摘要:环境保护是我国的基本国策之一,工业污水的计量越来越引起重视。介绍了一种专为非满管状态下的流量测量而设计的流量计,简单介绍了非满管电磁流量计的测量原理,着重描述了其独特的电容液位测量系统,分析了非满管电磁流量计在污水测量应用中的特点及优势。
0 引言
环境保护已经成为我国经济持续发展的基本国策,在国家环境保护政策推动下,企业对环保工作越来越予以重视,生产过程中产生的污水要严格控制其排放量,为此要求安装流量计来计量污水排放量。
工业排水的流体流动都是自然流动,流量大,非满管并且具有自由水面,正确地进行测量有一定的难度。以前多采用传统槽式流量计,不仅精度较低,而且带来较大的水流损失,同时对上游渠道的坡度及下游水深也均有一定的要求,当不能满足条件时测量精度会降低,有时甚至无法进行测量。如果用电磁流量计来测量污水,则需要建造额外的闸板和堰板以保证满管,这些附加的安装费用经常会超出流量计本身的费用,大口径管道时更是如此,而且还增加了管道堵塞的可能性。随着测量技术的不断发展,目前电磁和超声波技术都能对非满管流体流量进行测量。
1 测量原理
电磁流量计是20世纪50～60年代随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量仪表,由于其独特的优点,广泛应用于工业过程中各种导电液体的流量测量,在目前使用的各类流量计中,其销量仅次于孔板流量计,位居第2位。
电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的,其测量原理如下:当导电的被测介质垂直于磁力线方向流动时,在与介质流动和磁力线都垂直的方向上产生一个感应电势Ex,它与被测介质在磁场中运动的速度成正比,其关系式为
Ex=KBDv
式中:K为仪表常数;B为磁感应强度;D为电极距离,即导管直径,为导体垂直切割磁力线的长度;v为被测介质在磁场中运动的速度。
由感应电势可以计算出流体流速,将流体流速管道截面积相乘,即可得出体积流量Q。
普通的电磁流量计一直用于满管测量[1],当测量管中液体未被充满时,普通的电磁流量计会出现两种情况:1)当测量管内的液体超过电极水平面时,流量计所显示的是实际液体的体积流量加上空气所占据的那部分体积之和,造成流量误差。2)当测量管内的液体低于电极水平面时,输出就不稳定或波动,流量计不能测出电动势,根本无法计量。
非满管电磁流量计是专为非满管状态下的流量测量而设计的,它与普通电磁流量计的不同之处在于它不仅测量流体的流速,还测量流体在测量管中的高度而求得流通面积A,两者相乘获得流量。
非满管电磁流量计由两部分组成,一是安装在管道上的流量传感器,二是微处理器控制的信号转换器。
流量传感器是直接安装在管道上的同口径圆形暗渠,测量流速的原理与传统电磁流量计的基本相同,仍以法拉弟电磁感应定律测量流速V(见图1)。
因传感器具备测量仪表内液位的功能,它的电极、磁路和测量电路则与普通电磁流量计有较大差别。
电容式液位测量系统的电磁流量计,它测量流速的一对电极不是安装在测量管的中心线处,而是安装在离测量管底部0.1D高度,这样当液位不低于0.1D时都可测出流速,而且又避免了测量管中沉淀物给测量带来的影响。
电容液位测量系统[2]如图2所示,在测量管的衬里背面安装有一块检测极和4块发射极,被衬里层完全覆盖,与管内液体充分绝缘。将高频电压引入发射极,然后测出检测极中的感应电流。电极之间的电容C与流体的高度H成一定的比例关系,通过测量两块金属电极之间的电容便可得知液位高度。当测量管内液位高度确定后,便可计算出非满管流量。之所以将发射极分为数片,是为了提高测量精度。测量管底部的发射极始终处在液面之下,可以作为基准来修正不同液体的不同电导率引起的偏移量。当管内液体流速大于1m/s时,其测量准确率一般可达±1%FS。一般地,测量精度与介质流动性和介质的其他性质如压力、温度、黏度、密度、一致性、电导率和电极的污染等无关。
与传感器配套的带有微处理器的信号转换器,流速信号和液位信号引入转换器,可以进行流量的计算、显示、累积等操作,同时可以输出电流信号或脉冲信号,接口可选为HART,SMART或RS485。
信号转换器与传感器之间以专用电缆连接,电缆的长度从减少干扰的可能性来说越短越好。但现场受安装环境、位置的限制要考虑电缆的长度问题,它受以下3方面的限制:介质的电导率、励磁电缆的截面积、信号电缆的型号。
2 技术指标
量程:35l/h～12000m3/h
精度:1%～2%FS
口径范围:200～600mm
防护等级:IP67,相当于NEMA6
流速范围:1～10m/s
电导率:≥5μs/cm
工作温度:-5～+60℃
工作压力:10bar
3 安装与维护
非满管电磁流量计的安装与普通型电磁流量计的安装要求基本相同。
(1)安装地点和位置按需要确定,但电极轴必须水平。
(2)电磁流量计必须有良好的接地,以减少干扰信号引入。接地有两方面的要求,一是传感器与转换器的接地线必须与被测介质导通,二是要以大地为零电位。
(3)为避免干扰信号,传感器与转换器之间的信号线必须采用专用屏蔽导线,并单独穿在接地钢管内,不能把信号电缆和电源电缆安放在同一钢管中。
(4)当流量计安装在地下时,需要设置仪表井。
(5)介质流动不稳定对测量值并无影响,所以安装流量计时对前后直管段并无特别要求。
非满管电磁流量计的维护工作量很小,但是在运行一段时间以后,污水常会在传感器内壁积聚附着层,应及时予以清除,否则附着层电导率与流体电导率不一致时,会导致电极回路断路或短路,仪表不能正常工作。因此对于工业污水的测量,在流量计选型时最好能保证流体流速在3～4m/s以上,这样可以在一定程度上起到自清扫管道、防止附着层沉积的作用。
4 应用
非满管电磁流量计作为一种新型流量仪表,具有无可替代的优势。
从外观上看,非满管电磁流量计与普通电磁流量计并没有什么不同,同样具有不受流体参数影响、无可动部件、无阻流件、压损极小、无测量滞后现象、线性输出和范围度宽等优点。
非满管电磁流量计的测量通道是段光滑直管,不会有阻塞现象,因此特别适用于测量含固体颗粒的液固二相流体,如纸浆、泥浆、污水等。安装非满管电磁流量计,其上游不会抬高水位,因此也不会带来水头损失。
非满管流量计的部件只有一对电极,不存在停工检修的问题,流量管的Irathane衬里耐磨损,抗腐蚀性能好。
非满管电磁流量计可测的管道内液位为截面的10%～100%,其在非满管和满管流量的情况下均能保持良好的测量精度,这是电磁流量计研发的突破。
在非满管测量中,测量管内液位通常会出现波动,这些波动,特别是当其处在电极的水平面上时,能导致传感器输出信号的波动。液位测量系统中包含的模糊逻辑和特别滤波电路很好地解决了这个问题,这就保证了流量计在介质流动不稳定或流量分布改变的情况下仍具有稳定的测量值显示。
由此可见,随着环境治理力度的不断加大,非满管流量计在污水测量中的应用前景十分广阔。但非满管电磁流量计也存在着一些目前尚未完全解决的问题:
(1)非满管电磁流量计目前只能用于圆形管的流量测量。
(2)污水治理单位收取的污水处理费常数倍甚至十余倍洁净生活和工业用水的价格,非满管电磁流量计测量精度虽然与传统槽式流量计相比大有提高,但如果作为贸易结算,仪表精度仍有待进一步提高。
(3)由于国内尚无非满管电磁流量计生产,国外厂商及其代理要价甚高,为传统仪表的2～3倍以上,这给非满管电磁流量计的普及带来了一定的难度。
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