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流量计精度是如何分级的 流量计是如何工作的

时间:2020-08-05    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     
流量计精度是如何分级的? 在实际应用中,所选用仪表精度相同的情况下,考虑实际测量的流量值范围,尽量压缩仪表的量程区间使之最接近被测量数值以达到提高测量精准度的目的。和用格尺量1cm 的东西会比用米尺量准确一点是一个道理。 以电磁流量计为举例
市场上通用型的性能有较大差别,有些精度高、功能多,有些精度低、功能简单。精度高的仪表基本误差为(±0.5%~±1%)R,精度低的仪表则为 (±1.5%~±2.5%)FS,两者价格相差1~2倍。因此测量精度要求不很高的场所(例如非贸易核算仅以控制为目的,电磁流量计只要求高可靠性和优良重复性的场所)选用高精度仪表在经济上是不合算的。有些型号仪表声称有更高的精确度,基本误差仅(±0.2%~±0.3%)R,但有严格的安装要求和参比条件,例如环境温度20~22℃,前后直管段长度要求分别大于10D和3D(通常为5D和2D),甚至提出流量传感器要与前后直管组成一体在流量标准装置上作实流校准,以减少夹装影响。因此在多种型号选择比较时不要单纯只看高指标,涡街流量计要详细阅读制造厂样本或说明书做综合分析。市场上EMF的功能差别也很大,简单的就只是测量单向流量,只输出模拟信号带动后位仪表;多功能仪表有测双向流、量程切换、上下限流量报警、空管和电源切 断报警、小信号切除、流量显示和总量计算、自动核对和故障自诊断、与上位机通信和运动组态等。有些型号仪表的串行数字通信功能可选多种通信接口和专用芯片(ASIC),涡轮流量计以连接HART协议系统、PROFTBUS、Modbus、CONFIG、FF现场总线等。使用EMF的前提是被测液体必须是导电的,不能低于阈值(即下限值)。电导率低于阈值会产生测量误差甚至不能使用,超过阈值即使变化也可以测量,示值误差 变化不大,通用型EMF的阈值在10-4~(5×10-6)S/cm之间,视型号而异。使用时还取决于传感器和转换器间流量信号线长度及其分布电容,制造厂使用说明书中通常规定电导率相对应的信号线长度 1.引 言

利用差压原理进行流量测量是当今世界上使用广泛、较为可靠的流量测量方式,随着科学技术的发展和流量测量技术的进步,一些新型、高性能的测量传感装置逐步取代了传统的节流装置进行流量测量,由美国VERIS公司推出的全新均速流量探头——威力巴便是其中之一。

在过去几十年来一次源的检测水平始终没有重大突破,成了制约差压式流量测量系统发展的瓶颈,使得高水平的下游仪表无法发挥出应有的高效率。威力巴的出现,恰恰克服了这一缺陷,使得一次源的测量精度、重复性和可靠性达到一个崭新的高度。

从使用角度看,威力巴均速流量探头与传统的流量节流装置相比具有更多的优点,具体表现在以下几个方面:

精度高,量程比大,大于10:1;
采用非收缩节流设计,比孔板的永久压损至少降低95%以上;
安装简单,只需在管道上开一小孔后焊一底座,无需截断管道,有些介质可以在线安装,并可随时将探头取出检查,安装费用低,基本免维护;
由于威力巴的接头可直接与变送器连接,无需三组阀和引压管,避免了因引压管泄漏、堵塞等造成的测量误差;
可以测量气体、液体和蒸气等各种介质,应用范围广泛,且测量信号稳定、波动小。
威力巴的设计、制造先进,但其测量系统对被测介质有关参数的准确性要求也非常高,这一点要比其它流量测量系统的要求严格得多。本文从威力巴测量原理出发,结合其在我公司煤气流量测量中的应用,谈该流量计在实际使用中的参数核定问题及使用过程中需要注意的相关事项。

2.威力巴测量原理

如图1所示,威力巴均速流量探头垂直插入管道固定安装,当流体流过探头时,在其前部产生一个高压分布区,高压分布区的压力略高于管道的静压,根据伯努利方程原理,流体流过探头时速度加快,在探头后部产生一个低压分布区,低压分布区的压力略低于管道的静压,威力巴探头在高、低压区有按一定准则排布的多对取压孔,通过这些取压孔,威力巴能够精确地检测到由流体平均速度所产生的平均差压△P。需要注意的是均速流量探头的截面形状、表面粗糙状况和低压取压孔的位置是决定探头性能的关键因素,低压信号的稳定和准确对均速探头的精度和性能起着决定性作用。在煤气测量中,流量QV与△P的对应关系为:

QV = C’*[(△P*P(fa))/(T(fa)*Z(f))]1/2(1)

式中:QV——标况体积流量;△P——差压,kPa;Pfa——工作状态绝压,kPa;Tfa——工作状态绝对温度,K;Zf——工作状态下煤气的绝压系数;C’——流量系数。


图1 威力巴测量系统示意图

3.实际使用中参数的核定

威力巴流量计生产厂家是根据用户提供的有关工艺参数、测量要求来确定设备型号和计算差压的,而用户往往以原工艺设计图纸的设计值为准提供,但在企业投产后的实际生产中,由于各种原因很多参数发生了变化,这将使按原参数计算与设定的威力巴测量系统测量准确度受到较大影响,必须重新核定有关参数并计算新的差压值,改正测量系统的设定参数。我公司在煤气厂出口中压煤气流量测量中,就发现了此类问题。

工作压力Pf是获得准确差压计算的关键参数之一,由式(1)可得差压△P计算公式为:

△P = [QV / C’]2*[T(fa)*Z(f) / P(fa)](2)

式中:P(fa) = P(f)+当地平均大气压。由此可见,工作压力Pf与差压的计算直接相关。

我公司于2003年采用V200-10-H-H-B5C在线安装型威力巴对煤气厂出口中压煤气流量进行测量,订货时提供的工作压力参数为设计值40kPa,厂家计算差压量程为200.31Pa。测量系统投运后,流量显示值约31000m3/h,与生产消耗严重不符。经仔细核查,发现问题出在当初所提供的参数上,其中压力参数影响最大。煤气厂投产后,因中压煤气用户氧化铝焙烧炉生产水平未达到设计生产能力,煤气消耗量不大,供气工作压力实际只有36 kPa,而以36 kPa计算(改正其它有误差参数)威力巴差压为206.2Pa,与原差压相差近6Pa,投运后在相同生产状况下流量显示约为27500 m3/h ,与生产消耗基本相符。可见虽然差压只相差6Pa,但流量却相差了约3500 m3/h 。而后,我公司对氧化铝生产系统进行了大规模技术改造,氧化铝焙烧产量大大提高,超过了设计生产能力1200t/h ,煤气需求量增大,为此煤气厂通过改造使煤气排送机的送风量由原来的600 m3/min提高到800m3/min,送风量的增大也使煤气压力从36 kPa 最高升到42 kPa ,在最大流量45000 m3/h 不变的条件下,其计算差压量程为197 Pa,及时调整威力巴测量系统的设定参数后,保证了测量的准确度。

4.煤气摩尔质量

式(2)中流量系数C’= N*K*YV*D*D*[T(ba)*Z(b) / P(b)]*[1 / Mr]1/2 (3)

式中:N——单位换算常数;YV——气体膨胀系数;K——威力巴的K系数;D——管道内径;Tba——标准状态下绝对温度;Zb——标准状态下该气体的绝压系数。Mr——气体摩尔质量;Pb——标准状态绝压,kPa。

可见气体摩尔质量Mr也是差压计算的重要参数。

我公司生产的煤气实际上是一组混合气体,原设计提供的煤气介质成份及所占百分比如下:

依此计算出煤气摩尔质量为25.236,在最大流量45000 m3/h ,工作压力36 kPa状态下,计算差压为208.3Pa(其它参数均正确)。而煤气厂实际生产的煤气成份介质及所占百分比为(经检验分析而得):

以此计算实际生产的煤气摩尔质量为24.730,在与上述相同状况下计算差压为206.2 Pa,与原差压208.3 Pa 相差2.1 Pa ,在工艺生产状况相同的条件下,威力巴测量系统在设定两种差压参数时流量显示偏差约1000 m3/h。(注:上面差压的计算要依据威力巴相关计算软件,具体过程省略。)

5.最大流量和工作温度

最大流量是计算测量系统差压量程的重要参数。对于威力巴,在确定最大流量参数时,不应机械地设定工艺设计最大生产能力的介质流量为最大流量,而应根据实际生产状况的正常流量确定合适范围的最大流量,这样才能保证测量系统工作在良好的线性测量范围,以减少线性测量误差,即使生产状况发生变化,最大流量提高,由于威力巴具有量程比大的优点,一般只需重新计算差压,修改设定参数,就能可靠地在新工艺生产状况下测量。

在式(2)中,工作状态绝对温度T(fa)=工作温度+273.15,可见工作温度也是威力巴计算差压的重要参数。我公司煤气中压原设计工作温度为40℃,而实际生产中温度达到58℃,因此工作温度参数也应以实际生产状态下的值为准,才能保证测量差压计算的准确。

此外,威力巴对气体介质流量测量时,由于气体的密度受温度、压力影响比较大,在一定的温度压力范围内,密度的变化大于测量精度的要求,则必须加温、压补偿。但当温度或压力变化较大时,则必须以改变了的温度或压力值重新计算差压,否则将造成较大的测量误差。

6.威力巴流量计使用中需要注意的相关事项

(1) 在安装使用时,当管道上、下游的直管段不够长时,推荐在弯管后2倍管道直径处安装威力巴。因在弯管后的流体剖面较复杂,需将流体系数K做轻微调整,据有关资料表明调整K系数以后,测量精度由原来的±1%下降到±3%,重复精度由原来的±0.1%下降到±0.3%。

(2) 连续工作的威力巴从根本上杜绝了堵的可能,但在以下情况,威力巴仍需注意防堵:

当引压管泄漏,探头高压区遭到破坏,杂质中直径较小的颗粒就有可能进入取压孔;
当管道处于停产时,由于分子的布朗运动,颗粒小的杂质有可能进入取压孔;
系统频繁开机时,在高压区形成的瞬间,颗粒小的杂质有可能进入取压孔,日积月累,就有可能造成探头的堵塞;
介质中含有大量的焦油、藻类生物,或者含有纤维状的物质,也有可能造成探头的堵塞。

7. 结束语

利用威力巴进行流体流量测量,其差压计算所需参数必须是工艺实际生产状况下可靠的参数,否则参数不正确,计算出来的差压必定不真实,那么据此选用的再先进的测量设备也无法准确、可靠地测量。当然在实际使用过程中要保证威力巴流量计测量的准确、可靠,需要核定的参数不止上面几项,它们只不过是影响比较大的几个方面,除此之外,尽管威力巴探头采用科学、先进的防堵设计,还是需要注意正确安装与使用,这需要在长期的现场实践中探索、总结,惟有如此,流量计才能在流量测量中发挥应有的作用。
电磁流量计的选型需要考虑哪些要点?

    电磁流量计选型的考虑要点。根据不同的流量计的使用环境,流量计的类型也在不断的改变中,大家在选型的时候也有很多的流量计厂家,但是怎样去正确的选择流量计呢?如下是关于介绍(电)磁流量计的知识。 着重要大家认识的是如何选型方面的主要知识。

    大口径仪表较多应用于给排水工程。中小口径常用于固液双相等难测流体或高要求场所,如测量造纸工业纸浆液和黑液、有色冶金业的矿浆、选煤厂的煤浆、化学工业的强腐蚀液以及钢铁工业高炉风口冷却水控制和监漏,长距离管道煤的水力输送的流量测量和控制。小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物工程等有卫生要求的场所。

    精度等级和功能

    市场上通用型EMF的性能有较大差别,有些精度高、功能多,有些精度低、功能简单。精度高的仪表基本误差为(±0.5%~±1%)R,精度低的仪表则为(±1.5%~±2.5%)FS,两者价格相差1~2倍。因此测量精度要求不很高的场所(例如非贸易核算仅以控制为目的,只要求高可靠性和优良重复性的场所)选用高精度仪表在经济上是不合算的。 有些型号仪表声称有更高的精确度,基本误差仅(±0.2%~±0.3%)R,但有严格的安装要求和参比条件,例如环境温度20~22℃,前后置直管段长度要求分别大于10D,3D(通常为5D,2D)甚至提出流量传感器要与前后置直管组成一体在流量标准装置上作实流校准,以减少夹装不善的影响。因此在多种型号选择比较时不要单纯只看高指标,要详细阅读制造厂样本或说明书做综合分析。 市场上EMF的功能差别也很大,简单的就只是测量单向流量,只输出模拟信号带动后位仪表;多功能仪表有测双向流、量程切换、上下限流量报警、空管和电源切断报警、小信号切除、流量显示和总量计算、自动核对和故障自诊断、与上位机通信和运动组态等。有些型号仪表的串行数字通信功能可选多种通信接口和专用芯片(ASIC),以连接HART协议系统、PROFTBUS、Modbus、CONFIG、FF现场总线等。

    流速、满度流量、范围度和口径

    选定仪表口径不一定与管径相同,应视流量而定。流程工业输送水等粘度不同的液体,管道流速一般是经济流速1.5~3m/s。EMF用在这样的管道上,传感器口径与管径相同即可。 EMF满度流量时液体流速可在1~10m/s范围内选用,范围是比较宽的。上限流速在原理上是不受限制的,然而通常建议不超过5m/s,除非衬里材料能承受液流冲刷,实际应用很少超过7m/s,超过10m/s则更为罕见。满度流量的流速下限一般为1m/s,有些型号仪表则为0.5m/s。

    有些新建工程运行初期流量偏低或在流速偏低的管系,从测量精度角度考虑,仪表口径应改用小于管径,以异径管连接之。用于有易粘附、沉积、结垢等物质的流体,选用流速不低于2m/s,提高到3~4m/s或以上,起到自清扫、防止粘附沉积等作用。用于矿浆等磨耗性强的流体,常用流速应低于2~3m/s ,以降低对衬里和电极的磨损。 在测量接近阈值的低电导液体,尽可能选定较低流速(小于0.5~1m/s),因流速提高流动噪声会增加,而出现输出晃动现象。 EMF的范围度是比较大的,通常不低于20,带有量程自动切换功能的仪表,可超过50~100。国内可以提供的定型产品的口径从10mm到3000mm,随然实际应用还是以中小口径居多,但与大部分其他原理流量仪表(如容积式、涡轮式、涡街式或科里奥利质量式等)相比,大口径仪表占有较大比重。

    液体电导率

    使用EMF的前提是被测液体必须是导电的,不能低于阈值(即下限值)。电导率低于阈值会产生测量误差直至不能使用,超过阈值即使变化也可以测量,示值误差变化不大,通用型EMF的阈值在10-4~(5×10-6)S/cm之间,视型号而异。使用时还取决于传感器和转换器间流量信号线长度及其分布电容,制造厂使用说明书中通常规定电导率相对应的信号线长度。非接触电容耦合大面积电极的仪表则可测电导率低至5×10-8S/cm的液体。

    工业用水及其水溶液的电导率大于10-4S/cm,酸、碱、盐液的电导率在10-4~10-1S/cm之间,使用不存在问题,低度蒸馏水为10-5S/cm也不存在问题。石油制品和有机溶剂电导率过低就不能使用。表1列出若干液体的电导率。从资料上查到有些纯液或水溶液电导率较低,认为不能使用,然而实际工作中会遇到因含有杂质而能使用的实例,这类杂质对增加电导率有利。对于水溶液,资料中的电导率是用纯水配比在实验室测得的,实际使用的水溶液可能用工业用水配比,电导率将比查得的要高,也有利于流量测量。

    根据使用经验,实际应用的液体电导率要比仪表制造厂规定的阈值至少大一个数量级。因为制造厂仪表规范规定的下限值是在各种使用条件较好状态下可测量的最低值。是受到一些使用条件限制,如电导率均匀性、连接信号线、外界噪声等,否则会出现输出晃动现象等。我们就多次遇到测量低度蒸馏水或去离子水,其电导率接近阈值5×10-6S/cm,使用时出现输出晃动。

    液体中含有混入物

    混入成泡状流的微小气泡仍可正常工作,但测得的是含气泡体积的混合体积流量;如气体含量增加到形成弹(块)状流,因电极可能被气体盖住使电路瞬时断开,出现输出晃动甚至不能正常工作。含有非铁磁性颗粒或纤维的固液双相流体同样可测得二相的体积流量。固体含量较高的流体,如钻井泥浆、钻探固井水泥浆、纸浆等实际上已属非牛顿流体。由于固体在载体液中一起流动,两者之间有滑动,速度上有差别,单相液体校验的仪表用于固液双相流体会产生附加误差。虽然还未见到EMF应用于固液双相流体中固形物影响的系统实验报告,但国外有报告称固形物含量有14%时误差在3%范围以内;

    我国黄河水利委员会水利科学研究所的实验报告称,测量高沙含量水的流量,含沙量体积比17%~40%(沙中值粒径0.35mm),仪表测量误差小于3%。 在浆液内有较大颗粒擦过电极表面,在频率较低的矩形激磁的EMF中会产生尖峰状浆液噪声,使流量信号不稳,就要选用较高频率的仪表或有较强抑制浆液噪声能力的仪表,也可选用市电交流激磁的仪表或双频激磁的仪表。 含有铁磁性物质的流体对通常的EMF,因测量管内磁导率受铁磁体的不同含量而变化,会产生测量误差。但在磁路中置有磁通检测线圈补偿的EMF,可减小混入铁磁体的影响。

    对含有矿石颗粒的矿浆应用,应注意对传感器衬里的磨损程度,测量管内径扩大会产生附加误差。这种场合应选用耐磨性较好的陶瓷衬里或聚氨酯橡胶衬里,同时建议传感器安装在垂直管道上,使管道磨损均匀,消除水平安装下半部局部磨损严重的缺点。也可以在传感器进口端加装喷嘴形护套,相对延长使用期。

    附着和沉淀

    测量易在管壁附着和沉淀物质的流体时,若附着的是比液体电导率高的导电物质,信号电势将被短路而不能工作,若是非导电层则首先应注意电极的污染,譬如选用不易附着尖形或半球形突出电极、可更换式电极、清垢电极等。电极可在传感器外定期手动刮出沉垢。国外产品曾有电极上装超声波换能器,以清除表面垢层,但现已少见。也有暂时断开测量电路,在电极简短时间内流过低压大电流,焚烧清除附着油脂类附着层。易产生附着的场所可提高流速以达到自清扫的目的,还可以采取较方便的易清洗的管道连接,可不拆卸清洗传感器。 非接触型电极 EMF附着非导电膜层,仪表仍能工作,但若为高导电层则同样不能工作。

    与流体接触零部件材料的选择

    与流体接触的传感器零部件有衬里(或绝缘材料制成的测量管)、电极、接地环和密封垫片,其材料的耐腐蚀性、耐磨耗性和使用温度上限等影响仪表对流体的适应性。由于零部件少,形状简单,材料选择灵活,电磁流量传感器对流体的适应性强。

    (1) 衬里材料(或直接与介质接触的测量管)常用衬里材料有氟塑料、聚氨酯橡胶、氯丁橡胶和陶瓷等。近年有采用高纯氧化铝999.7%AI2O3)陶瓷制成衬里的,但只限中小口径传感器。 氯丁橡胶和玻璃钢用于非腐蚀性或弱腐蚀性液体,如工业用水、废污水及弱酸碱,价格较为低廉。氟塑料具有优良的耐化学腐蚀性,但耐磨性差,不能用于测量矿浆液。氟塑料中比较早应用的是聚四氟乙烯,因与测量管间仅靠压贴,无粘结力,不能用于负压管道,后开发各种改性品种,实现注塑成形,与测量管有较强结合力,可用于负压, 聚氨酯橡胶有极好的耐磨耗性,但耐酸碱的腐蚀性较差。它的耐磨性相当于天然橡胶的10倍,适用于煤浆、矿浆等;介质温度要低于40~60/70℃。氧化铝陶瓷有极好的耐磨耗性和对强酸碱的耐磨腐蚀性,耐磨性约为聚氨酯橡胶的10倍,适用于具有腐蚀性的矿浆;但性脆,安装夹紧时疏忽易碎,可用于较高温度(120~140/180℃)但要防止温度剧变,如通蒸汽灭菌,一般温度突变不能大于100℃,升温150℃ 要有10min时间。

    (2) 电极和接地环材料 电极对测量介质的耐腐是选择材料首先考虑的因素,其次考虑是否会产生钝化等表面效应和所形成的噪声。

    选择耐腐蚀材料

    EMF电极的耐腐蚀性要求很高,常用金属材料有含钼耐酸钢Icr18Ni12Mo2Ti,哈氏合金(耐蚀镍基合金)B、C、钛、钽、铂铱合金,几乎可覆盖全部化学液。此外还有适用于浆液等的低噪声电极,它们是导电橡胶电极、导电氟塑料电极和多孔性陶瓷电极,或包覆这些材料的金属电极。在原则上电极材料的选择应从使用者借鉴该介质在其他设备的应用实际和以往的经验来确定。有时后要做必要的实验,如现场取液体样品在实验室做待用材料的腐蚀性试验。实验是现场挂片,这是最接近实际应用条件的腐蚀性试验,可以得出比较可靠能否适用的结论。

    避免电极表面效应

    电极的耐腐蚀性是选择材料的重要因素,但有时候电极材料对被测介质有很好的耐腐蚀性,却不一定就是适用的材料,还要避免产生电极表面效应。电极表面效应分为表面化学反应、电化学和极化现象以及电极的触媒作用三个方面。 化学反应效应如电极表面与被测介质接触后,形成钝化膜或氧化层。他们对耐腐蚀性能可能起到积极保护作用,但也有可能增加表面接触电阻。例如钽与水接触就会被氧化,生成绝缘层。对于避免或减轻电极表面效应的介质------电极材料匹配,还没有像腐蚀性那样有充足的资料可查,只有一些有限经验,尚待在实践中积累。 接地环连接在塑料管道或衬绝缘衬里金属管道的流量传感器两端,他们的耐腐蚀要求比电极低,充分有一定腐蚀,定期更换。通常选用耐酸钢或哈氏合金。因体积大从经济上考虑较少采用钽铂等贵重金属。如金属工艺管道直接与流体接触就不需要接地环。

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