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            三暢創新研發儀表、助力工業自動化升級

            安裝方式及干擾磁場對流量計準確計量的影響

            來源: 新疆機場(集團)公司修建工程部 作者:郭凱新 發布日期:2020-12-22

                   摘要:流量計是工業測量中的重要儀表之一。隨著工業的發展,對流量計的測量精度和性能的要求越來越高。介質的溫度、管道材質、安裝位置、介質的流速范圍、電磁場的干擾等都會影響流量計的測量精度,如何保障流量計在測量時的精確計量則是重中之重。本文主要介紹了渦輪流量傳感器、電磁流量計、超聲波流量計的合理安裝以及在應用過程中避免磁場干擾的影響,從而確保流量計的精準計量。

            隨著工業自動化的發展,流量計被廣泛地用于石油、化工、冶金等工業部門和市政建設、環保工程中對液體(如酒精、水、油)、氣體(如天然氣、煤氣、氧氣)和蒸氣的流量計量。由于不同行業,不同被測介質對流量計性能、運行及壽命的要求,各種類型、用途的流量計應用而生。目前,市場上廣泛使用的流量計類型主要有電磁流量計、超聲波流量計、渦街流量計和渦輪流量傳感器等。這些不同類型的流量計根據各自不同的特點、用途在相關行業測量被測介質的瞬時流量和體積總量,為現代化生產提供了準確的數據。同時,隨著設計水平和生產工藝的不斷提高,流量計的技術性能不斷改善,穩定性、可靠性得以不斷提高。隨著技術的成熟,因流量計本身元器件損壞、性能不穩而引起故障的概率已經越來越小,而因安裝位置不正確所引起的故障或因周圍電磁干擾信號對流量計產生的干擾,其對流量計準確計量的影響在實際工作產生的概率反而越來越高。如何解決在應用中遇到的此類問題,是我們今后在排除流量計故障中的一個重要問題。以下主要介紹了渦輪流量傳感器、電磁流量計、超聲波流量計的合理安裝以及在應用過程中避免磁場干擾的影響。

            1  渦街流量傳感器的安裝及應用過程中應注意的問題

                      渦街流量計的組成部分包括旋渦發生體、檢測探頭以及相關的電子線路。它依據卡門渦街原理,當液體經過三角柱形旋渦發生體時,會在旋渦發生體兩側交替地產生有規則的旋渦,旋渦列在旋渦發生體下游非對稱地排列,且一側旋渦分離的頻率與速渡成正比。此時,檢測探頭會形成交變電信號,輸出與旋渦同步成正比的脈沖頻率信號。渦街流量傳感器如圖 1 所示。

             渦街流量傳感器

            公式如下:

            公式

            式中,f 為渦旋發生頻率;V 為管道內的平均流速;d 是渦旋發生體的迎面寬度;D 為表體通徑;Sr 為斯特羅哈爾數此類型流量計在檢測元件時不接觸流體,且結構簡單、牢固、可靠性離,介質透應性強,具有良好的抗震性能。非常高測量溫度達 400℃。 (1)在安裝過程中,流量計上游應配置一定長度的直管段,其長度應滿足如表 1 所示條件。

            安裝條件

            (2)傳感器應水平或垂直(流體自下而上)在與其公稱通徑相應的管道上。

            (3)在傳感器的上游側不應設置調節閥。

            (4)為了方便檢修和有利于保護儀器,在有條件的情況下,應盡量采用有旁路閥門的安裝方式。

            (5)傳感器應盡量避免安裝在有強烈振動的管道上,如確因條件有限制,傳感器必須安裝在振動的管道上時,可采取在傳感器上游 2D 處加裝管道固定支撐點式在滿足直管段要求的前提下,加裝軟管過渡,如圖 2 所示。

            傳感器安裝示意圖

            (6)流量計安裝位置應避免大動率用電器、變頻器、高壓配電設施,安裝中應防止磁場干擾和管道雜散電流的影響。

            例如,某水廠在管徑為 DN400mm 的兩條出水管安裝了兩臺流量計,啟用后一臺基本正常,另一臺在白天出現幅度波動較大的現象,而在夜間儀表運行正常。于是,將兩臺流量計對調發現故障依然存在,故判斷流量計本身無故障,很可能是安裝位置不合適,附近電磁場干擾所致。經現場觀察判定,流量計安裝接地保護,電氣連接均符合安裝標準。而在對周圍環境了解時發現流量計安裝位置附近有一臺電機運行變頻控制及自動控制,且其附近 3m 處有一電源配電柜。由此初步判定此故障可能為磁場式管道雜散電流故障,由于此電源配電柜和變頻器控制柜是整個水廠的電機控制系統,如若關閉整個水廠電機將停止運行,出水也將停止。因此,采取將水泵部分停運,發現流量波動范圍減少,初步判定為變頻器運行時的異常信號對流量計回路信號結路的干擾影響了流量計的準確計量。

            分析認為,無塔供水循環電機功率較大且運行啟動變化頻繁,特別是白天用水高峰,且供水閥變化較大,變頻器控

            制運行次數頻繁,變閥器信號線路與流量計二次信號結路相距較近、平行走向對流量計產生較大影響。鑒于此情況,實施對變頻器附近采取措施抑制干擾。對可能影響流量計準確計量的變頻上加裝線路噪聲濾波器和無線電噪聲濾波器(如圖 3 所示),抑制于擾,在變頻器上加裝無線電噪聲濾波器后可以減少變頻器產生電磁噪聲中的無線電頻率干擾;在變頻器輸出側加裝線路噪聲濾波器,可以降低頻器輸出側的線路噪聲。經對變頻器加裝噪聲濾器后,流量計恢復正常計量。

             渦街流量傳感器

            2  電磁流量計安裝過程中應注意的問題

            電磁流量計的測量原理是導電體在一個磁場內運動將在導體內感應出一個電壓 U,電壓與導電液體現場流速 V 成正比,即:U=K·B·V·D。(其中 K 為儀表常數,B 為磁感應強度,V 為液體流速,D 為電極間距)。

            此類儀表在安裝過程中,必須保持流量計上下游為直管且上游保持管徑 10 倍以上的距離,下游保持在管徑 5 倍以上的直段距離,同時,對插入式電磁流量計注意焊接深度,否則,將會產生錯誤的流量測量結果。

            例 1:某水廠安裝了兩臺 DN400mm 的出水流量計,啟用后基本正常,6 個月后一臺流量計流量明顯誤差,故障現象為流量明顯偏低,且不規則出現流量消失的現象。對流量計及電氣接線檢測均正常,采取代換法將兩臺流量計對換,故障依然存在,由此判定流量計本身無故障,可能是環境干擾或安裝中存在問題。于是,在不加激磁電流的情況下,測量電極間電勢,其值小于 0.05V,故排除電磁干擾的因素,經對流量計安裝位置進行檢查,發現在兩臺流量計的上游均有一個碟閥開關,且在運行初期兩臺流量計均正常,目前,另一臺依然正常,碟閥的影響應不可能,但經對上游碟閥檢查發現,由于碟閥經常開閉,內部閘板在完全開啟時,不到位,產生的擾流影響了流量計的正常計量,經更換故障排除。

            例 2:某測試水井出水量,某水井安裝一臺 DN200mm 的電磁流量計在 3 小時內,儀表輸出出現波動的不正,F象,經對水井現場觀察安裝電氣連接均無異常。周圍也無大功率干擾源,初步判定可能是管道上雜散電流干擾,于是,在不加激勵電流時測得兩極電極間電勢峰值為 0.8V 左右,采取以下措施對流量傳感器與管道其他連接管道間電氣絕緣,對流量計信號線路接地屏蔽后,流量計運行正常。具體措施如下:

            (1)接地措施:設置良好的安全接地和合理的工作接地來抑制雜散電流干擾。

            (2)隔離措施:采用有效的電路連接方式使各電路相互獨立不成回路,切斷電路間的串擾通道。采用電耦合器隔離電路(如圖 4 所示)和采用繼電器隔離電路(如圖 5 所示)。

            電耦合器隔離電路原理圖繼電器隔離電路原理圖

            (3)屏蔽措施:采用靜電屏蔽可以防止靜電干擾,采用電磁屏蔽防止高頻干擾,采用磁屏蔽可防止低頻磁通干擾。在實際工作中,根據電子電路干擾的情況可選擇使用以上屏蔽方式來改善電子線路的噪聲環境,確保各類電子信號線路正常工作。

            3  超聲波流量計安裝應用過程中應注意的問題

            超聲波流量計測量原理是通過測量流速來確定流量,上游探頭 A 將超聲波傳遞到下游探頭 B,下游探頭 B 將超聲波傳遞到上游探頭 A,超聲波在兩探頭之間傳播的時差可以測量出來液體的流速。如圖 6 所示。

            超聲波流量計

            超聲波流量計經常用于測量含有固體懸浮物的液體。在液體中含有顆粒時,流量計測量的是顆粒的速度。因為超聲波的反射物是固體,當流體流速慢時,固體顆粒漂浮在管道上面或沉積在管道底部都有可能產生錯誤計量。因此,在應用中,考慮采用具有自身補償功能的超聲波流量計,在安裝超聲波流量計探頭之前,必須在管道上打磨出一片比傳感器大的光滑面積,去除鐵銹和垢物,管道必須出現金屬的光亮。

            安裝超聲波流量計應避免安裝在劇烈震動的管道上,使用水平管道時,一般應安裝在管道的側面,避免安裝在頂部、下部(可能產生干擾信號),安裝點要遠離節流閥、噴口式在漸離細管道上。另外,管道中普遍存在氣泡,如果氣體聚集處占據一定的有效載面積,則流量計將產生計量誤差,同時,也會使超聲波發生散射影響流量計的正常工作。因此,可采取在管道上游焊接排氣閥將會減少氣體對流量計準確計量的影響。

            其次,超聲波流量計易受外界噪聲的干擾,一般需要對儀表及儀表柜加裝接地裝置。在使用超聲波流量計時,還應考慮管道結垢對計量數據準確度的影響。對結垢較厚或不標準管徑的管道使用超聲波流量計計算流量時,如果仍按標準管徑輸入儀表就會產生計量上較大的誤差,特別是對某些使用時間較長的管道,管徑難以測量,使超聲波信號難以通過。對于此種使用時間較長的管道,一般采取將加裝超聲波流量計的管道更換為符合超聲波流量計安裝條的直段標準不銹鋼管,即可確保超聲波流量計的準確計量。

            4  結語

            計量是工業生產的眼睛,流量計在工業生產中占有重要位置。隨著設計水平和生產工藝的不斷提高,流量計的技術性能不斷得到改善,F階段,市面上應用范圍較廣的流量計有渦輪流量傳感器、電磁流量計以及超聲波流量計。流量計安裝位置的選擇是影響計量精度的直接因素,周圍電磁場的干擾也是影響計量精度的重要因素。正確的安裝位置以及避免磁場干擾可以有效提高計量精度,從而提高生產效率。

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