从FLOMEKO 2004、FLOMEKO 2005和 INSFMW 2004看国际流量测量技术和仪表的发展趋势

来源：《世界仪表与自动化》
孙延祚，北京化工大学信息科学与技术学院教授；IMEKO(国际计量技术联合会)TC9(第9技术委员会)中国委员；ISO/TC30/SC05/WG01和WG02中国委员；国际著名流量杂志《Flow Measurement and Instrumentation》编辑顾问委员会成员；中国仪器仪表学会理事、专家委员会委员；《仪器仪表学报》和《天然气工业》编委；中国仪器仪表行业协会自动化仪表分会流量仪表专业委员会技术顾问；中国计量测试学会流量专业委员会委员。1961年毕业于莫斯科石油学院生产过程自动化专业。长期从事流体流量测量技术和仪表的教学与研究工作。FLOMEKO 2004学术会议国际程序委员会中的中国委员、组委会主要成员、论文集编委会主任。
一 前言
第12届国际流量测量学术会议，FLOMEKO 2004，于2004年9月14～16日在广西桂林召开，来自20个国家的130名代表出席了这一学术盛会。此会共收录106篇论文。会上宣读了75篇，其中大会宣读论文8篇，会议是由国际测量联合会(IMEKO)下属的负责流量测量的第9技术委员会(TC9)发起的系列国际学术会议。大量事实已经证明：FLOMEKO已成为全世界关于流量测量的最成功的系列国际学术会议。
第22届国际北海流量测量专题学术会议INSFMW 2004，于去年10月26～29日在英国圣安德鲁斯召开。它是专门交流在石油和天然气工业中流量测量技术和仪表应用成功经验的系列国际专题学术会议，每年10月末在英国或挪威轮流召开这次会上共发表29篇论文。
FLOMEKO 2005，于今年6月6～9日在苏格兰Peebles Hotel Hydro召开。会上共发表34篇论文(其中包括壁挂论文8篇)。
FLOMEKO 2004、INSFMW 2004和FLOMEKO 2005是国际流量测量学术界、工程界在最近一年中的三大盛事。从这三大学术盛会可以观察到当今国际流量测量技术和仪表的发展趋势。现从如下两个方面分别予以综述。|
二 超声流量测量技术与仪表的最新进展
1. 对流动调整器—气体超声流量计组合的整体评价
作者：由欧洲10个著名燃气公司和研究所的10位专家联合撰写(INSFMW 2004, Paper 3.2)。
a. 引言
尽管气体超声流量计有许多很有希望的优点，但在欧洲气网中的推广尚还是相对有节制的。在完全和广泛地采纳它用作气体贸易计量之前，仍需这项技术展示其良好的性能。气网的操作者最关心的是这种流量计对安装条件的敏感性。为此，在GERG(欧洲燃气测试联盟)内的10个欧洲著名燃气公司同意共同从事此项研究工作，其目标是：研究安装条件对气体超声流量计性能的影响，并且为改善总体性能，特别注意将流动调整器(FC)与气体超声流量计(USM)配套作为一个整体的可能性。此项目的内容包括：对在有代表性的管道配置的下游安装带有和不带有FC的USM的性能作出评价。此项目的目标是：在可能形成安装建议的各种流动干扰下为特定的FC与USM的组合提供表明其性能的数据。测试中采用了几种FC，采纳了厂家推荐的几种管道配置。此项目的另一目标是：针对安装影响为USM更新它的基本数据库。
b. 测试与评估工作
为了在实验的基础上评估各种USM对待流动干扰的能力，制定了测试计划。评估工作在Bishop Auckland的天然气装置上进行。该装置的不确定度：在大流量下为0.19%；在小流量下为0.24%。参比流量计是在Pigsar装置上校准过的气体涡轮流量计，口径有DN100、DN150、DN200和DN300。
测试压力为55bar。每一测试都是在Qmax的5%～100%范围内的6个流量上进行。其相应的流速范围是1.25～25m/s。被测试的USM的口径为200mm。被测试的USM有：Daniel Senior Sonic(4声道)；FMC MPU 1200(6声道)和Instromet Q.Sonic-4(4声道)。它们都是已获欧洲型式批准和应用最广的USM。各厂家的USM虽都是多声道的，也采用它们研究出来的加权方法，USM仍受各种流动干扰的影响。这些流动干扰要求十分长的直管段以便逐渐自然地消除这些流动干扰。采用FC则可以缩短直管段长度。一般是将FC装在USM的上游10D处。接受测试的FC有：Gallagher Flow Conditioner(GFC)，它是将一个多叶片的FC安装在一个多孔厚板的FC之前，其间距为5D；CPA 50E，它是由加拿大管道配件公司(CPACL)制造，利用了K-LAB技术，在它的多孔厚板上有25个孔。
各厂家推荐采用不同的FC：FMC推荐在USM的上游10D处安装CPA 50E；Daniel推荐在USM的上游10D处安装它们具有32个孔的多孔厚板的FC，“Profiler”；Instromet则建议在Q。Sonic-4的上游3D处安装它们的多孔厚板FC，(即Instromet的FS-3)，它最初是由NEL的Spearman设计，后由Instromet加以改进。由PTB批准的FC+USM的组件要求上游有5D的直管段长度，在3D处安装FS-3。这是由流动干扰到USM的最短距离。
测试时的管道配置包括：直管道、单个90°弯头和不在同一平面的双弯头。(注：阻流件的种类太少，而且未测试半开阀门和强烈的涡流等严重扰流情况。)
c. 结论
由本文所述的测试结果表明：各种USM对各种流动干扰仍然是敏感的。尽管市场上这三个领先的厂家(Daniel、FMC和Instromet)都采用了各自最高级的技术和算法，由于流动干扰所引发的不能接受的各种偏差都仍然存在，特别是当各种流动干扰与USM之间的距离相当短时，偏差就更为明显。一些恶劣的安装条件会带来高达±1.2%的偏差，如图1所示，由此所造成的流量加权平均误差(FWME)能高达0.95%，如图2所示。因此，当安装USM时仍要求采取各种预防与保护措施。由本项目所收集到的数据可得出一系列的建议或推荐措施。
随着各种流动干扰与USM之间的间隔距离的加大，由流动干扰所引发的流量测量结果的偏差会变小。在测试中能观察到这种预期的性能。用更加量化的语言来说：为了使由于各种流动干扰所造成的附加偏差不大于±0.33%，不管是哪种类型的USM，如果人们所应用的是不带FC的USM，那么应该在USM的上游至少有20D的无干扰的直管段。
采用FC后则可以明显地改善USM的计量性能。由于采用了所测试的FC，它的流量加权平均误差(FWME)会相当明显地减小。由于采用了各种FC，会使误差曲线变得更为平坦。在被测试的FC的下游，USM的响应也更加线性。如带有FC，USM可在上游有12D直管段的情况下正常工作，由流动干扰所引发的附加不确定度可在一个可接受的水平之下。
作者推荐将FC与入口管道和USM的整个组件一起校准。
总之，只要上游20D长的无干扰的直管段是注意保留了或者FC与USM组合配套而且留有12D的上游直管段，那么这些测试结果将证明被测试的USM用于贸易输送计量是合法的。这些测试结果不可成正比地用于其他口径的USM，由于口径不同，存在的几何差异很大。
d. 点评
本文的10位作者忽略了讨论FC所带来的以下负面影响，如：
(1)由于FC(多孔厚孔板)所带来的压损与耗能问题；在大口径、大流量情况下压损与耗能问题必须重视，不可忽略；(而原来USM宣称是没有压损的)。如果大多数的多声道气体超声流量计都必需配FC，那么它们的压损与耗能将是一个不可忽视的巨大数目，(可参见作者的计算报告)。采用FC后虽可以明显地改善USM的计量性能，但这是以增大永久压损和耗能费为代价的，很明显，这不符合节能降耗的要求。
(2)由于FC部分孔被堵塞所引发的附加流量测量误差问题；(对孔板已有测试报告)。
(3)由于FC的多孔厚孔板所引发的声噪声和超声噪声问题。(特别是安装在USM上游3D处的多孔厚板的FC，FS-3)。
2. 在具有高噪声水平的场合中，适用于气体超声流量计的编码多个脉冲串(CMB)的信号处理技术
作者：Marcel Vermeulen，Geeuwke de Boer等人(Instromet Ultrasonic B。V。)(INSFMW 2004, Paper 3.3)
如果USM在调节阀、阀门、调压器和流动调整器FC等大的噪声源附近时，由于超声噪声会影响一般传统USM的正常工作。为了能在存在超声噪声的恶劣环境中将有用的超声信号检测出来，Instromet研究开发出了一种新的信号处理技术，结合使用一种宽频带的超声传感器，它采用了一种频域算法。这一技术被称为“编码多个脉冲串”(Coded Multiple Burst, CMB)的信号处理技术。
3. “国际标准(草案)，ISO/CD17089，测量封闭管道中流体的  流量，气体超声流量计，用于气体贸易输送计量和气体分配计量的流量计”
作者：Jan. G. Drentren，ISO/TC30/SC05/WG01主席(比利时，Instromet)，FLOMEKO 2004大会#4学术报告。
报告论述了在贯彻、实施此标准时，对以下各方面的一系列要求，如：校准实验室中对USM性能的要求；将实验室中校准曲线的量值传递到现场的要求；对校准时的工作条件和校准实验室的质量的要求；为确保在现场的流量测量结果的质量而提出的要求；对在现场条件下USM运行的要求；对在计量站安装USM的要求。最后作者介绍了ISO/CD 17089的主要结构。
4. 流动调整器对多声道(液体)超声流量计性能的影响
作者：Bobbie Griffith等人，Caldon Inc。(美国)(第13届国际流量测量学术会议，FLOMEKO 2005，论文7.2)
a. 引言
本文说明了在使用各种结构的流动调整器(FC)的情况下，Caldon的多声道液体超声流量计(UFM)的性能。本项研究是将各种结构的流动调整器(FC)安装在UFM的上游后，进行测试。将此测试结果与在较长的直管中，即在所预期的充分发展的紊流速度分布条件下，所得到的校准结果进行比较。
为了进行分析和比较，所采集的参数有：重复性、线性和流量计系数所发生的偏移。此偏移是根据在相当长的直管上所测得的数据作为原始数据来进行计算的。有一些十分有意义的证据证实：由于FC的存在会损害UFM的重复性，从而也降低了它可证实的计量能力。文中有许多数据说明了在实际情况下，FC的负面影响。文中对使用FC与UFM一起工作的优点和缺点进行了讨论，并提出了建议。
在一些情况下已证实：将FC与时差法UFM一起工作，并不总是带来效益。由于FC(尤其是指管束式FC)与时差法UFM一起工作时，会对流量计的不确定度及其重复性产生不好的影响，因此，有理由关心此问题。最后，为了说明在实验室测试中的发现与现场所收集到的数据有关，已检验了一批现场的数据。
b. 关于管束式FC
为克服旋转流及涡流的影响，管束式FC是有一定作用的。早期曾将它用于涡轮流量计，但它不能防止或克服速度分布的畸变，它甚至可使此速度分布的畸变“冻结”，并且在相当长的管段中保持不变。另外，它能用于涡轮流量计还由于能借助于在现场的校准(检定)手段。原来的各种FC，如管束式FC是为与涡轮流量计共用的。与孔板共用的FC多为赞克(ZANKER)FC，这是一种分层、多孔厚板式的FC，其各层孔的尺寸不同，而三菱的多孔厚板式的FC，其各层孔的尺寸是相同的。它们都有一定的厚度，以克服涡流。在ISO 5167和AGA 3号报告中都有对FC安装条件的规定。然而，对于超声流量计，FC的安装注意事项则不同，对与UFM，流动噪声和射流流动则是应予以关注的问题。而对于孔板，这两个问题都不是问题。对于流动噪声应该具有的新的理解是：紊流度愈高，则信号中的噪声也愈大，从而使短周期内的重复性变坏。
注意：管束式FC距UFM仅有5D时，由于太接近，有可能影响其校准值；如将FC安装在流动干扰处，则流入的速度分布的畸变则会“冻结”，从而一直持续地存在，直到UFM处。
c. 结论
大量测试虽仅刚刚开始，但在综合已完成的实验室测试和在现场的测试后，已可得出如下的一些结论。很明显，很多这些发现可以适用于其他流量计，如孔板和涡轮。
(1)管束式FC会损坏UFM的性能：如果不适当地制造和使用它，可以比无FC时产生更大的误差；为取得较好的性能，API标准规定的FC距UFM的距离太短(对涡轮也一样！)，管束式FC会引入它自己的速度分布；如果FC太接近流动干扰源，则它会“冻结”这个速度分布，并使其延续很长距离；如果采用管束式FC，则应将它安装在距离UFM 15D以外的地方，不能太接近UFM；如果将FC与UFM一起校准，则应该用暗销将FC的位置固定，以确保它永远按该方位安装。
(2)所有其他FC的测试结果表明：所有其他FC都会使速度分布剖面变得更尖(即有明显的尖状中凸部分)，这会使UFM的流量计系数(meter factor)变小；所有其他FC都会引入流动噪声到系统的信号中来，从而使超声流量计的重复性变差；所有其他FC都会使超声流量计的线性度变差(由于测试方面的困难，这暂不是结论性的)，由于压损加大，会使上限流量值减小；如将其他FC装得距离UFM太近，测试数据表明：超声流量计的校准结果会明显地变坏。这大部分是由于缺少适当的混合。由于时间太短，来不及混合就到达UFM。
(3)无论是什么流体，都应将FC装在UFM的上游15D处。
(4)有意义的是：应将UFM与测量管段与所选定的FC连接在一起，一齐校准。
d. 点评
本文作者同样忽略了讨论FC所带来的负面影响(如前所述)。