流量和密度又可获得衍生的体积流量（口。=q。巾）；测量两种互溶性液体（如乙醇与水）时，可从浓度／密度关系曲线获悉溶质在溶剂中的浓度，两种非互溶性液体（如油／水乳化液）时，可直接计算求取浓度；测量液固双相流体时，可获悉固相含量。
科里奥利质量流量计在测量质量流量的同时，可以通过所测第二、第三参量监测或控制流体浓度、黏度等品质指标。例如监测氨水稀释流程浓度，达到目标指标时指令下游控制阀门开启，发送并计量；在计量发送产品液的同时。判断流过液体是产品液还是清洗液，以切换下位阀门至各自管系。文献[8]列举了除监测黏度外11个各类应用案例。
2．2电磁流量计
管道中液体在磁场切割磁力线运动时，产生与流速成正比的感应电动势，从管壁两端电极测得。在满管流时从测得平均流速乘上流通面积，即得体积流量。用电磁流量计测非满管流量时，除测流速外，还要测管中液位高度以获得液流流通面积，因它们亦随流量大小而变。第二参量液位高度亦从电磁系统中获得，是通过切换两励磁线圈连接端，得两种磁场分布和强度以及由此产生两个感应电动势值，其比值与液位高度存在一定函数关系，由此比值求得液位高度。从第一参量平均流速和第二参量液位高度即流通面积相乘得非满管的流量。电磁流量计是当前测量满管或非满管流量的主要仪表之一。
德国Karlsruhe大学研制一种用于在线实时测量液体黏度的专用电磁流量计，其原理是通过变换磁场分布和强度，取得两个感应电动势值，其比值与流速分布廓形以及液体黏度有函数关系，从而求得液体的黏度”?。若通用电磁流量计上结合本测量黏度的方法，开发新型号电磁流量计，即有测量黏度功能的通用电磁流量计。
3复合式流量仪表
这是一类由两种测量原理（或方法）组合的复合式流量仪表（hybrid flowmeter），取长补短以提高性能。例如在市场上已有十余年由传播时间法和多普勒法组成的复合式超声流量计，前者测量准确度高而不能测量含有气泡或颗粒较多的液体，后者可测第二相含量较高但准确度较低，第二相含量达到一定值时会白行切换。
近年在市场上见到由涡街流量测量和热学流量测量组合的复合式流量计?1。在仪表矩形测量通道内并列插入涡街检测件和热式检测件．分别测得体积流量和质量流量，体积流量由所装入压力和温度传感器作压力／温度换算成质量流量。大流量时用涡街法测量得流量吼，小流量时用热学法测量得q。，以尽可能大的流量范围用准确度较高的涡街法测量，流量变化所测吼>q．，切换封热学法测量。日本Oval公司称作HMD型仪表口径有25—100mm六种，测量准确度为4-5％R，范围度为500：1，但从性能图上读到若要维持±2％R准确度时范围度约为80：1。
该类仪表不仅适用于空气、氮气等管系的使用量管理，因其优越的微小流量测量性能，还可作管系泄漏监测，用作节能管理流量计。
4流量仪表集合相关功能件
仪表制造供应商参照流量仪表现场应用经验，近十余年来纷纷将原由应用方安装调试的相关功能件（或配套仪表）集合于流量仪表。应用方减少了安装调试工作，降低用户总费用TOC（total owne：r cost）；供应方增加了仪表功能价值和收益。
例如国外盛行十余年国内近年型号日益增多的一体化差压式流量计，将孔板等差压发生器和差压变送器集合在一起，取消了现场安装引压管，减少建造工程量和日常维护工作，消灭潜在故障点。又如间接式气体质量流量计应用初期，也是由用户分别安装涡轮式等体积流量计、温度／压力变送器和流量演算器，自行组合调试，现在均被智能式气体涡轮流量计和旋进旋涡流量计等代替，它们将功能器件集合在流量仪表内，方便应用，简洁了使用现场，现在又出现一些集合相关功能件的新型号仪表。
4．1涡街流量计+变径管
涡街流量计的额定流量偏高．在应用中往往选择流量计口径比管径小一档规格，再装一组渐缩渐扩异径管以相适应。仪表制造厂就按此需要推出带渐变异径段的新型号涡街流量计。
4．2电磁流量计+变径管
电磁流量计可用于较高流速，也常遇选用口径比管径小一档规格的仪表。有些新型号仪表的流量传感器进出端也设计有渐变异径段，若变径圆锥角不过大．不仅提高流速，还可改善流速分布，从而可适当缩短前置直管长度。
4．3热式流量计+流动调整器
接入管段型金氏定律（热消散效应）热式流量计需要较长前置直管，若长度不足，则需在流量计前装流动调整器，用户感到十分不便。仪表制造厂设计将流动调整器集合在仪表进口段，例如装名为Vortabs片状调整器或多孔流动调整板（一块或多块），就不再要求用户在仪表前装流动调整器。若流量计上游有控制阀扰动，无流量调整板的仪表需要45D（D为仪表内径）的直管，而有流动调整板的仪表只要≥3D