摘要:環(huán)境保護(hù)是我國(guó)的基本國(guó)策之一,工業(yè)污水的計(jì)量越來越引起重視。介紹了一種專為非滿管狀態(tài)下的流量測(cè)量而設(shè)計(jì)的流量計(jì),簡(jiǎn)單介紹了非滿管電磁流量計(jì)的測(cè)量原理,著重描述了其獨(dú)特的電容液位測(cè)量系統(tǒng),分析了非滿管電磁流量計(jì)在污水測(cè)量應(yīng)用中的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)。
0 引言
環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的基本國(guó)策,在國(guó)家環(huán)境保護(hù)政策推動(dòng)下,企業(yè)對(duì)環(huán)保工作越來越予以重視,生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污水要嚴(yán)格控制其排放量,為此要求安裝流量計(jì)來計(jì)量污水排放量。
工業(yè)排水的流體流動(dòng)都是自然流動(dòng),流量大,非滿管并且具有自由水面,正確地進(jìn)行測(cè)量有一定的難度。以前多采用傳統(tǒng)槽式流量計(jì),不僅精度較低,而且?guī)磔^大的水流損失,同時(shí)對(duì)上游渠道的坡度及下游水深也均有一定的要求,當(dāng)不能滿足條件時(shí)測(cè)量精度會(huì)降低,有時(shí)甚至無法進(jìn)行測(cè)量。如果用電磁流量計(jì)來測(cè)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(fèi)用經(jīng)常會(huì)超出流量計(jì)本身的費(fèi)用,大口徑管道時(shí)更是如此,而且還增加了管道堵塞的可能性。隨著測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展,目前電磁和超聲波技術(shù)都能對(duì)非滿管流體流量進(jìn)行測(cè)量。
1 測(cè)量原理
電磁流量計(jì)是20世紀(jì)50～60年代隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型流量?jī)x表,由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程中各種導(dǎo)電液體的流量測(cè)量,在目前使用的各類流量計(jì)中,其銷量?jī)H次于孔板流量計(jì),位居第2位。
電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制成的,其測(cè)量原理如下:當(dāng)導(dǎo)電的被測(cè)介質(zhì)垂直于磁力線方向流動(dòng)時(shí),在與介質(zhì)流動(dòng)和磁力線都垂直的方向上產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電勢(shì)Ex,它與被測(cè)介質(zhì)在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的速度成正比,其關(guān)系式為
Ex=KBDv
式中:K為儀表常數(shù);B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;D為電極距離,即導(dǎo)管直徑,為導(dǎo)體垂直切割磁力線的長(zhǎng)度;v為被測(cè)介質(zhì)在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的速度。
由感應(yīng)電勢(shì)可以計(jì)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(jì)一直用于滿管測(cè)量[1],當(dāng)測(cè)量管中液體未被充滿時(shí),普通的電磁流量計(jì)會(huì)出現(xiàn)兩種情況:1)當(dāng)測(cè)量管內(nèi)的液體超過電極水平面時(shí),流量計(jì)所顯示的是實(shí)際液體的體積流量加上空氣所占據(jù)的那部分體積之和,造成流量誤差。2)當(dāng)測(cè)量管內(nèi)的液體低于電極水平面時(shí),輸出就不穩(wěn)定或波動(dòng),流量計(jì)不能測(cè)出電動(dòng)勢(shì),根本無法計(jì)量。
非滿管電磁流量計(jì)是專為非滿管狀態(tài)下的流量測(cè)量而設(shè)計(jì)的,它與普通電磁流量計(jì)的不同之處在于它不僅測(cè)量流體的流速,還測(cè)量流體在測(cè)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(jì)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(hào)轉(zhuǎn)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(cè)量流速的原理與傳統(tǒng)電磁流量計(jì)的基本相同,仍以法拉弟電磁感應(yīng)定律測(cè)量流速V(見圖1)。
因傳感器具備測(cè)量?jī)x表內(nèi)液位的功能,它的電極、磁路和測(cè)量電路則與普通電磁流量計(jì)有較大差別。
電容式液位測(cè)量系統(tǒng)的電磁流量計(jì),它測(cè)量流速的一對(duì)電極不是安裝在測(cè)量管的中心線處,而是安裝在離測(cè)量管底部0.1D高度,這樣當(dāng)液位不低于0.1D時(shí)都可測(cè)出流速,而且又避免了測(cè)量管中沉淀物給測(cè)量帶來的影響。
電容液位測(cè)量系統(tǒng)[2]如圖2所示,在測(cè)量管的襯里背面安裝有一塊檢測(cè)極和4塊發(fā)射極,被襯里層完全覆蓋,與管內(nèi)液體充分絕緣。將高頻電壓引入發(fā)射極,然后測(cè)出檢測(cè)極中的感應(yīng)電流。電極之間的電容C與流體的高度H成一定的比例關(guān)系,通過測(cè)量?jī)蓧K金屬電極之間的電容便可得知液位高度。當(dāng)測(cè)量管內(nèi)液位高度確定后,便可計(jì)算出非滿管流量。之所以將發(fā)射極分為數(shù)片,是為了提高測(cè)量精度。測(cè)量管底部的發(fā)射極始終處在液面之下,可以作為基準(zhǔn)來修正不同液體的不同電導(dǎo)率引起的偏移量。當(dāng)管內(nèi)液體流速大于1m/s時(shí),其測(cè)量準(zhǔn)確率一般可達(dá)±1%FS。一般地,測(cè)量精度與介質(zhì)流動(dòng)性和介質(zhì)的其他性質(zhì)如壓力、溫度、黏度、密度、一致性、電導(dǎo)率和電極的污染等無關(guān)。
與傳感器配套的帶有微處理器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器,流速信號(hào)和液位信號(hào)引入轉(zhuǎn)換器,可以進(jìn)行流量的計(jì)算、顯示、累積等操作,同時(shí)可以輸出電流信號(hào)或脈沖信號(hào),接口可選為HART,SMART或RS485。
信號(hào)轉(zhuǎn)換器與傳感器之間以專用電纜連接,電纜的長(zhǎng)度從減少干擾的可能性來說越短越好。但現(xiàn)場(chǎng)受安裝環(huán)境、位置的限制要考慮電纜的長(zhǎng)度問題,它受以下3方面的限制:介質(zhì)的電導(dǎo)率、勵(lì)磁電纜的截面積、信號(hào)電纜的型號(hào)。
2 技術(shù)指標(biāo)
量程:35l/h～12000m3/h
精度:1%～2%FS
口徑范圍:200～600mm
防護(hù)等級(jí):IP67,相當(dāng)于NEMA6
流速范圍:1～10m/s
電導(dǎo)率:≥5μs/cm
工作溫度:-5～+60℃
工作壓力:10bar
3 安裝與維護(hù)
非滿管電磁流量計(jì)的安裝與普通型電磁流量計(jì)的安裝要求基本相同。
(1)安裝地點(diǎn)和位置按需要確定,但電極軸必須水平。
(2)電磁流量計(jì)必須有良好的接地,以減少干擾信號(hào)引入。接地有兩方面的要求,一是傳感器與轉(zhuǎn)換器的接地線必須與被測(cè)介質(zhì)導(dǎo)通,二是要以大地為零電位。
(3)為避免干擾信號(hào),傳感器與轉(zhuǎn)換器之間的信號(hào)線必須采用專用屏蔽導(dǎo)線,并單獨(dú)穿在接地鋼管內(nèi),不能把信號(hào)電纜和電源電纜安放在同一鋼管中。
(4)當(dāng)流量計(jì)安裝在地下時(shí),需要設(shè)置儀表井。
(5)介質(zhì)流動(dòng)不穩(wěn)定對(duì)測(cè)量值并無影響,所以安裝流量計(jì)時(shí)對(duì)前后直管段并無特別要求。
非滿管電磁流量計(jì)的維護(hù)工作量很小,但是在運(yùn)行一段時(shí)間以后,污水常會(huì)在傳感器內(nèi)壁積聚附著層,應(yīng)及時(shí)予以清除,否則附著層電導(dǎo)率與流體電導(dǎo)率不一致時(shí),會(huì)導(dǎo)致電極回路斷路或短路,儀表不能正常工作。因此對(duì)于工業(yè)污水的測(cè)量,在流量計(jì)選型時(shí)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(yīng)用
非滿管電磁流量計(jì)作為一種新型流量?jī)x表,具有無可替代的優(yōu)勢(shì)。
從外觀上看,非滿管電磁流量計(jì)與普通電磁流量計(jì)并沒有什么不同,同樣具有不受流體參數(shù)影響、無可動(dòng)部件、無阻流件、壓損極小、無測(cè)量滯后現(xiàn)象、線性輸出和范圍度寬等優(yōu)點(diǎn)。
非滿管電磁流量計(jì)的測(cè)量通道是段光滑直管,不會(huì)有阻塞現(xiàn)象,因此特別適用于測(cè)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(jì),其上游不會(huì)抬高水位,因此也不會(huì)帶來水頭損失。
非滿管流量計(jì)的部件只有一對(duì)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(jì)可測(cè)的管道內(nèi)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(cè)量精度,這是電磁流量計(jì)研發(fā)的突破。
在非滿管測(cè)量中,測(cè)量管內(nèi)液位通常會(huì)出現(xiàn)波動(dòng),這些波動(dòng),特別是當(dāng)其處在電極的水平面上時(shí),能導(dǎo)致傳感器輸出信號(hào)的波動(dòng)。液位測(cè)量系統(tǒng)中包含的模糊邏輯和特別濾波電路很好地解決了這個(gè)問題,這就保證了流量計(jì)在介質(zhì)流動(dòng)不穩(wěn)定或流量分布改變的情況下仍具有穩(wěn)定的測(cè)量值顯示。
由此可見,隨著環(huán)境治理力度的不斷加大,非滿管流量計(jì)在污水測(cè)量中的應(yīng)用前景十分廣闊。但非滿管電磁流量計(jì)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(jì)目前只能用于圓形管的流量測(cè)量。
(2)污水治理單位收取的污水處理費(fèi)常數(shù)倍甚至十余倍潔凈生活和工業(yè)用水的價(jià)格,非滿管電磁流量計(jì)測(cè)量精度雖然與傳統(tǒng)槽式流量計(jì)相比大有提高,但如果作為貿(mào)易結(jié)算,儀表精度仍有待進(jìn)一步提高。
(3)由于國(guó)內(nèi)尚無非滿管電磁流量計(jì)生產(chǎn),國(guó)外廠商及其代理要價(jià)甚高,為傳統(tǒng)儀表的2～3倍以上,這給非滿管電磁流量計(jì)的普及帶來了一定的難度。
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