【知识普及】详解3大流量测量技术，教你如何选取合适的流量计
本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2016年8月刊杂志，原标题为：克服流量测量的挑战
为应用场合匹配合适的流量计可以帮助工程师解决在流量测量应用中遇到的问题。磁力式、涡流式以及差压式流量计是用于测量体积流量或者流速的主要技术。了解什么情况下使用哪一种流量计，是提升效率的关键。
流体的体积流量对于许多工业的过程监控和控制来说是最重要的参数之一，包括化工、炼油、石油天然气、水及污水处理、发电、制药、食品及饮料等行业。
流量必须控制在安全极限以下；对流量的监控会在流速过低或过高的情况下发出提醒。这些偏移现象经常作为报警提供给操作员。对于实时控制，流速可以用作控制系统中的联锁条件—例如，在罐体或容器排干之前启动离心泵。
也许最常见的流量测量信息的用法是将其作为比例-积分-微分（PID）控制回路中的过程变量来优化连续的过程。例如，在一个控制阀定位回路中，流量测量可以用作过程变量反馈来使设定值达到或接近理想值。
有三种用于测量体积流量的主要技术，分别是差压式、涡流式以及磁力式流量计。以前，用户为一种特定应用在这三种技术之中选择，往往要基于过去在类似的情况下哪种技术被成功使用过。现在，通过向来自工程公司、系统集成商或可信赖的供应商的流量测量专家咨询，会得到更多有价值的帮助，包括识别备选方案，或者关于近期的可能进一步提高流量测量和工厂性能的创新技术和信息等。
图1：通过测量孔板制造的压力差，差压流量计计算出体积流量。本文图片来源：艾默生过程管理
1 测量差压流量
通过压力差进行流量测量是最常用的流量测量技术，并且已经被实践证明了几十年。一台差压流量计是测量体积流量的经济有效的方式，特别是应对一般直径在8英寸以上的大口径管道的时候，例如在供水或排放管线中见到的。与其他技术不同，差压流量测量可以用于导电的和不导电的流体，这使其可以用于大范围的气体和液体场合。
差压流量计里的主要部件在一个管道里通过引入限流而制造出压力下降。这个压力下降被第二个部件（即差压变送器）测量，它会将读数发送到控制系统。根据差压变送器的具体属性不同，余下的部件可以包括脉冲管以及将上游和下游的压力都连接到变送器上的连接器。
通过工程手段在管道里制造一个限流，一般是使用孔板、皮托管（皮托管测量管道中介质的静止压力与流动压力之间的差值）、或者阿牛巴（一台阿牛巴是在管道截面上进行多个取样的平均值皮托管），伯努利的方程式可以用来计算流速，因为限流截面上的压力降的平方根与流速成正比。
一台差压流量测量设备具有广阔的应用范围。然而，对于特定的应用场合，也会出现挑战，其中最主要的挑战就是“湿腿”问题。“湿腿”是一个描述连接差压变送器和主要流量传感部件之间的脉冲管的术语。例如，一种气体可以滞留在湿腿中并影响流量测量的精度。除此以外，“湿腿”也可能阻塞以及在寒冷状态下冻住。
现在，先进的技术使得一个整体安装的压力变送器可以直接连接到主要的流量组件上，消除了脉冲管及其湿腿问题。这些组装件可以简单快捷地安装，因为不需要安装脉冲管。除此以外，由于泄漏点减少了，维护成本也下降了。
传统的孔板可能会引起另一个差压流量测量的问题，因为其需要安装在很直的一段管道上，这样才能减少流动扰动，其要求是上游的直管道长度达到44倍管道直径，下游的直管道长度达到7倍管道直径。
许多情况下，在这些直管道的长度范围内出现的弯管部位，会引起使用传统孔板测量的不准确。在这种情况下，可以使用调节性孔板。调节性孔板仅仅要求在孔板上游及下游的直管道长度为直径的两倍，这大大的增加了使用差压流量测量的应用数量。
2 涡流式流量计
涡流式流量计是根据冯卡门效应来测量流体流量，当流体撞击一个障碍物（顶出杆）时会在杆的后部制造出交替的涡流，或者低压区域，其频率与流体的速度成比例。
测量的频率会转化为流速，进而转化为体积流流量。工业涡流式流量计是在1968年问世的，已经成功用于蒸汽、气体以及清洁流体的测量。与所有的流量测量技术一样，使用涡流式流量计也会遇到挑战和解决方案。
图2：可直接安装的差压流量计避免了对脉冲管的需求，减少了安装和维护成本。
一般的涡流式设计会在传感器或顶出杆周围存在小的空间或缝隙，用来制造产生涡流所需要的运动。流体中的涂层或者颗粒物可能会堵住缝隙并抑制传感器的运动，结果是流量测量不准确。全铸的涡流式流量计不再需要自由传感器的运动，因此对于涂层和阻塞不敏感。因此，它们可以用于稳定地测量通常会阻塞传统涡流式传感器的脏的流体流量。
需要被称为“低流量截断”的最小流速来建立涡流。如果所期望测量范围的下限流速低于这个最小流速，则可能无法测量到，经常需要缩小流量计和管道的尺寸来增加速度。
图3：在涡流式流量计中，顶出杆产生的涡流的共振频率与管道中的流体流速成比例。
减径管涡流式流量计具有同心异径管设计，将其安装在流量计本体内部可以不需要进行昂贵的破坏性的过程管道改造而实现对更低流速的测量。对减径管涡流式流量计的工厂标定确保了精度并消除了在现场额外增加上游及下游管道的需求。
在某些情况下，相比体积流量，首选测量质量流量。例如，在计算过程蒸汽效率的时候，首选的测量饱和蒸汽流量的单位是磅/小时，与体积流速截然相反。压力或温度补偿被用来使得涡流式流量计可以测量流体的质量流量。将这些补偿测量集成到流量计中会减少安装成本和复杂性。
涡流式流量计通常用来测量腐蚀性化学品的关键流量。传统的传感器设计存在潜在的泄漏风险，也许会让过程流体从管道中泄露出去。要这些设计提供服务还必须要关闭过程而且让工人暴露于过程化学品之下。对于这些关键流量的测量，具有隔离传感器的全铸流量计去除了常见的泄漏点，并能在过程运行状态下提供安全的服务。
图4：图中所示的4台涡流式流量计正在一个增强的石油采收现场测量蒸汽流量。
3 磁力式流量计
磁力式流量计的工作原理是电磁感应的法拉第定律，即当导电流体流经磁场时会产生电压。电压的高低与磁场的强度、导体的长度以及导体的速度成比例，其公式如下：
E=KBLV
其中：
E = 电极上测量到的电压
K = 仪表常数
B = 磁场密度（磁场强度）
L = 导体长度（电极之间的导电路径长度）
V = 导体（导电流体）的速度
磁力式流量计是在1952年推出来的，已经被用于大量的导电流体的流速测量。因为它们不需要在流体流动中引入障碍物，因此避免了需要插入的流量计遇到的问题，例如压力下降、产品剪切或流动的流体导致仪表磨损和消耗。
图5：磁力式流量计通过其传感电极，能够测量由流经流量计的导电流体产生的磁场。
磁力式流量计可以测量磨损性以及固体物含量高的浆液。除此以外，可以选择潮湿的表面（衬里以及电极）与具有化学侵蚀性或磨损性流体相兼容。流量计的潮湿表面可以选用与过程流体性能相匹配的材料，延长流量计寿命。
材料科学以及安装技术方面的进步可以进一步提高流量计的可靠性并延长其寿命。使用具有全焊接设计特色以及隔离区块来避免潮湿和污染，能够进一步提高可靠性。
如果使用的衬里提高了耐热温度、减少了渗透以及对油的阻力，就像在石油生产领域测量采出水的应用场合，将有助于延长使用寿命，可增加的选项包括，衬里保护、防止磨损的强化材质。得当的安装方法有助于流速的控制，进一步减少磨损或控制温升来减少渗透率。
来自质量和法规方面的要求经常需要定期检测流量计的精确度。这通常要求将流量计从管道上拆下来，再送到流量实验室确认精度，或者携带额外的设备到现场来验证对离线流量计的校准工作。智能流量计校验是一种被接受的方式，将该技术内置在流量计中，这样校验流量计的性能不再需要将其离线，也不需要使用特殊设备。
智能流量计校验所检验的是硬件、软件、线圈、电极以及连接线。校验可以连续运行、或者通过本地操作员界面启动、也可以通过远程软件指令。一般来说，由于免去了标定校验的过程，从而显著减少了停机时间，并避免了断开和再次连接正常工作的流量计所带来的故障。不仅如此，智能流量计校验可以根据安装的流量计是否按照预想正常工作的反馈，来简易地确认初始安装是否成功。
流体里经常含有颗粒物，会引起对流量测量产生干扰的噪声。这样的例子包括采矿浆液、制浆造纸机的浆液、以及携带大量沙子的采出水。颗粒物撞击电极会引起高水平的噪音（其效果类似敲击麦克风），其结果是降低信噪比、降低精度、以及很差的回路性能。
图6：磁力式流量计可以用于非常大的管道的流量测量，这成为了此类应用的一个具有优势的特色。
处理高水平过程噪音的传统方式涉及到额外的阻尼，可以将回路响应降低到不可接受的水平。现代的噪音消除技术能够提供更加精确的、响应更快的流量信号。这些技术包括可以动态监控信噪比的诊断功能，可调线圈驱动频率来获取更低的噪声频率，以及具有增强的信号功率的强信号磁力流量计。
4 无线选项
有无线的磁力式、涡流式以及差压式流量计设备可用。差压式流量计的变送器已经有了集成无线功能的版本，对于磁力式和涡流式流量计，也有了可以将其输出信号在变送器内转化成无线信号的适配器。
无线装置通过无线方式发送过程数据和诊断信息，免除了对到I/O柜的信号电缆敷设工作的需要。信号接线不需要敷设电缆，实现了更快更经济的安装工作，同时减少了维护工作。
无线设备可以连接到一个无线网关，该网关会被安装在靠近控制系统的位置，通过硬接线与控制系统连接。无线技术同时免除了对额外的控制系统模拟量输入点的需要，从设备到控制系统的信号接线可以非常昂贵，特别是需要增加一个新的模拟量输入卡的时候。
磁力式、涡流式以及差压式流量计是用来测量体积流量或流速的主导技术。每一种技术都有其一席之地，也都面临着挑战。首先要做的决定是为应用场合选择正确的流量技术。接下来的任务是根据不同的应用选取合适的流量计，包括所需的特性和可选项，从而帮助工程师克服该应用场合所固有的流量测量的挑战。
（作者：Wally Baker）