影響自來水流量計測量精度的因素與解決措施

如何對自來水流量計進行精確的測量，解決現場測量的常見的“測不準”的現象。針對于這個情況，本文分析了被測介質電導率、流速分布與直管段、電*結垢與附著層、安裝條件和運行環境5方面工程因素對自來水流量計準確測量的影響,提出了提高電磁流量測量準確性的工程對策。從而保證自來水流量計在工程應用中能夠準確測量,使其充分發揮其計量作用,為流量檢測提供可靠的測量數據。在確保自來水流量計本身計量檢定合格的基礎上,分析了工程上影響自來水流量計測量準確性的因素,提出了提高自來水流量計測量準確性的工程實施方法.
1、影響自來水流量計準確測量因素
自來水流量計是根據法拉*電磁感應定律來工作的,即導電流體以平均速度v流過垂直于流動方向的磁場,其感應電勢E通過與流體直接接觸的電*(又稱傳感器)檢測出來.
E=KBvD　,(1)
式中:K為儀表常數;B為磁感應強度(T);v為流體運動平均速度(m/s);D為管道內徑(m).
當K、B、D確定下來后,E與v成正比.其工作原理和結構如圖1所示.根據流體的體積流量公式:
Q=1/4πD2v　,(2)
Q是v的正比函數,代入公式(1),那么E也是Q的正比函數,由此,測出了感應電壓E也即測出了介質的體積流量Q.

自來水流量計工作原理圖
自來水流量計由流量傳感器和轉換器兩大部分組成.傳感器測出的感應電壓E由電纜送至轉換器,通過智能化處理,然后LCD顯示,或轉換成標準信號4～20mA輸出.根據以上測量原理,實際使用中,影響自來水流量計準確測量的工程因素主要有以下5個方面:
(1)被測介質電導率的影響.被測流體的電導率決定了轉換器所需的輸入阻抗大小,流體電導率降低,電*的輸出阻抗將增加,并且由轉換器輸入阻抗引起負載效應而產生誤差.因此,自來水流量計應用中規定了流體的電導率的下限.理論上,把電*看作點電*,忽略其大小,實際上,電*有一定尺寸,當直徑為d的圓形電*與電導率為ρ的半無限展寬的流體接觸時,其展寬電阻為1/(2ρd),因此,如果管道直徑Dd,則電*的輸出阻抗為兩個展寬電阻之和,即等于1/(ρd).一般測量的流體電導率ρ的下限為5～10μs/cm,所以,若電*直徑d為1cm,則電*的輸出阻抗就為1/(ρd)=100～200kΩ,為使輸出阻抗的影響限制在0.1%以下,轉換器的輸入阻抗應為200MΩ左右.對于自來水流量計,選型時必須考慮流體電導率要大于5μs/cm的閾值(即下限值)要求.
(2)流速分布與直管段的影響.根據公式(1)知,如果流速以中心軸為對稱流動,感應電勢與流速分布無關,僅正比于平均流速.若流速為非中心軸對稱分布,圖2表示90°彎頭與突擴管的流線分布與速度剖面,每個流動質點相對于電*幾何位置不同,對電*產生的感應電動勢大小也不同,越靠近電*,速度大的質點所產生的感應電動勢越大,容易引起誤差,因此,必須保證流體流速為中心軸對稱.工程上,正確的安裝可以減小此類誤差。
自來水流量計彎頭及突變管的流速分布圖
盡管自來水流量計生產廠家不斷追求流量計本身的精度,但實際工程中,工藝管道中的彎管、閥門等都會引起流動畸變、二次流或漩渦,破壞了原有充分均勻的流速分布狀況.只有經過相當長的直管段,才能讓流體恢復其軸對稱的流速分布.若實際工藝管道上下游直管段不足,可以通過安裝流動調整器來調整.
（3）電*結垢和附著層的影響.在測量如紙漿、污水等非清潔流體時,電*表面易受污染,引起零點變動,但零點變化和電*污染程度兩者的關系,很難進行定量分析比較,根據經驗,電*直徑越小,所受的影響越少,在使用中,應注意電*的清污,以防止附著.
設在襯里上附著沉淀物時產生的誤差Δε,如果附著的厚度是一樣,則可由式(3)計算:
Δε=1-2/[1+(kω/kf)+(1-kω/kf)*(1-2t/D)2]　,(3)
式中:kω、kf分別為附著物和測量流體的電導率;t為附著物厚度;D為直徑.
若式(3)中kω和、kf相等,則誤差為零,附著物的電導率較低時,上式仍然成立,但會增加電*的輸出阻抗,因此受到限制,如絕緣性沉淀物浸在流體中就是這種情況.相反,如附著金屬粉末等,因高電導率的附著層,使感應電勢短路,電*輸出偏低,造成負偏差.在測量具有沉淀附著物的流體時,可通過合理選擇傳感器內襯材料等方法減少測量誤差,除了選擇如玻璃或聚四氯乙烯等難以附著沉淀的襯里外,還應增加其流速,流體快速流動的同時能夠起到沖刷電*、清潔電*的作用,減少誤差.
(4)安裝條件的影響.自來水流量計要求滿管測量、流速分布軸對稱、可靠的接地等,否則可能現輸出晃動、示值不準等現象.這可通過規范安裝操作以使測量準確性得到提高.
(5)運行環境的影響.自來水流量計因輸出信號較弱,對機械振動比較敏感,測量結果易受干擾,運行時,不允許管道振動和周圍有大的電器如電焊機等.
2、提高電磁流量測量準確性的工程對策
2.1正確選型
自來水流量計的選型考慮因素很多,有儀表性能、流體特性、安裝條件、環境條件和經濟等方面的因素,從測量準確性的角度,可從下面兩方面考慮.
(1)傳感器口徑選擇.傳感器口徑的選擇關系到流體在管道中的流速大小,影響到輸出電勢值.因此,傳感器口徑不一定與連接的工藝管道口徑相同,應根據實際使用流量而定.當管道內流體的流速在1.5～3m/s,選擇傳感器口徑的與工藝管道口徑相同即可,且安裝方便;當管內流體流速較低,低于0.5m/s時,儀表口徑應改為小于管徑,以異徑管連接管道.
(2)襯里、電*材料的選擇要點.電*是自來水流量計拾取流量信號的部件,在測量過程中,只有它和接地環、接地電*與被測介質接觸,因此,為了適應不同介質的測量條件,比如流體介質的溫度、壓力、腐蝕性、磨損性等的要求,要選用不同的內襯、電*材料.
自來水流量計的內襯材料有耐腐蝕性中等、耐一般低濃度的酸、堿、鹽的氯丁橡膠材料,耐磨損性強而耐腐蝕性能一般的聚氨脂橡膠,耐腐蝕性能強和適于溫度高的聚四氟乙烯,化學性質等同于聚四氟乙烯的抗拉、抗壓聚全氟乙丙烯,耐稀酸、堿、鹽的溫度<60℃的聚乙烯和溫度<100℃的聚苯硫醚等.
自來水流量計電*的材料有耐鹽和小于50%濃度堿溶液的鈦(Ti)電*,耐酸和鹽的鉭(Ta)電*,耐腐蝕能力強的貴金屬鉑電*,不適于鹽酸的哈氏合金C電*和不適于硝酸的哈氏合金B電*,耐腐蝕能力一般、但價格低廉的不銹鋼316L等.電*材料裝于傳感器測量管內壁,與被測介質直接接觸,故應根據被測介質的腐蝕性選定.
2.2　正確安裝
(1)對安裝管路的要求.實際工程上,電*平面處的流速分布已同初校時有較大的差別,傳感器上游管道連接件的配置是引起特殊的流速分布的因素之一,使用中就有可能出現量值偏移.對傳感器前后直管段的要求是保證流速以中心軸為對稱分布,獲得儀表測量精確度的必要條件之一,國標GB/T18659-2002等列舉了對漸縮管、上游閥、圓弧彎頭*小直管段長度的要求(見表1).

另外,測量管內導電流體電導率不均勻,也會影響自來水流量計的測量,因此,若工藝要求在管道中加入其他介質,則應在流量計下游進行.如果必須在上游進行,應在流量計上游較遠處注入,建議在大于50D以遠(D為測量管內徑),以保證流體流動均勻后進入流量計.
(2)安裝要保證流體充滿測量管.自來水流量計測量的流量是電*平面的平均流速與電*斷面的面積的乘積.只有流體充滿測量管測量才準確.也就是說,在水平安裝時,流量計處于*低部位置的正確安裝方法才能保證流體充滿管道.對于固-液、氣-液兩相混相流體,傳感器應以垂直或傾斜姿勢安裝,且流體應自下而上流動,防止當傳感器水平安裝時,固體容易沉淀到管道下部、混相中的氣體分離到上部而造成測量誤差.
(3)接液與接地.因傳感器輸出信號是電*間的電壓差,因此要有一個零電位基準點.接液是使用自來水流量計*重要的條件之一,即以導電液體接地作為信號的基準電位點.接地是防止進入干擾和安全保護的有效措施,傳感器接地*與流體(信號基準零電平)間容易由地回路引入各種共模干擾電壓,影響流量計的使用可靠性和測量精度.通過接地能夠屏蔽靜電感應與電磁感應引起的噪聲電壓;減小接地電阻可以降低地回路雜散電流的壓降,減低共模干擾電壓,提高測量精度.在連接傳感器的管道內若涂有絕緣層或是非金屬管道時,傳感器兩側應裝有接地環.金屬管道自來水流量計接地連(跨)接方法如圖3.當被測流體電導率比較高、工藝管線比較長時,被測流體的體電阻幾乎為零,使用接液電*能夠穩定地取得信號的基準電位.當測量比較低的電導率流體時,被測流體的體電阻比較高,若利用接液環或接液電*接觸面太小,易產生信號的不穩定.為此應使用接液短管,加大與流體的接觸面積,減小流體體電阻.

自來水流量計傳感器接地圖示
(4)盡量避開振動源、磁源.由于自來水流量計的測量感應電壓很小,電壓較低易受外界電磁噪聲的影響,故在安裝時應盡可能避開振動源、磁源,并進行可靠的接地連接.一般情況要求接地電阻小于100Ω.對于防爆產品和防雷擊要求的安裝情況,接地電阻應小于10Ω.同時應注意不能將流量計的接地接在大的電器設備,如變壓器、發電機、變頻電源的外殼接地上.

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