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西門子SIEMENS超聲波流量計的應用及分類
閱讀：3047 發布時間：2017-12-20德國西門子SIEMENS流量計量廣泛應用于工農業生產、國防建設、科學研究對外貿易以及人民生活各個領域之中。在石油工業生產中，從石油的開采、運輸、煉冶加工直至貿易銷售，流量計量貫穿于全過程中，任何一個環節都離不開流量計量，否則將無法保證石油工業的正常生產和貿易交往。在化工行業，流量計量不準確會造成化學成分分配比失調，無法保證產品質量，嚴重的還會發生生產安全事故。在電力工業生產中，對液體、氣體、蒸汽等介質流量的測量和調節占有重要地位。流量計量的準確與否不僅對保證發電廠在*參數下運行具有很大的經濟意義，而且隨著高溫高壓大容量機組的發展，流量測量已成為保證發電廠安全運行的重要環節。如大容量鍋爐瞬時給水流量中斷或減少，都可能造成嚴重的干鍋或爆管事故。這就要求流量測量裝置不但應做到準確計量，而且要及時地發出報警信號。在鋼鐵工業生產中，煉鋼過程中循環水和氧氣(或空氣)的流量測量是保證產品質量的重要參數之一。在輕工業、食品、紡織等行業中，也都離不開流量計量。
德國西門子SIEMENS流量計應用比較多的換能器是外夾式和插入式。單聲道超聲波流量計結構簡單、使用方便，但這種流量計對流態分布變化適應性差，微電子技術和計算機技術的飛躍發展極大地推動儀表更新換代，新型流量計如雨后春筍般涌現出來。至今，據稱已有上百種流量計投向市場，現場使用中許多棘手的難題可望獲得解決。我國開展近代流量測量技術的工作比較晚，被設置在測量流動通道6的上游端并相對于孔眼11和12，用于減少被測量的流體流入孔眼11和12;測量控制部件19，用于測量超聲波換能器8和9之間的超聲波的傳播時間;及計算部件20，用于根據該測量控制部件19的信號計算流量。
德國西門子SIEMENS流量計盡量避開鐵磁性物體及具有強電磁場的設備(如大電機、大變壓器的等)，以免磁場影響傳感器的工作磁場和流量信號。傳感器勺轉換器間的流量信號線和激磁線。然而從雷電故障中損壞零部件的分析，引起故障的感應高電壓和浪涌電流大部分足從控制室電源線路引入的，其他兩條途徑較少。由于電磁流量計測量含有懸浮固相或污臟體的機會遠比其他流量儀表多，出現內壁附著層產生的故障概率也就相對較高。若附著層電導率與液體電導率相近。常見的調試期故障通常由安裝不妥。
德國西門子SIEMENS流量計的常用類型：
流量測量方法和儀表的種類繁多，分類方法也很多。2011年以前可供工業用的流量儀表種類達60種之多。品種如此之多的原因就在于沒有一種對任何流體、任何量程、任何流動狀態以及任何使用條件都適用的流量儀表，但是隨著時代的進步，這個科技大爆炸的時代里，終于出現了一個產品-質量流量計，質量流量計適用于任何流體、任何量程、任何流動狀態以及任何使用條件，只是價格比較昂貴，無法在所以工業中都得到普及。
舊式的60多種流量儀表，每種產品都有它特定的適用性，也都有它的局限性。按測量對象劃分就有封閉管道和明渠兩大類；按測量目的又可分為總量測量和流量測量，其儀表分別稱作總量表和流量計。
此外，按測量原理可分為如下幾個大類：
1、力學原理：屬于此類原理的儀表有利用伯努利定理的差壓式、轉子式；利用動量定理的沖量式、可動管式；利用牛頓第二定律的直接質量式；利用流體動量原理的靶式；利用角動量定理的渦輪式；利用流體振蕩原理的旋渦式、渦街式；利用總靜壓力差的皮托管式以及容積式和堰、槽式等等。
2、電學原理：用于此類原理的儀表有電磁式、差動電容式、電感式、應變電阻式等。
3、聲學原理：利用聲學原理進行流量測量的有超聲波式．聲學式（沖擊波式）等。
4、熱學原理：利用熱學原理測量流量的有熱量式、直接量熱式、間接量熱式等。
5、光學原理：激光式、光電式等是屬于此類原理的儀表。
6、原子物理原理：核磁共振式、核輻射式等是屬于此類原理的儀表．
7、其它原理：有標記原理（示蹤原理、核磁共振原理）、相關原理等。
本文按照目前zui流行、zui廣泛的分類法分別來闡述各種流量計的原理、特點、應用概況及國內外的發揮在那情況：
靶式
德國西門子SIEMENS靶式流量計是基于力學原理的一種流量計，它在工業上的開發應用已有數十年的歷史。新型SBL靶式流量計是在傳統靶式流量計的基礎上，隨著新型傳感器、微電子技術的發展研制開發成的新型電容力感應式流量計，它既有孔板、渦街等流量計無可動部件的特點，同時又具有很高的靈敏度、與容積式流量計相媲美的準確度，量程范圍寬。開發電動、氣動靶式流量變送器它是電動、氣動單元組合儀表的檢測儀表。由于當時力轉換器直接采用差壓變送器的力平衡機構，這種流量計使用時不免帶來力平衡機構本身所造成的諸多缺陷，如零位易漂移，測量度低，杠桿機構可靠性差等。由于力平衡機構性能不佳的拖累，靶式流量計本身的許多優點亦未能得到有效的發揮，至今用戶對舊德國西門子SIEMENS靶式流量計的不良印象仍未消除。
新型SBL靶式流量計的力轉換器采用應變式力轉換器，它*消除了上述力平衡機構的缺點，新型靶式流量計還把微電子技術和計算機技術應用到信號轉換器和顯示部分，流量計具有一系列優點，相信今后在眾多流量計中發揮重要的作用。
差壓式
德國西門子SIEMENS差壓式流量計是根據安裝于管道中流量檢測件與流體相互作用產生的差壓，已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來計算流量的儀表。
差壓式流量計由一次裝置(檢測件）和二次裝置（差壓轉換器和流量顯示儀表）組成。通常以檢測件形式對差壓式流量計分類，如孔板流量計、文丘里流量計、均速管流量計、皮托管原理式-畢托巴流量計等。
二次裝置為各種機械、電子、機電一體式差壓計,差壓變送器及流量顯示儀表。它已發展為三化（系列化、通用化及標準化）程度很高的、種類規格龐雜的一大類儀表，它既可測量流量參數，也可測量其它參數（如壓力、物位、密度等）。
差壓式流量計的檢測件按其作用原理可分為：節流裝置、水力阻力式、離心式、動壓頭式、動壓頭增益式及射流式幾大類。
檢測件又可按其標準化程度分為二大類：標準的和非標準的。
所謂標準檢測件是只要按照標準文件設計、制造、安裝和使用，無須經實流標定即可確定其流量值和估算測量誤差。
非標準檢測件是成熟程度較差的，尚未列入標準中的檢測件。差壓式流量計是一類應用zui廣泛的流量計，在各類流量儀表中其使用量占居*。由于各種新型流量計的問世，它的使用量百分數逐漸下降，但目前仍是zui重要的一類流量計。
德國西門子SIEMENS差壓式流量計流體體積流量公式為：
v=aA √2/j(p-q)
v--體積
j--液體密度
a--流量系數，與流道尺寸 取壓方式和流速公布有關
A--孔板開孔面積
p-q--壓力差
德國西門子SIEMENS差壓式流量計的優點：
（1）應用zui多的孔板式流量計結構牢固，性能穩定可靠，使用壽命長；
（2）應用范圍廣泛，至今尚無任何一類流量計可與之相比擬；
（3）檢測件與變送器、顯示儀表分別由不同廠家生產，便于規模經濟生產。
德國西門子SIEMENS差壓式流量計的缺點：
（1）測量精度普遍偏低；
（2）范圍度窄，一般僅3:1~4:1；
（3）現場安裝條件要求高；
（4）壓損大（指孔板、噴嘴等）。
注：一種新型產品：引進美國航天航空局而開發的平衡流量計，這種流量計的測量精度是傳統節流裝置的5-10倍，*壓力損失1/3。壓力恢復快2倍，zui小直管段可以小至1.5D，安裝和使用方便，大大減少流體運行的能力消耗。
德國西門子SIEMENS差壓式流量計應用概況：
差壓式流量計應用范圍特別廣泛。在封閉管道的流量測量中各種對象都有應用。如流體方面：單相、混相、潔凈、臟污、粘性流等；工作狀態方面：常壓、高壓、真空、常溫、高溫、低溫等；管徑方面：從幾mm到幾m；流動條件方面：亞音速、音速、脈動流等。它在各工業部門的用量約占流量計全部用量的1/4~1/3。
1、常用標準節流裝置（孔板）、（噴嘴）、（文丘利管）。
2、常用非標準節流裝置有（雙重孔板）、（圓缺孔板）、（1/4圓噴嘴）和（文丘利噴嘴）。
3、孔板常用取壓方法有（角接取壓）、（法蘭取壓），其它方法有（理論取壓）、（徑距取壓）和（管接取壓）。
4、標準孔板法蘭取壓法，上下游取壓孔中心距孔板前后端面的間距均為（25.4±0.8）mm，也叫1英寸法蘭取壓。
5、1151變送器的工作電源范圍（12）vdc到（45）vdc，負載從（0）歐姆到（1650）歐姆。
6、1151dp4e變送器的測量范圍是（0～6.2）到（0～37.4）kpa。
7、1151差壓變送器的zui大正遷移量為（500%），zui大負遷移量為（600%）。
8、管道內的流體速度，一般情況下，在（管道中心線）處的流速zui大，在（管壁）處的流速等于零。
9、若（雷諾數）相同，流體的運動就是相似的。
10、當充滿管道的流體流經節流裝置時，流束將在（縮口）處發生（局部收縮），從而使（流速）增加，而（靜壓力）降低。
11、1151差壓變送器采用可變電容作為敏感元件，當差壓增加時，測量膜片發生位移，于是低壓側的電容量（增加），高壓側的電容量（減少）
12、1151差壓變送器的zui小調校量程使用時，則zui大負荷遷移為量程的（600%），zui大正遷移為（500%），如果在1151的zui大調校量程使用時，則zui大負遷移為（100%），正遷移為（0%）。
13、1151[4] 差壓變送器的精度為（±0.2%）和（±0.25%）。 注：大差壓變送器為±0.25%
14、常用的流量單位、體積流量為（m3/h）、（t/h），質量流量為（kg/h）、（t/h），標準狀態下氣體體積流量為（nm3/h）。
15、用孔板流量計測量蒸汽流量，設計時，蒸汽的密度為4.0kg/m3，而實際工作時的密度為3kg/m3，則實際指示流量是設計流量的（0.866）倍。
16、用孔板流量計測量氣氨流量，設計壓力為0.2mpa（表壓），溫度為20℃，而實際壓力為0.15mpa（表壓），溫度為30℃，則實際指示流量是設計流量的（0.897）倍。
17、節流孔板前的直管段一般要求（10）d，孔板后的直管段一般要求（5）d，為了正確測量，孔板前的直管段為（30～50）d，特別是孔板前有泵或調節閥時更是如此。
18、為了使孔板流量計的流量系數α趨向定值，流體的雷諾數應大于（界限雷諾數）。
19、在孔板加工的技術要求中，上游平面應和孔板中心線（垂直），不應有（可見傷痕），上游面和下游面應（平行），上游入口邊緣應（銳利無毛刺和傷痕）。
浮子
德國西門子SIEMENS浮子流量計，又稱轉子流量計、金屬轉子流量計、成豐玻璃轉子流量計，是變面積式流量計的一種。在一根由下向上擴大的垂直錐管中，圓形橫截面的浮子的重力是由液體動力承受的，從而使浮子可以在錐管內自由地上升和下降。
浮子流量計是僅次于差壓式流量計應用范圍zui寬廣的一類流量計，特別在小、微流量方面有舉足輕重的作用。
80年代中期，日本、西歐、美國的銷售金額占流量儀表的15%~20%。中國產量1990年估計在12~14萬臺，其中95%以上為玻璃錐管浮子流量計。
德國西門子SIEMENS浮子流量計的特點：
（1）玻璃錐管浮子流量計結構簡單，使用方便，缺點是耐壓力低，有玻璃管易碎的較大風險；
（2）適用于小管徑和低流速；
（3）壓力損失較低。
容積式
德國西門子SIEMENS容積式流量計，又稱定排量流量計，簡稱PD流量計，在流量儀表中是精度zui高的一類。它利用機械測量元件把流體連續不斷地分割成單個已知的體積部分，根據測量室逐次重復地充滿和排放該體積部分流體的次數來測量流體體積總量。
容積式流量計按其測量元件分類，可分為橢圓齒輪流量計、刮板流量計、雙轉子流量計、旋轉活塞流量計、往復活塞流量計、圓盤流量計、液封轉筒式流量計、濕式氣量計及膜式氣量計等。
德國西門子SIEMENS容積式流量計的優點：
（1）計量精度高；
（2）安裝管道條件對計量精度沒有影響；
（3）可用于高粘度液體的測量；
（4）范圍度寬；
（5）直讀式儀表無需外部能源可直接獲得累計總量，清晰明了，操作簡便。
德國西門子SIEMENS容積式流量計的缺點：
（1）結果復雜，體積龐大；
（2）被測介質種類、口徑、介質工作狀態局限性較大：
（3）不適用于高、低溫場合；
（4）大部分儀表只適用于潔凈單相流體；
（5）產生噪聲及振動。
應用概況：
容積式流量計與差壓式流量計、浮子流量計并列為三類使用量zui大的流量計，常應用于昂貴介質（油品、天然氣等）的總量測量。
1990年產量（不包括家用煤氣表）為34萬臺，其中橢圓齒輪式和腰輪式分別占70%和20%
電磁流量計
1、優點
(1)電磁流量計可用來測量工業導電液體或漿液。
(2)無壓力損失。
(3)測量范圍大，電磁流量變送器的口徑從2.5mm到2.6m。
(4)電磁流量計測量被測流體工作狀態下的體積流量，測量原理中不涉及流體的溫度、壓力、密度和粘度的影響。
2、缺點
(1)電磁流量計的應用有一定局限性，它只能測量導電介質的液體流量，不能測量非導電介質的流量，例如氣體和水處理較好的供熱用水。另外在高溫條件下其襯里需考慮。
(2)電磁流量計是通過測量導電液體的速度確定工作狀態下的體積流量。按照計量要求，對于液態介質，應測量質量流量，測量介質流量應涉及到流體的密度，不同流體介質具有不同的密度，而且隨溫度變化。如果電磁流量計轉換器不考慮流體密度，僅給出常溫狀態下的體積流量是不合適的。
(3)電磁流量計的安裝與調試比其它流量計復雜，且要求更嚴格。變送器和轉換器必須配套使用，兩者之間不能用兩種不同型號的儀表配用。在安裝變送器時，從安裝地點的選擇到具體的安裝調試，必須嚴格按照產品說明書要求進行。安裝地點不能有振動，不能有強磁場。在安裝時必須使變送器和管道有良好的接觸及良好的接地。變送器的電位與被測流體等電位。在使用時，必須排盡測量管中存留的氣體，否則會造成較大的測量誤差。
(4)電磁流量計用來測量帶有污垢的粘性液體時，粘性物或沉淀物附著在測量管內壁或電極上，使變送器輸出電勢變化，帶來測量誤差，電極上污垢物達到一定厚度，可能導致儀表無法測量。
(5)供水管道結垢或磨損改變內徑尺寸，將影響原定的流量值，造成測量誤差。如100mm口徑儀表內徑變化1mm會帶來約2%附加誤差。
(6)變送器的測量信號為很小的毫伏級電勢信號，除流量信號外，還夾雜一些與流量無關的信號，如同相電壓、正交電壓及共模電壓等。為了準確測量流量，必須消除各種干擾信號，有效放大流量信號。應該提高流量轉換器的性能，采用微處理機型的轉換器，用它來控制勵磁電壓，按被測流體性質選擇勵磁方式和頻率，可以排除同相干擾和正交干擾。但改進的儀表結構復雜，成本較高。
(7)價格較高
德國西門子SIEMENS超聲波流量計
1、德國西門子SIEMENS超聲波流量計的優點
(1) 超聲波流量計是一種非接觸式測量儀表，可用來測量不易接觸、不易觀察的流體流量和大管徑流量。它不會改變流體的流動狀態，不會產生壓力損失，且便于安裝。
(2) 可以測量強腐蝕性介質和非導電介質的流量。
(3) 超聲波流量計的測量范圍大，管徑范圍從20mm～5m.
(4) 超聲波流量計可以測量各種液體和污水流量。
(5) 超聲波流量計測量的體積流量不受被測流體的溫度、壓力、粘度及密度等熱物性參數的影響?？梢宰龀晒潭ㄊ胶捅銛y式兩種形式。
2、德國西門子SIEMENS超聲波流量計的缺點
(1) 超聲波流量計的溫度測量范圍不高，一般只能測量溫度低于200℃的流體。
(2) 抗干擾能力差。易受氣泡、結垢、泵及其它聲源混入的超聲雜音干擾、影響測量精度。
(3) 直管段要求嚴格，為前20D,后5D。否則離散性差，測量精度低。
(4) 安裝的不確定性，會給流量測量帶來較大誤差。
(5) 測量管道因結垢，會嚴重影響測量準確度，帶來顯著的測量誤差，甚至在嚴重時儀表無流量顯示。
(6) 可靠性、精度等級不高(一般為1.5～2.5級左右)，重復性差。
(7) 使用壽命短(一般精度只能保證一年)。
(8) 超聲波流量計是通過測量流體速度來確定體積流量，對液體應該測量它的質量流量，儀表測量質量流量是通過體積流量乘以人為設定的密度后得到的，當流體溫度變化時，流體密度是變化的，人為設定密度值，不能保證質量流量的準確度。只能在測量流體速度的同時，又測量了流體密度，才能通過運算，得到真實質量流量值。
(9) 價格較高。
渦街流量計
1、優點
(1) 渦街流量計無可動部件，測量元件結構簡單，性能可靠，使用壽命長。
(2) 渦街流量計測量范圍寬。量程比一般能達到1：10。
(3) 渦街流量計的體積流量不受被測流體的溫度、壓力、密度或粘度等熱工參數的影響。一般不需單獨標定。它可以測量液體、氣體或蒸汽的流量。
(4) 它造成的壓力損失小。
(5) 準確度較高，重復性為0.5%，且維護量小。
2、缺點
(1) 渦街流量計工作狀態下的體積流量不受被測流體溫度、壓力、密度等熱工參數的影響，但液體或蒸汽的zui終測量結果應是質量流量，對于氣體，zui終測量結果應是標準體積流量。質量流量或標準體積流量都必須通過流體密度進行換算，必須考慮流體工況變化引起的流體密度變化。
(2) 造成流量測量誤差的因素主要有：管道流速不均造成的測量誤差;不能準確確定流體工況變化時的介質密度;將濕飽和蒸汽假設成干飽和蒸汽進行測量。這些誤差如果不加以限制或消除，渦街流量計的總測量誤差會很大。
(3) 抗振性能差。外來振動會使渦街流量計產生測量誤差，甚至不能正常工作。通道流體高流速沖擊會使渦街發生體的懸臂產生附加振動，使測量精度降低。大管徑影響更為明顯。
(4) 對測量臟污介質適應性差。渦街流量計的發生體極易被介質臟污或被污物纏繞，改變幾何體尺寸，對測量精度造成極大影響。
(5) 直管段要求高。專家指出，渦街流量計直管段一定要保證前40D后20D，才能滿足測量要求。
(6) 耐溫性能差。渦街流量計一般只能測量300℃以下介質的流體流量。
孔板流量計
1、優點
(1)標準節流件是通用的，并得到了標準組織的認可，無需實流校準，即可投用，在流量計中亦是*的。
(2)結構易于復制，簡單、牢固、性能穩定可靠、價格低廉;
(3)應用范圍廣，包括全部單相流體(液、氣、蒸汽)、部分混相流，一般生產過程的管徑、工作狀態(溫度、壓力)皆有產品。
(4)檢測件和差壓顯示儀表可分開不同廠家生產，便與專業化規模生產;
2、缺點
(1)測量的重復性、度在流量計中屬于中等水平，由于眾多因素的影響錯綜復雜，度難于提高。
(2)范圍度窄，由于流量系數與雷諾數有關,一般范圍度僅3∶1 ～ 4∶1。
(3)有較長的直管段長度要求，一般難于滿足。尤其對較大管徑，問題更加突出;
(4)壓力損失大;
通常為維持一臺孔板流量計正常運行，水泵需要附加動力克服孔板的壓力損失。該附加耗電量可直接由壓力損失和流量計算確定。一年約需多耗電數萬度，折合人民幣數萬元。下表中列出了孔板在正常壓力損失情況下的能耗計算結果。其中運行天數按三百五十天計算，電價按0.35元/度計算。由表中計算電耗數據可見，孔板的附加運行費用是*的，而采用彎管流量計該運行費用為零!
(5)孔板以內孔銳角線來保證精度，因此對腐蝕、磨損、結垢、臟污敏感，長期使用精度難以保證，需每年拆下強檢一次。
(6)采用法蘭連接，易產生跑、冒、滴、漏問題，大大增加了維護工作量。
熱式質量流量計(恒溫差)
- 優點
1. 球閥安裝，安裝拆卸方便。并可以帶壓安裝。
2. 基于金氏定律，直接測量質量流量。測量值不受壓力和溫度影響。
3. 響應迅速。
4.量程范圍大，管道式安裝zui小可以測量8.8mm管道的流量，zui大可以測到30’’
5. 插入式類型的流量計，一支流量計可以用于測量多種管徑。
- 缺點
1.精度不及其他類型流量計，一般為3%。
2.適用范圍窄，只能用于測量干燥的非爆炸性的氣體，如壓縮空氣、氮氣、氬氣及其他中性氣體。