大口径流量计在线检测技术探讨

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COMMISSION,）所起草。将电器依其防尘防湿气之特性加以分级。）,。,2,、仪表选型,（,1,）电磁流量计,工作原理：,当导电的流体在磁场中以垂直方向流动而切割磁力线时，就会在管道两边的电极上产生感应电势，感应电势的大小与磁场的强度、流体的速度和流体垂直切割磁力线的有效长度成正比：,式中：,E,为感应电势；,k,为系数；,B,为磁场强度；,D,为管道直径；,v,为垂直于磁力线的流体流动速度；,为仪表常数,电磁流量计设计示意图,电磁流量计在大口径水流量测量中占有极其重要的地位，这是因为该种仪表具有下列,特点,。,a.,无可动部件，,可靠性高，长期稳定性好,。,b.,无附加阻力,。这一点对大口径流量计有特别重要的意义,c.,测量,精确度高,。典型产品在,u1m/s,时，精确度可达到,0.3%R,甚至,0.2%R,。,d.,范围度大,。保证精确度的范围度一般可达,40,：,1,，可测范围可达,200,：,1,，例如,IFM,系列产品，在,v=0.06m/s,时，基本误差仍可小于,2%R,。,e.,直管段要求相对较低,。对于大口径管路，这一点也很重要。有多种流量计要求前后直管达到,30D,，对于管径,1m,以上的管路，就意味着须具备,30m,以上的直管段，这在多数情况下难以满足。,f.,有大口径产品,。国内最大可提供,DN3000,的产品，从而能满足大口径水流量测量的需要。,g.,品种齐全,。有防浸水型,IP67,及防持续浸水型,IP68,产品。,h.,其,不足之处,是大口径产品价格高，而且口径越大价格增长得越快。尽管如此，像水厂、成品水和源水等计量，因牵涉到贸易结算，对计量精确度要求高，还是愿意花较多的钱选用电磁流量计。,电磁流量计,选型、安装注意事项：,被测流体必须是导电的，不能小于水的电导率；,不能测量气体、蒸汽和石油制品等的流量；,由于衬里材料的限制，一般使用温度为,0,200,；,因电极嵌装在测量导管上的，使工作压力限制。,使用地点不应有强磁场干扰；,管道充满流体；,前,5D,、后,3D,直管段。,衬里的确定：主要考虑耐腐蚀性、耐磨性和流体温度；,电极的选定：考虑腐蚀性，压力状况等；,使用非金属管道应使用接地环。,西门子,ABB,罗斯蒙特,日本横河,主要品牌,（,2,）超声波流量计,工作原理：,当超声波在流体中传播时，会载带流体流速的信息。因此，根据对接收到的超声波信号进行分析计算，可以检测到流体的流速，进而可以得到流量值。超声波流量测量方法有很多：,按测量原理分为：,多普勒式,相关法,传播速度差 （时差法、频差法、相差法）,时差法测量原理,超声换能器（超声探头）,压电陶瓷片,接收超声波：压电效应；,发射超声波：逆压电效应；,流速,u,声速,c,探头一般均具有双功能,声路角,15,频差法测量原理,通过测量脉冲超声波顺流声循环和逆流声循环的频率差来测流量。一个声循环周期为：,发射,接收,介质,顺流时,逆流时,一对超声换能器，在一定的时间间隔内,交替,作为发射和接收器。,当,45,时,实际上：,本质与时差法相同,17,讨 论,a.,频差法测得的是,直径上,的平均流速,u,D,，求流量需要的是整个管道截面的,平均,流速,u,A,，,u,A,=,f,(,u,D,),函数关系随流型而变；,18,速度分布畸形,单弯管加装蜂窝整流器几何模型图,蜂窝整流器几何模型图,b.,脉冲超声波接收,-,门限电平法,与介质对超声波衰减程度相关,介质洁净；,c.,管壁内外干净，否则衰减太大。,门限电平,超声波周期,21,当超声波束打在一粒子上，发射超声波,f,1,，粒子接收,f,2,存在散射粒子,（介质非洁净，污水测量）,连续超声波,工作条件,粒子又以,f,2,的频率反射出去，接收器接到的频率为,f,s,多普勒法测量原理,接收与发射超声波频率之差为,流体流速,上式中含有声速,c,，它的变化直接影响流速的测量，在多普勒流量计中一般采用,声楔,处理这一问题。,根据折射定理,(Snall,斯纳尔定律,),声楔是固定材料，,c,1,变化较小，而且尽量选择声速稳定的材料作为声楔材料。,讨 论,a.,测量的是粒子、气泡等散射体速度，而不是流体速度；,b.,测量的点速度与管道横截面速度是有区别的。,25,超声流量计在大口径管路的流量测量中,占有重要地位,，原因如下。,a.,超声流量计中的夹装式，其价格与口径无关，用来测量大口径管路流量，投资较省。,b.,超声流量计能得到的测量精确度同管径有关，管径越大，有可能得到的精确度越高。有的供应商能提供带测量管的多声道时差式超声流量计，精确度最高可达,O.15,级，但价格也相应升高。,c.,既可测量导电液体，如水等，也可测量不导电液体。现在有很多单位添置数台携带式,(,时差法,),超声流量计用于现场较大口径液体流量计比对，一般都收到较好的效果。在,DN150mm,、,v0.3m/s,时，精确度可达,2%R,。,超声流量计安装使用注意事项,管道内外壁干净，需足够长的直管段；,传播速度差法流量计需介质洁净，而多普勒流量计需有散射粒子，适于,污水和含气泡,的液体；,外贴式超声波流量计,定期检查换能器是否松动，与管道之间的粘合剂是否良好；,插入式超声波流量计,定期清理探头上沉积的杂质、水垢及检查有无漏水现象；,一体式超声波流量计,检查流量计与管道之间的法兰连接是否良好，并考虑现场温度和湿度对其电子部件的影响。,27,故障诊断,现象：,示值不准；无示值；流量为负；流量波动大；,原因：,1.,测量点位置选择,如测量点非满管流，内部锈蚀，直管段长度不够或上游存在扰动源可导致 ；,2.,换能器安装,如换能器与管道间有锈斑、耦合剂涂不均匀或换能器安装偏离管线正侧面可导致 ；,3.,电缆连接,上下游换能器电缆若接反可导致；,4.,数据设置,管道参数如管径、安装角度需精确测量后置入仪表，否则导致。,28,国外主要厂商产品介绍,德国,KROHNE,高精度；,低功耗,1 W,，可使用太阳能；,DN80,流速上限,57 m/s,；,DN400,流速上限,30 m/s,；,示值误差,0.2%,；,重复性, 0.2,；,ALTOSONIC IV,4,声道气体超声流量计,独特的三声道截面设计；,传感器专利设计；,数字信号处理,(DSP),；,流速测量范围,020 m/s,；,当流速大于,0.5 m/s,时，示值误差,0.5%,；,当流速小于,0.5 m/s,时，绝对误差为,2.5 mm/s,重复性,0.2,；,UFM 3030,KROHNE,3,声道液体超声流量计,两声道通用型,：,工艺流程的气体超声流量计,强化结构，保护罩；,全金属微型传感器；,DN50,流速上限,57 m/s,；,DN600,流速上限,30 m/s,；,低功耗,1 W,；,示值误差,1%,；,重复性,0.3%R,之内,(,用于油品测量,),。,流体的清洁至关重要，黏稠的焦油和污垢会将转子粘住或转速减低。灰尘附着在涡轮上，流量系数要发生变化，因此，,应定期清洗,。,（,4,）热式质量流量计。,热式质量流量计一般是在圆形检测杆,(,不锈钢保护套管,),的端部布置两只,热敏元件,（,利用某些物体的物理性质随温度变化而发生变化的敏感材料制成,），其中参比热敏元件同气体的流动相隔离，而测量热敏元件被放置在气体的流路中，两只热敏元件被加热到一定温度，并组成,惠斯登电桥（用来精确测量未知电阻器的电阻值）,，当流路内的气体流速增大时，测量热敏元件被带走的热量增大，从而导致其温度降低，阻值变小，桥路输出相应增大。另外，流体压力的增大和流体温度的降低也都使敏感元件被带走的热量增大，最后使得桥路输出与流体质量流量成正比。,由于测量热敏元件的热量损失主要是由气体流动所引起，因此气体组分的变化对流量示值影响很小。,这种仪表的,最大优点,是范围度大，可达,40,：,1,。流体温度最高可达到,400,。但,由于热丝与被测流体直接接触，在流体,含有油污之类的物质时，热丝容易被污,染而改变散热条件，影响测量精确度，,因此，有的公司推出带清洗装置的产品。,二、液体流量标准装置,1,、标准体积法,2,、标准质量法,3,、标准表法,4,、标准体积管,液体流量标准装置,1.,标准容积法,容积法液体流量标准装置由水源、流量稳压装置、试验管道、切换机构和标准计量容器等几个部分组成。,1,水池；,2,水泵；,3,高位水槽；,4,溢流管；,5,稳压容器；,6,夹表器；,7,切换机构；,8,切换挡板；,9,标准容积计量槽；,10,液位标尺；,11,游标；,12,被校流量计,标准容积法流量标准装置,2.,标准质量法,这种方式是以秤代替标准容器作为标准器，用秤量一定时间内流入容器内的流体总量的方法来求出被测液体的流量。秤的精度较高，这种方法可以达到,0.1,的精度,3.,标准流量计法,这种方式是采用高精度流量计作为标准仪表对其他工作用流量计进行校正。用作高精度流量计的有容积式、涡轮式、电磁式和差压式等型式。,循环回路标准表比较法,4.,标准体积管,标准体积管流量装置在结构上有多种类型，其基本组成部分有：两个检测开关之间的基准体积管；安装在基准管进出口的检测开关及发讯器；在标准体积管中起置换、发讯、密封和清管作用的置换器（球）。,1,被校验流量计；,2,交换器；,3,球；,4,终止检测器；,5,起始检测器；,6,体积管；,7,校验容积；,8,计数器,单球式标准体积管原理示意图,体积管检测开关,Double Folded,Skid Package,Single U-bend,三、大口径流量计在线检测,大口径流量计不易拆卸，要求尽量在线检定,/,校准,（一）几个名词,在线校准：,是在现场测量条件下将流经待校准仪表的流体临时接入固定式,(,或移动式,),流量标准装置或标准计量器具进行比较。,在线比对：,和在线校准相似,只是在某些方面达不到,/,校准规定,要求相对低些,如只与精度等级相近的参比测量计相比。,在线验证：,采用间接检查,(,验,),的方法,评估或验证仪表的流量测量值等性能仍保持或超过原校准性能的范围,为是否仍可继续使用或需进一步检查提供依据。,在线检测,：,在现场测量条件下对流量计性能进行测试，包含校准、比对和验证内容。,层流和湍流,雷诺数，,相似准则,。,时为层流，否则为湍流。,圆管临界雷诺数：,82,速度分布：,入口段与充分发展段,阻流件影响,（二）流量计在线校准（检测）方法简介,1,、流量标准装置法,该方法首先在能源工业探索实践,目前已在原油和天燃气的贸易交接计量中普遍应用,例如原油交接计量基本上实现在现场用基地式或移动式标准体积管校准,;,天然气交接计量采用临界流文丘里喷嘴,(,音速喷嘴,),和在线校准。,车载活塞式标准体积管,2,、示踪法,示踪法在线校准流量仪表技术在国际上已相当成熟,早在上世纪,70,年代就颁发了国际标准,ISO2975) ( 1 7),封闭管道中水流量测量,) ) ),示踪法,和,ISO4053) ( 1,、,4) ,封闭管道中气体流量测量,) ) ),示踪法,其工作原理有两类,:,一是恒速注入法,(,也称稀释法,) ;,二是瞬时注入示踪剂的传输时间法（峰定时法）。,上世纪,80,年代,江都水利工程管理处和武汉水利电力学院利用稀释法,(,食盐浓度,),校准,DN116 3 m,水泵进水流道差压流量测量的系数。四个泵站实测结果表明流量极限误差一般在,2.5% 4%,之间,。,3,、速度面积法,也是在线校准的经典方法,亦有国际标准可,咨遵循,有,ISO3354,封闭管道中清洁水流量测量,-,在满道中和规则流动条件下采用流速计的速度面积,法,和,ISO3966,封闭管道中流体流量测量,-,采用皮,托静压管的速度,-,面积法,。,（三）流量计在线验证方法简介,1,、物料平衡法,利用测量系统中流入系统各流量计所测流量值的总和与流出系统各流量计测量值的总和相等,或其差值在合理范围内。,2,、热量平衡法,将与被测流量相关联的数据代入热量平衡方程式,计算出流量理论值,以验证流量测量值。例如锅炉除氧器蒸汽消耗量以进水流量和水升高温度,以热量平衡计算验之。,3,、设备能力估算法,根据相关设备能力估算流量的一种方法。例如供水企业测量输水泵扬程,按泵的扬程,-,流量特征估算输水量。,4,、其他参量评估法,在检验流量计流量信号以外其他流量测量要素的参量,是否仍保持在原校准流量时的允许范围内,评估验证所测流量的准确性。,1,、外夹式超声波流量计法,对于没有预留旁路的管道，便携式外夹超声波流量计法是流量计在线检测最可行的方法。,外夹式超声波流量计实验室实流标定准确度可以达到,0.5%,考虑到现场管道参数的不确定因素,现场测流的准确度基本可以达到,1.0 %,这样从技术和量传角度上讲,用性能较好的外夹便携式超声波流量计就可以对,2 .0,级以下的在线流量计进行校准比对。,（四）水管路流量计在线检测和验证方法,(1),了解现场环境以及被检管线的材质、管外径、壁厚、流体以及流体温度等相关量的数值,现场检定时采用精度高的测厚仪,( e = 0. 1% ),、软尺,( e = 1 mm) ,以确保测量的准确度。,(2),标准表安装在直管段,换能器器装在上游直管段为,10D,下游直管段为,5D,的位置,提高流速。避免上下游扰动源,(,泵、阀、弯头,),。当上游存在泵、阀等设备时,直管段的长度最好为,30D,。标准表不能安装在管内含有气体的位置,气泡会使超声波信号减弱,而影响到测量精度。换能器尽量采用,V,型法安装,保证声程在管径平面上,提高测量精度。如果,V,型法安装找不到信号,可采用,Z,型法。,检测步骤和注意事项：,(3),对于直管段,超声波流量计的发射器要安装在管侧面的正侧线上,以避免沉淀物或气泡的影响。发射器与管道必须用声学性好的黄油或凡士林耦合剂充分耦合。流量计测量信号时采用静态调零或动态调零,以消除零点漂移。,(4),检测过程中,流速不应小于,0. 2 m / s,标准表与被校表的数据采集同步进行,及时根据测量误差调整被检表的系数。根据情况设定适当的采集时间间隔,尽可能延长采集时间间隔。,(5),检定结果受压力与温度的影响,检定时应控制室内及现场温度,使检定系统温度场稳定。尽量缩短流量计出口与体积管入口之间的连接管道距离,以减小管道摩阻引起的压损和温差,使流量计与体积管的压力和温度尽可能保持一致。,（,1,）被检电磁流量计须,降级使用,。,外夹便携式超声波流量计在理想条件下,其实验室标定准确度可达,0. 5%,考虑到现场管道参数的不确定因素,只能对,1. 0,级以下的在线流量计进行检定,按量值传递的原则,无法对精度为,0. 5,级的电磁流量计进行检定。,（,2,）现场流量不易调控,很难实现全量程测试。,补充说明：,实例：,如果在管路设计时考虑了流量计在线检测问题，可串联两支流量计，增加测量可靠度，延长检定周期。,（,1,）串联同类型流量计。串联管段式流量仪表比对法是当工作流量计准确度受怀疑时,串联接入同口径或较小口径的已经检定合格的电磁流量计作较长时间运行比对,由于电磁流量计精度等级较高,所以当二者量差较大时,即可确定工作用流量计超差,或以此为据对仪表进行调试或修订。,（,2,）串联不同类型流量计。由于不同的工作原理，影响因素不同，比较两种流量计读数可判断测量数据的可靠性。,2,、串联管段式流量计法：,由于插入式流量计安装方便,操作简便,费用省,其测量值也相对稳定可靠，可用于在线比对测试。当然在管路建设或后期改造中留有插入式流量计接口。,以插入式涡轮流量计为例。虽然它组成的大管径系统的测量精度低,(2.5 %,5%),但涡轮流量传感器有较高精度,(,流速的,0.5 %,1 %);,虽然流通面积测量误差以及流速分布系数,/,阻塞系数具有不确定性,但有优异的重复性,(0.25%,0.5%),。如果在同一位置定期用涡轮流量计与正在使用流量计比对,与新装后首次比对数据比较,可以评估该仪表运行是否正常准确。,3,、插入式流量计法,清水池容积法,清水池容积比对法是供水企业经常采用的传统方法,可利,用制水厂现成大容积清水池的有利条件,获得较高的比对精度。,具体实施过程如下,:,仔细丈量水池几何尺寸,一般水池为圆形,(,早期建的也有方形,),测得半径或边长,运行较长时间,(,几小时以上,),使进水池水位差超过,1m ,水位测量采用液位仪,指望可获得,0.2 %,的体积不确定度,;,实际操作过程中使水位差尽可能大,以减少各类操作误差的影响。,在这样的操作条件下,清水池比对法总不确定度可望在,0.5 %,1%,之间。,4,、其他方法,若能证明测量要素,仍保持在原校准流量时的允差范围内,且证明没有影响流量信号的其他不利因素,(,如信号回路绝缘电阻下降,),就可确认所测流量值仍保持原有性能的值。,（五）电磁流量计和超声波流量计在线验证,1,、电磁流量计在线验证,例子：,东京都水道局对电磁流量计每年作一次全面检查，检查内容为外观检查，转换器特性试验测量值校准，测量各部电压，测量绝缘电阻，确认电路。,在线验证需具备以下三个基本条件,:,（,1,）,该电磁流量计出厂时必须经流量标准装置实流检定,;,（,2,）可靠地记录并保存实流检定的关键技术参数,;,（,3,）该电磁流量计配套有专门的校准器用于转换器的检定或该流量计主机具备完善的自身测试暨自诊断功能。具体的方法是,:,根据出厂检定的技术参数用高准确度的万用表,( 4,位半,),检查传感器的基准压值,(,毫伏级,),若与出厂时不一致,应调整到出厂时的基准电压值。并注意,:,此时的励磁电压也应保证与出厂时的励磁电压相一致,必要时,应采用可调稳压电源供电。用专,用的校准器对转换器进行模拟检定,或用自诊断及测试功能对主机进行检定。这样就实现了电磁流量计的在线检定。,利用实测声速这一参量与从测量气体或成分计算所得声速,(,即从超声流量计外获得的参比量,),进行比较,验证超声流量计,2,、超声波流量计在线验证,超声流量计检定规程,JJG 1030-2007,规定可用声速复核和验证在线使用中的仪表。,总结,1,、管路设计有检测旁路或预留插入式流量计接口，可采用标准表（或比对仪表）实现流量计在线检测；,2,、对于没有预先考虑流量计在线检测的管路，采用外夹式超声波流量计是最可行的办法；,3,、建议,：（,1,）大口径管道,流量计均应在设计时就着手考虑在线检定问题,提供配套的校准器或具备完善的自诊断功能,;,（,2,）,需制定相应的规程,指导实际的在线检测工作,;,（,3,）在线检测工作技术要求高，应培训专门的技术人员。,