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流量儀表在國民經(jīng)濟中具有重要地位，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域、市政工程，還是改進產(chǎn)品質(zhì)量、提高經(jīng)濟效益和管理水平，評估節(jié)能降耗與污染排放的科學手段。由于影響因素較多，流量儀表的原理多達10余種，類型不少于200多，但仍不能完全滿足各領(lǐng)域提出的新課題，近二三十年來創(chuàng)新活躍，不斷推出新的產(chǎn)品。在工業(yè)領(lǐng)域自動化系統(tǒng)中，它是信號源頭，數(shù)量雖只占系統(tǒng)自動化儀表的1/5，但價格約占1/3；在科學評估節(jié)能降耗、污染排放中約占監(jiān)控儀表一半以上。
一 市場趨勢
1. 國外
據(jù)"flowresearch"網(wǎng)絡(luò)評估，近5年國際經(jīng)濟雖不太景氣，流量儀表全球市場年均增長率(CAGR)仍達到2.6%，銷售額從2002年的31億美元增長到2007年的35億美元，其中傳統(tǒng)儀表(節(jié)流、容積、渦輪、轉(zhuǎn)子流量計等)為負增長，CAGR為-2.2%，從2002年的16.43億美元(占總量53%)降至2007年的15.05億美元(占43%)；而新型儀表(電磁、超聲、科氏流量計等)年增長率平均達6.2%，自2002年的14.57億美元增至2007年的20.19億美元，其中，電磁、超聲、科氏流量計的年增長率及銷售額見表1。電磁流量計的CAGR不到2%，因其基數(shù)已較大，而且技術(shù)也較成熟。
該網(wǎng)還認為，渦輪流量計在國際上許多國家常用于測氣體或黏度較小的液體，因有轉(zhuǎn)動件，維修量大，近5年的CAGR為-3.2%，銷售額從2002年的4.1億美元下滑至2007年的3.48億美元。專家認為，超聲近年來增長勢頭雖咄咄逼人，但渦輪較超聲便宜得多，有價格優(yōu)勢；且較準確，在貿(mào)易結(jié)算上，仍為中小客戶樂于選用。容積式流量儀表為非速度型儀表，安裝無直管段要求，準確度一般可達到±0.5%，但較笨重�？趶揭话阈∮�0.2m。近5年銷售額自2002年的5.2億美元降至2007年的4.52億美元，CAGR為-2.7%。專家認為新型儀表在不少領(lǐng)域中取代傳統(tǒng)儀表，是一個總的發(fā)展趨勢，但過程將是漫長的。
2. 國內(nèi)
據(jù)中國工控網(wǎng)評估，2005年在國內(nèi)自動化儀表市場中，年銷售流量儀表達23億元人民幣；壓力變送器約18億元(其中約5億元左右的差壓變送器是與差壓流量計配套的)；溫度儀表12億元；物位、液位儀表10億元。從流量儀表的類型來看，由于節(jié)流裝置較為笨重，技術(shù)含量相對較低，國外廠商基本未涉足這類產(chǎn)品的中國市場，我國工程中選用這類儀表也主要立足于國內(nèi)產(chǎn)品，年銷售量不少于20萬臺，約8億元人民幣以上。
我國研制、開發(fā)流量儀表的力度與國外有較大差距，多滿足于仿制，這個問題可以從儀器儀表知名展會MICONEX2006，略見端倪。參加這次展會中外廠商涉及自動化儀表及裝置的有400余家，而展出流量儀表的廠家有135家(占34%)，共展出10余種原理的流量儀表共297臺次，按展出的頻率數(shù)列于表2。從表2可知，在所分類的16項中，展出前6項展品的廠家共204家占總數(shù)69%，說明它們是當前中外儀表廠家所關(guān)注的熱點，而其中科氏流量計，國外參展有17家占總數(shù)68%，國內(nèi)僅8家，是否說明對這種準確計量質(zhì)量流量的儀表，國內(nèi)重視不足；而內(nèi)錐流量計，國內(nèi)參展達30家占總數(shù)91%；國外僅3家，說明這種流量計近幾年在媒體過分宣傳之下，國內(nèi)市場是否又有些過熱？
表2還反映了以下一些情況：
(1)電磁流量計仍是流量儀表中的熱點，居于首位。我國各大儀表廠(上海光華、威爾泰、開封儀表，重慶川儀)都將其列為主要產(chǎn)品。據(jù)美國ARC咨詢公司評估，中國近年由于特別重視環(huán)境保護，依靠上水/下水，冶金、礦山、紙漿、制藥業(yè)的高速發(fā)展，今后5年，電磁流量計在我國CAGR將達到10.7%，預計從2003年的3.8億元增至2008年的6.4億元人民幣。 (2)超聲的優(yōu)點較多，既準確、壓損又小，特別適宜貴重流體的貿(mào)易計量，國內(nèi)外都較重視，只是國內(nèi)展品多為測液體的，測氣體的雖也有幾家，據(jù)了解應(yīng)用于現(xiàn)場，特別是用于貿(mào)易結(jié)算尚存在一些問題。
(3)熱電式的展品也較多，由于它可以直接測質(zhì)量流量，且靈敏度較高，受到業(yè)內(nèi)的重視，但它的插入式形式只能測干燥、純潔的氣體，且氣體成分對它影響較大，準確度也不是廠家所宣傳的那么高，距實用尚待時日。
二 技術(shù)熱點
(1)結(jié)構(gòu)日趨簡單、輕便
早期流量儀表為純機械就地顯示，如容積式流量計。不僅笨重，而且結(jié)構(gòu)復雜，重量/口徑比大；其中的轉(zhuǎn)動件因磨損需經(jīng)常維修。節(jié)流裝置因可承受惡劣工況，且無轉(zhuǎn)動件，曾占有流量儀表60%～70%的市場；但要求前直管段過長，一般都較為笨重，壓損也較大，年運行費過高，都影響了它們的選用，近年來市場已呈下降趨勢。
隨著工業(yè)管道口徑日益增大，插入式儀表以其結(jié)構(gòu)簡單、輕巧、拆裝簡便，日益受到用戶青睞。而近10年發(fā)展最快的電磁、超聲流量儀表，管道中更是沒有任何轉(zhuǎn)動件、阻力件，結(jié)構(gòu)更為簡潔，且壓損小，準確度高，是最有發(fā)展?jié)摿Φ牧髁績x表。
(2)功能力求完善
隨著工業(yè)水平的不斷提高，對流量儀表的功能也提出更高的要求。早期單臺儀表就地顯示(如容積、轉(zhuǎn)子)已不能適應(yīng)工藝要求數(shù)十臺儀表集中顯示、調(diào)節(jié)、控制的要求，有必要將傳感器與變送器分離開，并將流量參數(shù)轉(zhuǎn)換為電參數(shù)，遠傳至中央控制室。隨著工業(yè)規(guī)模再擴大，模擬信號又需轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以適應(yīng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)的要求。
為增加儀表的可靠性，不少儀表已增加多達10余種自診斷功能。如KROHNE公司推出的Optiflux電磁流量計，可自診斷如氣泡、電極腐蝕、積垢、電極短路、流體導電率、非滿管、襯里損壞、外部磁場等多方面的儀表狀況。
儀表功能的多樣化也是一種發(fā)展趨勢，如超聲除測流量外，還可測流體成分，聲速；科氏除測流量外，還可測流體密度。
(3)提高準確度與重復性
隨著貿(mào)易全球化、經(jīng)濟市場化，貿(mào)易雙方都要求計量儀表日益準確，以減小經(jīng)濟上的損失，這里要強調(diào)：
(a)準確度與重復性是兩個概念，準確度涉及流量的量值傳遞，它不僅取決于儀表的重復性，還取決于校驗裝置的不確定度。因此，儀表的準確度不可能優(yōu)于裝置的不確定度。而儀表的重復性僅取決于儀表的原理及制造質(zhì)量，是本身的特性，不能混為一談。
(b)儀表說明書標明的準確度是在實驗室理想條件下得到的，現(xiàn)場一般難以滿足，儀表在現(xiàn)場使用時的準確度將可能下降。
為提高流量儀表的準確度，許多儀表都采取了不少措施，如節(jié)流裝置加長前直管段；超聲采用多通道掃描；渦輪加前導流器；插入式增加測點等等。
(4)安裝維護力求簡便
在管道口徑隨工程日益增大情況下，流量儀表的拆裝、維護應(yīng)力求簡便，且不影響工藝流程的正常運行，如：
(a) 插入式
(b) 這類儀表有插入式渦街、渦輪、電磁、均速管、熱式等，僅需在管道上焊一個不大的接頭，即可安裝，且可不斷流進行裝卸，十分方便。但這類采用取樣原理的流量儀表其準確度一般僅±3%～5%，不適用于貿(mào)易核算。
(b)外夾式
無需在管道上進行加工，只將換能器夾裝在管道外壁，較插入式安裝更為簡便，主要為測液體的超聲流量計，近幾年才可測氣體。目前已有商品出售的為GE公司(美)推出的CTF878氣體超聲波流量計，及Controlotron公司(美)推出的1010DV氣體超聲流量計。GE公司認為由于影響因素太多(如管壁材質(zhì)、壁厚外夾位置)準確度目前只能達到±2%，而不太可能達到某些公司宣傳的±0.5%。
(5)量程比日益擴大
長期以來，占流量儀表60%～70%的差壓式儀表量程比只能達到3∶1；渦輪、渦街、轉(zhuǎn)子、容積這類儀表量程比可達10∶1，難以滿足用戶的需求，過去常采用并聯(lián)多臺儀表來解決，實屬無奈之舉。隨著近年來微電子計算機技術(shù)的發(fā)展，采取智能式差壓變送器，即可解決差壓式流量儀表量程比小的問題。而電磁、超聲、科氏由于原理的優(yōu)越，量程比達幾十比一，則輕而易舉。
(6)多相流測量有待解決
20世紀末期，隨著核電、航天、石化、動力等工業(yè)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，多相流的流量測量問題已提到日程，迫切需要解決。如氣液兩相流，常見于鍋爐，石油、天然氣開采，低沸點液體的輸送，傳熱設(shè)備的分離反應(yīng)過程等。又如氣固兩相流，多見于干燥塔等汽化過程，煤粉、水泥、谷物、粉料等的氣力輸送。液固兩相流多見于礦漿、紙漿、泥漿的流動，礦石、殘渣的水力輸送，污水處理、排放等。還有氣液固多相流常見于油田井口原油系統(tǒng)等。在現(xiàn)代工業(yè)中，多相流的實例處處可見。
國內(nèi)外對多相流流量儀表的研發(fā)已進行不少于二三十年，已處于工業(yè)試用階段，十分成熟的產(chǎn)品還不多，歸納起來，多采用以下3種方法：
(a)將兩臺單相流量儀表串聯(lián)組合，各自輸出為S1、S2，而S1=f1(qmx)； S2=f2(qmx)(qm為流量，x為分相率)。解兩個方程式，即可知qm、x。
(b)采用現(xiàn)代新技術(shù)，如γ射線、微波、核磁共振、全息技術(shù)、示蹤法、過程層析成象技術(shù)等。
(c)軟測量方法�；诔墒斓膫鞲衅饔布�，以計算機技術(shù)為平臺，通過軟測量模型運算處理來完成。
目前進入實用階段的有德國SWR公司的微波氣固兩相流量計；英國Solartron公司推出的DUALSTREAM MK1氣液兩相流量計；美國Malfi-Fiaid公司開發(fā)的LP多相流量計等。我國也積極開展研發(fā)，多在高校進行，處于樣機階段。
(7)直管段長度力求減小
10余種原理的流量儀表除容積式、科氏、轉(zhuǎn)子流量計外，都是速度型，要求通過儀表的管內(nèi)流速分布應(yīng)具有一定形式，即充分發(fā)展紊流。為此，儀表前應(yīng)具有較長的直管段，一般為十幾至幾十倍管徑長度。對于占流量儀表市場一半以上的節(jié)流裝置，根據(jù)ISO5167標準，為保證必要的準確度，直管段長度要求達40D。在管徑日益增大的情況下，這個要求很不現(xiàn)實，難以實現(xiàn)。因此，近年來一種以環(huán)形通道為特點的節(jié)流裝置(環(huán)孔、內(nèi)錐、槽道、梭式流量計)應(yīng)運而生，這類儀表不僅仍具有節(jié)流裝置可承受惡劣工況的特點，而因其環(huán)形通道具有整流作用，其所需直管段僅幾倍管徑，倍受用戶歡迎。
工藝設(shè)計為節(jié)約成本和場地，是不可能考慮流量儀表的需求而安排幾十倍D的直管段長度。流量儀表只有改善自己的性能來適應(yīng)現(xiàn)場。
(8)輸出信號數(shù)字化
流量儀表的輸出顯示，從就地表盤指針顯示改進為通過變送器將流量值轉(zhuǎn)換為標準化的模擬電信號0～10V或4～20mA，可進行遠距傳送至中央測控室顯示或打印。而為了適應(yīng)當今大型工程，傳送距離要求達到數(shù)公里以上，模擬量的傳送已不能適應(yīng)要求，則需要通過HART協(xié)議，將標準電模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以適應(yīng)現(xiàn)場總線與遠距離通信的需求。通過RS-232/485通信轉(zhuǎn)換器，連接HART協(xié)議轉(zhuǎn)換器與PC機通信口相連接，可使通信距離達數(shù)公里，其中RS-232通信距離約2km，而RS-485加一個中繼器，可使通信距離達到10km。
(9)校驗從實校到干標
流量是一個推導量，由一些基本參數(shù)(長度、質(zhì)量、時間)組成；同時它又是一個動態(tài)量，只有流體運動時才產(chǎn)生流量，因此，它又與流動的狀態(tài)密切相關(guān)。影響流量大小的因素很多，有些因素如流速、管徑的影響可以通過函數(shù)確定，還有不少因素難以確定，需要用流量系數(shù)C予以涵蓋來修正儀表所測的流量值。流量系數(shù)C對當前絕大多數(shù)流量儀表來說，必須通過校驗裝置，實際校驗求得，幾十年來，流量儀表都難以避開這一繁瑣的校驗程序，必須建立龐大昂貴的校驗裝置。
但是，現(xiàn)在有些儀表(如孔板、超聲波流量計)已可避開實校而通過干標得到流量系數(shù)，準確度也可控制在應(yīng)用可接受的程度。所謂干標，即嚴格控制制造的幾何尺寸。依據(jù)一定的標準，可以得到流量系數(shù)，但欲達到這個目的，還是要通過大量的校驗，積累數(shù)以
萬計的數(shù)據(jù)，歸納整理才有可能。不少儀表如渦街、均速管等為省略校驗程序，也積極向干標目標努力。要使某一種儀表達到干標的目的，制訂專業(yè)標準，不是某一個企業(yè)可以做到的，若由行業(yè)協(xié)會組織進行，才可能得到行業(yè)的認同。
(10)永久壓損不可忽視
當流體流過流量儀表時，由于儀表中存在運動件、阻力件，會產(chǎn)生一些不可恢復壓力損失；即使儀表中空無一物，如科氏流量計，因要強制流體流向改變，也會有較大的壓力損失。流量儀表所產(chǎn)生的壓力損失，造成了流動的滯緩，為維持正常的工藝流程必須加大動力，以彌補這個損失。加大動力所需的年運行費，對有些儀表特別是管徑較大時，是一個不小的數(shù)字，如1m管徑的孔板，年運行費可高達幾十萬元人民幣，為初始購置費幾十倍。因此，流量儀表的壓力損失已被列入訂貨者的選型條件。壓損過大的流量儀表特別是當口徑較大時，基本上已被用戶排除在外；同時，研發(fā)壓損小的流量儀表也列入了生產(chǎn)廠家的課題。
(11)大管道流量測量
隨著現(xiàn)代工程的大型化，大管道的流量測量迫切有待解決。困難在于不少非速度型原理的流量儀表如：容積、科氏、轉(zhuǎn)子由于結(jié)構(gòu)的限制，口徑難以超過0.2m。能否準確測量大管道流量則必需充分了解管道中的流速分布，這個課題已引起重視，成為近年來國際學術(shù)會議的熱點。但是，由于現(xiàn)場中阻力件種類極多且組合萬千，R.W.Miller認為試圖在實驗室中模擬、重現(xiàn)現(xiàn)場的流場難以實現(xiàn)，只有在現(xiàn)場采用速度面積法測多點流速才可能反映實際情況。近期，L.A.Salami研究表明，在速度面積法中欲提高準確度增加檢測半徑數(shù)比增加半徑上的測點數(shù)更為有效。事實上也是如此，Emerson近年推出的Annubar485，即使在T形檢測桿增加到20多個測點，也無益于提高準確度。是否可以預料， Salami的研究成果有可能成為一種新型儀表(或測量方法)的理論基礎(chǔ)。
(12)小流量測量 在當代不少工業(yè)領(lǐng)域中，如半導體加工、化工中的微量反應(yīng)、鍍膜工藝、加工中的微量氣體控制，以及家用水、氣表都涉及到微小流量的測量。不久前閉幕的MICONEX2007多國展上，國內(nèi)外企業(yè)展出了不少微小流量儀表，原理并不限于熱分布式，還展出了超聲、科氏、容積式、葉輪、浮子等原理的儀表，展出的公司有：瑞士Digmesa、荷蘭Bronk-horst、美國Micro Motion、Sierra、日本Kojima及我國大連海峰。儀表口徑小至幾毫米，流量低到0.05～150ml/min，準確度一般為1～2級。
三 小結(jié)
(1)完善是相對的，過程是緩慢的 流量儀表伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展有必要逐步完善其性能，而技術(shù)的進步也讓流量儀表的完善成為可能，這兩者是相輔相成，相互促進的。盡管有些儀表(如電磁、超聲)的性能相對較為優(yōu)越，但也并非盡善到可取代所有的流量儀表的地步。況且，它當前的價格還較昂貴，使用經(jīng)驗還不足，有待積累。其次工業(yè)領(lǐng)域十分廣闊，現(xiàn)場的工況千變?nèi)f化，當前還沒有一種儀表可以滿足這一切要求。所以盡管發(fā)展趨勢有增有減，而取代的過程將是緩慢的。
(2)本土化不等于國產(chǎn)化
近十幾年以來，我國GDP增長率都在兩位數(shù)以上，大型工程如雨后春筍，但令人遺憾的是，由于國產(chǎn)自動化儀表在性能、質(zhì)量、可靠性等方面與國外相比仍存在不小差距。國產(chǎn)儀表并未在火熱的建設(shè)中發(fā)展，壯大起來。而國外不少知名企業(yè)如：ABB、E+H、Emer-son、Krohne、橫河為降低成本，增強競爭力，紛紛在我國建立了生產(chǎn)基地或銷售服務(wù)中心，但核心技術(shù)仍由他們嚴格控制中。
儀器儀表不僅涉及各工業(yè)部門，也與國防息息相關(guān)。因此，這決不單純是一個經(jīng)濟問題。在儀器儀表行業(yè)中，大力倡導創(chuàng)新意識，建立獨立知識產(chǎn)權(quán)的品牌，振興民族儀表工業(yè)，仍是迫不及待、任重而道遠，不可等閑視之。 （全文完） 來源：《世界儀表與自動化》 出版日期：2008年1月
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