提要：为解决大口径管道工业用水计量间题,在使用认证和科学鉴定荃础上.选定电磁流量计作为计量表计。本文介绍电磁流橄计的工作原理和安装使用中应注意的问题,介绍了该公司开展工业水计量工作后所取得的显著经济效益。
采用地下大口径铸铁管道环路供水,水质较好,电导率较低,但水中含有漂浮物及水生物,如塑料袋、水草、小鱼、菜叶等。如何解决大口径管道工业用水的计量问题,是一个长期困扰公司计控人员的一大难题,经过慎重的探讨和论证,认为可在速度式流量仪表中,选择出比较适合的计量用表。由此,先后在不同的大口径工业用水管路上安装了超声波流量计、涡街流量计、电磁流量计等仪表,以期实现这一目的。
1流量计的选择
由于大口径管道水中漂浮物、水生物和所用铸铁管的影响,超声流量计、涡街流量计不适用。如氟化厂管道上安装的超声波流量计,由于外界因素和流体中漂浮物的干扰,一直无法正常运行;锦纶厂管道上安装的涡街流量计,由于流体中的水草、塑料袋等的影响,使旋涡发生体的下方形不成涡街,致使流量计无法工作。而在制药厂、合成氨厂尿素车间工业用水管道上安装的电磁流量计,获得了满意的测量效果。由此认为电磁流量计是目前解决我公司大口径管道工业用水计量间题较为理想的表计。
2电磁流量计
电磁流量计是应用法拉第电磁感应原理制成的测量导电介质体积流量的新型感应式流量测量仪表。它具有压力损失小,仪表线性度较好,不受被测液体的温度、压力、粘度等影响,可测量含杂质液体,量程宽,对同一台仪表来说,其量程比可达1:100,口径大,反应灵敏,耐腐蚀,寿命长等显著特点。
它的不足之处是:
(1)只能测量具有一定导电性的液体,要求被测介质的电导率在10一1一10“5材cm之间,相当于蒸馏水的电导率。
(2)不能测量高温高压流体(测量管的绝缘衬里材料受温度的限制造成)。
(3)受流速分布影响,在流速轴对称分布的情况下,流量信号与平均流速成正比,如破坏了流速的轴对称分布,将产生误差,因此需在其前后有一定长度的直管段。
(4)易受外界电磁干扰。
2.1基本原理
在磁感应强度为B的均匀磁场中,垂直于磁场方向放一内径为D的不导磁管道,当导电液体在管道内以速度V流动时,液体切割磁力线,若在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极,只要管道内流体流速分布为轴对称,则两电极之间产生感应电动势e,根据法拉第电磁感应原理:
E=BD`U·······················(1)
则体积流量为
·······················(2)
两式中:e一感应电动势(V)
B—磁感应强度(wb/m2)
D一管道内径(m)
`U 一流体平均流速(m/s)
Qv—流体体积流量(m3/h)
要使式(2)严格成立,必须使测量条件满足于:
(l)磁场是均匀分布的恒定磁场
(2)被测流体的流速为轴对称分布
(3)被测液体是非磁性的,电导率均匀且各向同性
2.2测量系统组成
基本系统由传感器(变送器、检测器)和转换器两部分组成,仅完成流量的检测,在基本系统后加装流量积算器,可实现累积流量的功能,如若接入计算机系统,则不仅可显示瞬时流量、累积流量、日期、时间等功能,还具有开方比例积算器和定值输出等功能,可完成打印、通讯和联网,实现自动控制。
传感器有管道式、潜水式、插入式三种形式。当采用带压开孔、带压安装技术后,可在不停车(停水)的情况下安装,也可在铸铁管上安装,插入式电磁流量计为大口径管道流体流量的测量提供了一种新的方式,并具有安装优势和价格优势。
3电磁流量计误差来源的初步分析
3.1非轴对称流动引起的误差
流体在管内流速为轴对称分布时,流量计电极上所产生的感应电动势的大小与流体的流动状态无关,与流体的平均流速成正比。每个流动质点相对于电极几何位置的不同,对电极所产生的感应电动势e的贡献也不同,愈靠近电极的质点、速度越大的质点,对e的贡献越大,因此必须保证流体的流速为轴对称。
当管道未充满流体或由于阀门、弯头、三通接头的影响,管路内流体将产生游涡流,直接破坏流体流速的轴对称分布。根据理论分析,由于流速分布和涡流的影响,流量计上游直管段应有一定的长度,按附加误差不影响流量计精度(约0.5%)的原则,其上游直管段长度应为5D,下游直管段一般可取2D。
3.2电导率对测量误差的影响
电导率的降低,将增加检测器的输出阻抗,并且因转换器输入阻抗引起的负载效应而产生误差,同时,将增加静电感应的噪声,降低流量计的信噪比。电导率高于10-1s/cm时,也会降低流量信号,改变指示值。
检测器的输出阻抗决定转换器的输入阻抗的大小。检测器的输出阻抗由流体的电导率和电极的大小所支配。
当直径为dl(m)的圆板电极与电导率为s(s/m)的半无限展宽的流体接触时,其展宽电阻为1/2sdl（Ω）。因此,如管道直径D》dl.则检测器的输出阻抗为两个展宽电阻之和,即等于1/sdl。
取流体电导率的下限为5~20μs/cm,电极直径为0.5cm,则检测器的输出阻抗为400~100kΩ,为将输出阻抗的影响控制在0.1%以下,转换器的输入阻抗应是40OMΩ。
自来水、原水的电导率约在15~500μs之间,大于电磁流量计电导率要求5μs/cm的最低值,能满足水计量用表的要求。
3.3信号传输电缆的影响
检测器与转换器间的距离应尽量缩短,使两者尽可能靠近,检测器与转换器之间的距离由信号分布电容和被测液体的电导率所决定。电导率与电缆长度的关系见下图。
实际使用中信号传输电缆的电容影响:当检测器与转换器之间的电缆长度超过30m时,由电缆电容引起的负载效应就成为一个问题,这时可使用双芯双层屏蔽电缆,用低阻抗的电压源对内侧屏蔽层加以与芯线相同的电压,以形成屏蔽,使两者之间无电流通过,从而可避免电缆的负载效应的存在,信号电缆的长度可延长到3O0m左右。
3.4电极表面污染的影响
在测量有附着沉淀物的流体时,电极表面将受到污染,常常引起零点漂移,零点变化和电极污染程度两者之间的关系复杂,但可以说,电极直径越小,所受影响也越小,在使用中,应注意电极的定期清洗,现已有乱板式电磁流量计,可有效地解决这一问题。
3.5励磁方式的影响
现电磁流量计大都采用了恒定电流的低频方波励磁方式,用开关回路把直流恒流回路的输出电流周期性地交换极性,产生方波励磁电流。励磁电流的极性转换周期选择为工业交流电周期的偶数倍,这样可消除工业频率的噪声,排除了交流磁场的电涡流和直流磁场的极化干扰,使得精度可达到0.5%以上。
3.6安装的影响
配置和配管的基本条件是:检测器内应充满被测介质流体,避免气泡在电极上的附着,避免沉淀和衬里的局部磨损。
电极检测出的信号是以检测器内液体电位为基准的,仅有数mV的微小交流电势。为了使液体电位稳定并使变送器与流体保持等电位,以保证稳定地进行测量,检测器、转换器和金属管两段,均应有良好的接地。良好的接地可保证流量计的准确工作,排除其它不相关的干扰电波。但应注意要采用同一点接地,并不得与其它电器设备共用接地线。接地电阻应小于10n,安装时还应避开具有强磁场的设备和环境温度过高的地方。
3.7液体流动状态和平均流速的影响
(1)层流和紊流
由流体力学中的雷诺实检可知,在平直圆管中,流体流动的类型可分为层流(滞流)与紊流(湍流)两大类,用雷诺数Re大小来加以区别。当Re≤2000时,为层流;Re≥4000时,为紊流;Re=2000~4000之间时,可能是层流,也可能是紊流,一般称为过渡流。
流体处于紊流时,在半径方向上距管路中心轴线rx处的最大流速Ux用下式计算:
(3)、（4）两式中：
Ux—距管路中心轴线xr处的最大流速(m八)
Umax—管路中心轴线处的最大流速(m/s)
rx—管壁内侧距管中心轴线处X点的距离(m)
R—管道的半径(m)
n—与雷诺数有关的尼库拉兹(Nikuradse)系数。
层流时,由式3可知,流速变化为抛物线分布,在管路中心轴线处达到最大Umax,即使Re值发生变化,流速分布状态也不改变,(见图a)。紊流时,由式4可知,其流速分布在管路内壁的近旁比层流时的流速大,流速分布形状随雷诺数变化而发生改变,见(图b)。
①流体常用流速范围与雷诺数关系见表1。
以水为例:取p=1000kg/m3
Μ=101×10-5N×S/ m3
②平均速度点
根据尼库拉兹(Nikuardse)算式,当流体处于湍流状态时:
上表中:管道中流体处于紊流状态
雷诺数与尼库拉兹系数的关系见表2。
当n=7.0时rx=0.24228R即r=0.12lD
n=9.9时xr=0.23682R即r=0.118n
D为管道内径,则xr≈0.12D
结论:当管道中心处的流体处于紊流状态时,在离管内壁0.12D处的速度可表示为平均速度,在2.56×10-4≤Re≤3.07×106时,误差小于1.14%(即同一仪表在量程比可高达1:100时)。同时也得出了仪表电极的插入深度。由(5)可以很方便的得出插入深度对测量所造成的误差。
4经济效益
电磁流量计的采用,对水资源管理起到了较大的作用,取得了明显的经济效益�？梢韵嘈�,随着科学技术的不断进步,电磁流量计生产水平的不断提高,性能的不断完善,其应用范围必将更为广泛。
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