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 流量技术论文
近年出版几本流量仪表著作评述 原上海光华仪表厂 蔡武昌
 
   在书坊见到近年出版10余种流程工业、储运业和公用事业普遍适用的流量仪表实用性书籍,是以不同的视角与体例从仪表性能、对流体适应性、测量方法和仪表选择、安装使用等有所侧重地编撰,其中8本书见表1,下文作分类述评。 1:近年出版流量仪表书籍一览表
序号 作者 书名 出版者 首版年份 版次
一、流量仪表多品种讨论选择和应用
1 蔡武昌 孙淮清 纪纲 编著 流量测量方法和仪表的选用(略称《选用》)66万字 化学工业出版社 2001 2004年第3次印刷
2 纪纲 编著 流量测量仪表应用技巧(略称《技巧》)55万字 化学工业出版社 2003 2005年第2次印刷
二、流量仪表单品种原理、结构、设计、选择、应用、讨论
3 孙淮清 王建中
编著
流量测量节流装置设计手册(第二版)(略称《手册》,66万字) 化学工业出版社 2000 2005年第22005年第2次印刷
4 肖素琴 韩厚义
主编
质量流量计(略称《质量》),23万字 中国石化出版社 1999  
5 蔡武昌 马中元
瞿国芳 王松良 编
电磁流量计(略称《电磁》),38万字 中国石化出版社 2004 2004年第2次印刷
6 姜仲霞 姜川涛
刘桂芳 编著
涡街流量计(略称《涡街》),43万字 中国石化出版社 2006 2006年第2次印刷
三、流量仪表原理、类型、特性和使用综述
7 梁国伟 蔡武昌
主编
流量测量技术及仪表(略称《技术》),45万字 机械工业出版社 2002 2005年第2次印刷
8 蔡武昌 应启戛
主编
新型流量检测仪表(略称《新型》),43万字 化学工业出版社 2006  
此外还有《取水计量》(王凱志主编,中国计量出版社2003年版)和《实用流量仪表的原理及其应用》(周庆,王磊,R·Haag编著,国防工业出版社2003年版)。前者针对给/排水业和水文业论述流量测量方法,偏重于水计量监督管理;后者由同济大学教师和德国Krohne公司市场销售管理博士编撰的,偏重于该公司生产仪表测量原理和应用实例介绍,又似产品使用说明书的注解和补充,少有普遍应用仪表的选择和应用。如使用该公司产品的用户却是一本内容颇佳的读物。 1.    多品种选择和应用讨论类     属于第一类的有《选用》和《技巧》两本,均有流量测量方法和仪表选择,工程设计和安装调试要点,现场使用误差分析,常见失误和防范/改善及其案例,以及仪表校准和有关标准/检定规程等方法的内容。惟《选用》按仪表品种为主线的架构叙述,而《技巧》以流体/用途为主线,各有特色,互为补充,相得益彰。
1
、《选用》设专章以流量仪表为整体论述从测量对象五个方向(性能要求、流体特性、安装要求、环境条件和费用)及相互关系,初选流量测量方法和仪表品种,再以所选对象按13品种所设专章内容进一步细化选择型号规格等。分论各专章论述该品种简要工作原理和结构/分类,选用考虑要点,安装调试使用注意事项等。选择应用方向的内容占正文篇幅约70%。《选用》还分设专章分析流量仪表共性的在现场形成测量误差因素及其估算,论述应用常见失误及其防范和流量仪表的校验和实流校准。
2
、《技巧》以使用行业特点(如流程工业的钢铁、电力、石化,公用事业的供水业、燃气业等)和使用特点(如流程的流量控制、批量控制、贸易结算、物流/热量计量等),特别以流体种类特性(液体、气体、蒸汽、腐蚀性、多相流、小流量、大流量)为主线分设专节讨论,这部分内容占正文篇幅约53%,《技巧》还分析流量系统测量误差形成的因素与处理,以及提高测量精确度的实用方法,亦设专章予以论述,并列举若干作者长年现场工作经历积累的案例(注:作者初任上海溶剂厂计控中心系统设计、维修改进,后任同欣自动化仪表公司工程设计、调试服务)这部分内容占正文篇幅约18%。《选用》虽然亦有几个按流体(固液双相流、蒸汽、液体大流量)选择并配有选择流程图,但不及《技巧》丰富具体。
二、单品种讨论原理结构设计选择应用类
属于第二类的有《手册》、《质量》、《电磁》、《涡街》四本,是从一个品种大类为主题的书籍。《质量》、《电磁》、《涡街》是中国石化出版社筹划中《流量计应用指南丛书》中的前三本,还拟出版其他品种大类的专著。据说《容积式流量计》即将完稿,《节流差压式流量计》已约定作者计划编撰,《超声流量计》、《热式流量计》、《涡轮流量计》和《涡街流量计》等正在物色作者约稿中。
仪表工作原理和结构类型等在第一类书中仅为后文选择应用预备知识服务,限于篇幅没有深入展开,在本类书中则有更为深广的叙述,有些还阐明仪表检测体的设计原则和演算程序,如电磁流量计的磁系统和涡街流量计的旋涡发生体,这部分占有一半以上篇幅。选择应用的篇幅百分率比第一类低,但字数绝对量却增加4—5倍。
3
、《手册》是一本以设计计算为主的实用工具书,但对于选择应用还是占有相当分量。《手册》的组成:资料性数据用表和图册占有约48%篇幅,以其余部分为100%,原理结构设计计算的约占60%,亚品种小类选择和应用约占40%.
《手册》的原理、标准节流装置(标准孔板、文丘里管、文丘里喷嘴)的设计计算部分十分翔实,有标准节流装置适用范围、参数确定和常用设计计算命题(计算流量或计算孔径)程序,以及多种介质(蒸汽、水、空气、煤气、天然气)的计算实例,遵循《手册》的指引可以完全掌握。《手册》的选择应用部分有:①标准节流装置的安装、使用和偏离标准规定(结构上、管道安装上或使用条件上不符要求)时的处理和给出定量的附加误差估算补偿,即使不符参比条件,也可不经实流校准;得到可控的测量准确度;非标准节流装置(低雷诺数、用于脏污介质、低压损用或宽范围度用)的选择和应用。
有些非标准节流装置是由于还没有国际标准(或我国国家标准)还不能不作实流校准应用,但有些已有外国国家标准式地原标准,实际上也可只经设计计算就可使用,如低雷诺数用1/4圆孔板和锥形入口孔板已纳入1989年英国国家标准BS 1042中。
《手册》第一作者从上世纪60年代始参与节流装置的研究工作,并一直注视追综其发展,总主编《流量节流装置设计手册》(机械工业出版社,1966年),在国内广泛应用直到我国国家标准GB 2624-1981问世。本《手册》是在1966年《手册》的基础上和30余年来发展和变化,参照新修订的国家标准编撰,是国内仅有的一本完全的专用工具书,与国外十余年前G.W.A.DannenR.W.Miller所编含有相当多节流差压式仪表内容的流量仪表手册[12]相比有些特点,且更全面。
4
、《质量》在本品种大类的概述、安装调试、应用维修和流量校验检定部分作了综述共叙;分别单独阐述了4个亚品种小类,即间接式、热式、科里奥利力式和冲量式。共叙述部分占全书约60%,其余单独叙述部分约占40%,单独叙述部分(以100%计)中,4个亚品种分别占4%12%64%20%,以科里奥利力式篇幅最多。
《质量》虽然也有仪表的选择原则和选型方法。应用调试和故障检查,但与后两本《电磁》和《涡街》相比,显得单薄。惟流量校准和检定的阐述翔实,针对质量流量性强,是其特色。
5
、《电磁》是继20余年前由上海光华仪表厂等单位编撰电磁流量计专著[3]后,又一本既可视为选择应用方向的指南,也适合设计制造人员作参考书或拟涉足开发电磁流量计者的入门书。第一部分原理、仪表系统组成、结构和设计方面篇幅占正文约58%,第二部分选择、安装调试应用和故障检查等方面占约32%,虽然百分比不高,字数却是《选用》同范围的45倍,还不包括系统原理等章节设计方向涉及应用预备知识部分(如第六节流量信号特征与干扰,等),内容更丰富,阐述更详细。
第一部分分述了仪表的基本结构组成,通用型流量传感器的励磁系统,电极信号引出系统,简介不同类型传感器(如电容电极信号检测电容流量传感器,明渠潜水型,非满管式、插入式、铁磁性浆液专用型、电磁水表等)的原理与方案。着重阐明当前通用型流量传感器的励磁方式、磁路结构、线圈形状、磁场分布、磁路分析、磁路参数设计方法,电极结构、衬里类型等。电磁流量转换器部分阐述信号转换在应用于电磁流量计的特征,典型系统构成,励磁电流电路,信号放大和变换电路等,以及内在性能指标与测试方法等。
第二部分中故障检查和分析专章占全书正文12.7%篇幅,分节列出五种故障现象(无流量信号输出,输出晃动,零点不稳定,流量测量值与应用参比值不符,输出信号超满度值)的检查方法和检查流程;还将故障现象按管道系统和相关设备类,流体类,环境类三个源头列表分析,列举13个案例一度成为悬案,直到事后全面检修管道系统时才从其他相关部分找出答案,有些故障还十分有趣(如成鱼在传感器内迴游引起输出晃动)。
作者从上世纪60/70年代始即从事电磁流量计研究开发生产,本书是长期经验积累的总结。在国内研究开发之初电磁流量计技术可谓空白,处于半封闭状态下只能从国外论文、专利说明书等文献得到参考材料在实践中实现,不像开放以后能凭借技术合作交流、引进技术等方式快捷发展。例如第三章第二节五传感器磁路参数设计方法中公示的流速002感应电势E比,即E/0020=0.2~1mV·005,一个简单的经验数据却是经历长期演变的重要设计参数。初期交流励磁设计E/0021曾取2~4 mV·0050,矩形汲励磁初期取1.5 mV·0051左右,演变至今为上述范围但通用型还是不宜过低,以0.3~0.4mV·0052为宜。现在用于浆液的一些交流励磁设计,此值也有取2~4 mV·0053,甚至更大。
6
、《涡街》架构与《电磁》相似,也是一本既可视为选择应用方面的指南,也适合设计制造人员作参考书,或拟涉足开发涡街流量计者的入门书。第一部分原理、系统组成、结构和设计方面占正文的62%,第二部分选择、安装调试应用和故障检查方面占约28%.《涡街》在三本《流量计应用指南丛书》中检测核心部分(旋涡发生体和涡街信号检测)描述最为详细具体。例如有多种旋涡发生体形状和尺寸范围,有些是作者研究成果,国外书刊除标准外很少有这类数据公示。
涡街流量计的干法标定是涡街流量计的前沿技术,人们认为继标准节流装置以后最有希望实现尺寸标准化后毋须实流校准的流量仪表。第十二章,涡街流量计的干标定评述国内外这方面的工作,现在日本领先,规定了标准旋涡发生体的形状、尺寸和公差,按其制造可不作实流校准,已纳入日本工业标准JIS Z 87662002《涡流量计流量测定方法》。重庆工业自动化仪表研究所亦早在80年代就开展这方面研究工作,有了一定研究成果,后因故暂停下来,书中较详叙述了当时所做工作,如旋涡发生体的选型试验,试验方法设计、数学模型及参数预报预测、灵敏度分析等,若今后开展这项后续工作,本章内容是颇有参考价值。
13-15章是以拟选用涡街流量计的终端用户和工程设计间接用户为主要对象撰写的,从多种检测方法性能差异的涡街流量计中扬长避短地选择。涡街流量计可用于液体、气体和蒸汽的通用仪表,但是由于测量液体的可选品种多,实际应用于液体较少(约30%),一般气体为30%,蒸汽为40%.书中列举用于液体(按企业用水、热水/热量、冷冻水、液氨、油品分述),气体(按压缩空气、氢氧等压缩气体分述),湿气体和蒸汽(按饱和蒸汽和过热蒸汽分述)的应用实例和应用注意事项。这些实践经验都是很有价值的。
但是第十五章 第四节蒸汽流量测量   饱和蒸汽流量测量所述,采用压力(或温度)修正方法,没有指出只有干饱和蒸汽才适用。在现场干饱和蒸汽是不稳定的,一般用户皆为湿饱和蒸汽(即汽水两相流),是不适用的。此时涡街流量仪表系数已偏离单相流校准的数值,压力(温度)修正不能达到准确计量目的。这一点未着重指出,用户易误用于湿饱和蒸汽。
本书第一作者从70年代初就在重庆工业自动化仪表研究所从事涡街流量计等的研究开发,近年还从事生产制造和应用服务方面工作,可以说本书是他及其同事们长期工作的总结。
三、流量仪表原理、类型、特性和使用综述
7
、《技术》是当前工业常用流量测量方法和仪表的一本实用综合论述著作,是准备从事流量测量科研生产或现场应用调试维修人员入门性读物或工作参考书,又与教科书相似。全书主要由流量测量基础知识,各品种分论和流量实流校验/流量标准装置三部分组成,篇幅分别占8%83%9%;在分论各章中,流量测量方法和仪表的原理结构性能设计计算部分为主约占80%~85%,选择安装调试应用方面占15%~20%,是当前工业用流量测量方面论述比较全面的一本。第一主编系中国计量学院副教授。
回顾以前出版同类书并作些分析比较。1949年以前只有国外原文书,直到1958年才由译自苏联1955年版《流量计》译本[4]。因当时工业界应用的流量仪表70%~80%是节流差压式仪表,该书论述是以节流差压式仪表(节流装置和水银浮子式覆钟式差压计等)为主,占全书44万字的约80%,其余部分为变面积式(浮子式)和还处于萌芽状态的热式电磁式等,在50/60年代是我国流量测量工作者的主要参考书。80年代初翻译出版了日本川田裕郎等编1979年出版《流量测量手册》[5].1986出版由上海工业自动化仪表研究所流量室组织编写《流量测量仪表》[6]1990年翻译出版了1983年版《流量测量工程手册》[2],是一本国际流量界公认的美国重要著作,是继1930年美国Foxboro公司L.K.Spink著《流量计工程的原理和实践》的延续和发展。该书流量仪表分论中亦以节流差压式为主(占仪表分论约82%,其他涡轮式、电磁式、超声式等(约占分论的18%);资料性附另占全书30%,流量测量基础知识占全书28%,这些内容目前流量测量工作者还经常被引用和查阅。还有两本专述流量测量的高等学校教科书:上海机械学院(现上海理工大学)的《流量检测及仪表》[7]中国计量学院的《流量计量与测试》[8]。第一本论述流量品种较全,覆盖面与《技术》相当,但没有以后20年发展的材料,品种分论占全书44万字的约80%,是为自动化仪表专业而撰的教材;第二本以流量计量和流量标定校准为主线,流量标准装置和各品种仪表流量标定相应篇幅占全书63万字约55%,其中流量标准装置设计计算十分详细,是作者多年实践的心得,还未见到国内外有相类似内容的书,代表分论则相对简略。
8
、《新型》原系机械工业出版社和上海自动化仪表研究所1996年组织编写《新型工业自动化仪表手册》第3篇流量检测仪表,初稿完成于2001年约18万字,后用该手册付印无期,于2004年按单印本要嘶哑补充近年新发展内容;特化学工业出版社出版。
《新型》分9章论述了上世纪中叶及以后发展或进入工业实用流量仪表,有:涡轮流量计、电磁流量计、流体振动流量计(涡街流量计为主)、超声流量计、科里奥利质量流量计、热式质量流量计、多相流量计、相关流量计和插入式流量计。由于处于不同发展阶段,各章体例不一。对于进入工业实用阶段的仪表,作相对详细的理论分析或设计述评,较之《技术》更为深入;对于还处于原理性开发或原型样机试用阶段则作典型测量方法和应用等综述性讨论。
例如涡轮流量计详细分析其流体力学特性和自校正涡轮流量计、直接式涡轮质量流量计等;电磁流量计和流体振动流量计两章既是上述《电磁》、《涡街》两书的编写大纲(因其成稿早于两书),又是两书的摘要和浓缩版(因二章补充时,两书已有含仪表新进展内容的成稿);多相流量计一章全面概述了各种多相流仪表测量原理和方法,多种国外已定型仪表概貌,是浙江大学李海青教授等编写《两相流参数检测及应用》[9]书中流量测量部分的补充延伸;相关流量计一章丛面论述相关流量计的原理,影响测量精确的因素,相关器的设计,仪表的校准和应用,是天津大学徐岺安教授专著《相关流量测量技术》[10]的摘要浓缩本。
    重庆工业自动化仪表研究所,孙淮清教授审阅,提出很好的订正和补充的意见,并开列较早出版流量计、近年有关流量计量检定参考丛书、技术监督丛书和教材的书目。 参考文献:
1.G.W.A.Dannen. Shell Flow Meter Engineering Handbook.   2nd edition,1985.
2.R.W.Miller. Flow Measurement Engineering Handbook.3rd editon,1996.
同书,1983年版,孙延祚译,流量测量工程手册,北京:机械工业出版社,1990
3.黄宝森等,电磁流量计,北京:原子能出版社,1981 4Π.Π克雷姆斯基著。流量计。龔家彪译,北京:水利电力出版社,1958 5.川田裕郎,小宫勤一,山崎弘郎等编著,流量测量手册。罗秦、王金玉等译,王自和校。北京:计量出版社,1982 6.杨根生等编。流量测量仪表。北京:机械工业出版社,1986 7.应启戛,赵学端编。流量检测及仪表,上海:上海交通大学出版社,1987. 8.苏彦勋,盛健,梁国伟编著。流量计量与测试。北京:中国计量出版社,1993. 9.李海青等编著,两相流参数检测及应用,杭州:浙江大学出版社,1991. 10.徐岺安编著。相关流量测量技术。天津:天津大学出版社,1988    
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