流量計量儀表性能與選擇
流量儀表在供熱系統(tǒng)中具有極其重要的作用，特別是在當(dāng)前市場經(jīng)濟(jì)條件下，蒸汽流量、燃?xì)饬髁炕驘崴疅崃坎捎觅Q(mào)易結(jié)算方式，流量儀表的測量就是計量收費的依據(jù)，因此要求具有很高的技術(shù)性能。
近十年來，我國流量儀表使用得最多的還是孔板差壓流量計和渦街流量計，這兩種流量儀表都是被用戶認(rèn)可的流量儀表，但由于生產(chǎn)廠家不同，生產(chǎn)廠家掌握流量測量專業(yè)知識方面的差異和技術(shù)水平的參差不齊，導(dǎo)致市場上同類的孔板差壓流量計和渦街流量計技術(shù)性能相差甚遠(yuǎn)，其中有相當(dāng)部分不被認(rèn)可，達(dá)不到貿(mào)易結(jié)算的要求。
流量儀表能否達(dá)到貿(mào)易結(jié)算的要求，可以通過一些硬性指標(biāo)來檢驗。這些硬性指標(biāo)涉及到儀表的可靠性與測量精度問題，涉及到儀表對停電的處理、對超量程運行的處理、對系統(tǒng)故障的處理、對濕飽和蒸汽流量測量的處理和網(wǎng)絡(luò)通訊問題等等。
一、流量儀表的可靠性及測量精度問題
（一）流量儀表的可靠性
流量儀表一般都是由一次儀表（如節(jié)流裝置及渦街傳感器）、變送器（如差壓變送器、壓力變送器、溫度變送器），及二次儀表（如流量積算儀）組成，考察流量儀表的可靠性，應(yīng)分別考察一次儀表、變送器及二次儀表的可靠性。以孔板差壓流量計為例，孔板作為差壓流量計的一次儀表，目前市場上有分體式和一體式兩類結(jié)構(gòu)，從使用情況看，一體式孔板要比分體式孔板可靠得多，為什么使用了近百年的分體式結(jié)構(gòu)沒有一體式孔板可靠呢？原因就在于分體式結(jié)構(gòu)中，從前后環(huán)室至冷凝罐之間有兩段碳鋼材質(zhì)的導(dǎo)壓管和截止閥，碳鋼材質(zhì)的導(dǎo)壓管運行一段時間后容易結(jié)垢而堵塞導(dǎo)壓管，碳鋼材質(zhì)的截止閥和石棉墊片也容易堵塞。經(jīng)常排污可以減少堵塞故障，但每排一次污，都需要較長時間才能穩(wěn)定下來，這對于貿(mào)易結(jié)算是不合適的。相比之下，一體式孔板采用不銹鋼加工而成，不容易結(jié)垢，也不用排污，使用多年都不會堵塞，可靠性高于分體式孔板。應(yīng)當(dāng)指出的是目前市場上有許多廠家的一體式孔板產(chǎn)品，由于三閥組和管接頭的質(zhì)量不過關(guān)，而存在微漏現(xiàn)象，少許的微漏將導(dǎo)致很大測量誤差，這是絕對不允許的。
除一次儀表外，變送器的質(zhì)量在流量測量中也很重要，它們將被測流體介質(zhì)的壓力、溫度及節(jié)流裝置前后的差壓信號轉(zhuǎn)變成為 4 ～ 20mA 的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，變送器的作用在于將不便于運算的物性參數(shù)轉(zhuǎn)換成便于運算的電流信號輸出。目前國內(nèi)生產(chǎn)的這類產(chǎn)品，普遍存在性能不可靠，使用壽命短等缺點，因此流量儀表中配用的這些產(chǎn)品，必須嚴(yán)格挑選，否則會影響流量儀表的性能?？装宀顗毫髁坑嫷亩蝺x表，通常稱為流量積算儀，近年來，流量積算儀均已智能化，只不過不同的生產(chǎn)廠家智能化的程度不同。由于用芯片代替原始的分離元件，可靠性得到了很大提高。目前市場上的流量積算儀大致分為萬用型和專用型兩種，萬用型流量積算儀通過硬件設(shè)置，可與差壓流量計、渦街流量計或其它流量計配用，可測量過熱蒸汽、飽和蒸汽、氣體及液體等不同介質(zhì)的流量。專用型流量積算儀硬件設(shè)置少，不像萬用型流量積算儀那樣，任何流體介質(zhì)都適用，對于不同的流體介質(zhì)，需要更換軟件。從儀表可靠性看，儀表內(nèi)電子線路的集成度越高，芯片越少，器件越少，可靠性越高。因此，專用型流量積算儀的可靠性比萬用型流量積算儀要高得多。
同孔板差壓流量計一樣，考察渦街流量計的可靠性，也應(yīng)從渦街傳感器、變送器（壓力變送器，溫度變送器）及流量積算儀分別考察。渦街傳感器將被測流體的流速轉(zhuǎn)變成頻率信號，頻率信號與流速成比例，因此測取了頻率就知道了流速。頻率的測量方法有很多，最常用的有電容和壓電晶體兩種，我國渦街流量計生產(chǎn)廠大都使用后者。渦街傳感器的可靠性是流量專業(yè)工作者經(jīng)常談?wù)摰脑掝}，特別是國產(chǎn)渦街傳感器的可靠性，談?wù)摰母?。由于渦街傳感器具有很多優(yōu)點，近年來使用很多，但有部分國產(chǎn)渦街傳感器可靠性差，經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象是出廠檢驗是合格的，但使用一段時間，如一或兩年后，渦街傳感器的壓電晶體給不出信號或渦街傳感器內(nèi)的檢測放大器無信號輸出，造成整個渦街流量計無法使用，用這種流量儀表計量收費是不適合的。
流量積算儀則不同，它將利用差壓信號、壓力信號和溫度信號判斷流體的運行工況，確定與流量有關(guān)的所有參數(shù)，進(jìn)而計算真實質(zhì)量流量或標(biāo)準(zhǔn)體積流量。這種新的流量信號處理模式已經(jīng)不是人們常提起的溫壓補償模式了，所謂溫壓補償是在原設(shè)定的流體溫度、壓力條件下確定的流量參數(shù)，在實際運行工況下，當(dāng)溫度、壓力波動時，對原來已確定的流量參數(shù)進(jìn)行修正補償，而在新的概念中儀表不存在有原始的流量參數(shù)，所有的流量參數(shù)都是在測量周期瞬間精確計算確定的。這種新概念處理流量信號使差壓流量計煥然一新，它將總的流量測量誤差減至最小，并且大大拓寬了流量測量范圍。
種發(fā)展趨勢是近距離的網(wǎng)絡(luò)通訊，如一個大企業(yè)內(nèi)部流量儀表，可以通過 RS485 總線與計算機構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，由計算機集中監(jiān)測和管理。如圖1、圖2。
另一種是遠(yuǎn)距離的網(wǎng)絡(luò)通訊，如熱力公司向市內(nèi)的多個用熱企業(yè)供熱，可以通過有線電話或無線電話，將流量儀表與計算機構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。如圖3所示。
（二）流量儀表的測量精度
流量儀表的測量精度在相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)中是用不確定度來表示的，流量測量的不確定度相當(dāng)于統(tǒng)計學(xué)中標(biāo)準(zhǔn)偏差的兩倍，流量測量總的不確定度等于流量計算公式中各參數(shù)不確定度平方和的開方。由此可以看出，流量儀表的測量精度不是只看流量測量系統(tǒng)中某一部分的精度，如差壓流量計的節(jié)流孔板和差壓變送器、渦街流量計中的渦街傳感器，而是整個流量測量系統(tǒng)。
在談?wù)摿髁績x表的測量精度時，有些使用者錯誤的認(rèn)為孔板差壓流量計是老式流量儀表，測量精度低，其實這種說法是不正確的。實際上，幾十年來孔板差壓流量計在不斷的演變和完善，過去無法解決的問題，在儀表智能化后都輕易地解決了。例如，以前孔板是在設(shè)定工況下計算節(jié)流孔徑d20值，在該工況下，規(guī)定了孔板的流量系數(shù)α，流束膨脹系數(shù)ε，工作狀態(tài)下的孔徑dt及流體密度ρ值，流量儀表在設(shè)計工況下運行時誤差最小，只存在流量理論計算誤差，當(dāng)偏離設(shè)計工況和設(shè)計點時，將會帶來許多附加測量誤差，因此規(guī)定流量的量程比為3：1，也就是三分之一刻度流量以下的流量是不能測量的。儀表智能化后，從儀表量程的零點至滿點的整個量程范圍都將是儀表的設(shè)計工況和設(shè)計點，儀表將不會有偏離設(shè)計工況產(chǎn)生附加測量誤差的問題，儀表的量程范圍將會大大拓寬。在這種情況下，影響量程范圍的只是差壓變送器的精度和流量積算儀的精度。例如：0.075%精度的差壓變送器在4 ～20mA電流信號輸出時的最大偏差為0.012mA，在量程起始點的電流信號最大只有4.012mA，其所對應(yīng)的流量為刻度流量的2.7%，只有2.7%以下的流量不能測量。至于流量積算儀的運算精度，對于1臺高性能的流量積算儀，其運算誤差可以忽略不計。考慮到其它各種因素，孔板差壓流量計的量程范圍可到20：1 。
渦街流量計的精度取決于渦街傳感器、變送器及流量積算儀。渦街流量計的精度也可用流量測量的不確定度表示，流量測量的不確定度等于渦街頻率的不確定度和流體密度的不確定度平方和的開方。渦街頻率的不確定度與渦街傳感器有關(guān)，流體密度的不確定度與壓力變送器和溫度變送器有關(guān)。渦街流量計的流量與渦街頻率和流體密度二者成比例關(guān)系，這說明渦街傳感器與壓力變送器和溫度變送器在確定流量時是同等重要的。但在實際使用中，有些人只強調(diào)渦街傳感器，而忽略了壓力變送器和溫度變送器，當(dāng)渦街傳感器運行正常，而壓力變送器運行不正常，導(dǎo)致流量示值嚴(yán)重偏離真實流量值時， 還全然不知。
流量積算儀的作用在流量測量系統(tǒng)中非常重要，從某種意義上講，流量儀表的測量精度主要取決于流量積算儀的功能。以孔板差壓流量計為例，節(jié)流孔板按標(biāo)準(zhǔn)計算加工就可以了，差壓變送器只是將孔板前后的差壓信號轉(zhuǎn)變成電流信號，壓力變送器和溫度變送器也只是將壓力信號、溫度信號轉(zhuǎn)變成電流信號，而
二、流量儀表用于計量收費需要考慮的幾個問題
（一）流量儀表的停電與計時問題
流量儀表停電后將不在工作，停電期間的流量將無法累積，這對于貿(mào)易結(jié)算是不允許的。因此，在流量儀表智能化后，許多流量積算儀都可顯示儀表累積運行時間，以此判斷在某段時間內(nèi)，儀表是否停電，以及停電多長時間。儀表增設(shè)累積運行時間功能可以解決一些在停電期間累積流量漏計的問題，但這種方式不可能解決得徹底。例如：由熱力公司提供的蒸汽流量，用戶每天間斷使用的總流量為30t，如果儀表記時為累積運行3小時，可推斷瞬時流量約為10t/h。但實際使用蒸汽時間為6小時，全天總流量應(yīng)為60t，由于不知道停電的3小時時間是否使用了蒸汽。因此，無法將漏計的30t蒸汽找回來，由此可見，儀表的累積運行時間功能，并不能滿足流量貿(mào)易結(jié)算的要求。在這里，筆者介紹一種專門用于貿(mào)易結(jié)算的YZS精密流量積算儀，這種儀表處理停電的原則是將停電期間的流量真實地反映出來。其做法是：
1、記錄停電時間： **** 年 ** 月 ** 日 ** 時 ** 分；
2、記錄停電時的最大瞬時流量 **t/h ；
3、記錄重新來電的時間： **** 年 ** 月 ** 日 ** 時 ** 分。
這樣就可以計算停電的時間段，再通過停電前的瞬時流量計算停電期間的總流量，在流量收費時就可將停電期間的總流量加到儀表的累積流量中去。
（二）流量儀表的超量程運行問題
流量儀表超量程運行經(jīng)常發(fā)生在用熱單位，用熱單位使用熱力公司提供的蒸汽，通常在進(jìn)入用熱單位的蒸汽管道上配置一臺蒸汽流量表，而流量表的量程由單位的用熱量確定。例如，某單位有10000m2的樓房，冬天需蒸汽供暖，從用熱考慮，蒸汽流量不會超過1t/h，當(dāng)將刻度流量定為1t/h時，往往會出現(xiàn)超量程現(xiàn)象。這是因為有些用汽單位將連續(xù)供汽改為間斷供汽，每天上班時將供汽閥門全開，給熱交換器加熱，到2～3小時后將閥門全關(guān)，閥門全開時的蒸汽流量已大大超過 1t/h 的刻度流量。因此在規(guī)定儀表的刻度流量時，不僅需要考慮用戶的供暖面積，還應(yīng)考慮蒸汽壓力，管徑和可能出現(xiàn)的最大蒸汽流量。流量儀表超量程現(xiàn)象很容易判斷，有些流量積算儀就有超量程顯示，當(dāng)沒有這個功能時，只要差壓電流信號或渦街電流信號大于或等于20mA時，都認(rèn)為超量程。
流量儀表超量程問題運行現(xiàn)場應(yīng)可以解決，運行現(xiàn)場不能更改量程的儀表不適合貿(mào)易結(jié)算使用。更改流量儀表量程的條件是變送器（或傳感器）及流量積算儀為智能型，以孔板差壓流量計為例，蒸汽管道DN50，蒸汽壓力0.6MPa，刻度流量1t/h，差壓變送器量程25Kpa，現(xiàn)儀表在運行中蒸汽流量超量程，需要將量程擴大至2t/h。首先改變差壓變送器量程，由于差壓與流量的平方成比例關(guān)系，因此當(dāng)流量量程增1倍時，差壓量程要增4 倍，即由25Kpa增至100Kpa，智能型差壓變送器的量程可以用專用手操器非常方便地改過來。改好差壓量程后，再改流量積算儀量程，將流量積算儀的刻度流量改為2t/h，同時使流量積算儀知道，采集的20mA差壓信號不代表原來的25Kpa，而是100Kpa 。
（三）流量儀表的線路故障問題
用于貿(mào)易結(jié)算的流量儀表應(yīng)嚴(yán)禁出線路故障，這就要求接儀表信號線、電源線時嚴(yán)格把關(guān)。由于流量儀表是由一次儀表，變送器及流量積算儀組成，一次儀表、變送器的信號通過導(dǎo)線接至流量積算儀，如果中間有1根信號線斷開，儀表就無法累積流量。智能儀表一般都應(yīng)有線路故障判斷功能，流量積算儀都應(yīng)能對采集的信號進(jìn)行判斷和報警。但由于人不在現(xiàn)場，這種報警也無意義。有些智能流量儀表通過RS485總線與計算機聯(lián)網(wǎng)，還有些智能流量儀表通過有線或無線MODEM與計算機聯(lián)絡(luò)，從計算機上可以查看每臺流量儀表的信號是否正常，信號是否斷線。
減少或杜絕儀表線路故障的另一個措施是儀表安裝調(diào)試后，所有的引線都應(yīng)鉛印封裝，所有的閥門，如壓力表閥、差壓閥及三閥組都應(yīng)有類似鉛封的封條，這樣就可以避免許多不必要的人為故障，保證儀表公平計量。
（四）對濕飽和蒸汽的流量計量問題
濕飽和蒸汽在熱網(wǎng)系統(tǒng)中普遍存，鍋爐產(chǎn)出的飽和蒸汽一般都含有少許的水分，通過分汽缸、熱力管網(wǎng)送至用戶，由于管網(wǎng)的熱損失，蒸汽的水分含量必然增多，導(dǎo)致蒸汽流量減少。
在計劃經(jīng)濟(jì)時代，供熱按樓房面積收費，不存在蒸汽計量收費問題。近年來，隨著市場經(jīng)濟(jì)的不斷深入，蒸汽流量必須按計量收費，因此蒸汽的熱損耗問題也提了出來。目前，行政上普遍執(zhí)行的辦法是由用戶多交10%的蒸汽費用，以補償蒸汽損耗。這種辦法也有一定缺點，用戶多交10%沒有科學(xué)依據(jù)，其一，濕飽和蒸汽水分含量與熱力管道的長短有關(guān)，短熱力管道能平衡減少的蒸汽量，而長熱力管道則平衡不了減少的蒸汽量。其二，對那些間斷使用蒸汽的用戶更無法平衡，有些企業(yè)白天上班使用幾小時蒸汽，下班后整個晚上都不使用蒸汽，直到第二天上班再用，通過一整夜的冷卻，熱力管道中的蒸汽全凝結(jié)成水，這種蒸汽的損失就不是10%。由于這些客觀原因，熱力廠不能做到自負(fù)盈虧，而需要政府補助。
比較合理的作法是熱力廠出口的總流量認(rèn)為是干飽和汽，用流量表計量并作為貿(mào)易結(jié)算的基準(zhǔn)流量。各個用戶的蒸汽流量為濕飽和蒸汽，按汽水兩相流計量，根據(jù)物質(zhì)不滅定律，各個用戶的蒸汽質(zhì)量流量之和與熱力廠出口的總蒸汽質(zhì)量流量應(yīng)相等，這就需要流量儀表準(zhǔn)確測量總管的質(zhì)量流量和分管的質(zhì)量流量。
汽水兩相流的流量測量除了要確定單相流涉及的流量參數(shù)外，還必須要確定干度（即濕蒸汽的水分含量），鍋筒出口的蒸汽干度可用電導(dǎo)率法測量，熱網(wǎng)管道的蒸汽干度可用熱平衡法測量，也可用頻譜分析法測量。汽水兩相流比單相流要復(fù)雜得多，由于汽與水的密度相差甚遠(yuǎn)，兩者的流速是不等的，密度大的速度快，密度小的速度慢，這種速度差又與干度高低、蒸汽壓力和流量大小等多種因素有關(guān)，因此濕飽和蒸汽流量數(shù)學(xué)模型比干飽和蒸汽流量數(shù)學(xué)模型要復(fù)雜得多。但是，經(jīng)過幾十年的實驗研究，濕飽和蒸汽的測量技術(shù)已經(jīng)成熟，目前濕飽和蒸汽數(shù)學(xué)模型精度可達(dá)±0.6%，這個計算精度完全滿足濕飽和蒸汽流量計量要求。
三、流量儀表的網(wǎng)絡(luò)通訊問題
流量儀表的網(wǎng)絡(luò)通訊是現(xiàn)代社會發(fā)展的必然趨勢。多個流量儀表的測量參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)
進(jìn)入計算機，由計算機監(jiān)視和管理，這是流量計量的一個新的里程碑，它將大大提高流量計量的可靠性和計量精度。流量儀表網(wǎng)絡(luò)通訊有兩大發(fā)展趨勢，一
