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流量计在深圳水务集团的应用

浏览次数: 日期:2015-12-01

  关键词:电磁流量计 设计选型 测量精度 零点

  主题:探讨电磁流量计在供水行业中的应用经验

  电磁流量计作为线性好、量程比宽、可靠性高和精确度高的流量计,在供水行业中得到了广泛地应用,尤其在水厂进/出水口的源水和出厂水计量中占有重要的地位。尽管电磁流量计的设计和工艺技术在不断提高,但在用户现场实际应用的过程中,诸多因素会直接影响到仪表性能,而不能达到用户的期望值。用户在仪表设计选型、安装、调试和维护的整个过程中,需要尽量保证仪表正常运行的基本条件,使仪表运行在良好的工作状态。

  1 设计选型

  1.1 保证电磁流量计测量精度的必要条件

  ⑴ 被测流体介质必须具有导电性;

  ⑵ 被测流体介质必须充满管道;

  ⑶ 流量计测量系统必须良好接地;

  ⑷ 流量计应满足其前后直管长度要求;

  ⑸ 在流量计附近,应避免强电磁场干扰。

  1.2 一般选型原则

  ⑴ 口径的确定

  电磁流量计能够连续测量较宽流量范围的流量,在规定流量(流速)范围 (0.5~10m/s)内,可任意调整测量量程。一般情况下,选择流量计口径等于工艺管道口径,可以满足工况需求,而且安装方便,没有压力损失。

  流量、流速与口径三者关系如下式:

  Q = 0.0028274 * D2 * v

  v = Q /(0.0028274 * D2 )

  其中: Q = 流量(m3/h)

  D = 流量计公称通径(mm);

  V = 流体介质流速(m/s)。

  ⑵ 推荐使用流速

  a. 从准确性、经济性和耐用性方面考虑,推荐使用的流速范围为1~5m/s之间。在这个范围内,流量计测量精度高、线性好,动力损耗较小,流体介质对流量计衬里和电极的磨损也较小。

  b. 对于含有固体颗粒的流体介质,推荐使用的流速范围为1~3m/s之间。这样的选择有助于避免流速过高造成悬浮固体颗粒对流量计衬里和电极的过度磨损。

  c. 对于在管道中可能造成沉积物的流体介质,推荐使用的流速范围为2~5m/s之间。如果达不到要求,在压力损失允许的情况下,可选用比管道直径小的流量计,并且加装异径管。较高的流速易于消除过多的沉积物。将流量计垂直安装或安装在V型弯管处,易于消除过多的沉积物。

  ⑶ 耐蚀性

  流量计电极材料和衬里材料的选择,应根据被测流体介质的腐蚀性程度选定。对混酸等成份复杂 的流体介质,应做挂片试验。

  ⑷ 仪表口径与工艺管道口径不同

  a. 为使仪表工作在合适的流速范围,当工艺管道内流速偏低,工艺流量较稳定,且允许一定的压力损失时,可选择仪表口径小于工艺管道口径,在仪表前后加异径管,使仪表内局部流速提高。

  b. 对于大口径工艺管道,在管道内流速偏低,工艺流量较稳定时,可选择口径较小的仪表,在仪 表前后加异径管,一方面可降低仪表费用,另一方面也可使仪表运行在线性较好的流速范围。

  c. 为了保证仪表测量精确度,异径管的中心锥角应不大于15°,且异径管接头的上游侧至少应有5倍工艺管径的直管段。

  2 安装

  2.1 安装场所要求(建议采用图1所示安装方法)

  电磁流量计安装的场所与位置按用户的实际需要,可以水平、垂直和倾斜安装。为了使电磁流量计稳定可靠地工作,应注意以下要求:

  ⑴ 流量计测量管内必需充满流体介质(即不允许有空管或不满管现象)。

  ⑵ 流量计的电极轴线应近似水平。

  ⑶ 流量计(从电极轴线起测量)的入口上游直管段最少为5D长,出口的下游直管段为2D长。

  ⑷ 被测流体流动方向应与流量计的流向标志所指方向一致。

  ⑸ 为了安装、维护和保养的方便,应在管道法兰附近确保有足够的操作与维护空间。

  ⑹ 当管道直径与流量计通径不一致时,可以在流量计两端安装渐扩管或渐缩管,其圆锥角应小于15°

  ⑺ 电磁流量计安装场所应避免有强磁场及强震动源。在流量计的两边管道上应有固定支座。

  ⑻ 分体安装的流量计转换器应安装在通风、干燥场所,应避免雨水淋浇、积水受淹。以防仪表的电气元件受潮,造成绝缘性能下降及损坏。

  2.2 接地要求

  为了使电磁流量计稳定可靠地工作,保证其测量精度不受外界电磁场的干扰,流量计应有良好的单独接地。若连接流量计的管道内涂有绝缘层或是非金属管道,流量计应加装接地(液)环。

  3 测量精度与误差曲线

  电磁流量计制造厂所给出的流量计测量精度与误差曲线均指参比工作条件下的技术指标,用户应注意到与实际应用工况条件是有所区别的。

  按JB/T 9248-1999 《电磁流量计》行业标准规定的参比工作条件是:

  环境温度:20℃±2℃;

  相对湿度:60%~70%;

  供电电源:额定电压±1%;

  安装条件:上游直管段长度>10D;

  下游直管段长度>5D;

  预热时间:>15min。

  3.1 测量精度

  现在大多数制造厂家采用示值的百分数表示仪表的测量精度(或称基本误差限)。如0.3级的流量计其测量精度为±0.3%,比较正规的制造厂都有自己受控的产品实流校验规程,开封仪表厂规程规定,在参比工作条件下,流量计实流校验测量精度控制在±0.28%内,优于行业标准。

  3.2 误差曲线

  制造厂给出的误差曲线表示流量计在其测量范围内线性度变化的趋势,与给出的精确度指标是相对应的(误差曲线如图2)。以开封仪表厂电磁流量计为例:

  精确度为:示值的±0.3%(流速 ≥ 1m/s);或 ±3 mm/s (流速 < 1m/s)。

  因此,在0.5m/s时,流量计允许±0.5%的误差,在0.3 m/s时,流量计允许±1.0%的误差。

  3.3 工况条件

  流量计在工况条件下,因各种因素的影响,测量精度可能与制造厂在参比条件下给出的实流校验精度有所区别。如按照行业标准,温度每变化10℃,测量精度变化不应大于仪表基本误差限的1/2,

  当温度变化20℃时,±0.3%的测量精度可能会变为±0.6%。

  用户在流量计运行过程中,应考虑到噪声干扰、安装条件的限制、环境温度变化、湿度变化(在长期的潮湿环境下,流量计绝缘强度降低。)等因素对流量计测量精度的影响,通常0.5级流量计实际达到1级,也应该认为用户对流量计运行维护的是比较好了。

  4 测量量程与系统零点

  4.1 测量量程

  电磁流量计的流量范围比较宽,对应的流速范围为0~10m/s,有些厂家的流量计为0~15m/s。从理论上讲,改变量程不会影响流量计的测量精度和线性,但选择合适的量程有助于提高4~20mA模拟输出信号单位分辨率。如果100m3/h量程能够满足用户要求,就不要选择200m3/h量程,否则模拟输出信号单位分辨率将降低一半。

  4.2 系统零点

  正常运行情况下,电磁流量计的系统零点随着系统的长期运行,因元器件老化、励磁线包绝缘强度降低、测量电极极化与污染、系统接地电阻(电位)增加等因素,会造成系统零点的变化与漂移,用户应定期检查流量计的系统零点,进行调整与维护。对应于1m/s的流量来说,如果系统有±5mm/s的零点,将造成±0.5%的附加误差。一般情况下,

  流量较小时,系统零点造成的附加误差越大。

  由于系统零点总是或多或少存在的,制造厂在流量计出厂实流标定时,会依照规程调整到最小,用户在应用现场,也是需要进行调整的。所以制造厂给出的误差曲线,客观上也反映了流量计系统零点的存在,因而造成仪表的非线性。如果仅给出电磁流量计的测量精度,而不给出误差曲线,实际上是不能明确地反映流量计在整个测量范围内的测量精度的。

  5 信号基准与直流噪声

  5.1 信号基准

  电磁流量计是一种以法拉第电磁感应定律(当导电性流体横穿过磁场时,在导电性流体中感应出正比于流体流速)为基本原理的流量计。为了有效地拾取两个测量电极上感应的mV级流量信号,并抑制干扰信号,流量信号以差动方式由传感器传输到转换器的差动放大器信号输入端,把“零电阻”的流体介质“地”作为差动放大器的信号地端。差动放大器对流量信号的差值进行放大,对叠加在流量信号中的共模干扰信号进行抑制和衰减。当存在接地回路地电流、电极极化电压、励磁回路与电极测量回路间的静电耦合电压等共模干扰时,只要差动放大器的工作参数对称,共模干扰不会影响到放大器对流量信号的放大,除非共模干扰电压超出放大器的共模抑制范围。

  用户在电磁流量计的安装与维护过程中,要充分认识到流量计系统接地的重要性,有的制造厂为了更加明确地说明接地的区别,把作为流量信号基准的地称作接液地(接液部件:接地电极或接地环等),把物理地称作大地。接液地不仅要求接地电阻尽量小,而且还要具有良好的稳定性与可靠性。

  而大地主要是为了减少外界环境对流量计系统的干扰与保护,如电磁场辐射、流体介质地与大地的回路电流、雷击等。

  5.2 直流噪声

  在流量比较稳定的情况下,如果流量计输出波动较大,主要的影响因素是测量信号中叠加的直流噪声。如果流体介质地与大地良好,造成直流噪声的原因是电极上存在的极化电压。电极与电解质流体介质之间,因液体中发生正负离子的定向移动,产生一定的电场,因此形成电极与接液地之间漂移的极化电压。极化电压以共模干扰形式叠加于流量信号中,阻塞差动放大器,使流量信号不能放大,流量计不能完成正常的信号采样,或因其漂移变动,造成流量信号的波动。供水行业中,一般不会产生极化电压,但在化工行业中,因流体介质的腐蚀和电极与接液材质的不同,很容易产生极化电压,因此要求接液材质与测量电极材质一致,即使产生极化电压,因材质一样产生极化电压的电位也一样,使电极与测量基准之间的共模电压为最小。

  6 超声波流量计在线标定电磁流量计

  制造厂采用标准容器法、称重法或标准表法等量值传递方式,实流标定电磁流量计。目前,还没有见到各方面认可的电磁流量计在线标定设备,ABB向用户提供一种叫做“CalMaster”的装置,可以认为是一种电磁流量计的专家评估系统,能够对Kent公司制造的电磁流量计进行在线评估,根据产品出厂时的历史参数记录与在线时产品运行状态参数对比,给出电磁流量计与原出厂时实流标定的测量精度相比,存在多大的可能误差。用户在使用流量计的过程中,若感到测量精度存在问题,应送相关计量部门进行检定。采用超声波流量计在线比对的方法,可以定性的评估电磁流量计运行状态是否良好,排除电磁流量计可能存在较大测量误差的情况。

  ⑴ 超声波流量计的测量精度低于电磁流量计的测量精度,因为电磁流量计测量的是圆面积上的面平均流速,且电磁导管的公称通径与不圆度误差,已在制造厂出厂实流标定时,经仪表系数修正。而超声波流量计测量的是管道轴向截面的线平均流速,流动速度分布畸变的影响应予以考虑,且现场管道直径与不圆度误差,用户很难给出定量值。

  ⑵ 超声波流量计直管段长度要求上游10D,下游5D,单声道超声波流量计实际应更长,现场条件往往不能达到。

  ⑶ 管壁锈蚀、涂覆防护和厚度等因素也影响超声波流量计的测量精度。

  7 泵流量不能判别电磁流量计是否准确

  用户在使用电磁流量计的过程中,经常有以泵流量大小评定电磁流量计是否准确的现象。但是,泵流量不能判别电磁流量计是否准确。

  ⑴ 泵铭牌规定的流量值和扬程值,应是代表泵能力的标称值,实际工况下,泵流量因扬程、效率、功率和管网负荷等变化而变化。

  ⑵ C级泵流量可能达到±8%的允差。

  ⑶ 多台泵并联运行,汇入总管的流量不一定等于各泵流量的总和。

  8 测量电极污染防护

  电极的污染对电磁流量计测量精度影响到何种程度,很难定量给出。

  ⑴ 在流体介质可能造成沉积物而污染电极时,应在设计和安装方面,选择合适的流速(选定管道口径)和安装方式,避免造成过多的沉积物。

  ⑵ 电极污染物理上表现为电极测量回路的信号输入阻抗增加或减少,只要阻抗不超过某一界限,对电磁流量计测量不会有副作用。高输入阻抗(1011Ω)差动放大器设计参数,能够避免因电极污染(阻抗增加)的影响。知名品牌的电磁流量计均能达到此技术指标,因此,在供水行业中,电极污染不是电磁流量计应用中应注意的问题。

  9 系统防雷

  雷电主要有两种形式:一种是不同带电云层间的放电,另一种是云层对地的放电,后者是雷害的主要根源,直接雷击、雷电静电感应和电磁感应是造成仪表损坏的主要因素。仪表防雷的目的不是避免雷击,而是为了保护仪表不被雷击电波损坏。

  制造厂在电磁流量计产品设计时,对流量计系统的防雷和抗干扰考虑了一定的防护措施。如:电源部分加装瞬态抑制二级管或放电管;电源、信号输入/输出电气隔离;数字通讯接口采用抗雷击器件;传感器与转换器之间的信号连接电缆采用三重屏蔽;要求流量计系统良好接地等。但是,在雷电频繁与强烈的地区,用户应采取进一步的措施:

  ⑴ 电源输入端加装1:1变压器和避雷器,避免电源被击穿。

  ⑵ 信号模拟输出加装避雷器。

  ⑶ 流量计系统接地一定要良好,且保证接液地与大地良好连接,避免管线和流体介质传导的雷击电流流过仪表本体。

  参考文献:

  1 行业标准·JB/T 9248-1999 《电磁流量计》

  2 开封仪表厂·E-mag 电磁流量计使用说明书

  3 ABB Ltd·CalMaster Operating Instructions

  4 蔡武昌·流量测量方法和仪表选用·北京:化学工业出版社,2001.3

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