摘要:環境保護是我國的基本國策之一,工業污水的計量越來越引起重視。介紹了一種專為非滿管狀態下的流量測量而設計的流量計,簡單介紹了非滿管電磁流量計的測量原理,著重描述了其獨特的電容液位測量系統,分析了非滿管電磁流量計在污水測量應用中的特點及優勢。
0 引言
環境保護已經成為我國經濟持續發展的基本國策,在國家環境保護政策推動下,企業對環保工作越來越予以重視,生產過程中產生的污水要嚴格控制其排放量,為此要求安裝流量計來計量污水排放量。
工業排水的流體流動都是自然流動,流量大,非滿管并且具有自由水面,正確地進行測量有一定的難度。以前多采用傳統槽式流量計,不僅精度較低,而且帶來較大的水流損失,同時對上游渠道的坡度及下游水深也均有一定的要求,當不能滿足條件時測量精度會降低,有時甚至無法進行測量。如果用電磁流量計來測量污水,則需要建造額外的閘板和堰板以保證滿管,這些附加的安裝費用經常會超出流量計本身的費用,大口徑管道時更是如此,而且還增加了管道堵塞的可能性。隨著測量技術的不斷發展,目前電磁和超聲波技術都能對非滿管流體流量進行測量。
1 測量原理
電磁流量計是20世紀50～60年代隨著電子技術的發展而迅速發展起來的新型流量儀表,由于其獨特的優點,廣泛應用于工業過程中各種導電液體的流量測量,在目前使用的各類流量計中,其銷量僅次于孔板流量計,位居第2位。
電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律制成的,其測量原理如下:當導電的被測介質垂直于磁力線方向流動時,在與介質流動和磁力線都垂直的方向上產生一個感應電勢Ex,它與被測介質在磁場中運動的速度成正比,其關系式為
Ex=KBDv
式中:K為儀表常數;B為磁感應強度;D為電極距離,即導管直徑,為導體垂直切割磁力線的長度;v為被測介質在磁場中運動的速度。
由感應電勢可以計算出流體流速,將流體流速管道截面積相乘,即可得出體積流量Q。
普通的電磁流量計一直用于滿管測量[1],當測量管中液體未被充滿時,普通的電磁流量計會出現兩種情況:1)當測量管內的液體超過電極水平面時,流量計所顯示的是實際液體的體積流量加上空氣所占據的那部分體積之和,造成流量誤差。2)當測量管內的液體低于電極水平面時,輸出就不穩定或波動,流量計不能測出電動勢,根本無法計量。
非滿管電磁流量計是專為非滿管狀態下的流量測量而設計的,它與普通電磁流量計的不同之處在于它不僅測量流體的流速,還測量流體在測量管中的高度而求得流通面積A,兩者相乘獲得流量。
非滿管電磁流量計由兩部分組成,一是安裝在管道上的流量傳感器,二是微處理器控制的信號轉換器。
流量傳感器是直接安裝在管道上的同口徑圓形暗渠,測量流速的原理與傳統電磁流量計的基本相同,仍以法拉弟電磁感應定律測量流速V(見圖1)。
因傳感器具備測量儀表內液位的功能,它的電極、磁路和測量電路則與普通電磁流量計有較大差別。
電容式液位測量系統的電磁流量計,它測量流速的一對電極不是安裝在測量管的中心線處,而是安裝在離測量管底部0.1D高度,這樣當液位不低于0.1D時都可測出流速,而且又避免了測量管中沉淀物給測量帶來的影響。
電容液位測量系統[2]如圖2所示,在測量管的襯里背面安裝有一塊檢測極和4塊發射極,被襯里層完全覆蓋,與管內液體充分絕緣。將高頻電壓引入發射極,然后測出檢測極中的感應電流。電極之間的電容C與流體的高度H成一定的比例關系,通過測量兩塊金屬電極之間的電容便可得知液位高度。當測量管內液位高度確定后,便可計算出非滿管流量。之所以將發射極分為數片,是為了提高測量精度。測量管底部的發射極始終處在液面之下,可以作為基準來修正不同液體的不同電導率引起的偏移量。當管內液體流速大于1m/s時,其測量準確率一般可達±1%FS。一般地,測量精度與介質流動性和介質的其他性質如壓力、溫度、黏度、密度、一致性、電導率和電極的污染等無關。
與傳感器配套的帶有微處理器的信號轉換器,流速信號和液位信號引入轉換器,可以進行流量的計算、顯示、累積等操作,同時可以輸出電流信號或脈沖信號,接口可選為HART,SMART或RS485。
信號轉換器與傳感器之間以專用電纜連接,電纜的長度從減少干擾的可能性來說越短越好。但現場受安裝環境、位置的限制要考慮電纜的長度問題,它受以下3方面的限制:介質的電導率、勵磁電纜的截面積、信號電纜的型號。
2 技術指標
量程:35l/h～12000m3/h
精度:1%～2%FS
口徑范圍:200～600mm
防護等級:IP67,相當于NEMA6
流速范圍:1～10m/s
電導率:≥5μs/cm
工作溫度:-5～+60℃
工作壓力:10bar
3 安裝與維護
非滿管電磁流量計的安裝與普通型電磁流量計的安裝要求基本相同。
(1)安裝地點和位置按需要確定,但電極軸必須水平。
(2)電磁流量計必須有良好的接地,以減少干擾信號引入。接地有兩方面的要求,一是傳感器與轉換器的接地線必須與被測介質導通,二是要以大地為零電位。
(3)為避免干擾信號,傳感器與轉換器之間的信號線必須采用專用屏蔽導線,并單獨穿在接地鋼管內,不能把信號電纜和電源電纜安放在同一鋼管中。
(4)當流量計安裝在地下時,需要設置儀表井。
(5)介質流動不穩定對測量值并無影響,所以安裝流量計時對前后直管段并無特別要求。
非滿管電磁流量計的維護工作量很小,但是在運行一段時間以后,污水常會在傳感器內壁積聚附著層,應及時予以清除,否則附著層電導率與流體電導率不一致時,會導致電極回路斷路或短路,儀表不能正常工作。因此對于工業污水的測量,在流量計選型時最好能保證流體流速在3～4m/s以上,這樣可以在一定程度上起到自清掃管道、防止附著層沉積的作用。
4 應用
非滿管電磁流量計作為一種新型流量儀表,具有無可替代的優勢。
從外觀上看,非滿管電磁流量計與普通電磁流量計并沒有什么不同,同樣具有不受流體參數影響、無可動部件、無阻流件、壓損極小、無測量滯后現象、線性輸出和范圍度寬等優點。
非滿管電磁流量計的測量通道是段光滑直管,不會有阻塞現象,因此特別適用于測量含固體顆粒的液固二相流體,如紙漿、泥漿、污水等。安裝非滿管電磁流量計,其上游不會抬高水位,因此也不會帶來水頭損失。
非滿管流量計的部件只有一對電極,不存在停工檢修的問題,流量管的Irathane襯里耐磨損,抗腐蝕性能好。
非滿管電磁流量計可測的管道內液位為截面的10%～100%,其在非滿管和滿管流量的情況下均能保持良好的測量精度,這是電磁流量計研發的突破。
在非滿管測量中,測量管內液位通常會出現波動,這些波動,特別是當其處在電極的水平面上時,能導致傳感器輸出信號的波動。液位測量系統中包含的模糊邏輯和特別濾波電路很好地解決了這個問題,這就保證了流量計在介質流動不穩定或流量分布改變的情況下仍具有穩定的測量值顯示。
由此可見,隨著環境治理力度的不斷加大,非滿管流量計在污水測量中的應用前景十分廣闊。但非滿管電磁流量計也存在著一些目前尚未完全解決的問題:
(1)非滿管電磁流量計目前只能用于圓形管的流量測量。
(2)污水治理單位收取的污水處理費常數倍甚至十余倍潔凈生活和工業用水的價格,非滿管電磁流量計測量精度雖然與傳統槽式流量計相比大有提高,但如果作為貿易結算,儀表精度仍有待進一步提高。
(3)由于國內尚無非滿管電磁流量計生產,國外廠商及其代理要價甚高,為傳統儀表的2～3倍以上,這給非滿管電磁流量計的普及帶來了一定的難度。
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