影響分體式熱水流量計測量精度因素及提高準確性的對策

在工農業(yè)生產(chǎn)、國防建設、科學(xué)試驗、國內外貿易等各個(gè)領(lǐng)域，對于流量測量的需求是一項很普遍的測量工作，因為流量的測量是測量的動(dòng)態(tài)物理量，測量的介質(zhì)也各不一樣，不同的介質(zhì)的特性對于流量測量的要求各不一樣，測量現場(chǎng)的條件也有差異，所以就導致了流量測量的準確性與可靠性較難保證。針對于不一樣的工況條件，目前市場(chǎng)上的儀表類(lèi)型有速度式流量計、容積流量計、動(dòng)量式流量計、分體式熱水流量計、超聲波流量計等幾十種流量計。其中分體式熱水流量計的應用特別廣泛，它以其優(yōu)越的性能,在諸多領(lǐng)域被廣泛采用。
如何對分體式熱水流量計進(jìn)行精確的測量，解決現場(chǎng)測量的常見(jiàn)的“測不準”的現象。針對于這個(gè)情況，本文分析了被測介質(zhì)電導率、流速分布與直管段、電*結垢與附著(zhù)層、安裝條件和運行環(huán)境5方面工程因素對分體式熱水流量計準確測量的影響,提出了提高電磁流量測量準確性的工程對策。從而保證分體式熱水流量計在工程應用中能夠準確測量,使其充分發(fā)揮其計量作用,為流量檢測提供可靠的測量數據。在確保分體式熱水流量計本身計量檢定合格的基礎上,分析了工程上影響分體式熱水流量計測量準確性的因素,提出了提高分體式熱水流量計測量準確性的工程實(shí)施方法.
1　影響分體式熱水流量計準確測量因素
分體式熱水流量計是根據法拉*電磁感應定律來(lái)工作的,即導電流體以平均速度v流過(guò)垂直于流動(dòng)方向的磁場(chǎng),其感應電勢E通過(guò)與流體直接接觸的電*(又稱(chēng)傳感器)檢測出來(lái).
E=KBvD　,(1)
式中:K為儀表常數;B為磁感應強度(T);v為流體運動(dòng)平均速度(m/s);D為管道內徑(m).
當K、B、D確定下來(lái)后,E與v成正比.其工作原理和結構如圖1所示.根據流體的體積流量公式:
Q=1/4πD2v　,(2)
Q是v的正比函數,代入公式(1),那么E也是Q的正比函數,由此,測出了感應電壓E也即測出了介質(zhì)的體積流量Q.

分體式熱水流量計工作原理圖
分體式熱水流量計由流量傳感器和轉換器兩大部分組成.傳感器測出的感應電壓E由電纜送至轉換器,通過(guò)智能化處理,然后LCD顯示,或轉換成標準信號4～20mA輸出.根據以上測量原理,實(shí)際使用中,影響分體式熱水流量計準確測量的工程因素主要有以下5個(gè)方面:
(1) 被測介質(zhì)電導率的影響.被測流體的電導率決定了轉換器所需的輸入阻抗大小,流體電導率降低,電*的輸出阻抗將增加,并且由轉換器輸入阻抗引起負載效應而產(chǎn)生誤差.因此,分體式熱水流量計應用中規定了流體的電導率的下限.理論上,把電*看作點(diǎn)電*,忽略其大小,實(shí)際上,電*有一定尺寸,當直徑為d的圓形電*與電導率為ρ的半無(wú)限展寬的流體接觸時(shí),其展寬電阻為1/(2ρd),因此,如果管道直徑Dd,則電*的輸出阻抗為兩個(gè)展寬電阻之和,即等于1/(ρd).一般測量的流體電導率ρ的下限為5～10μs/cm,所以,若電*直徑d為1cm,則電*的輸出阻抗就為1/(ρd)=100～200kΩ,為使輸出阻抗的影響限制在0.1%以下,轉換器的輸入阻抗應為200MΩ左右.對于分體式熱水流量計,選型時(shí)必須考慮流體電導率要大于5μs/cm的閾值(即下限值)要求.
(2) 流速分布與直管段的影響.根據公式(1)知,如果流速以中心軸為對稱(chēng)流動(dòng),感應電勢與流速分布無(wú)關(guān),僅正比于平均流速.若流速為非中心軸對稱(chēng)分布,圖2表示90°彎頭與突擴管的流線(xiàn)分布與速度剖面,每個(gè)流動(dòng)質(zhì)點(diǎn)相對于電*幾何位置不同,對電*產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢大小也不同,越靠近電*,速度大的質(zhì)點(diǎn)所產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢越大,容易引起誤差,因此,必須保證流體流速為中心軸對稱(chēng).工程上,正確的安裝可以減小此類(lèi)誤差。
分體式熱水流量計彎頭及突變管的流速分布圖
盡管分體式熱水流量計生產(chǎn)廠(chǎng)家不斷追求流量計本身的精度,但實(shí)際工程中,工藝管道中的彎管、閥門(mén)等都會(huì )引起流動(dòng)畸變、二次流或漩渦,破壞了原有充分均勻的流速分布狀況.只有經(jīng)過(guò)相當長(cháng)的直管段,才能讓流體恢復其軸對稱(chēng)的流速分布.若實(shí)際工藝管道上下游直管段不足,可以通過(guò)安裝流動(dòng)調整器來(lái)調整.
（3）電*結垢和附著(zhù)層的影響.在測量如紙漿、污水等非清潔流體時(shí),電*表面易受污染,引起零點(diǎn)變動(dòng),但零點(diǎn)變化和電*污染程度兩者的關(guān)系,很難進(jìn)行定量分析比較,根據經(jīng)驗,電*直徑越小,所受的影響越少,在使用中,應注意電*的清污,以防止附著(zhù).
設在襯里上附著(zhù)沉淀物時(shí)產(chǎn)生的誤差Δε,如果附著(zhù)的厚度是一樣,則可由式(3)計算:
Δε=1-2/[1+(kω/kf)+(1-kω/kf)*(1-2t/D)2]　,(3)
式中:kω、kf分別為附著(zhù)物和測量流體的電導率;t為附著(zhù)物厚度;D為直徑.
若式(3)中kω和、kf相等,則誤差為零,附著(zhù)物的電導率較低時(shí),上式仍然成立,但會(huì )增加電*的輸出阻抗,因此受到限制,如絕緣性沉淀物浸在流體中就是這種情況.相反,如附著(zhù)金屬粉末等,因高電導率的附著(zhù)層,使感應電勢短路,電*輸出偏低,造成負偏差.在測量具有沉淀附著(zhù)物的流體時(shí),可通過(guò)合理選擇傳感器內襯材料等方法減少測量誤差,除了選擇如玻璃或聚四氯乙烯等難以附著(zhù)沉淀的襯里外,還應增加其流速,流體快速流動(dòng)的同時(shí)能夠起到?jīng)_刷電*、清潔電*的作用,減少誤差.
(3) 安裝條件的影響.分體式熱水流量計要求滿(mǎn)管測量、流速分布軸對稱(chēng)、可靠的接地等,否則可能現輸出晃動(dòng)、示值不準等現象.這可通過(guò)規范安裝操作以使測量準確性得到提高.
(4) 運行環(huán)境的影響.分體式熱水流量計因輸出信號較弱,對機械振動(dòng)比較敏感,測量結果易受干擾,運行時(shí),不允許管道振動(dòng)和周?chē)写蟮碾娖魅珉姾笝C等.
2　提高電磁流量測量準確性的工程對策
2.1正確選型
分體式熱水流量計的選型考慮因素很多,有儀表性能、流體特性、安裝條件、環(huán)境條件和經(jīng)濟等方面的因素,從測量準確性的角度,可從下面兩方面考慮.
(1) 傳感器口徑選擇.傳感器口徑的選擇關(guān)系到流體在管道中的流速大小,影響到輸出電勢值.因此,傳感器口徑不一定與連接的工藝管道口徑相同,應根據實(shí)際使用流量而定.當管道內流體的流速在1.5～3m/s,選擇傳感器口徑的與工藝管道口徑相同即可,且安裝方便;當管內流體流速較低,低于0.5m/s時(shí),儀表口徑應改為小于管徑,以異徑管連接管道.
(2) 襯里、電*材料的選擇要點(diǎn).電*是分體式熱水流量計拾取流量信號的部件,在測量過(guò)程中,只有它和接地環(huán)、接地電*與被測介質(zhì)接觸,因此,為了適應不同介質(zhì)的測量條件,比如流體介質(zhì)的溫度、壓力、腐蝕性、磨損性等的要求,要選用不同的內襯、電*材料.
分體式熱水流量計的內襯材料有耐腐蝕性中等、耐一般低濃度的酸、堿、鹽的氯丁橡膠材料,耐磨損性強而耐腐蝕性能一般的聚氨脂橡膠,耐腐蝕性能強和適于溫度高的聚四氟乙烯,化學(xué)性質(zhì)等同于聚四氟乙烯的抗拉、抗壓聚全氟乙丙烯,耐稀酸、堿、鹽的溫度60℃的聚乙烯和溫度100℃的聚苯硫醚等.
分體式熱水流量計電*的材料有耐鹽和小于50%濃度堿溶液的鈦(Ti)電*,耐酸和鹽的鉭(Ta)電*,耐腐蝕能力強的貴金屬鉑電*,不適于鹽酸的哈氏合金C電*和不適于硝酸的哈氏合金B電*,耐腐蝕能力一般、但價(jià)格低廉的不銹鋼316L等.電*材料裝于傳感器測量管內壁,與被測介質(zhì)直接接觸,故應根據被測介質(zhì)的腐蝕性選定.
2.2　正確安裝
(1)對安裝管路的要求.實(shí)際工程上,電*平面處的流速分布已同初校時(shí)有較大的差別,傳感器上游管道連接件的配置是引起特殊的流速分布的因素之一,使用中就有可能出現量值偏移.對傳感器前后直管段的要求是保證流速以中心軸為對稱(chēng)分布,獲得儀表測量精確度的必要條件之一,國標GB/T18659-2002等列舉了對漸縮管、上游閥、圓弧彎頭*小直管段長(cháng)度的要求(見(jiàn)表1).

另外,測量管內導電流體電導率不均勻,也會(huì )影響分體式熱水流量計的測量,因此,若工藝要求在管道中加入其他介質(zhì),則應在流量計下游進(jìn)行.如果必須在上游進(jìn)行,應在流量計上游較遠處注入,建議在大于50D以遠(D為測量管內徑),以保證流體流動(dòng)均勻后進(jìn)入流量計.
(3) 安裝要保證流體充滿(mǎn)測量管.分體式熱水流量計測量的流量是電*平面的平均流速與電*斷面的面積的乘積.只有流體充滿(mǎn)測量管測量才準確.也就是說(shuō),在水平安裝時(shí),流量計處于*低部位置的正確安裝方法才能保證流體充滿(mǎn)管道.對于固-液、氣-液兩相混相流體,傳感器應以垂直或傾斜姿勢安裝,且流體應自下而上流動(dòng),防止當傳感器水平安裝時(shí),固體容易沉淀到管道下部、混相中的氣體分離到上部而造成測量誤差.
(4) 接液與接地.因傳感器輸出信號是電*間的電壓差,因此要有一個(gè)零電位基準點(diǎn).接液是使用分體式熱水流量計*重要的條件之一,即以導電液體接地作為信號的基準電位點(diǎn).接地是防止進(jìn)入干擾和安全保護的有效措施,傳感器接地*與流體(信號基準零電平)間容易由地回路引入各種共模干擾電壓,影響流量計的使用可靠性和測量精度.通過(guò)接地能夠屏蔽靜電感應與電磁感應引起的噪聲電壓;減小接地電阻可以降低地回路雜散電流的壓降,減低共模干擾電壓,提高測量精度.在連接傳感器的管道內若涂有絕緣層或是非金屬管道時(shí),傳感器兩側應裝有接地環(huán).金屬管道分體式熱水流量計接地連(跨)接方法如圖3.當被測流體電導率比較高、工藝管線(xiàn)比較長(cháng)時(shí),被測流體的體電阻幾乎為零,使用接液電*能夠穩定地取得信號的基準電位.當測量比較低的電導率流體時(shí),被測流體的體電阻比較高,若利用接液環(huán)或接液電*接觸面太小,易產(chǎn)生信號的不穩定.為此應使用接液短管,加大與流體的接觸面積,減小流體體電阻.

分體式熱水流量計傳感器接地圖示
(5) 盡量避開(kāi)振動(dòng)源、磁源.由于分體式熱水流量計的測量感應電壓很小,電壓較低易受外界電磁噪聲的影響,故在安裝時(shí)應盡可能避開(kāi)振動(dòng)源、磁源,并進(jìn)行可靠的接地連接.一般情況要求接地電阻小于100Ω.對于防爆產(chǎn)品和防雷擊要求的安裝情況,接地電阻應小于10Ω.同時(shí)應注意不能將流量計的接地接在大的電器設備,如變壓器、發(fā)電機、變頻電源的外殼接地上.
3　本文結語(yǔ)
分體式熱水流量計在投運前,應對管道及流量計進(jìn)行徹底檢查,包括管道雜物等清理,電*處干燥處理.還包括電氣線(xiàn)路的檢查,*先應對線(xiàn)路的接地進(jìn)行檢測,確保接地可靠后,還需進(jìn)行絕緣電阻及接地電阻測試.
長(cháng)期運行時(shí),測量管壁易附著(zhù)和沉淀物質(zhì),若附著(zhù)是比液體電導率高的導電物質(zhì),信號電勢將被短路而不能工作,若是非導電層則*先應注意電*污染,譬如選用不易附著(zhù)尖形或半球形突出電*、可更換式電*、刮刀式清垢電*等.非接觸型電*分體式熱水流量計附著(zhù)非導電膜層,儀表仍能工作,但若為高導電層則不能工作.
由于分體式熱水流量計運行環(huán)境較為復雜,影響其正常工作的工程因素眾多,調試技術(shù)需要不斷總結和更新.總之,只要合理選用、正確安裝分體式熱水流量計,并采取有效的措施加以維護,就能從工程上降低誤差,提高測量的準確性,規范的使用儀表,還能延長(cháng)儀表的使用壽命,為生產(chǎn)提供準確可靠的計量數據.

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