影响自来水流量计测量精度的因素与解决措施

如何对自来水流量计进行精确的测量，解决现场测量的常见的“测不准”的现象。针对于这个情况，本文分析了被测介质电导率、流速分布与直管段、电*结垢与附着层、安装条件和运行环境5方面工程因素对自来水流量计准确测量的影响,提出了提高电磁流量测量准确性的工程对策。从而保证自来水流量计在工程应用中能够准确测量,使其充分发挥其计量作用,为流量检测提供可靠的测量数据。在确保自来水流量计本身计量检定合格的基础上,分析了工程上影响自来水流量计测量准确性的因素,提出了提高自来水流量计测量准确性的工程实施方法.
1、影响自来水流量计准确测量因素
自来水流量计是根据法拉*电磁感应定律来工作的,即导电流体以平均速度v流过垂直于流动方向的磁场,其感应电势E通过与流体直接接触的电*(又称传感器)检测出来.
E=KBvD　,(1)
式中:K为仪表常数;B为磁感应强度(T);v为流体运动平均速度(m/s);D为管道内径(m).
当K、B、D确定下来后,E与v成正比.其工作原理和结构如图1所示.根据流体的体积流量公式:
Q=1/4πD2v　,(2)
Q是v的正比函数,代入公式(1),那么E也是Q的正比函数,由此,测出了感应电压E也即测出了介质的体积流量Q.

自来水流量计工作原理图
自来水流量计由流量传感器和转换器两大部分组成.传感器测出的感应电压E由电缆送至转换器,通过智能化处理,然后LCD显示,或转换成标准信号4～20mA输出.根据以上测量原理,实际使用中,影响自来水流量计准确测量的工程因素主要有以下5个方面:
(1)被测介质电导率的影响.被测流体的电导率决定了转换器所需的输入阻抗大小,流体电导率降低,电*的输出阻抗将增加,并且由转换器输入阻抗引起负载效应而产生误差.因此,自来水流量计应用中规定了流体的电导率的下限.理论上,把电*看作点电*,忽略其大小,实际上,电*有一定尺寸,当直径为d的圆形电*与电导率为ρ的半无限展宽的流体接触时,其展宽电阻为1/(2ρd),因此,如果管道直径Dd,则电*的输出阻抗为两个展宽电阻之和,即等于1/(ρd).一般测量的流体电导率ρ的下限为5～10μs/cm,所以,若电*直径d为1cm,则电*的输出阻抗就为1/(ρd)=100～200kΩ,为使输出阻抗的影响限制在0.1%以下,转换器的输入阻抗应为200MΩ左右.对于自来水流量计,选型时必须考虑流体电导率要大于5μs/cm的阈值(即下限值)要求.
(2)流速分布与直管段的影响.根据公式(1)知,如果流速以中心轴为对称流动,感应电势与流速分布无关,仅正比于平均流速.若流速为非中心轴对称分布,图2表示90°弯头与突扩管的流线分布与速度剖面,每个流动质点相对于电*几何位置不同,对电*产生的感应电动势大小也不同,越靠近电*,速度大的质点所产生的感应电动势越大,容易引起误差,因此,必须保证流体流速为中心轴对称.工程上,正确的安装可以减小此类误差。
自来水流量计弯头及突变管的流速分布图
尽管自来水流量计生产厂家不断追求流量计本身的精度,但实际工程中,工艺管道中的弯管、阀门等都会引起流动畸变、二次流或漩涡,破坏了原有充分均匀的流速分布状况.只有经过相当长的直管段,才能让流体恢复其轴对称的流速分布.若实际工艺管道上下游直管段不足,可以通过安装流动调整器来调整.
（3）电*结垢和附着层的影响.在测量如纸浆、污水等非清洁流体时,电*表面易受污染,引起零点变动,但零点变化和电*污染程度两者的关系,很难进行定量分析比较,根据经验,电*直径越小,所受的影响越少,在使用中,应注意电*的清污,以防止附着.
设在衬里上附着沉淀物时产生的误差Δε,如果附着的厚度是一样,则可由式(3)计算:
Δε=1-2/[1+(kω/kf)+(1-kω/kf)*(1-2t/D)2]　,(3)
式中:kω、kf分别为附着物和测量流体的电导率;t为附着物厚度;D为直径.
若式(3)中kω和、kf相等,则误差为零,附着物的电导率较低时,上式仍然成立,但会增加电*的输出阻抗,因此受到限制,如绝缘性沉淀物浸在流体中就是这种情况.相反,如附着金属粉末等,因高电导率的附着层,使感应电势短路,电*输出偏低,造成负偏差.在测量具有沉淀附着物的流体时,可通过合理选择传感器内衬材料等方法减少测量误差,除了选择如玻璃或聚四氯乙烯等难以附着沉淀的衬里外,还应增加其流速,流体快速流动的同时能够起到冲刷电*、清洁电*的作用,减少误差.
(4)安装条件的影响.自来水流量计要求满管测量、流速分布轴对称、可靠的接地等,否则可能现输出晃动、示值不准等现象.这可通过规范安装操作以使测量准确性得到提高.
(5)运行环境的影响.自来水流量计因输出信号较弱,对机械振动比较敏感,测量结果易受干扰,运行时,不允许管道振动和周围有大的电器如电焊机等.
2、提高电磁流量测量准确性的工程对策
2.1正确选型
自来水流量计的选型考虑因素很多,有仪表性能、流体特性、安装条件、环境条件和经济等方面的因素,从测量准确性的角度,可从下面两方面考虑.
(1)传感器口径选择.传感器口径的选择关系到流体在管道中的流速大小,影响到输出电势值.因此,传感器口径不一定与连接的工艺管道口径相同,应根据实际使用流量而定.当管道内流体的流速在1.5～3m/s,选择传感器口径的与工艺管道口径相同即可,且安装方便;当管内流体流速较低,低于0.5m/s时,仪表口径应改为小于管径,以异径管连接管道.
(2)衬里、电*材料的选择要点.电*是自来水流量计拾取流量信号的部件,在测量过程中,只有它和接地环、接地电*与被测介质接触,因此,为了适应不同介质的测量条件,比如流体介质的温度、压力、腐蚀性、磨损性等的要求,要选用不同的内衬、电*材料.
自来水流量计的内衬材料有耐腐蚀性中等、耐一般低浓度的酸、碱、盐的氯丁橡胶材料,耐磨损性强而耐腐蚀性能一般的聚氨脂橡胶,耐腐蚀性能强和适于温度高的聚四氟乙烯,化学性质等同于聚四氟乙烯的抗拉、抗压聚全氟乙丙烯,耐稀酸、碱、盐的温度<60℃的聚乙烯和温度<100℃的聚苯硫醚等.
自来水流量计电*的材料有耐盐和小于50%浓度碱溶液的鈦(Ti)电*,耐酸和盐的钽(Ta)电*,耐腐蚀能力强的贵金属铂电*,不适于盐酸的哈氏合金C电*和不适于硝酸的哈氏合金B电*,耐腐蚀能力一般、但价格低廉的不锈钢316L等.电*材料装于传感器测量管内壁,与被测介质直接接触,故应根据被测介质的腐蚀性选定.
2.2　正确安装
(1)对安装管路的要求.实际工程上,电*平面处的流速分布已同初校时有较大的差别,传感器上游管道连接件的配置是引起特殊的流速分布的因素之一,使用中就有可能出现量值偏移.对传感器前后直管段的要求是保证流速以中心轴为对称分布,获得仪表测量精确度的必要条件之一,国标GB/T18659-2002等列举了对渐缩管、上游阀、圆弧弯头*小直管段长度的要求(见表1).

另外,测量管内导电流体电导率不均匀,也会影响自来水流量计的测量,因此,若工艺要求在管道中加入其他介质,则应在流量计下游进行.如果必须在上游进行,应在流量计上游较远处注入,建议在大于50D以远(D为测量管内径),以保证流体流动均匀后进入流量计.
(2)安装要保证流体充满测量管.自来水流量计测量的流量是电*平面的平均流速与电*断面的面积的乘积.只有流体充满测量管测量才准确.也就是说,在水平安装时,流量计处于*低部位置的正确安装方法才能保证流体充满管道.对于固-液、气-液两相混相流体,传感器应以垂直或倾斜姿势安装,且流体应自下而上流动,防止当传感器水平安装时,固体容易沉淀到管道下部、混相中的气体分离到上部而造成测量误差.
(3)接液与接地.因传感器输出信号是电*间的电压差,因此要有一个零电位基准点.接液是使用自来水流量计*重要的条件之一,即以导电液体接地作为信号的基准电位点.接地是防止进入干扰和安全保护的有效措施,传感器接地*与流体(信号基准零电平)间容易由地回路引入各种共模干扰电压,影响流量计的使用可靠性和测量精度.通过接地能够屏蔽静电感应与电磁感应引起的噪声电压;减小接地电阻可以降低地回路杂散电流的压降,减低共模干扰电压,提高测量精度.在连接传感器的管道内若涂有绝缘层或是非金属管道时,传感器两侧应装有接地环.金属管道自来水流量计接地连(跨)接方法如图3.当被测流体电导率比较高、工艺管线比较长时,被测流体的体电阻几乎为零,使用接液电*能够稳定地取得信号的基准电位.当测量比较低的电导率流体时,被测流体的体电阻比较高,若利用接液环或接液电*接触面太小,易产生信号的不稳定.为此应使用接液短管,加大与流体的接触面积,减小流体体电阻.

自来水流量计传感器接地图示
(4)尽量避开振动源、磁源.由于自来水流量计的测量感应电压很小,电压较低易受外界电磁噪声的影响,故在安装时应尽可能避开振动源、磁源,并进行可靠的接地连接.一般情况要求接地电阻小于100Ω.对于防爆产品和防雷击要求的安装情况,接地电阻应小于10Ω.同时应注意不能将流量计的接地接在大的电器设备,如变压器、发电机、变频电源的外壳接地上.

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