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工业自动化发展过程中流量计的选型经验与建议方案探讨

来源: 作者: 发布日期:2021-09-18

 [摘 要] 文章介绍了电磁流量计和超声波流量计的优缺点,对流量计的选型维护提出了一些经验和建议,供有关方面参考。

 
 电磁流量计
1. 1 工作原理
电磁流量计基于法拉弟电磁感应原理工作。当流过测量导管的导电流体以流速 V 作切割磁通密度为 B 的磁力线运动时,则在一对检测电极之间检测的感应电动所势 E 所产生的电。压 U 可用下式表示: U = K·B·D·V
式中 U—两检测电极之间的信号电压,V; B—磁通密度,T; D—测量导管内径,m; V—平均流速,m/s; k—比例常数。
 
通过测量导管的瞬时体积流量 Q 为: Q = π·D/( 4·K·B) ·U
 
由于测量导管内径固定,励磁电流恒定时,磁通密度 B 也恒定不变,故 U 与 Q 成线性关系,因此体积流量正比于电极间的信号电压,测出此值并经过电路转换即可得出体积流量 Q。传感器结构,见图 1,传感器工作原理,见图 2。
电磁流量计传感器结构
1. 2 优点
( 1) 精度较高,可达到 0. 2 ~ 0. 5 级。 
( 2) 无压力损失,测量管内无阻碍流动部件,直管段要求较低。
( 3) 测量范围大,电磁流量流量计的口径范围可从几 mm 到 3 m。( 4) 电磁流量计测量被测流体工作状态下的体积流量,测量原理中不涉及流体的温度、压力、密度和粘度的影响。
( 5) 转换器采用 16 位高性能微处理器,2 × 16LCD 显示,参数设定方便,编程可靠。 
( 6) 转换器可与传感器组成一体型或分离型。 
( 7) 耐用,使用寿命长,一般使用年限为 10 ~ 20 年以上。 
 
1. 3 缺点
( 1) 电磁流量计的应用有一定局限性,它只能测量导电介质的液体流量,不能测量非导电介质的流体,例如,气体和水处理较好的供热用水。在高温条件下需要选择适合的衬里。 
( 2) 测量管道内必须完全充满液体,不满管的情况下容易引起流量计乱跳。 
( 3) 电磁流量计的安装与调试比其它流量计复杂,且要求更严格。变送器和转换器必须配套使用,两者之间不能用 2 种不同型号的仪表配用。在安装变送器时,从安装地点的选择到具体的安装调试,必须严格按照产品说明书要求进行。安装地点不能有振动,不能有强磁场。在安装时必须使变送器和管道有良好的接触及良好的接地。变送器的电位与被测流体等电位。在使用时,必须排尽测量管中存留的气体,否则会造成较大的测量误差。 
( 4) 电磁流量计用来测量带有污垢的粘性液体时,粘性物或沉淀物附着在测量管内壁或电极上,使变送器输出电势变化,带来测量误差,电极上污垢物达到一定厚度,可能导致仪表无法测量。 
( 5) 供水管道结垢或磨损改变内径尺寸,将影响原定的流量值,造成测量误差。如 100 mm 口径仪表内径变化 1 mm 会带来约 2% 附加误差。
( 6) 电磁流量计价格较高,比超声波流量计的价格高。电磁流量计的价格与管径成正比,随着管径的增大价格也相对增高。 
 
2 超声波流量计
2. 1 工作原理
超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统 3 部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量,并将其发射到被测流体中,超声波通过在流体中传播传输到接收收器,接收器接收到的超声波信号可以检测出流体的流速,经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。超声波流量计常用压电换能器。它利用压电材料的压电效应,采用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上,使其产生超声波振动。超声波以某一角度射入流体中传播,然后由接收换能器接收,并经压电元件变为电能,以便检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应,而接收换能器则是利用压电效应。
 
超声波流量计按测量原理分类有: 传播速度差法、多普勒效应法、波束偏移法、相关法、噪声法等等。由于传播速度差法克服了声波随流体温度变化带来的误差,准确度较高,所以被广泛采用。传播速度差法又分为: Z 法( 透过法) 、V 法( 反射法) 、X 法( 交叉法) 等。按安装方式分类有: 外夹式、插入式、管段式、便携式。便携式超声波流量计主要用于对已安装的其他流量计进行校对。 
 
2. 2 优点
( 1) 超声波流量计是一种非接触式测量仪表,可用来测量不易接触、不易观察的流体流量和大管径流量。它不会改变流体的流动状态,不会产生压力损失,且便于安装。
 ( 2) 可以测量强腐蚀性介质和非导电介质的流量。
 ( 3) 超声波流量计的测量范围宽,测量口径范围从 2 cm ~ 6. 5 m。
( 4) 超声波流量计可以测量各种液体和污水流量。 ( 5) 超声波流量计测量的体积流量不受被测流体的温度、压力、粘度及密度等热物性参数的影响。可以做成固定式和便携式两种形式。 
( 6) 插入式和外夹式超声流量计可不停产安装和维护,无需切断工艺管道。 
( 7) 成本相对较低。 
 
2. 3 缺点
( 1) 超声波流量计的温度测量范围不高,一般只能测量温度低于 200℃的流体。 
( 2) 抗干扰能力差。易受气泡、结垢、泵及其它声源混入的超声杂音干扰、影响测量精度。 
( 3) 直管段要求严格,为前 10 D,后 5 D,离泵 30 D 的距离( D 为管道内直径) 。否则离散性差,测量精度差。 
( 4) 安装的不确定性,会给流量测量带来较大误差。 
( 5) 测量管道因结垢,会严重影响测量准确度,带来显著的测量误差,甚至在严重时仪表无流量显示。 
( 6) 可靠性、精度等级不高( 一般为 1. 5 ~ 2. 5 级左右) ,重复性差。超声波流量计是通过测量流体速度再乘以管道内截面积来确定流量。而该流量计无法直接测量内径和管道圆度,只能根据外径、壁厚按标准圆估算截面积,由此带来的不确定性已超过 1% ,因此精度受到限制。 
( 7) 使用寿命短( 一般精度只能保证 2 年) 。 
( 8) 超声波流量计的准确度比电磁流量计的准确度低( 超声波流量计一般为 1% ,而电磁流量计一般为 0. 5% ) 。 
( 9) 影响超声波流量计准确度的不确定因素较多( 如直管段是否足够、管道里水的流态、管壁积垢、气泡、温度变化、噪 声、人为因素等) 。 
( 10) 超声波流量计对管道的要求非常严格,不能有异响,否则会影响测量误差很大。 
 
3 经验及建议
( 1) 流量计周围的测量环境,因为 2 种流量计均易受电磁波干扰,如果在流量计的周围有发射电磁波的物体,那么就不适宜安装,尽量避开产生强电磁场( 如大电机,大变压) 的设备。 
( 2) 根据测量性质来分,如果在测量时对瞬时流量要求严格,更适合安装电磁流量计。 
( 3) 超声波流量计更推荐使用在大中口径较重要的流量检测点,被测的流程管道要形状规则,壁厚均匀,无锈斑、无沉淀、积液等( 尽可能选“带管段”的形式) ,否则雷诺数无法修正的那么精确。 
( 4) 超声波流量计可以实现非接触测量。采用外夹式的方式,该种测量方式具有安装简单、快速、好维护、无需断流的优点,但是也存在一些缺点,一是安装不牢固的话,如果路面有震动容易脱落或者移位。二是传感器与管道贴合处需要涂抹专用耦合剂,有效期为 2 年,2 年后如果不重新涂抹影响计量精度,或者不能正常工作。如果没有特殊情况不建议使用该种安装方式。
( 5) 插入式超声波流量计插入式电磁流量计非常大的特点是安装时比较方便,可以不停电、停水,可以带压安装。对于尺型管道来说,性价比非常优越。大型管道安装流量计多采用这样的插入式流量计。该种安装方式探头容易结垢,换能器探头部位管道内的结垢比较严重的话,就要考虑进行管道内部的清洁和除垢,以确保流量计正常工作,精度不受影响。实际工作中,可以以检修段为限,进行管道内的清洁,或者敲打管道壁,以震落结垢层。建议 1 年清洗 1 次。 
( 6) 插入式超声波流量计安装过程中,精确测量 2 个换能器的安装距离非常重要,直接影响表的测量精度,需多次测量确认。
( 7) 按照国家计量检定规程超声波流量计每 3 年检定 1 次,电磁流量计每半年检定 1 次。为了测量精准建议监测企业按照规定按时检定。检测方法常用的有 2 种,超声波流量计比对法和清水池容积法。可根据实际情况选择不同的检定方式。如果作为标准表的超声波流量计必须定期送国家授权的计量技术机构进行检定。 
( 8) 电磁流量计量程范围的选择对提高流量计工作的可靠性及测量精度有很大的关系,根据不低于预计的非常大流量值的原则选择满量程。正常常用流量非常好超过满量程的 50% ,这样就可以获得较高的测量精度。电磁流量计只能测 0. 1 m/s 以上的流速,低于此流速电磁流量计就很难正确测量。所以定货初期要清楚流量范围比,定货时不能按原先管道口径来定货,非常好按实际流量来定仪表口径。 
( 9) 流量计要同时具备模拟输出和通讯输出功能,通讯要求标准 Modbus - RTU 通讯协议,支持 GPRS 远程通讯。可直接将水量输出给传输设备。监测传输设备要遵循国家水资源监控能力建设项目的传输规约,否则不能顺利将监测数据上报到自治区水利厅接收平台。 
 
4 结束语
流量计是一种涉及多门学科的工业自动化仪表,随着科技的进步,流量计的产品性能在不断提高,也出现了更多的产品型号与类型,扩大了用户的选择范围,也增加了选型难度,在众多流量计中选出一款非常适合的就需要多比对、多了解,产品质量与计算设计技巧、制造工艺能力、电子器件产品质量、出厂标定设备水平等密切相关,同时又与使用现场环境条件、流体参数、管道安装条件等密切相关。正确和有效地选择测量方法和流量计,必须综合多方面因素来考虑,提出非常优的方案,使流量计充分发挥它的作用,既能满足测量要求又能降低运维成本。

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