大口径流量计在线检测技术探讨

1大口径流量计在线检测技术探讨张洪军2014年9月▪杭州报告内容一、大口径流量测量特点和流量仪表二、液体流量标准装置三、大口径流量计在线检测关于大流量的测量随着工业发展，管道尺寸不断增大，同时带来大口径流量仪表测量问题，电磁流量计口径最大已经达3m，超声流量计已经能用到5-10m管道。大口径流量计检测校准是一个难题。一、大口径流量测量特点和流量仪表电磁流量计超声波流量计节流式流量计插入式流量计1、大口径液体管路流量测量的特点和要求①管路口径大要求压损越小越好。一般不允许用局部缩径的方法提高流速。②流速一般都不高。新设计安装的管路，一般均选择经济流速。因为流速太低，势必增加管路的投资，流速太高，会造成功力损耗大幅度增加，导致运行成本上升，都是不经济的。但有些老管路，由于增产的需要而提高了流速。③由于流速较低，流体中的污垢、淤泥等极易在管道内壁沉积。作系统设计时应考虑仪表与流体接触部分的清洗。（一）大口径管路流量计-液体④测量范围度要求大。有些水管夜间和日间、冬季和夏季流量相差悬殊，多达1O-20倍，因此，这些水的流量计就要求范围度特别大。⑤防护等级要求高。大口径管路大多埋地敷设，为的是节省空间，在北方，也是防冻的需要。因此流量传感器大多被安装在仪表井内的管段上。由于雨水、井壁渗漏和管路外漏等原因常常引起井内水位上升而淹没流量传感器，所以设计时就应估计到这种情况，选用防持续浸水影响的流量传感器，例如IP68的防护等级（由IEC（INTERNATIONALELECTROTECHNICALCOMMISSION）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：vDQ241QDkBQE4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；ф为仪表常数kBDvE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u≥1m/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；LDuT1R1T2R2ααuc流速u声速c探头一般均具有双功能声路角αcos22Ltcu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：LDuT1R1T2R2ααuc发射接收介质Luctfcos111顺流时Luctfcos122逆流时Lufffcos221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。Lufcos2sinDLfDffLu2sin)(cos221当α＝45°时fDuLDuT1R1T2R2ααuc2112212111ttttttfff实际上：2112ttttDu本质与时差法相同讨论a.频差法测得的是直径上的平均流速uD，求流量需要的是整个管道截面的平均流速uA，uA=f(uD)函数关系随流型而变；LDuT1R1T2R2ααuc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LDuT1R1T2R2ααuc当超声波束打在一粒子上，发射超声波f1，粒子接收f212cosfcucf2cosfuccfs存在散射粒子（介质非洁净，污水测量）连续超声波工作条件SRRfcvcf粒子又以f2的频率反射出去，接收器接到的频率为fsSsRfvccf多普勒法测量原理接收与发射超声波频率之差为11cos2fcufffs流体流速ffcucos21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。)cos21(coscoscos112cufucucffuccfs根据折射定理(Snall斯纳尔定律)c1Ф1Фcθcossinsin11ccc声楔是固定材料，c1变化较小，而且尽量选择声速稳定的材料作为声楔材料。ffcu111sin2ffcucos21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。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DN≥150mm、v≥0.3m/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。故障诊断现象：①示值不准；②无示值；③流量为负；④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①②④；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①②；3.电缆连接—上下游换能器电缆若接反可导致③；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①。国外主要厂商产品介绍①德国KROHNE•高精度；•低功耗1W，可使用太阳能；•DN80流速上限57m/s；•DN400流速上限30m/s；•示值误差±0.2%；•重复性0.2％；ALTOSONICIV4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0~20m/s；•当流速大于0.5m/s时，示值误差±0.5%；•当流速小于0.5m/s时，绝对误差为±2.5mm/s•重复性0.2％；UFM3030KROHNE3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57m/s；•DN600流速上限30m/s；•低功耗1W；•示值误差±1%；•重复性0.2％；OPTISONIC7060KROHNE双声道便携式超声流量计•外贴式安装方便；•32位流量计算机；•宽脉冲时差式和多普勒两用；•基本精度±1%；1010WP②美国康乐创CONTROLOTRON③英国MICRONICS便携式液体超声流量计•带图表显示功能LCD；•覆膜触摸式按键16个；•管径范围：50-1000mm；•流速：0.12-12.39m/s;•重复性：±0.5%;•读数误差：±1-3%;•长度：236mm;•宽度：125mm;•高度：41mm;•重量：小于1.5kg;④日本富士电机FUJI新式脉冲多普勒法与传播时间差法并用的新一代混合型超声波流量计•脉冲多普勒方式：流速范围：0~±0.3m/s~4m/s；精度：0.5％~1.0％。•传播时间差方式：流速范围：0～±0.3m/s～32m/s；精度：1.0％～1.5％。FSH/FSW国内主要厂商产品介绍①北京昌民多声道气体超声流量计具有国际专利的非实流标定技术（干标）流速范围：0.5~35m/s；准确度等级：0.5级；重复性：0.2％；功率：15W；URG-1000非满管型超声流量计URG-1010北京昌民增加液位计测量液位，计算出实际流体的截面积，从而计算流量。唐山汇中浙江天信TLU、TLU-A型超声水表TLU-B型超声水表技术参数（一）管径范围：DN50~DN200；准确度等级：1级、2级可选；量程比(Q3/Q1)：TLU：100；工业计量使用TLU-A：400；直通TLU-B：500；缩径，带整流器测量介质：水及其他均质液体，壳体材质：TLU为铸钢；TLU-A为球墨铸铁，表面处理工艺：水基环保漆；TLU-B为铸铝101A，热处理T6,表面防腐处理阳极氧化技术参数（二）最大允许工作压力：1.6MPa；温度等级：T50(0.1℃~50℃)；气候环境等级：C级(室外安装)；电磁环境等级：E1级；防护等级：IP68(潜水型)；工作电源：内电源和外部电源可单独或混合供电；内电源：功耗≤0.00072W，单节锂电池，可连续工作8年以上，可更换；外电源：DC24V（±10%），功耗≤0.8W。三峡工程中水流量测量三峡工程中水流量测量它是目前工业生产过程中流量测量最成熟、最常用的方法之一。节流流量计是基于流体流动的节流原理，即在管道中安装一个比管道截面小比并带孔的阻件，当流体流过该阻件的孔时，由于流体流束的收缩而使流速加快、静压力降低，其结果是在阻件前后产生一个较大的压差。标准节流件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管。(a)标准孔板(b)喷嘴(c)文丘里管（3）节流流量计节流式流量计特点测量对象：流体方面，单相、混相、洁净、脏污；工作状态：常压、高压、真空、常温、高温、低温；管径方面：从几毫米到几米；节流式特点：结构简单、使用寿命长，适应能力强，几乎能测量各种工况下的流量。节流式流量计孔板引压管差压计应用非常广泛。——节流式流量计的使用特点和要求标准孔板应用广泛，它具有结构简单、安装方便的特点，适用于大流量的测量。孔板测量的压损大，当不允许有较大的管道压损时，便不宜采用。在一般场合下，仍采用孔板为多。标准喷嘴和标准文丘里管的压力损失较孔板为小，但结构比较复杂，不易加工。标准节流装置仅适用于测量管道直径大于50mm，雷诺数在104～105以上的流体；流体应当清洁，充满全部管道，不发