有关流量计、流量传感器、流量管理的术语解说
在活用流量计、流量传感器的流量管理中,会出现各种专业术语。在此,我们将对“精度与不确定度”、“粘度与运动粘度”等一些难以理解的流量相关术语进行说明。请在为选定流量计、流量传感器而查看产品规格书时,或在实施流量管理时加以利用。
作为表示流量计、流量传感器的可靠性的指标,有“精度(accuracy)”和“不确定度(uncertainty)”这两个术语。国际标准中推荐使用“不确定度”,但在产品规格书等资料中,现在仍在使用“精度”一词。表示可靠性的“精度”和“不确定度”并不仅限于流量,而是在测量和校准等领域广泛使用的术语,但这次我们将限定在流量计、流量传感器上进行说明。
流量计、流量传感器的精度,有表示相对于满量程存在百分之几误差的“满量程(F.S.)精度”,和表示相对于指示(显示)值存在百分之几误差的“读数(RD或Rdg)精度”两种。
满量程(F.S.)精度和读数(RD或Rdg)精度共通的一点是,都将测量值与真值之间的偏差量作为误差。从测量值中减去真值,将该偏差量作为误差范围,如果是满量程(F.S.)精度,则标记为“±1%F.S.”、“±2%F.S”等。
如上所述,精度是由真值求出的,但真值被定义为“与某个特定量的定义相符的值。备注:除特殊情况外,是概念上的值,实际上无法求得”。以铅笔的长度为例,即使知道实测值,生产中也会产生偏差,而且根据测量者的不同数值也会变化,所以真值是不知道的吧?精度终究是假定真值,通过厂家校准确定的误差范围。
在实际使用环境中,测量流体和安装条件也会发生变化,因此需要考虑偏离厂家推荐条件时的影响。因此,在科里奥利式流量计等中,有时会设置“零点稳定性”作为附加误差。
近年来,在测量和校准现场开始使用的指标是“不确定度”。简单来说,不确定度是通过统计处理推测误差的指标。
ISO5167-1,2,3,4-2003中规定了流量测量中不确定度的概念和引入方法,但有些难懂,下面进行通俗易懂的解说。例如,一边改变测量环境、测量方法、流体条件等进行测量,一边根据这些数据计算出真值所在的范围。例如,如果知道在±1%的范围内有95%以上,那么即使真值不明,也可以知道不确定度为“±1%”,可靠性为95%。
顺便一提,在孔板流量计的情况下,ISO5167和ISO5168等中刊登了不确定度的计算方法。如果知道节流孔径比β、管道直径D、雷诺数ReD、管道内的相对粗糙度Ra/D没有误差,则流出系数的相对不确定度如下所示。

请注意,孔板的规格适用于直管径D为50 mm以上的情况,对于小于50 mm的情况,不适用上述不确定度。
保证一定精度的最大流量与最小流量之比称为量程比。例如,对于可将满量程设定为10〜100 m3/h的流量计,如果在20〜100%之间显示±1%的指示精度,则能以±1%的误差进行测量的最大流量和最小流量分别为100 m3/h和2 m3/h,因此量程比为50:1。
在流量管理中处理的流体是粘性流体,因此“粘度”也是一个重要项目。粘度是表示粘稠度的物理性质值,如“稀”或“稠”,它由物质本身决定,并随温度而变化。详情请确认流体的粘度和标准。
粘度也称为“粘性系数”,定义为用流体填充两块平行的平板之间,只移动其中一块时所需的作用力。看下面的插图会更容易理解,靠近固定平板的流体速度为0,而靠近移动平板的流速与平板相同。这种流速分布称为“库爱特流”。

在库埃特流中,如果施加在平板上的力为F,平板的面积为A,则剪切应力τ可以表示为F/A。如果移动平板的速度为U,两平板之间的距离为H,则可以建立以下公式。粘度(粘性系数)μ的单位是Pa·s(帕斯卡秒)。

但是,一般物体表面附近的流速分布不一定像库埃特流那样是线性的,如下图所示,在微小流域,由于流速差会产生剪切应力。该剪切应力与速度梯度du/dy成正比,可以通过以下公式求出。


粘度表示流体中物体(平板)运动的难易程度,而运动粘度则表示流体本身的运动难易程度。流体的运动难易程度(运动粘度)即使在相同粘度下,也会随着密度的变化而变化。运动粘度ν可以通过将粘度除以密度来计算,单位为[m2/s]。

雷诺数是表示流体惯性力与粘性力之比的无量纲量,如果雷诺数相同,则可以视为力学上相似的流动。雷诺数R可以用均匀流动的速度U、物体的特征长度l和运动粘度v来表示,如上所示。在安装流量计的管道中,通常将管道内径D作为特征长度。在粘性力强的流动中,雷诺数较小;在惯性力强的流动中,雷诺数较大。

假设在水流中放置一片叶子。此时,当叶子相对于管道平行前进时的流动称为“层流”,而当叶子随机前进时的流动称为“湍流”。
通常,液体会受到粘度的影响,因此在靠近管道的地方流速会变慢。因此,在层流情况下,越靠近管道中心流速越快。另一方面,在湍流情况下,如果直管段长度足够,流速分布会变得均匀。一般而言,以雷诺数2300为界,流动从层流过渡到湍流。但是,雷诺数在2000到7000之间的区域有时也被称为过渡区。流量计通常在雷诺数较大(104~109)、处于湍流状态且流速分布均匀的条件下测量流速。但是,在层流流量计、部分热式流量计以及微小口径的超声波流量计中,也可能出现层流状态的情况。

流速分布,顾名思义,是表示管道内流速分布的术语。在确保了足够直管段长度的管道内,通常会形成相对于管轴的轴对称流速分布。但是,工艺管道中有很多弯头、阀门、泵等元件,会对流速分布产生影响。
在流量管理中,会受到这种非轴对称流动“偏流”的影响。随着管径增大,所需的直管段长度也增加,无法确保足够直管段而产生偏流的可能性也随之增高。因此,考虑到流量分布的影响来选择和安装流量计非常重要。
通常的流量计/流量传感器是通过插入管道中来安装的,这种连接方式称为过程连接。一般多使用法兰,流量计也通常安装有法兰,或者本身就是法兰形状。因此,在选择流量计时,需要选择与上下游管道相同的法兰尺寸、规格、压力等级等。除了法兰型之外,还有无法兰的“对夹式”、无需切断现有管道直接覆盖安装的“夹钳式”等。