提要：為解決大口徑管道工業用水計量間題,在使用認證和科學鑒定荃礎上.選定電磁流量計作為計量表計。本文介紹電磁流橄計的工作原理和安裝使用中應注意的問題,介紹了該公司開展工業水計量工作后所取得的顯著經濟效益。
采用地下大口徑鑄鐵管道環路供水,水質較好,電導率較低,但水中含有漂浮物及水生物,如塑料袋、水草、小魚、菜葉等。如何解決大口徑管道工業用水的計量問題,是一個長期困擾公司計控人員的一大難題,經過慎重的探討和論證,認為可在速度式流量儀表中,選擇出比較適合的計量用表。由此,先后在不同的大口徑工業用水管路上安裝了超聲波流量計、渦街流量計、電磁流量計等儀表,以期實現這一目的。
1流量計的選擇
由于大口徑管道水中漂浮物、水生物和所用鑄鐵管的影響,超聲流量計、渦街流量計不適用。如氟化廠管道上安裝的超聲波流量計,由于外界因素和流體中漂浮物的干擾,一直無法正常運行;錦綸廠管道上安裝的渦街流量計,由于流體中的水草、塑料袋等的影響,使旋渦發生體的下方形不成渦街,致使流量計無法工作。而在制藥廠、合成氨廠尿素車間工業用水管道上安裝的電磁流量計,獲得了滿意的測量效果。由此認為電磁流量計是目前解決我公司大口徑管道工業用水計量間題較為理想的表計。
2電磁流量計
電磁流量計是應用法拉第電磁感應原理制成的測量導電介質體積流量的新型感應式流量測量儀表。它具有壓力損失小,儀表線性度較好,不受被測液體的溫度、壓力、粘度等影響,可測量含雜質液體,量程寬,對同一臺儀表來說,其量程比可達1:100,口徑大,反應靈敏,耐腐蝕,壽命長等顯著特點。
它的不足之處是:
(1)只能測量具有一定導電性的液體,要求被測介質的電導率在10一1一10“5材cm之間,相當于蒸餾水的電導率。
(2)不能測量高溫高壓流體(測量管的絕緣襯里材料受溫度的限制造成)。
(3)受流速分布影響,在流速軸對稱分布的情況下,流量信號與平均流速成正比,如破壞了流速的軸對稱分布,將產生誤差,因此需在其前后有一定長度的直管段。
(4)易受外界電磁干擾。
2.1基本原理
在磁感應強度為B的均勻磁場中,垂直于磁場方向放一內徑為D的不導磁管道,當導電液體在管道內以速度V流動時,液體切割磁力線,若在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極,只要管道內流體流速分布為軸對稱,則兩電極之間產生感應電動勢e,根據法拉第電磁感應原理:
E=BD`U·······················(1)
則體積流量為
·······················(2)
兩式中:e一感應電動勢(V)
B—磁感應強度(wb/m2)
D一管道內徑(m)
`U 一流體平均流速(m/s)
Qv—流體體積流量(m3/h)
要使式(2)嚴格成立,必須使測量條件滿足于:
(l)磁場是均勻分布的恒定磁場
(2)被測流體的流速為軸對稱分布
(3)被測液體是非磁性的,電導率均勻且各向同性
2.2測量系統組成
基本系統由傳感器(變送器、檢測器)和轉換器兩部分組成,僅完成流量的檢測,在基本系統后加裝流量積算器,可實現累積流量的功能,如若接入計算機系統,則不僅可顯示瞬時流量、累積流量、日期、時間等功能,還具有開方比例積算器和定值輸出等功能,可完成打印、通訊和聯網,實現自動控制。
傳感器有管道式、潛水式、插入式三種形式。當采用帶壓開孔、帶壓安裝技術后,可在不停車(停水)的情況下安裝,也可在鑄鐵管上安裝,插入式電磁流量計為大口徑管道流體流量的測量提供了一種新的方式,并具有安裝優勢和價格優勢。
3電磁流量計誤差來源的初步分析
3.1非軸對稱流動引起的誤差
流體在管內流速為軸對稱分布時,流量計電極上所產生的感應電動勢的大小與流體的流動狀態無關,與流體的平均流速成正比。每個流動質點相對于電極幾何位置的不同,對電極所產生的感應電動勢e的貢獻也不同,愈靠近電極的質點、速度越大的質點,對e的貢獻越大,因此必須保證流體的流速為軸對稱。
當管道未充滿流體或由于閥門、彎頭、三通接頭的影響,管路內流體將產生游渦流,直接破壞流體流速的軸對稱分布。根據理論分析,由于流速分布和渦流的影響,流量計上游直管段應有一定的長度,按附加誤差不影響流量計精度(約0.5%)的原則,其上游直管段長度應為5D,下游直管段一般可取2D。
3.2電導率對測量誤差的影響
電導率的降低,將增加檢測器的輸出阻抗,并且因轉換器輸入阻抗引起的負載效應而產生誤差,同時,將增加靜電感應的噪聲,降低流量計的信噪比。電導率高于10-1s/cm時,也會降低流量信號,改變指示值。
檢測器的輸出阻抗決定轉換器的輸入阻抗的大小。檢測器的輸出阻抗由流體的電導率和電極的大小所支配。
當直徑為dl(m)的圓板電極與電導率為s(s/m)的半無限展寬的流體接觸時,其展寬電阻為1/2sdl（Ω）。因此,如管道直徑D》dl.則檢測器的輸出阻抗為兩個展寬電阻之和,即等于1/sdl。
取流體電導率的下限為5~20μs/cm,電極直徑為0.5cm,則檢測器的輸出阻抗為400~100kΩ,為將輸出阻抗的影響控制在0.1%以下,轉換器的輸入阻抗應是40OMΩ。
自來水、原水的電導率約在15~500μs之間,大于電磁流量計電導率要求5μs/cm的最低值,能滿足水計量用表的要求。
3.3信號傳輸電纜的影響
檢測器與轉換器間的距離應盡量縮短,使兩者盡可能靠近,檢測器與轉換器之間的距離由信號分布電容和被測液體的電導率所決定。電導率與電纜長度的關系見下圖。
實際使用中信號傳輸電纜的電容影響:當檢測器與轉換器之間的電纜長度超過30m時,由電纜電容引起的負載效應就成為一個問題,這時可使用雙芯雙層屏蔽電纜,用低阻抗的電壓源對內側屏蔽層加以與芯線相同的電壓,以形成屏蔽,使兩者之間無電流通過,從而可避免電纜的負載效應的存在,信號電纜的長度可延長到3O0m左右。
3.4電極表面污染的影響
在測量有附著沉淀物的流體時,電極表面將受到污染,常常引起零點漂移,零點變化和電極污染程度兩者之間的關系復雜,但可以說,電極直徑越小,所受影響也越小,在使用中,應注意電極的定期清洗,現已有亂板式電磁流量計,可有效地解決這一問題。
3.5勵磁方式的影響
現電磁流量計大都采用了恒定電流的低頻方波勵磁方式,用開關回路把直流恒流回路的輸出電流周期性地交換極性,產生方波勵磁電流。勵磁電流的極性轉換周期選擇為工業交流電周期的偶數倍,這樣可消除工業頻率的噪聲,排除了交流磁場的電渦流和直流磁場的極化干擾,使得精度可達到0.5%以上。
3.6安裝的影響
配置和配管的基本條件是:檢測器內應充滿被測介質流體,避免氣泡在電極上的附著,避免沉淀和襯里的局部磨損。
電極檢測出的信號是以檢測器內液體電位為基準的,僅有數mV的微小交流電勢。為了使液體電位穩定并使變送器與流體保持等電位,以保證穩定地進行測量,檢測器、轉換器和金屬管兩段,均應有良好的接地。良好的接地可保證流量計的準確工作,排除其它不相關的干擾電波。但應注意要采用同一點接地,并不得與其它電器設備共用接地線。接地電阻應小于10n,安裝時還應避開具有強磁場的設備和環境溫度過高的地方。
3.7液體流動狀態和平均流速的影響
(1)層流和紊流
由流體力學中的雷諾實檢可知,在平直圓管中,流體流動的類型可分為層流(滯流)與紊流(湍流)兩大類,用雷諾數Re大小來加以區別。當Re≤2000時,為層流;Re≥4000時,為紊流;Re=2000~4000之間時,可能是層流,也可能是紊流,一般稱為過渡流。
流體處于紊流時,在半徑方向上距管路中心軸線rx處的最大流速Ux用下式計算:
(3)、（4）兩式中：
Ux—距管路中心軸線xr處的最大流速(m八)
Umax—管路中心軸線處的最大流速(m/s)
rx—管壁內側距管中心軸線處X點的距離(m)
R—管道的半徑(m)
n—與雷諾數有關的尼庫拉茲(Nikuradse)系數。
層流時,由式3可知,流速變化為拋物線分布,在管路中心軸線處達到最大Umax,即使Re值發生變化,流速分布狀態也不改變,(見圖a)。紊流時,由式4可知,其流速分布在管路內壁的近旁比層流時的流速大,流速分布形狀隨雷諾數變化而發生改變,見(圖b)。
①流體常用流速范圍與雷諾數關系見表1。
以水為例:取p=1000kg/m3
Μ=101×10-5N×S/ m3
②平均速度點
根據尼庫拉茲(Nikuardse)算式,當流體處于湍流狀態時:
上表中:管道中流體處于紊流狀態
雷諾數與尼庫拉茲系數的關系見表2。
當n=7.0時rx=0.24228R即r=0.12lD
n=9.9時xr=0.23682R即r=0.118n
D為管道內徑,則xr≈0.12D
結論:當管道中心處的流體處于紊流狀態時,在離管內壁0.12D處的速度可表示為平均速度,在2.56×10-4≤Re≤3.07×106時,誤差小于1.14%(即同一儀表在量程比可高達1:100時)。同時也得出了儀表電極的插入深度。由(5)可以很方便的得出插入深度對測量所造成的誤差。
4經濟效益
電磁流量計的采用,對水資源管理起到了較大的作用,取得了明顯的經濟效益。可以相信,隨著科學技術的不斷進步,電磁流量計生產水平的不斷提高,性能的不斷完善,其應用范圍必將更為廣泛。
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