摘要：某冶煉(liàn)企業每年(nián)用氧氣(qì)量約4億(yì)立方米，流(liú)量計(jì)量稍有偏差，每(měi)年可(kě)能造成上百萬的損失。故(gù)對幾種可(kě)應(yīng)用(yòng)于大口徑管道(dào)氣體(tǐ)流量計 進(jìn)行了對比(bǐ)分析(xī)，發現 平衡流量(liàng)計 有(yǒu)良好(hǎo)的正(zhèng)确率和穩定性(xìng)，項目(mù)最終采用了平衡流量計(jì)作爲貿易(yì)計量(liàng)器具。
國内冶煉(liàn)企業配套(tào)空分(fèn)項目大多是企業内(nèi)部運營管(guǎn)理。随着制氧技(jì)術的發(fā)展和人(rén)力物力成本的(de)上升，冶煉(liàn)企業越來越傾向于(yú)将制(zhì)氧系統通(tōng)過boo(building-owning-operation)的(de)方式交給(gěi)專業團隊(duì)來建(jiàn)設運(yùn)營(yíng)，再通過購買(mǎi)氣體的方式獲得氧氣，這(zhè)就涉(shè)及到(dào)供氣(qì)方與用氣方之(zhī)間的貿(mào)易計量。企業正常生産時對純度爲99．6%的(de)高純(chún)氧需量爲(wèi)47000nm3/h，最大需(xū)量爲54000nm3/h，最(zuì)小需量(liàng)爲10000nm3/h，氧氣輸送(sòng)管道通徑(jìng)達1200mm。通過對(duì)杭氧(yǎng)等國内空分廠家調(diào)查(chá)發現，其(qí)計量儀(yí)表多采用 标(biāo)準孔(kǒng)闆流(liú)量計(jì) ，少量(liàng)采用(yòng)巴類(lèi)等(děng)均速管(guǎn)流量計(jì)。而(ér)法國液化空氣、德國(guó)林德等國(guó)外廠(chǎng)家中(zhōng)熱式氣體(tǐ)質量流量計也廣泛(fàn)使(shǐ)用(yòng)，并開始嘗試(shì)使用新(xīn)型平衡流(liú)量計(jì)用于貿易結算。
　　雖然巴類流量(liàng)計采用的(de)子彈(dàn)頭截面(miàn)傳感器(qì)，實驗(yàn)室(shì)測量精度提高到0．72%，但工(gōng)業現場影響其測量(liàng)精度的因(yīn)素過多，此處隻(zhī)對标準孔闆流(liú)量計、熱式氣體(tǐ)質量(liàng)流量計和(hé)平衡流量計進行比較(jiào)。
1流量計(jì)的特(tè)點(diǎn)
1．1标(biāo)準孔(kǒng)闆流量計
　　标準(zhǔn)孔闆流量計是一種廣泛使用(yòng)的流量(liàng)計，孔闆的特(tè)征尺寸和(hé)加工工藝(yì)按照(zhào)國家(jiā)标準(zhǔn)gb/t2624．2-2006執行，檢定(dìng)按(àn)jjg640-2016執(zhí)行。标準孔(kǒng)闆(pǎn)流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是制造(zào)簡單(dān)，一般不需(xū)要實流标定就(jiù)可直(zhí)接投(tóu)入使(shǐ)用。缺點較(jiào)多，标(biāo)準孔(kǒng)闆有一個銳(ruì)角，長期使用(yòng)存在(zài)“銳(ruì)角磨損”問題，測量精度随時(shí)間推移越(yuè)來越低。其(qí)次計(jì)量院(yuàn)對标(biāo)準孔(kǒng)闆一般采用物(wù)理檢定，也就是(shì)測量幾(jǐ)何(hé)尺寸和銳(ruì)角偏差，有特殊要(yào)求時才(cái)用水(shuǐ)進行實(shí)流(liú)檢定，測量(liàng)誤差在±(1%～5%)之(zhī)間。同時标準孔闆壓損大，量程(chéng)比小(爲3∶1)，安(ān)裝要(yào)求直管段滿足前10d後5d［1］。

　　盡管(guǎn)标準孔闆有如此多(duō)的缺點，但(dàn)其制造、檢(jiǎn)定過(guò)程均按國家标(biāo)準執行，故(gù)在貿易計(jì)量(liàng)中仍被(bèi)大量使用。要求量(liàng)程比(bǐ)至少達(dá)到6∶1，标準孔闆(pǎn)流量計無法(fǎ)滿足(zú)使用要求(qiú)。
1．2熱式氣體(tǐ)質量流量(liàng)計
　　熱(rè)式氣(qì)體質(zhì)量流量計 是基(jī)于金氏定律的(de)一種(zhǒng)插入式流(liú)量計，适合(hé)大管道流(liú)體測量，fci、sierra、kurz這(zhè)3個品牌的熱式氣體質量(liàng)流量(liàng)計已有幾十年(nián)的曆史。熱式氣體質量流量計理論模型爲:
h=Δtcpm(1)
式(shì)中
cp———定壓比(bǐ)熱容(róng)，與氣體(tǐ)種(zhǒng)類有(yǒu)關;
h———加熱電(diàn)功率(lǜ);
m———質量(liàng)流量;
Δt———兩個(gè)探頭的溫(wēn)差。
　　式(shì)(1)可以(yǐ)引出兩種(zhǒng)類型的産品:恒(héng)溫差(chà)型和恒功率(lǜ)型(xíng)。兩類傳感(gǎn)器都(dōu)由兩個(gè)并(bìng)排的 熱電阻 組成，其(qí)中一個普通熱(rè)電阻測量(liàng)管道(dào)内氣體的(de)溫度，另一個熱電阻(zǔ)帶加(jiā)熱絲(sī)由電(diàn)流進(jìn)行加熱，當(dāng)氣(qì)體流經熱電阻，就(jiù)會有(yǒu)冷卻效應帶走(zǒu)熱量(liàng)。由(yóu)式(1)可知，對于恒(héng)溫差型(xíng)流量(liàng)計溫(wēn)差Δt恒(héng)定，當(dāng)質量流量(liàng)m增加時(shí)，冷(lěng)卻(què)效(xiào)應就增加(jiā)，爲保(bǎo)持兩(liǎng)個熱電阻(zǔ)的溫(wēn)差恒定所(suǒ)需的加熱(rè)功率(lǜ)h增加，而加在(zài)加熱電阻上(shàng)的功率h與(yǔ)質量流量(liàng)m成正比，測量功(gōng)率h的大小可以(yǐ)計算出流過管道的氣體質量(liàng)。對于(yú)恒功(gōng)率型(xíng)，加在(zài)加熱電阻上的功率(lǜ)h始終保持恒定，在介(jiè)質靜止時溫差(chà)最大(dà)，随着介質(zhì)流動溫差(chà)減小(xiǎo)，溫差(chà)Δt與質量流(liú)量m成反(fǎn)比(bǐ)，通過(guò)測量(liàng)溫差(chà)的變(biàn)化來(lái)獲(huò)取(qǔ)流量(liàng)的變(biàn)化［2］。恒溫差(chà)型響應速(sù)度快，在流速低到0．1nm/s時(shí)都能保持很好的線(xiàn)性(xìng)，随着速(sù)度增大，精度降低。而(ér)恒功率型(xíng)适合(hé)高速(sù)介質(zhì)，流速高達400nm/s以上(shàng)還可測量(liàng)，但兩(liǎng)種類(lèi)型(xíng)的熱式(shì)流量計對(duì)于導(dǎo)熱性(xìng)極好的氫(qīng)氣等介(jiè)質都不适用。
熱(rè)式(shì)氣體(tǐ)質量(liàng)流量計測(cè)量(liàng)的(de)是質量流(liú)量，無(wú)需溫壓補(bǔ)償，響應快(kuài)［3］，高性能型号實驗室測量(liàng)誤差爲±0．1%Ｒs±0．5%fs，在(zài)要求高精度時(shí)多采用網格法(fǎ)來确認(rèn)安(ān)裝的(de)最佳(jiā)插入深度，同時可(kě)在(zài)管道同一截面不同(tóng)位置安裝(zhuāng)多支(zhī)傳感器取平均(jun1)值作(zuò)爲(wèi)最(zuì)終流(liú)體流(liú)量，現(xiàn)在fci某(mǒu)系列的流量計(jì)上帶(dài)有(yǒu)2～3對傳感(gǎn)器。
1．3平衡流量計(jì)
　　a+k平衡流(liú)量計最(zuì)早是(shì)nasa針對(duì)航天(tiān)飛機的主(zhǔ)發動(dòng)機液氧測(cè)量(liàng)而(ér)發明(míng)的一(yī)種流(liú)量計。它相(xiàng)當于(yú)一個(gè)帶整流器(qì)的多孔孔(kǒng)闆，每(měi)個孔(kǒng)的尺寸和分布基于獨特(tè)的公(gōng)式(shì)和測試(shì)數據定(dìng)制，數量一般(bān)爲(wèi)4～26個，開孔(kǒng)數量、分(fèn)布(bù)及大(dà)小等參數都在美國(guó)計算，國内(nèi)按照計(jì)算結果(guǒ)加工制作。當流(liú)體從多(duō)個孔中(zhōng)流過時，渦(wō)流明(míng)顯減(jiǎn)少(shǎo)，形成的(de)是平(píng)衡穩定的(de)流場，通過取壓(yā)裝置可獲(huò)得穩(wěn)定的壓差(chà)信号(hào)，根據伯努(nǔ)利方程計算(suàn)出體積(jī)流量，溫壓補償(cháng)後得到最終流量。常(cháng)規量程比爲10∶1～7∶1，最(zuì)大(dà)可以做(zuò)到30∶1，無銳(ruì)角，可雙向測量，永(yǒng)久壓(yā)力損失爲(wèi)标準孔闆(pǎn)的1/3～1/2，由于降(jiàng)低了渦流、振動和信号噪聲，流(liú)場穩(wěn)定，測量精(jīng)度比(bǐ)标(biāo)準孔闆(pǎn)流量計高(gāo)5～10倍，穩(wěn)定性(xìng)更好［4］。缺點(diǎn)是爲非标産品。爲(wèi)保證現場測(cè)量精度和便于計量(liàng)院檢定，一(yī)般采用(yòng)管(guǎn)道式平衡(héng)流量(liàng)計，質(zhì)量大，安裝運輸(shū)不方(fāng)便。
2流量計(jì)檢定
2．1标準孔闆流量(liàng)計(jì)
　　标(biāo)準孔(kǒng)闆流(liú)量計的檢定在第(dì)1．1節已提(tí)及，此處不再贅(zhuì)述。
2．2熱(rè)式(shì)氣體質(zhì)量流量(liàng)計(jì)
　　熱式(shì)氣體質(zhì)量(liàng)流量計(jì)出(chū)廠時要進(jìn)行實(shí)溫實壓(yā)實(shí)流标(biāo)定(dìng)，可溯源(yuán)到nist。目前隻有美(měi)國本土有實流(liú)标定實(shí)驗室。在(zài)國内省級(jí)計量院一(yī)般進行n2、o2、co及(jí)no等接近(jìn)理(lǐ)想氣(qì)體雙(shuāng)原子氣體(tǐ)檢定時，不進行(háng)實流(liú)檢定，而(ér)是(shì)直接用(yòng)空(kōng)氣作(zuò)爲介質(zhì)，根(gēn)據下(xià)式進行計(jì)算:
h=Δtcpm=Δtcpρvt(2)
式(shì)中
t———時(shí)間(jiān);
v———流(liú)速;
ρ———密(mì)度。
　　根據式(2)可知測量出某(mǒu)一時(shí)間段t内管道的(de)空氣平均流速(sù)v，得到(dào)空氣的質(zhì)量流量，再通過(guò)空氣和氧氣定壓比(bǐ)熱(rè)容(róng)關系(xì)換算爲氧氣的(de)質量(liàng)流(liú)量。轉換(huàn)過程中一般有(yǒu)±1%Ｒs±1%fs的誤差。
2．3平(píng)衡流量計
　　平衡流量(liàng)計不(bú)是标(biāo)準件(jiàn)，使用前需要送(sòng)至計(jì)量(liàng)院對(duì)測(cè)量精度和(hé)重複性進(jìn)行(háng)檢定，流(liú)通介(jiè)質爲水，送(sòng)檢前(qián)設(shè)備廠家(jiā)會以氧氣和水(shuǐ)的雷(léi)諾數(shù)爲橋(qiáo)梁出一份介質(zhì)爲水(shuǐ)的(de)計算書(shū)，給計量院作爲(wèi)參考(kǎo)。爲(wèi)避免(miǎn)安(ān)裝過程(chéng)對(duì)測量(liàng)精度(dù)造成(chéng)過大(dà)幹擾，選用(yòng)管道(dào)式(shì)平(píng)衡流(liú)量計(jì)，通徑1200mm，在(zài)東南地(dì)區能(néng)實流檢定1000mm以上孔(kǒng)闆的計量院(yuàn)僅有開封(fēng)市的國家水大流量(liàng)計量站和(hé)常州市計量測(cè)試技術研(yán)究所(suǒ)，而且(qiě)檢定(dìng)周期長。
　　檢(jiǎn)定過程遵(zūn)照jjg640-2016［5］采用标定流出系數(shù)的(de)方法，流出系數公式(shì)爲:

式(shì)中
cij———第i檢定(dìng)點第j次檢(jiǎn)測的(de)流出(chū)系數值;
d———管(guǎn)道内徑(jìng)，mm;m———節(jiē)流面(miàn)積比(bǐ);
(qs)ij———第i檢定點(diǎn)第j次檢測(cè)标準(zhǔn)流量(liàng)值，m3/h;
Δpij———第(dì)i檢定(dìng)點第j次檢(jiǎn)測标(biāo)準壓差值，kpa;
ρ1———水的密度，kg/m3。
　　根據(jù)式(3)可(kě)知，隻要測出第i檢定(dìng)點第j次标(biāo)準流(liú)量值和(hé)第(dì)i檢定點(diǎn)第(dì)j次壓(yā)差值就(jiù)可得到(dào)流出系數(shù)，标準(zhǔn)流量(liàng)值可(kě)通過(guò)标準電磁(cí)流量計讀出，壓差值(zhí)可通過(guò)平衡流量計(jì)上安裝的标準(zhǔn)差壓(yā)變送器讀(dú)出。檢定(dìng)過(guò)程中選(xuǎn)取(qǔ)qmax、3/4qmax、1/2qmax、1/4qmax、qmin共計(jì)5個點，每個點測量4次。标準流量(liàng)值和(hé)壓(yā)差值由(yóu)計算(suàn)機系統自(zì)動采集，得(dé)到平衡流量計的cij。
各(gè)檢測點流出系(xì)數ci爲:

3對比結論(lùn)
　　從功能(néng)特(tè)點(diǎn)對(duì)比3種(zhǒng)類(lèi)型(xíng)的流(liú)量計可以(yǐ)發現(xiàn)，标準(zhǔn)孔闆流量計爲标準件，精(jīng)度不高、重複性(xìng)差、價格低(dī)，量程(chéng)比3∶1，不能(néng)滿(mǎn)足目的要(yào)求(qiú)。熱式氣(qì)體(tǐ)質量流量計量程(chéng)比(bǐ)可達100∶1，直(zhí)接測量氣體質(zhì)量流(liú)量(liàng)，無需溫壓補償，但是對測(cè)量(liàng)氣體組分(fèn)要求(qiú)較高，氣體(tǐ)内不(bú)能(néng)含水，且(qiě)組分(fèn)不(bú)能有變(biàn)化，否(fǒu)則會(huì)嚴重(zhòng)影響(xiǎng)測量精度(dù)。同時(shí)直(zhí)管段要(yào)求較高，一(yī)般爲(wèi)前20d後(hòu)5d，對于(yú)前方(fāng)有兩個不同向(xiàng)的彎頭時(shí)，要求(qiú)前50d後5d。a+k平衡(héng)流量計基(jī)于壓(yā)差測(cè)量流量原理，可(kě)靠性高，量程比(bǐ)在(zài)10∶1左右，重複性和長期穩定性(xìng)好，所需前後直管段短(duǎn)(前2d後2d)，永(yǒng)久壓損較(jiào)低，節約能(néng)源。但(dàn)需要(yào)溫壓補償(cháng)，計量(liàng)精度爲整個系(xì)統的精度(dù)，價格也随(suí)管(guǎn)徑的增(zēng)大而增大，大管(guǎn)徑流(liú)量計價(jià)格(gé)更是成倍增加(jiā)。
　　從檢定角(jiǎo)度對(duì)比，标(biāo)準孔闆流(liú)量計一般(bān)進行(háng)幾何檢定(dìng)，可信度低(dī)。熱(rè)式氣體(tǐ)質量流量計省(shěng)級計(jì)量院可用(yòng)标(biāo)流速的(de)方法(fǎ)進行檢定，拆下(xià)檢修或(huò)标定期間可(kě)不(bú)停氣，不影響(xiǎng)生産(chǎn)，但是(shì)計量(liàng)院檢定誤(wù)差較大(dà)。a+k平(píng)衡流量計需(xū)通水進(jìn)行檢定，檢定結(jié)論可(kě)信(xìn)度高，但(dàn)大管徑流量計(jì)檢定(dìng)比較困難(nán)，東南地區僅兩(liǎng)家計(jì)量院可檢(jiǎn)定。綜(zōng)上所(suǒ)述，除檢(jiǎn)定困難以外(wài)，a+k平衡(héng)流量(liàng)計(jì)更(gèng)能滿(mǎn)足企業對(duì)計量準(zhǔn)确性和(hé)長期(qī)穩定性的(de)需(xū)求，加上檢定(dìng)周期(qī)爲兩年甚(shèn)至更長，不(bú)需要(yào)頻繁(fán)檢定。
4結束(shù)語
　　兩(liǎng)套同批次(cì)同類型(xíng)的(de)平衡(héng)流量(liàng)計分别安(ān)裝在供氣方和用氣(qì)方(fāng)廠區交界處(chù)，計量院檢定結(jié)果顯示，其(qí)中一套(tào)平衡流(liú)量計精确度爲±0．6031%，另一套精度爲(wèi)±0．5538%，重複性均(jun1)優于(yú)0．01%。實際運(yùn)行過程(chéng)中，兩(liǎng)套流量計(jì)最大示(shì)值(zhí)偏差(chà)遠低于1%，優于合(hé)同中(zhōng)商(shāng)定的允(yǔn)許最大3%的(de)偏差(chà)。

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