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超声波流量计的优缺点 流量计常见问题解决方法

时间:2020-08-19    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     

 超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。根据对信号检测的原理超声波流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。超声流量计和电磁流量计一样,因仪表流通通道未设置任何阻碍件,均属无阻碍流量计,是适于解决流量测量困难问题的一类流量计,特别在大口径流量测量方面有较突出的优点。

超声波流量计的优点为: 1、超声波流量计是一种非接触式测量仪表,可用来测量不易接触、不易观察的流体流量和大管径流量。它不会改变流体的流动状态,不会产生压力损失,且便于安装。 2、可以测量强腐蚀性介质和非导电介质的流量。 3、超声波流量计的测量范围大,管径范围从20mm~5m. 4)超声波流量计可以测量各种液体和污水流量。 4、超声波流量计测量的体积流量不受被测流体的温度、压力、粘度及密度等热物性参数的影响。可以做成固定式和便携式两种形式。 超声波流量计的缺点为: 1、超声波流量计的温度测量范围不高,一般只能测量温度低于200℃的流体。 2、抗干扰能力差。易受气泡、结垢、泵及其它声源混入的超声杂音干扰、影响测量精度。 3、直管段要求严格,为前20D,后5D。否则离散性差,测量精度低。 4、安装的不确定性,会给流量测量带来较大误差。 5、测量管道因结垢,会严重影响测量准确度,带来显著的测量误差,甚至在严重时仪表无流量显示。 6、可靠性、精度等级不高(一般为1.5~2.5级左右),重复性差。 7、超声波流量计是通过测量流体速度来确定体积流量,对液体应该测量它的质量流量,仪表测量质量流量是通过体积流量乘以人为设定的密度后得到的,当流体温度变化时,流体密度是变化的,人为设定密度值,不能保证质量流量的准确度。只能在测量流体速度的同时,又测量了流体密度,才能通过运算,得到真实质量流量值。

    由电磁流量计的工作原理可知,能选用电磁流量计测量流量的流体必须是导电的,严格的说,除了高温流体之外,只是电导率大于20us/cm的任何流体都能选用相应的电磁流量计来测量流量,因为非导电的气体、蒸汽、油类、丙酮等物质不能选用电磁流量计来测量流量。

电磁流量计在运行中会由于各种故障的发生会造成测量不准的现象,一般在运行中电磁流量计产生的故障大概可分为两类。一类为流量计本身故障,元器件损坏引发的故障;一类为外界条件的改变引起的故障,例如安装的不合理造成流动畸变,沉积和结垢等。
1、介质中含有气泡出现测量故障
介质从外界吸入气体或者介质中溶解气体转变成游离状气泡是液体中产生泡状气体的两种途径。如果介质中存在较大的气泡,当气泡通过电极时整个电极就被遮盖,使流量信号输人回路瞬时开路,从而输出信号就会出现波动。判断造成这种波动原因的可以这样做,将磁场的回路电流断开,断开后如果流量计还有显示并且还处于波动状态,证明介质中存在气泡会造成电磁流量计波动。用指针式万用表测量电磁流量计电极电阻,会发现电磁流量计电极的回路电阻要高于正常时的电阻值。
若是由于电磁流量计安装位置所的造成空气进入被测介质,如果由于在管系高点安装电磁流量计而贮留气体,或由于外界吸入空气引起的流量计波动,则需要更换电磁流量计安装位置改装在管线zui低点安装,或者采用U型管安装。但是有些情况由于电磁流量计口径较大或者安装的位置不易改变,可以采取在流量计上游安装集气包和排气阀来解决这种情况。
2、电磁流量计电极被腐蚀
由于在醋酸生产的过程中会接触到一些强腐蚀性的介质,所以当电磁流量计的电极材料选择不当时,介质会腐蚀流量计的电极,zui终导致传感器失效。因此会出现流量计输出波动。只有当电极被腐蚀后出现流量计故障我们才能发现电极材料不耐腐蚀,这种材料本身性能问题使用之前是无法辨别的。因此只有更换新的电极来解决此种故障。所以电极腐蚀故障判断处理都属于事后维护处理的方法。 
3、介质非满管
在日常生产中偶尔会有非满管现象。这种现象可以看做是液体中含有气泡的典型情况。当电极水平面低于介质液面时,流量计前后采用直管段比较理想,测量数据比较稳定。但是管内上半部的气体体积也被算成介质流量,因此这种情况下得测量误差较大;当电极水平面高于介质液面时,电磁流量计的测量回路处于开路状态,所测量的数据严重失真。处理这种介质非满管所产生的故障可有如下办法:尽量在自下而上流动的垂直管道上安装电磁流量计;实际生产中需要电磁流量计水平安装,这种情况下应该安装在管道的zui低端,并将且电磁流量计的电极轴线于地平线平行,(不然沉积物会覆盖处于低位的电极);为了避免测量管内产生负压,应该将流量计的传感器安装在泵的下游、控制阀的上游;流量计传感器的安装口应有一定的背压,并且应远离直接排放口。
但是,zui重要的还是电磁流量计在安装时禁止出现介质非满管的情况。 
4、待测液体性质导致测量故障
如果被测介质电导率降低,电极的输出阻抗会增大,这时转换器输入的阻抗就会引起负载效应,流量计就会产生测量误差。如果电磁流量计出现这个故障则只有选用满足要求的低电导率电磁流量计,或者选用孔板流量计等其它原理的流量计。
5、流量计的电极结垢或电极短路造成的测量故障
当被测液体中含有金属时,流量计的电极容易发生短路现象,这时流量计的测量值明显偏小或趋于零。在日常生产运行中这种现象不是经常发生的。当测量高粘度介质时,由于介质易附着和沉淀在管壁,若被测液体电导率低于附着的介质电导率时,电极的信号电势就会被沉淀分流从而不能正常工作,出现电极短路现象;如果沉淀的介质是非导电层,会造成电极开路流量计也不能正常工作。若氧化铁锈层附着于衬里管壁,或者主要成分是金属的沉淀物,其电导率大于液体电导率,实际流量值会高于流量计测得的流量值;若沉淀物是碳酸钙等水垢层,则被测液体的电导率高于沉淀物的电导率,结果测得的流量值会小于实际的流量。
为了防止流体中的沉淀物影响流量计的工作,流量计的电极选用不易附着突出的尖形或半球形,并且可以更换式或者清垢电极等。选用电极可定期手动刮除传感器外的尘垢。或者也可以将测量电路暂时断开,通以短时间的低压大电流在电极间,焚烧清除油脂类沉淀物。也可采用提高液体流速的办法来清扫管壁的附着层。
6、待测介质的非对称流动
在正常生产的情况下,管道内流体的流速是轴对称分布,磁场均匀。而实际管道中流体的非轴对称流速分布经常出现,此时,流体流向可分成沿管道轴线的直线流,待测液体的体积流量就是它对管道横截面的积分;另一种则是旋涡流。由于旋涡流的出现对传感器的输出产生影响,流量计就会产生误差。为了消除旋涡流对流量计传感器的影响;流量计的上游应该有足够长的直管段,才能使流体的流速按同心圆分布;流量计附近的管道内径应与流量计内径相同,这样才会使流速分布均匀;不然可用安装流量调节器来部分补偿上游直管段的不足。
7、外部电磁的干扰
在生产现场存在着管道杂散电流、静电、电磁波和磁场等干扰源。电磁流量计的流量信号很小,非常容易被外界电磁干扰,而影响了电磁流量计的正常工作。所谓的电场干扰是指,流量计测量管内的电势平衡被噪声破坏后出现输出信号波动异常。
为了减少外部磁场对流量计的干扰,我们要在远离强磁场源的位置安装电磁流量计传感器。另外采取增强屏蔽措施来防止强电场的干扰等。也可以将电磁流量传感器与管道的连接处做绝缘处理。 
8、流量计衬里变形导致测量波动
流量计的衬里一般都采用氟塑料,这样流量计的衬里非常容易发生变形,出现计量故障的现象。衬里发生变形的主要原因有两种:一氟塑料衬里渗透进蒸汽发生热扩散现象,通常衬里材料、厚度、内外的温差以及流体和蒸汽的类型、管道压力等诸多因素决定了渗透的程度;二是取决于氟塑料衬里材料的本身的工艺结构,一般采用聚四氟乙烯作为氟塑料衬里材料,聚四氟乙烯材料无粘结力仅靠压贴与管壁结合,所以负压管道不采用此种材质。
为了防止衬里变形,我们一般采取以下措施:增加法兰和线圈盒之间的隔热厚度,降低流体温差减小热扩散,使衬里内外温差zui大程度上得到改善,这样就可以降低渗透率减缓测量管壁内蒸汽的凝聚;此外,将聚四氟乙烯衬里厚度加厚或者更换另外形式的衬里。 
9、其他原因引起的故障
1)雷电打击。电磁流量计在受到雷击后容易在线路中感应出高电压和电流,损坏流量剂。
2)环境条件变化。一旦流量计的工作环境条件变化,运行期间出现新的干扰源,仪表的正常工作就会被干扰,流量计的输出信号就会出现波动。

 案例  电磁流量传感器与连接管道绝缘,可消除大杂散电流影响[2]

浙江省某自来水公司安装两台DN900MT900型电磁流量计,一台运行正常,另一台在1~2h周期内出现有高达50%FS波动。用户认为两台仪表使用条件相仿,故障是由仪表方面原因引起的。勘查现场周围环境,上下游紧接流量传感器的是两段长0.5m有良好接地的无衬里短钢管,然后连接到有水泥衬里的钢管。接地等电气连接均符合要求,同时,排除了管网流动脉动可能性。

转换器与传感器相距约10m。有一数百千伏安的三相变压器装在附近,分别离转换器和传感器约2m和8m。

分析故障原因有以下两种可能:(1)大功率变压器产生的磁场干扰;(2)管道上杂散电流干扰。要证明是否是变压器磁场干扰影响,因要关闭变压器涉及面广,安排为第二步检查,首先检查是否是管道杂散电流干扰。不加励磁电流用示波器测量两极间电势,其值应为零。然而实际测得峰值Vpp高达1V的波形畸变交流电势。初步判断即使良好接地,仪表还会受到管道杂散电流干扰影响。

采取将电磁流量传感器连同两段短钢管与管网管道电气绝缘,使流量传感器与液体同电位。仪表投入运行,输出显示即呈稳定正常,也排除了电力变压器磁场干扰对流量测量的影响。同时测得干扰电流有60mA AC,电流方向来自流量传感器上游。

这一措施也适用于有阴极保护电流的管道,作为试排除管道电流干扰影响的方法。

摘 要: 热式质量流量计基本原理同热线风速计工作原理一样,即:基于加热传感元件的对流传热。热式质量流量计根据加热元件的不同,分为热线式和热膜式。由于热线与热膜流速计在原理上没有根本差别,只是加热元件不同而已。下面我们将以热线为代表进行工作原理分析。

1 物理基础——热传递

强迫对流造成的热耗散,我们称之为热损耗。从物理上看,热损耗相关的参量有:介质的速度;介质和热线之间的温度差;介质的物理特性,诸如密度、浓度、粘度和导热;热线的物理特性,诸如电阻率、电阻温度系数、热传导率;热线的长度和直径;介质的可压缩性;流动方向和热线方向之间夹角。

在考虑上述因素的情况下,我们可以用经验公式表示如下[9]:

式中:努谢尔(Nusselt)数;为热耗散;l为热线的长度;λf为流体的热传导率;Tw为热线的工作温度;Ta为环境温度,一般情况下为流体介质温度;Rw为热线在工作温度Tw为时的电阻;d为热线的直径;h为热传递系数;Re=ud/γ雷诺数(Reynolds);u为流动速度;γ为运动粘度,其值为μ/ρ;μ为动力粘度;ρ为流体密度;Pr=γ/α普朗特(Prandtl)数;α为热扩散系数;格勒射夫(Grashof)数;g为重力加速度;β为膨胀系数;Mα=u/C马赫(Mach)数;C为声速;α为电阻温度系数。

2 敏感元件

根据敏感元件类型,可以分为热线敏感元件、热膜敏感元件、集成热膜敏感元件和薄膜铂电阻敏感元件。下面分别予以介绍。

2.1 热线敏感元件

热线敏感元件的结构如图所示。将金属丝(即热线)焊到两根叉杆上,叉杆的另一端为插接杆,中间为连接线,连接线外为保护罩,保护罩内为绝缘填料。

根据热线敏感元件的选用标准,金属丝的材料和尺寸选择取决于灵敏度、空间分辨率和强度等方面的综合要求,通常选用钨丝或镀铂钨丝作为热线敏感元件。金属丝线径d一般为4um~5um,最细可到0.25um。线长l一般为1.25mm,最短可达0.1mm。钨丝强度好,熔点温度高达3400℃,但容易氧化,因此只能用于250℃以下。铂金丝易脆,抗拉程度仅为钨丝的5.7%,但不易氧化。作为两种材料相结合的镀铂钨丝,兼具抗拉程度高,抗氧化程度强的双重优点。

热线敏感元件的机械强度不高,能承受的电流较小,因此不适宜在液体和带有颗粒的气体中工作。

2.2 热膜敏感元件

为了将热线测量技术应用到液体流量的测量,发展了热膜敏感元件。它的机械强度较高,所以能适应某些条件较恶劣的流场(如污水流动的流场等)。热膜敏感元件是由沉积在热绝缘衬底(通常为石英)上的0.01um薄的铂金属或镍膜构成的。最一般的衬底形状是圆锥型、楔型和圆柱型等。

热膜敏感元件由热膜、衬底、绝缘层和导线几部分构成。敏感元件膜是由确保敏感元件厚度能够均匀的阴极溅射法沉积而成的。一个较厚的传导材料层被用于把膜的终端连接到电子加热电流源。膜通常覆盖了具用1um~2um厚的石英沉积层(或类似的绝缘层)。这个覆盖层保护了热膜免于粒子摩擦并且对于液体中的热膜探针提供了电绝缘。对于圆柱形热膜探针来说,其直径d约为25um~70um,长度l约为1mm~2mm。

2.3 集成热膜敏感元件

基于微机电系统(MicroElectroMechanicalSystem)技术,利用溅射方法在半导体硅片或玻璃底片上形成三个铂薄膜电阻,它们分别是微加热器、加热器温度控制器、温度传感器。其工作原理是以加热器和流体的热传导为基础,通过计算加热器的热量损失来确定流量。

集成热膜敏感元件具有灵敏度高,几何尺寸小,动态响应快等优点。这种微型传感器稳定性好,精度高,压损小,一致性好,可进行批量生产。

2.4 薄膜铂电阻敏感元件

薄膜铂电阻的制作与热膜敏感元件基本类似,即将金属铂在真空条件下,采用溅射的方法沉积于陶瓷或玻璃基片上,并经刻划、引线、涂釉、烧结退火等工艺制成。

薄膜铂电阻作为一种新型的测温元件,具有尺寸小、响应快、易于与集成电路相匹配的特点,且具有测温范围宽、精度高、线性好、性能稳定等优点。目前广泛应用于化工、能源、机电、航空航天、国防等各领域中温度测量和控制及温度补偿。

根据实际情况及相关课题的研究,本论文中采用薄膜铂电阻作为热膜敏感元件,其温度特性将在第四章进行详细的实验研究。

3 热式质量流量计的工作模式

目前,在工业中使用的热式质量流量计的传感电路工作模式基本有两种类型:恒流型和恒温型。

3.1 恒流工作模式

典型的恒流风速计是由惠斯登电桥和R-C补偿电路构成。在恒流工作模式,敏感元件工作温度(电阻)是变化的,但流过敏感元件的电流是不变的。这样,就可以通过检测敏感元件的温度变化,确定被测量介质的流速。

恒流工作模式的风速计存在的热滞后效应,所以必须对恒流风速计动态响应进行补偿。恒流流速计的热滞后效应大,电子补偿困难多,难以适应热膜技术的使用需要,特别是补偿本身还必须随流动速度而变,致使实际使用上存在着诸多不便,因而恒流流速计的发展实际上困难重重,发展速度缓慢。同时,由于恒流风速计存在使用不方便,随着速率的增加输出信号减小以及敏感元件容易受到损害等问题,所以恒流型工作模式现在一般很少采用。

3.2 恒温工作模式

恒温型风速计主要也是由一个惠斯登电桥构成。在恒温工作模式,敏感元件工作在恒温条件下(电阻不变)。利用反馈控制电路使热线温度和电阻保持恒定。热线是作为电桥的一臂而存在的。当加有电流的热线置于流场当中时,由于流体流动的关系,热线温度将发生改变。这种改变立即导致电桥偏离平衡,从而输出不平衡信号。这个不平衡信号经放大以后又反馈到电桥中,以抑制热线的温度改变,补偿热线电阻的变化,从而使电桥恢复平衡,使热线温度和电阻保持恒定。

由于恒温型测量电路易于使用,频率响应高,低噪声等一系列优点,所以本课题的测量电路采用恒温型电路。

参考文献
[1]王池.我国流量计量发展现状[J].现代计量测试,2000,8(2):8~11.
[2]苏彦勋.第一讲:流量计量与测试仪表发展的趋势[J].电子仪器仪表用户,1999,6(1):46~48.
[3]盛森芝,徐月亭,袁辉靖.近十年来流动测量技术的新发展[J].力学与实践,2002,24(5):1~14.
[4]郑开银,蒋大旭.试论气体流量计今后的发展方向[EB/OL].中国流量网,http://www.chinaflow.com.cn.

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