提要：為解決大口徑管道工業(yè)用水計(jì)量間題,在使用認(rèn)證和科學(xué)鑒定荃礎(chǔ)上.選定電磁流量計(jì)作為計(jì)量表計(jì)。本文介紹電磁流橄計(jì)的工作原理和安裝使用中應(yīng)注意的問題,介紹了該公司開展工業(yè)水計(jì)量工作后所取得的顯著經(jīng)濟(jì)效益。
　　采用地下大口徑鑄鐵管道環(huán)路供水,水質(zhì)較好,電導(dǎo)率較低,但水中含有漂浮物及水生物,如塑料袋、水草、小魚、菜葉等。如何解決大口徑管道工業(yè)用水的計(jì)量問題,是一個(gè)長期困擾公司計(jì)控人員的一大難題,經(jīng)過慎重的探討和論證,認(rèn)為可在速度式流量儀表中,選擇出比較適合的計(jì)量用表。由此,先后在不同的大口徑工業(yè)用水管路上安裝了超聲波流量計(jì)、渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)等儀表,以期實(shí)現(xiàn)這一目的。
1流量計(jì)的選擇
　　由于大口徑管道水中漂浮物、水生物和所用鑄鐵管的影響,超聲流量計(jì)、渦街流量計(jì)不適用。如氟化廠管道上安裝的超聲波流量計(jì),由于外界因素和流體中漂浮物的干擾,一直無法正常運(yùn)行;錦綸廠管道上安裝的渦街流量計(jì),由于流體中的水草、塑料袋等的影響,使旋渦發(fā)生體的下方形不成渦街,致使流量計(jì)無法工作。而在制藥廠、合成氨廠尿素車間工業(yè)用水管道上安裝的電磁流量計(jì),獲得了滿意的測(cè)量效果。由此認(rèn)為電磁流量計(jì)是目前解決我公司大口徑管道工業(yè)用水計(jì)量間題較為理想的表計(jì)。
2電磁流量計(jì)
　　電磁流量計(jì)是應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)原理制成的測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)體積流量的新型感應(yīng)式流量測(cè)量儀表。它具有壓力損失小,儀表線性度較好,不受被測(cè)液體的溫度、壓力、粘度等影響,可測(cè)量含雜質(zhì)液體,量程寬,對(duì)同一臺(tái)儀表來說,其量程比可達(dá)1:100,口徑大,反應(yīng)靈敏,耐腐蝕,壽命長等顯著特點(diǎn)。
它的不足之處是:
(1)只能測(cè)量具有一定導(dǎo)電性的液體,要求被測(cè)介質(zhì)的電導(dǎo)率在10一1一10“5材cm之間,相當(dāng)于蒸餾水的電導(dǎo)率。
(2)不能測(cè)量高溫高壓流體(測(cè)量管的絕緣襯里材料受溫度的限制造成)。
(3)受流速分布影響,在流速軸對(duì)稱分布的情況下,流量信號(hào)與平均流速成正比,如破壞了流速的軸對(duì)稱分布,將產(chǎn)生誤差,因此需在其前后有一定長度的直管段。
(4)易受外界電磁干擾。
2.1基本原理
　　在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)中,垂直于磁場(chǎng)方向放一內(nèi)徑為D的不導(dǎo)磁管道,當(dāng)導(dǎo)電液體在管道內(nèi)以速度V流動(dòng)時(shí),液體切割磁力線,若在管道截面上垂直于磁場(chǎng)的直徑兩端安裝一對(duì)電極,只要管道內(nèi)流體流速分布為軸對(duì)稱,則兩電極之間產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理:
E=BD`U·······················(1)
則體積流量為·······················(2)
兩式中:e一感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(V)
B—磁感應(yīng)強(qiáng)度(wb/m2)
D一管道內(nèi)徑(m)
`U 一流體平均流速(m/s)
Qv—流體體積流量(m3/h)
要使式(2)嚴(yán)格成立,必須使測(cè)量條件滿足于:
(l)磁場(chǎng)是均勻分布的恒定磁場(chǎng)
(2)被測(cè)流體的流速為軸對(duì)稱分布
(3)被測(cè)液體是非磁性的,電導(dǎo)率均勻且各向同性
2.2測(cè)量系統(tǒng)組成
　　基本系統(tǒng)由傳感器(變送器、檢測(cè)器)和轉(zhuǎn)換器兩部分組成,僅完成流量的檢測(cè),在基本系統(tǒng)后加裝流量積算器,可實(shí)現(xiàn)累積流量的功能,如若接入計(jì)算機(jī)系統(tǒng),則不僅可顯示瞬時(shí)流量、累積流量、日期、時(shí)間等功能,還具有開方比例積算器和定值輸出等功能,可完成打印、通訊和聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
　　傳感器有管道式、潛水式、插入式三種形式。當(dāng)采用帶壓開孔、帶壓安裝技術(shù)后,可在不停車(停水)的情況下安裝,也可在鑄鐵管上安裝,插入式電磁流量計(jì)為大口徑管道流體流量的測(cè)量提供了一種新的方式,并具有安裝優(yōu)勢(shì)和價(jià)格優(yōu)勢(shì)。
3電磁流量計(jì)誤差來源的初步分析
3.1非軸對(duì)稱流動(dòng)引起的誤差
　　流體在管內(nèi)流速為軸對(duì)稱分布時(shí),流量計(jì)電極上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與流體的流動(dòng)狀態(tài)無關(guān),與流體的平均流速成正比。每個(gè)流動(dòng)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于電極幾何位置的不同,對(duì)電極所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的貢獻(xiàn)也不同,愈靠近電極的質(zhì)點(diǎn)、速度越大的質(zhì)點(diǎn),對(duì)e的貢獻(xiàn)越大,因此必須保證流體的流速為軸對(duì)稱。
　　當(dāng)管道未充滿流體或由于閥門、彎頭、三通接頭的影響,管路內(nèi)流體將產(chǎn)生游渦流,直接破壞流體流速的軸對(duì)稱分布。根據(jù)理論分析,由于流速分布和渦流的影響,流量計(jì)上游直管段應(yīng)有一定的長度,按附加誤差不影響流量計(jì)精度(約0.5%)的原則,其上游直管段長度應(yīng)為5D,下游直管段一般可取2D。
3.2電導(dǎo)率對(duì)測(cè)量誤差的影響
　　電導(dǎo)率的降低,將增加檢測(cè)器的輸出阻抗,并且因轉(zhuǎn)換器輸入阻抗引起的負(fù)載效應(yīng)而產(chǎn)生誤差,同時(shí),將增加靜電感應(yīng)的噪聲,降低流量計(jì)的信噪比。電導(dǎo)率高于10-1s/cm時(shí),也會(huì)降低流量信號(hào),改變指示值。
　　檢測(cè)器的輸出阻抗決定轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗的大小。檢測(cè)器的輸出阻抗由流體的電導(dǎo)率和電極的大小所支配。
　　當(dāng)直徑為dl(m)的圓板電極與電導(dǎo)率為s(s/m)的半無限展寬的流體接觸時(shí),其展寬電阻為1/2sdl（Ω）。因此,如管道直徑D》dl.則檢測(cè)器的輸出阻抗為兩個(gè)展寬電阻之和,即等于1/sdl。
　　取流體電導(dǎo)率的下限為5~20μs/cm,電極直徑為0.5cm,則檢測(cè)器的輸出阻抗為400~100kΩ,為將輸出阻抗的影響控制在0.1%以下,轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗應(yīng)是40OMΩ。
　　自來水、原水的電導(dǎo)率約在15~500μs之間,大于電磁流量計(jì)電導(dǎo)率要求5μs/cm的最低值,能滿足水計(jì)量用表的要求。
3.3信號(hào)傳輸電纜的影響
　　檢測(cè)器與轉(zhuǎn)換器間的距離應(yīng)盡量縮短,使兩者盡可能靠近,檢測(cè)器與轉(zhuǎn)換器之間的距離由信號(hào)分布電容和被測(cè)液體的電導(dǎo)率所決定。電導(dǎo)率與電纜長度的關(guān)系見下圖。

　　實(shí)際使用中信號(hào)傳輸電纜的電容影響:當(dāng)檢測(cè)器與轉(zhuǎn)換器之間的電纜長度超過30m時(shí),由電纜電容引起的負(fù)載效應(yīng)就成為一個(gè)問題,這時(shí)可使用雙芯雙層屏蔽電纜,用低阻抗的電壓源對(duì)內(nèi)側(cè)屏蔽層加以與芯線相同的電壓,以形成屏蔽,使兩者之間無電流通過,從而可避免電纜的負(fù)載效應(yīng)的存在,信號(hào)電纜的長度可延長到3O0m左右。
3.4電極表面污染的影響
　　在測(cè)量有附著沉淀物的流體時(shí),電極表面將受到污染,常常引起零點(diǎn)漂移,零點(diǎn)變化和電極污染程度兩者之間的關(guān)系復(fù)雜,但可以說,電極直徑越小,所受影響也越小,在使用中,應(yīng)注意電極的定期清洗,現(xiàn)已有亂板式電磁流量計(jì),可有效地解決這一問題。
3.5勵(lì)磁方式的影響
　　現(xiàn)電磁流量計(jì)大都采用了恒定電流的低頻方波勵(lì)磁方式,用開關(guān)回路把直流恒流回路的輸出電流周期性地交換極性,產(chǎn)生方波勵(lì)磁電流。勵(lì)磁電流的極性轉(zhuǎn)換周期選擇為工業(yè)交流電周期的偶數(shù)倍,這樣可消除工業(yè)頻率的噪聲,排除了交流磁場(chǎng)的電渦流和直流磁場(chǎng)的極化干擾,使得精度可達(dá)到0.5%以上。
3.6安裝的影響
　　配置和配管的基本條件是:檢測(cè)器內(nèi)應(yīng)充滿被測(cè)介質(zhì)流體,避免氣泡在電極上的附著,避免沉淀和襯里的局部磨損。
　　電極檢測(cè)出的信號(hào)是以檢測(cè)器內(nèi)液體電位為基準(zhǔn)的,僅有數(shù)mV的微小交流電勢(shì)。為了使液體電位穩(wěn)定并使變送器與流體保持等電位,以保證穩(wěn)定地進(jìn)行測(cè)量,檢測(cè)器、轉(zhuǎn)換器和金屬管兩段,均應(yīng)有良好的接地。良好的接地可保證流量計(jì)的準(zhǔn)確工作,排除其它不相關(guān)的干擾電波。但應(yīng)注意要采用同一點(diǎn)接地,并不得與其它電器設(shè)備共用接地線。接地電阻應(yīng)小于10n,安裝時(shí)還應(yīng)避開具有強(qiáng)磁場(chǎng)的設(shè)備和環(huán)境溫度過高的地方。
3.7液體流動(dòng)狀態(tài)和平均流速的影響
(1)層流和紊流
　　由流體力學(xué)中的雷諾實(shí)檢可知,在平直圓管中,流體流動(dòng)的類型可分為層流(滯流)與紊流(湍流)兩大類,用雷諾數(shù)Re大小來加以區(qū)別。當(dāng)Re≤2000時(shí),為層流;Re≥4000時(shí),為紊流;Re=2000~4000之間時(shí),可能是層流,也可能是紊流,一般稱為過渡流。

流體處于紊流時(shí),在半徑方向上距管路中心軸線rx處的最大流速Ux用下式計(jì)算:

(3)、（4）兩式中：
Ux—距管路中心軸線xr處的最大流速(m八)
Umax—管路中心軸線處的最大流速(m/s)
rx—管壁內(nèi)側(cè)距管中心軸線處X點(diǎn)的距離(m)
R—管道的半徑(m)
n—與雷諾數(shù)有關(guān)的尼庫拉茲(Nikuradse)系數(shù)。
　　層流時(shí),由式3可知,流速變化為拋物線分布,在管路中心軸線處達(dá)到最大Umax,即使Re值發(fā)生變化,流速分布狀態(tài)也不改變,(見圖a)。紊流時(shí),由式4可知,其流速分布在管路內(nèi)壁的近旁比層流時(shí)的流速大,流速分布形狀隨雷諾數(shù)變化而發(fā)生改變,見(圖b)。

①流體常用流速范圍與雷諾數(shù)關(guān)系見表1。
以水為例:取p=1000kg/m3
Μ=101×10-5N×S/ m3
②平均速度點(diǎn)
根據(jù)尼庫拉茲(Nikuardse)算式,當(dāng)流體處于湍流狀態(tài)時(shí):

上表中:管道中流體處于紊流狀態(tài)


雷諾數(shù)與尼庫拉茲系數(shù)的關(guān)系見表2。

當(dāng)n=7.0時(shí)rx=0.24228R即r=0.12lD
n=9.9時(shí)xr=0.23682R即r=0.118n
D為管道內(nèi)徑,則xr≈0.12D
結(jié)論:當(dāng)管道中心處的流體處于紊流狀態(tài)時(shí),在離管內(nèi)壁0.12D處的速度可表示為平均速度,在2.56×10-4≤Re≤3.07×106時(shí),誤差小于1.14%(即同一儀表在量程比可高達(dá)1:100時(shí))。同時(shí)也得出了儀表電極的插入深度。由(5)可以很方便的得出插入深度對(duì)測(cè)量所造成的誤差。
4經(jīng)濟(jì)效益
　　電磁流量計(jì)的采用,對(duì)水資源管理起到了較大的作用,取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益�？梢韵嘈�,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,電磁流量計(jì)生產(chǎn)水平的不斷提高,性能的不斷完善,其應(yīng)用范圍必將更為廣泛。

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