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    談談超聲波流量計具體應用領域

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    安普利斯科技有限公司專注于流量測量技術的發展,產品服務于生產過程的實時流量測量和參與過程控制,主要客戶群體為:化工生產過程、精細化工生產、清洗行業、飲料行業...

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    由于流量是一個動態量,測量儀表本身受到眾多因素,如:管道、口徑大小、形狀(圓形、矩形)、邊界條件、介質的物性(溫度、壓力、密度、粘度、臟污性、腐蝕性等)、流體的流動狀態(紊流狀態、速度分布等)以及安裝條件與水平的影響。面對國內外十幾類、上百個品種的流量儀表(先后發展起來的容積式、差壓式、渦輪式、面積式、電磁式、超聲波式和熱式流量計等類型),如何根據流量、流態、安裝要求與環境條件、經濟性等因素合理選型,是應用好流量儀表的前提和基礎,本文匯總了場見流量儀表選型原則和方法,幫助大家快速掌握流量儀表選型并應用。

      總的來說,選擇流量計的原則首先是要深刻地了解各種流量計的結構原理和流體特性等方面的知識,同時還要根據現場的具體情況及考察周邊的環境條件進行選擇。也要考慮到經濟方面的因素。一般情況下,主要應從下面四個方面進行選擇:

     ?、?流量計的性能要求;

     ?、?流體特性;

     ?、?安裝要求;

     ?、?環境條件。

      01

      性能要求

      流量計的性能方面主要包括:測量流量(瞬時流量)還是總量(累積流量);準確度要求;重復性;線性度;流量范圍和范圍度;壓力損失;輸出信號特性和流量計的響應時間等。

     ?、?流量計的性能要求;

     ?、?流體特性;

     ?、?安裝要求;

     ?、?環境條件。

      01

      性能要求

      流量計的性能方面主要包括:測量流量(瞬時流量)還是總量(累積流量);準確度要求;重復性;線性度;流量范圍和范圍度;壓力損失;輸出信號特性和流量計的響應時間等。

      測流量還是總量

      流量測量包括兩種,即瞬時流量和累積流量,比如對分輸站管道的屬于貿易交接或石油化工管道進行連續配比生產或生產流程的過程控制等需要計量總量,間或輔以瞬時流量的觀察。在有的工作場所對流量進行控制則需配備瞬時流量測量。因此,要根據現場計量的需要進行選擇。有些流量計比如容積式流量計,渦輪流量計等,其測量原理是以機械計數或脈沖頻率輸出直接得到總量,其準確度較高,適用于計量總量,如配有相應的發訊裝置也可輸出流量。電磁流量計、超聲流量計等是以測量流體流速推導出流量,響應快,適用于過程控制,如果配以積算功能后也可以獲得總量。

      準確度

      流量計準確度等級的規定是在一定的流量范圍內,如果使用在某一特定的條件下或比較窄的流量范圍內,比如,僅在很小的范圍內變化,此時其測量準確度會比所規定的準確度等級高。如用渦輪流量計計量油品裝桶分發,在閥門全開的情況下使用,流量基本恒定,其準確度可能會從0.5級提高到0.25級。

      用于貿易核算、儲運交接和物料平衡如果要求測量準確度較高時,應考慮準確度測量的持久性,一般用于上述情況下的流量計,準確度等級要求為0.2級。在這樣的工作場所一般是現場配備計量標準設備(比如體積管),對所使用的流量計進行在線檢測。近幾年由于各單位對計量的高要求,對計量提出實行系數交接,即除了每半年對流量計進行一次周期檢測后,貿易交接雙方協商每1個月或2個月對流量計進行檢定確定流量系數,每天根據流量計計量的數據與流量計流量系數計算出數據進行交接,以提高流量計的準確度,也稱為交接。

      準確度等級一般是根據流量計的允許誤差確定的。各制造廠提供的流量計說明書中會給出。一定要注意其誤差的百分率是指相對誤差還是引用誤差。相對誤差為測量值的百分率,常用“% R”表示。引用誤差則是指測量上限值或量程的百分率,常用“% FS”。許多制造廠說明書中并未注明。比如,浮子流量計一般都是采用引用誤差,電磁流量計有的型號也有采用引用誤差的。

      流量計如果不是單純計量總量,而是應用在流量控制系統中,則檢測流量計的準確度要在整個系統控制準確度要求下確定。因為整個系統不僅有流量檢測的誤差,還包含有信號傳輸、控制調節、操作執行等環節的誤差和各種影響因素。比如,操作系統中存在有2%左右的回差,對所采用的測量儀表確定過高的準確度(0.5級以上)就是不經濟和不合理的。就儀表本身來說,傳感器與二次儀表之間的準確度也應該適當相配,比如說設計出來未經實際標定的均速管誤差如在±2.5%~±4%之間,配上0.2%~0.5%高準確度的差壓計就意義不大了。

      還有一個問題就是對于檢定規程或制造廠說明書中對流量計所規定的準確度等級指的是其流量計的允許誤差。但是由于流量計在現場使用時受環境條件、流體流動條件和動力條件等變化的影響,將會產生一些附加誤差。因此,現場使用的流量計應是儀表本身的允許誤差和附加誤差的合成,一定要充分考慮到這個問題,有時候可能現場的使用環境范圍內的誤差會超過流量計的允許誤差。

      重復性

      重復性是由流量計原理本身與制造質量決定的,是流量計使用過程中的一個重要的技術指標,與流量計的準確度息息相關。一般在檢定規程中的計量性能要求中對流量計不僅有準確度等級規定外,還對重復性進行了規定,一般規定為:流量計的重復性不得超過相應準確度等級規定的允許誤差的1/3~1/5。

      重復性一般定義為在環境條件和介質參量等不變的情況下,對某量值短時間內,同方向進行多次測量的一致性。但是,在實際應用中,流量計的重復性會常常被流體粘度、密度參量的變化所影響,有時這些參量變化還沒有達到需要進行專門修正的程度,會誤認為是流量計的重復性不好。鑒于這種情況下,應選擇對此參量變化不敏感的流量計。比如,浮子流量計容易受流體密度影響,小口徑的流量計不僅受流體密度的影響,可能還會受流體粘度的影響;渦輪流量計如果用在高粘度范圍時的粘度影響;有些未做修正處理的超聲流量計會受到流體溫度的影響等等。如果流量計的輸出是非線性的,這種影響可能會更為突出。

      線性度

      流量計的輸出主要有線性和非線性平方根兩種。一般的來說流量計的非線性誤差是不單獨列出的,而是包含在流量計的誤差內。對于一般比較寬流量范圍,輸出信號為脈沖的,用作總量積算的流量計,線性度則是一個重要的技術指標,如果在其流量范圍內使用單一的儀表系數,當線性度差就會降低流量計的準確度。比如,渦輪流量計在10:1的流量范圍內采用一個儀表系數,線性度差時其準確度會較低,隨著計算機技術的發展,可將其流量范圍分段,用最小二乘法擬合出流量—儀表系數曲線對流量計進行修正,從而提高流量計的準確度和擴展流量范圍。

      上限流量和流量范圍

      上限流量也稱為流量計的滿度流量或流量。當我們選擇流量計的口徑時應按被測管道使用的流量范圍和被選流量計的上限流量和下限流量來進行配置,不能簡單的按管道通徑進行配用。

      一般來講,設計管道流體流速是按經濟流速來確定的。如果選擇過低,管徑粗,投資會大;過高則輸送功率大,增加運行成本。比如,像水等低粘度液體其經濟流速為1.5~3m/s,高粘度液體0.2~1m/s,大部分流量計上限流量的流速接近或高于管道經濟流速。因此,流量計選擇時其口徑與管道相同時候就較多,安裝比較方便。如不相同也不會相差太多,一般上下相鄰一檔的規格,可采用異徑管連接。

      在流量計的選擇中應注意不同類型的流量計,其上限流量或上限流速由于受各自流量計的測量原理和結構的限制差別較大。以液體流量計為例,上限流量的流速以玻璃浮子流量計為,一般是0.5~1.5m/s之間,容積式流量計在2.5~3.5m/s之間,渦街流量計較高在5.5~7.5m/s之間,電磁流量計則在1~7m/s之間,甚至達到0.5~10m/s之間。

      液體的上限流速還需要考慮不能因為流速過高而產生氣穴現象,出現氣穴現象的地點一般是在流速,靜壓的位置,為了防止氣穴的形成,常常需要控制流量計的最小背壓(流量)。

      還應注意流量計的上限值訂購后就不能改變,比如容積式流量計或浮子流量計等。差壓式流量計像節流裝置孔板等一經設計確定后,其下限流量不能改變,上限流量變動可以通過調整差壓變送器或更換差壓變送器來改變流量。比如某些型號的電磁流量計或超聲流量計,有些用戶可以自行重新設定流量上限值。

      范圍度

      范圍度為流量計的上限流量和下限流量的比值,其值越大則流量范圍越寬。線性儀表有較寬的范圍度,一般為1:10。非線性流量計的范圍度較小僅為1:3。一般用于過程控制或貿易交接核算的流量計,如果要求流量范圍比較寬就不要選擇范圍度小的流量計。

      目前一些制造廠為宣傳其流量計的流量范圍寬,在使用說明書中把上限流量的流速提得很高,比如液體提高到7~10m/s(一般為6m/s);氣體提高到50~75m/ s(一般為40~50)m/s);實際上如此高的流速是用不上的。其實范圍度寬的關鍵是有較低的下限流速,以適應測量需要。所以下限流速低的寬范圍度的流量計才是比較實用的。

      壓力損失

      壓力損失一般是指流量傳感器由于在流通通道中設置的靜止或活動檢測元件或改變流動方向,從而產生隨流量而變的不能恢復的壓力損失,其值有時可達數十千帕。因此,應按管道系統泵送能力和流量計進口壓力等確定流量的允許壓力損失來選定流量計。因選擇不當會限制流體流動產生過大壓力損失而影響流通效率。有些液體(高蒸汽壓碳氫液)還應注意過度的壓力降可能引發氣穴現象和液相汽化,降低測量準確度甚至損壞流量計。比如管徑大于500mm的輸水用的流量計,應考慮壓損所造成的能量損耗過大而增加的泵送費用。據有關報道,壓力損失較大的流量計幾年來為測量付出的泵送費用往往超過低壓損、價格較貴的流量計的購置費用。

      輸出信號特性

      流量計的輸出和顯示量可以分為:

     ?、?流量(體積流量或質量流量);② 總量;③ 平均流速;④ 點流速。有些流量計輸出為模擬量(電流或電壓),另一些輸出脈沖量。 模擬量輸出一般認為適合于過程控制,比較適合于與調節閥等控制回路單元接配;脈沖量輸出比較適合于總量和高準確度的流量測量。長距離信號傳輸脈沖量輸出則比模擬量輸出有較高的傳送準確度。輸出信號的方式和幅值還應有與其他設備相適應的能力,比如控制接口、數據處理器、報警裝置、斷路保護回路和數據傳送系統。

      響應時間

      應用于脈動流動場合應注意流量計對流動階躍變化的響應。有些使用場合要求流量計輸出跟隨流體流動變化,而另一些為獲得綜合平均值要求有較慢響應的輸出。瞬時響應常以時間常數或響應頻率表示,其值前者從幾毫秒到幾秒,后者在數百Hz以下。配用顯示儀表可能相當大地延長響應時間。一般認為流量計流量增加或減小時動態響應不對稱會加速增加流量測量誤差。

      02

      流體特性

      在流量測量中由于各種流量計總會受到流體物性中某一種或幾種參量的影響,所以流體的物性很大程度上會影響流量計的選型。因此, 所選擇的測量方法和流量計不僅要適應被測流體的性質,還要考慮測量過程中流體物性某一參量變化對另一參量的影響。比如,溫度變化對液體粘度的影響。

      流體物性方面常見的有密度、粘度、蒸汽壓力和其他參量。這些參量一般可以從手冊中查到,評估使用條件下流體各參量和選擇流量計的適應性。但也會有些物性是無法查到。比如腐蝕性、結垢、堵塞、相變和混相狀態等。

      流體的溫度和壓力

      仔細的分析流量計內流體的工作壓力和溫度,尤其是測量氣體時溫度壓力變化造成過大的密度變化,可能要改變所選擇的測量方法。比如,溫度和壓力影響流量測量準確度等性能時,要作溫度或壓力修正。另外,流量計外殼的結構強度設計和材質也取決于流體的溫度和壓力。因此,必須確切地知道溫度和壓力的值和最小值。當溫度和壓力變動很大時更應仔細選擇。

      還應注意在測量氣體時要確認其體積流量值是在工況狀態下的溫度和壓力還是在標準狀態下的溫度和壓力。

      流體的密度

      對于液體,在大部分應用場合下其密度相對恒定,除非溫度變化很大而引起較大變化,一般可不進行密度修正。在氣體應用場合,流量計的范圍度和線性度,取決于氣體密度,,一般要知道在標準狀態下和工況狀態下的值,以便選用。也有將流動狀態的值換算到某些的參比值,這種方法在石油儲運方面應用普遍。低密度氣體對某些測量方法,特別是利用氣體動量推動檢測傳感器的儀表(比如渦輪流量計)會比較困難。

      粘度

      各種液體之間粘度差別很大,且因溫度變化有顯著變化。而氣體則不同,各種氣體之間粘度差別較小,其值一般較低。且不會因溫度和壓力變化而有顯著變化。因為液體的粘度比氣體高得多。比如在20℃和100kPa下,水的動力粘度為 Pa·s,而空氣的動力粘度則為 Pa·s,所以液體一定要考慮粘度的影響,而氣體的粘度就不如液體那樣重要。

      粘度對各類流量計的影響程度不一樣,比如,對于電磁流量計、超聲流量計和科里奧利式質量流量計的流量值是在很寬粘度范圍內,可以認為不受液體粘度的影響;容積式流量計的誤差特性和粘度有關,可能會略受影響;而浮子流量計、渦輪流量計和渦街流量計,當粘度超過某值時則影響較大以致不能使用。

      有些流量計的特性用管道雷諾數作為參變量進行描述的,而管道雷諾數是流體粘度、密度以及管道流速的函數。因此,粘度對儀表特性還是有影響的。

      粘度也是判別牛頓流體或非牛頓流體的一個參數,大多數流量測量方法和流量計僅適用于牛頓流體。所有氣體都是牛頓流體。大多數液體以及含有少量球形微粒的液體也是牛頓流體。只適用于牛頓流體的測量方法和流量計,如果應用于非牛頓流體時將給測量帶來影響。所以,牛頓流體是流體流量測量正常使用的重要條件。

      粘度對不同類型的流量計范圍度的影響趨勢各異,一般容積式流量計粘度增加,范圍度擴大。而渦輪流量計和渦街流量計則相反,粘度增加,范圍度縮小。因此,在評估流量計的適應性時,應該要掌握液體的溫度—粘度特性。

      某些非牛頓流體(如鉆井泥漿、紙漿、巧克力、油漆)性質的液體,它們的流動狀態復雜,不易判斷其屬性,當選擇流量計時必須謹慎。

      化學腐蝕和結垢

      1)化學腐蝕問題

      流體的化學腐蝕問題有時會成為我們選擇測量方法和使用流量計的決定因素。比如,某些流體會使流量計接觸零件腐蝕,表面結垢或積淀析出晶體,金屬零件表面產生電解化學作用,這些現象的產生會降低流量計的性能和使用壽命。因此,為了解決化學腐蝕和結垢問題,制造廠采取了許多方法,如選用抗腐蝕材料或在流量計的結構上采取防腐蝕措施,比如,節流裝置孔板用陶瓷材料制造,金屬浮子流量計內襯耐腐蝕的工程塑料。但是對于結構較復雜的流量計,如容積式流量計和渦輪流量計等就無法對具有腐蝕性流體進行測量了。有一些流量計是從原理結構上就具有耐腐蝕性或易于作耐腐蝕的措施。超聲流量計的換能器探頭安裝在管道外壁不與被測流體接觸,本質上就是防腐蝕的。電磁流量計只有測量管襯里和一對形狀簡單的電極與液體接觸,近年有些設計將電極也不與液體接觸,也是一種防腐蝕的措施。

      2) 結垢

      由于流量計腔體和流量傳感器上結垢或析出結晶會減少流量計內活動部件的間隙,降低流量計內敏感元件的靈敏度或測量性能。比如在超聲流量計應用上結垢層會阻礙超聲波發射。在電磁流量計應用上不導電結垢層絕緣了電極表面,會使流量計無法工作。所以有些流量計常采用在流量傳感器外界加溫防止析出結晶或加裝裝置除垢器。

      化學腐蝕和結垢的結果是改變試驗管道內壁粗糙度,而粗糙度會影響流體的流速分布,因此,建議使用者應注意這個問題,比如多年使用的管道應進行清洗和除垢工作。

      腐蝕和結垢影響流量測量值的變化會因流量計的類型而不同。下面以超聲流量計和電磁流量計為例來說明由于管道結垢影響的結果,比如,內徑為50mm的管道,內壁結垢或沉積0.1~0.2mm,會使測量管道面積縮小0.4%~0.6%,所產生的誤差對于0.5~1.0級的流量計將是不容忽視的偏差。

      壓縮系數

      氣體壓縮系數z為一定質量的氣體,在相同溫度、壓力下,其實際比體積與“理想比體積”之比。一般地說,對于理想氣體z=0;實際氣體z可能大于1或小于1。z偏離1的數值大小表示實際氣體偏于理想氣體的程度。氣體壓縮系數z值取決于種類或組分、溫度、壓力。因此,氣體測量一定要通過壓縮系數求取工作狀態下的流體密度。如果組分固定的流體通過溫度、壓力和壓縮系數計算密度。 如果流體為多組分(比如對天然氣的計量)并工作在接近(或在)超臨界區,就需要配備在線密度計在線對密度進行測量。

      03

      流量計的安裝

      安裝時需注意的問題

      安裝問題對不同原理的流量計要求是不一樣的。對有些流量計,比如差壓式流量計、速度流量計,按規程規定在流量計的上、下游需配備一定長度的或較長的直管段,以保證流量計進口端前流體流動達到充分發展。而另一些流量計,比如對容積式流量計、浮子流量計等則對直管段長度就沒有要求或要求較低。

      還有的流量計因受安裝的影響而產生一定的誤差,比如,科里奧利質量流量計,由于安裝應力的影響會給使用帶來很大的誤差。追溯流量計在使用中出現問題,可能未必都是因為流量計本身的問題,很多狀況是由于安裝不善所致。 一般常見的問題有下面幾種:

     ?、?把差壓式流量計孔板的進口面反裝;

     ?、?流量傳感器安裝在流速分布剖面不良的場所;

     ?、?連接到差壓裝置的引壓管中存在不希望存在的相;

     ?、?流量計安裝在有害的環境或不易接近的地方;

     ?、?流量計流動方向安裝錯誤;

     ?、?流量計或電信號傳輸線置于強電磁場下;

     ?、?將易受振動干擾的流量計安裝在有振動的管道上;

     ?、?缺少必要的防護性配件。


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