影響自來水流量計測量精度的因素與解決措施

如何對自來水流量計進(jìn)行精確的測量，解決現(xiàn)場測量的常見的“測不準(zhǔn)”的現(xiàn)象。針對于這個情況，本文分析了被測介質(zhì)電導(dǎo)率、流速分布與直管段、電極結(jié)垢與附著層、安裝條件和運行環(huán)境5方面工程因素對自來水流量計準(zhǔn)確測量的影響,提出了提高電磁流量測量準(zhǔn)確性的工程對策。從而保證自來水流量計在工程應(yīng)用中能夠準(zhǔn)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(shù)據(jù)。在確保自來水流量計本身計量檢定合格的基礎(chǔ)上,分析了工程上影響自來水流量計測量準(zhǔn)確性的因素,提出了提高自來水流量計測量準(zhǔn)確性的工程實施方法.
1、影響自來水流量計準(zhǔn)確測量因素
自來水流量計是根據(jù)法拉*電磁感應(yīng)定律來工作的,即導(dǎo)電流體以平均速度v流過垂直于流動方向的磁場,其感應(yīng)電勢E通過與流體直接接觸的電極(又稱傳感器)檢測出來.
E=KBvD　,(1)
式中:K為儀表常數(shù);B為磁感應(yīng)強度(T);v為流體運動平均速度(m/s);D為管道內(nèi)徑(m).
當(dāng)K、B、D確定下來后,E與v成正比.其工作原理和結(jié)構(gòu)如圖1所示.根據(jù)流體的體積流量公式:
Q=1/4πD2v　,(2)
Q是v的正比函數(shù),代入公式(1),那么E也是Q的正比函數(shù),由此,測出了感應(yīng)電壓E也即測出了介質(zhì)的體積流量Q.

自來水流量計工作原理圖
自來水流量計由流量傳感器和轉(zhuǎn)換器兩大部分組成.傳感器測出的感應(yīng)電壓E由電纜送至轉(zhuǎn)換器,通過智能化處理,然后LCD顯示,或轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號4～20mA輸出.根據(jù)以上測量原理,實際使用中,影響自來水流量計準(zhǔn)確測量的工程因素主要有以下5個方面:
(1)被測介質(zhì)電導(dǎo)率的影響.被測流體的電導(dǎo)率決定了轉(zhuǎn)換器所需的輸入阻抗大小,流體電導(dǎo)率降低,電極的輸出阻抗將增加,并且由轉(zhuǎn)換器輸入阻抗引起負(fù)載效應(yīng)而產(chǎn)生誤差.因此,自來水流量計應(yīng)用中規(guī)定了流體的電導(dǎo)率的下限.理論上,把電極看作點電極,忽略其大小,實際上,電極有一定尺寸,當(dāng)直徑為d的圓形電極與電導(dǎo)率為ρ的半無限展寬的流體接觸時,其展寬電阻為1/(2ρd),因此,如果管道直徑Dd,則電極的輸出阻抗為兩個展寬電阻之和,即等于1/(ρd).一般測量的流體電導(dǎo)率ρ的下限為5～10μs/cm,所以,若電極直徑d為1cm,則電極的輸出阻抗就為1/(ρd)=100～200kΩ,為使輸出阻抗的影響限制在0.1%以下,轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗應(yīng)為200MΩ左右.對于自來水流量計,選型時必須考慮流體電導(dǎo)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(jù)公式(1)知,如果流速以中心軸為對稱流動,感應(yīng)電勢與流速分布無關(guān),僅正比于平均流速.若流速為非中心軸對稱分布,圖2表示90°彎頭與突擴管的流線分布與速度剖面,每個流動質(zhì)點相對于電極幾何位置不同,對電極產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小也不同,越靠近電極,速度大的質(zhì)點所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越大,容易引起誤差,因此,必須保證流體流速為中心軸對稱.工程上,正確的安裝可以減小此類誤差。
自來水流量計彎頭及突變管的流速分布圖
盡管自來水流量計生產(chǎn)廠家不斷追求流量計本身的精度,但實際工程中,工藝管道中的彎管、閥門等都會引起流動畸變、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)過相當(dāng)長的直管段,才能讓流體恢復(fù)其軸對稱的流速分布.若實際工藝管道上下游直管段不足,可以通過安裝流動調(diào)整器來調(diào)整.
（3）電極結(jié)垢和附著層的影響.在測量如紙漿、污水等非清潔流體時,電極表面易受污染,引起零點變動,但零點變化和電極污染程度兩者的關(guān)系,很難進(jìn)行定量分析比較,根據(jù)經(jīng)驗,電極直徑越小,所受的影響越少,在使用中,應(yīng)注意電極的清污,以防止附著.
設(shè)在襯里上附著沉淀物時產(chǎn)生的誤差Δε,如果附著的厚度是一樣,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分別為附著物和測量流體的電導(dǎo)率;t為附著物厚度;D為直徑.
若式(3)中kω和、kf相等,則誤差為零,附著物的電導(dǎo)率較低時,上式仍然成立,但會增加電極的輸出阻抗,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,如附著金屬粉末等,因高電導(dǎo)率的附著層,使感應(yīng)電勢短路,電極輸出偏低,造成負(fù)偏差.在測量具有沉淀附著物的流體時,可通過合理選擇傳感器內(nèi)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沉淀的襯里外,還應(yīng)增加其流速,流體快速流動的同時能夠起到?jīng)_刷電極、清潔電極的作用,減少誤差.
(4)安裝條件的影響.自來水流量計要求滿管測量、流速分布軸對稱、可靠的接地等,否則可能現(xiàn)輸出晃動、示值不準(zhǔn)等現(xiàn)象.這可通過規(guī)范安裝操作以使測量準(zhǔn)確性得到提高.
(5)運行環(huán)境的影響.自來水流量計因輸出信號較弱,對機械振動比較敏感,測量結(jié)果易受干擾,運行時,不允許管道振動和周圍有大的電器如電焊機等.
2、提高電磁流量測量準(zhǔn)確性的工程對策
2.1正確選型
自來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(jì)等方面的因素,從測量準(zhǔn)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(yīng)根據(jù)實際使用流量而定.當(dāng)管道內(nèi)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(dāng)管內(nèi)流體流速較低,低于0.5m/s時,儀表口徑應(yīng)改為小于管徑,以異徑管連接管道.
(2)襯里、電極材料的選擇要點.電極是自來水流量計拾取流量信號的部件,在測量過程中,只有它和接地環(huán)、接地電極與被測介質(zhì)接觸,因此,為了適應(yīng)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(nèi)襯、電極材料.
自來水流量計的內(nèi)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.
自來水流量計電極的材料有耐鹽和小于50%濃度堿溶液的鈦(Ti)電極,耐酸和鹽的鉭(Ta)電極,耐腐蝕能力強的貴金屬鉑電極,不適于鹽酸的哈氏合金C電極和不適于硝酸的哈氏合金B(yǎng)電極,耐腐蝕能力一般、但價格低廉的不銹鋼316L等.電極材料裝于傳感器測量管內(nèi)壁,與被測介質(zhì)直接接觸,故應(yīng)根據(jù)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.實際工程上,電極平面處的流速分布已同初校時有較大的差別,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(xiàn)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分布,獲得儀表測量精確度的必要條件之一,國標(biāo)GB/T18659-2002等列舉了對漸縮管、上游閥、圓弧彎頭*小直管段長度的要求(見表1).

另外,測量管內(nèi)導(dǎo)電流體電導(dǎo)率不均勻,也會影響自來水流量計的測量,因此,若工藝要求在管道中加入其他介質(zhì),則應(yīng)在流量計下游進(jìn)行.如果必須在上游進(jìn)行,應(yīng)在流量計上游較遠(yuǎn)處注入,建議在大于50D以遠(yuǎn)(D為測量管內(nèi)徑),以保證流體流動均勻后進(jìn)入流量計.
(2)安裝要保證流體充滿測量管.自來水流量計測量的流量是電極平面的平均流速與電極斷面的面積的乘積.只有流體充滿測量管測量才準(zhǔn)確.也就是說,在水平安裝時,流量計處于*低部位置的正確安裝方法才能保證流體充滿管道.對于固-液、氣-液兩相混相流體,傳感器應(yīng)以垂直或傾斜姿勢安裝,且流體應(yīng)自下而上流動,防止當(dāng)傳感器水平安裝時,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.
(3)接液與接地.因傳感器輸出信號是電極間的電壓差,因此要有一個零電位基準(zhǔn)點.接液是使用自來水流量計*重要的條件之一,即以導(dǎo)電液體接地作為信號的基準(zhǔn)電位點.接地是防止進(jìn)入干擾和安全保護(hù)的有效措施,傳感器接地極與流體(信號基準(zhǔn)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.通過接地能夠屏蔽靜電感應(yīng)與電磁感應(yīng)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(nèi)若涂有絕緣層或是非金屬管道時,傳感器兩側(cè)應(yīng)裝有接地環(huán).金屬管道自來水流量計接地連(跨)接方法如圖3.當(dāng)被測流體電導(dǎo)率比較高、工藝管線比較長時,被測流體的體電阻幾乎為零,使用接液電極能夠穩(wěn)定地取得信號的基準(zhǔn)電位.當(dāng)測量比較低的電導(dǎo)率流體時,被測流體的體電阻比較高,若利用接液環(huán)或接液電極接觸面太小,易產(chǎn)生信號的不穩(wěn)定.為此應(yīng)使用接液短管,加大與流體的接觸面積,減小流體體電阻.

自來水流量計傳感器接地圖示
(4)盡量避開振動源、磁源.由于自來水流量計的測量感應(yīng)電壓很小,電壓較低易受外界電磁噪聲的影響,故在安裝時應(yīng)盡可能避開振動源、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(yīng)小于10Ω.同時應(yīng)注意不能將流量計的接地接在大的電器設(shè)備,如變壓器、發(fā)電機、變頻電源的外殼接地上.

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