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流量儀表在國民經濟中具有重要地位，不僅廣泛應用于工業領域、市政工程，還是改進產品質量、提高經濟效益和管理水平，評估節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域提出的新課題，近二三十年來創新活躍，不斷推出新的產品。在工業領域自動化系統中，它是信號源頭，數量雖只占系統自動化儀表的1/5，但價格約占1/3；在科學評估節能降耗、污染排放中約占監控儀表一半以上。
一 市場趨勢
1. 國外
據"flowresearch"網絡評估，近5年國際經濟雖不太景氣，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，其中傳統儀表(節流、容積、渦輪、轉子流量計等)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%，因其基數已較大，而且技術也較成熟。
該網還認為，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，有價格優勢；且較準確，在貿易結算上，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。口徑一般小于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域中取代傳統儀表，是一個總的發展趨勢，但過程將是漫長的。
2. 國內
據中國工控網評估，2005年在國內自動化儀表市場中，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，由于節流裝置較為笨重，技術含量相對較低，國外廠商基本未涉足這類產品的中國市場，我國工程中選用這類儀表也主要立足于國內產品，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69%，說明它們是當前中外儀表廠家所關注的熱點，而其中科氏流量計，國外參展有17家占總數68%，國內僅8家，是否說明對這種準確計量質量流量的儀表，國內重視不足；而內錐流量計，國內參展達30家占總數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)都將其列為主要產品。據美國ARC咨詢公司評估，中國近年由于特別重視環境保護，依靠上水/下水，冶金、礦山、紙漿、制藥業的高速發展，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)超聲的優點較多，既準確、壓損又小，特別適宜貴重流體的貿易計量，國內外都較重視，只是國內展品多為測液體的，測氣體的雖也有幾家，據了解應用于現場，特別是用于貿易結算尚存在一些問題。
(3)熱電式的展品也較多，由于它可以直接測質量流量，且靈敏度較高，受到業內的重視，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 技術熱點
(1)結構日趨簡單、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，而且結構復雜，重量/口徑比大；其中的轉動件因磨損需經常維修。節流裝置因可承受惡劣工況，且無轉動件，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。
隨著工業管道口徑日益增大，插入式儀表以其結構簡單、輕巧、拆裝簡便，日益受到用戶青睞。而近10年發展最快的電磁、超聲流量儀表，管道中更是沒有任何轉動件、阻力件，結構更為簡潔，且壓損小，準確度高，是最有發展潛力的流量儀表。
(2)功能力求完善
隨著工業水平的不斷提高，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、轉子)已不能適應工藝要求數十臺儀表集中顯示、調節、控制的要求，有必要將傳感器與變送器分離開，并將流量參數轉換為電參數，遠傳至中央控制室。隨著工業規模再擴大，模擬信號又需轉換為數字信號，以適應現場總線系統、SCADA系統的要求。
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
隨著貿易全球化、經濟市場化，貿易雙方都要求計量儀表日益準確，以減小經濟上的損失，這里要強調：
(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，現場一般難以滿足，儀表在現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、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的發展，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、動力等工業領域的飛速發展，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，傳熱設備的分離反應過程等。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等。在現代工業中，多相流的實例處處可見。
國內外對多相流流量儀表的研發已進行不少于二三十年，已處于工業試用階段，十分成熟的產品還不多，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)采用現代新技術，如γ射線、微波、核磁共振、全息技術、示蹤法、過程層析成象技術等。
(c)軟測量方法。基于成熟的傳感器硬件，以計算機技術為平臺，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公司開發的LP多相流量計等。我國也積極開展研發，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、轉子流量計外，都是速度型，要求通過儀表的管內流速分布應具有一定形式，即充分發展紊流。為此，儀表前應具有較長的直管段，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流裝置，根據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，這個要求很不現實，難以實現。因此，近年來一種以環形通道為特點的節流裝置(環孔、內錐、槽道、梭式流量計)應運而生，這類儀表不僅仍具有節流裝置可承受惡劣工況的特點，而因其環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。
工藝設計為節約成本和場地，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現場。
(8)輸出信號數字化
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。而為了適應當今大型工程，傳送距離要求達到數公里以上，模擬量的傳送已不能適應要求，則需要通過HART協議，將標準電模擬信號轉換為數字信號以適應現場總線與遠距離通信的需求。通過RS-232/485通信轉換器，連接HART協議轉換器與PC機通信口相連接，可使通信距離達數公里，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(長度、質量、時間)組成；同時它又是一個動態量，只有流體運動時才產生流量，因此，它又與流動的狀態密切相關。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確定，還有不少因素難以確定，需要用流量系數C予以涵蓋來修正儀表所測的流量值。流量系數C對當前絕大多數流量儀表來說，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，準確度也可控制在應用可接受的程度。所謂干標，即嚴格控制制造的幾何尺寸。依據一定的標準，可以得到流量系數，但欲達到這個目的，還是要通過大量的校驗，積累數以
萬計的數據，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，制訂專業標準，不是某一個企業可以做到的，若由行業協會組織進行，才可能得到行業的認同。
(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，研發壓損小的流量儀表也列入了生產廠家的課題。
(11)大管道流量測量
隨著現代工程的大型化，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、轉子由于結構的限制，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會議的熱點。但是，由于現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、重現現場的流場難以實現，只有在現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比增加半徑上的測點數更為有效。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。
(12)小流量測量 在當代不少工業領域中，如半導體加工、化工中的微量反應、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，國內外企業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
(1)完善是相對的，過程是緩慢的 流量儀表伴隨著現代工業的發展有必要逐步完善其性能，而技術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，使用經驗還不足，有待積累。其次工業領域十分廣闊，現場的工況千變萬化，當前還沒有一種儀表可以滿足這一切要求。所以盡管發展趨勢有增有減，而取代的過程將是緩慢的。
(2)本土化不等于國產化
近十幾年以來，我國GDP增長率都在兩位數以上，大型工程如雨后春筍，但令人遺憾的是，由于國產自動化儀表在性能、質量、可靠性等方面與國外相比仍存在不小差距。國產儀表并未在火熱的建設中發展，壯大起來。而國外不少知名企業如：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基地或銷售服務中心，但核心技術仍由他們嚴格控制中。
儀器儀表不僅涉及各工業部門，也與國防息息相關。因此，這決不單純是一個經濟問題。在儀器儀表行業中，大力倡導創新意識，建立獨立知識產權的品牌，振興民族儀表工業，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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