安裝方式及干擾磁場對流量計準確計量的影響

郭凱新

（新疆機場（集團）公司修建工程部，新疆 烏魯木齊 830016）

隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，流量計被廣泛地用于石油、化工、冶金等工業(yè)部門和市政建設(shè)、環(huán)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(yè)，不同被測介質(zhì)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(yīng)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(jù)各自不同的特點、用途在相關(guān)行業(yè)測量被測介質(zhì)的瞬時流量和體積總量，為現(xiàn)代化生產(chǎn)提供了準確的數(shù)據(jù)。同時，隨著設(shè)計水平和生產(chǎn)工藝的不斷提高，流量計的技術(shù)性能不斷改善，穩(wěn)定性、可靠性得以不斷提高。隨著技術(shù)的成熟，因流量計本身元器件損壞、性能不穩(wěn)而引起故障的概率已經(jīng)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(chǎn)生的干擾，其對流量計準確計量的影響在實際工作產(chǎn)生的概率反而越來越高。如何解決在應(yīng)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(yīng)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(yīng)用過程中應(yīng)注意的問題

渦街流量傳感器的組成部分包括旋渦發(fā)生體、檢測探頭以及相關(guān)的電子線路。它依據(jù)卡門渦街原理，當(dāng)液體經(jīng)過三角柱形旋渦發(fā)生體時，會在旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對稱地排列，且一側(cè)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。

圖1 渦街流量傳感器

公式如下：

式中，f 為渦旋發(fā)生頻率；V 為管道內(nèi)的平均流速；d 是渦旋發(fā)生體的迎面寬度；D 為表體通徑；Sr 為斯特羅哈爾數(shù)

此類型流量計在檢測元件時不接觸流體，且結(jié)構(gòu)簡單、牢固、可靠性離，介質(zhì)透應(yīng)性強，具有良好的抗震性能。最高測量溫度達400℃。

（1）在安裝過程中，流量計上游應(yīng)配置一定長度的直管段，其長度應(yīng)滿足如表1 所示條件。

表1 安裝條件

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

（3）在傳感器的上游側(cè)不應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)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(yīng)盡量采用有旁路閥門的安裝方式。

（5）傳感器應(yīng)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。

圖2 傳感器安裝示意圖

（6）流量計安裝位置應(yīng)避免大動率用電器、變頻器、高壓配電設(shè)施，安裝中應(yīng)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(xiàn)幅度波動較大的現(xiàn)象，而在夜間儀表運行正常。于是，將兩臺流量計對調(diào)發(fā)現(xiàn)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(jīng)現(xiàn)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(huán)境了解時發(fā)現(xiàn)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(tǒng)，如若關(guān)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(fā)現(xiàn)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(jié)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(huán)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(shù)頻繁，變閥器信號線路與流量計二次信號結(jié)路相距較近、平行走向?qū)α髁坑嫯a(chǎn)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(chǎn)生電磁噪聲中的無線電頻率干擾；在變頻器輸出側(cè)加裝線路噪聲濾波器，可以降低頻器輸出側(cè)的線路噪聲。經(jīng)對變頻器加裝噪聲濾器后，流量計恢復(fù)正常計量。

2 電磁流量計安裝過程中應(yīng)注意的問題

電磁流量計的測量原理是導(dǎo)電體在一個磁場內(nèi)運動將在導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)出一個電壓U，電壓與導(dǎo)電液體現(xiàn)場流速V 成正比，即：U=K·B·V·D。（其中K 為儀表常數(shù)，B 為磁感應(yīng)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(chǎn)生錯誤的流量測量結(jié)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(xiàn)象為流量明顯偏低，且不規(guī)則出現(xiàn)流量消失的現(xiàn)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(huán)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(jīng)對流量計安裝位置進行檢查，發(fā)現(xiàn)在兩臺流量計的上游均有一個碟閥開關(guān)，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(yīng)不可能，但經(jīng)對上游碟閥檢查發(fā)現(xiàn)，由于碟閥經(jīng)常開閉，內(nèi)部閘板在完全開啟時，不到位，產(chǎn)生的擾流影響了流量計的正常計量，經(jīng)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(nèi)，儀表輸出出現(xiàn)波動的不正?，F(xiàn)象，經(jīng)對水井現(xiàn)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(shè)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?dāng)_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）。

圖4 電耦合器隔離電路原理圖

圖5 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(jù)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(huán)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(yīng)用過程中應(yīng)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。

圖6 超聲波流量計

超聲波流量計經(jīng)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(dāng)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(chǎn)生錯誤計量。因此，在應(yīng)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(xiàn)金屬的光亮。

安裝超聲波流量計應(yīng)避免安裝在劇烈震動的管道上，使用水平管道時，一般應(yīng)安裝在管道的側(cè)面，避免安裝在頂部、下部（可能產(chǎn)生干擾信號），安裝點要遠離節(jié)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(jù)一定的有效載面積，則流量計將產(chǎn)生計量誤差，同時，也會使超聲波發(fā)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(yīng)考慮管道結(jié)垢對計量數(shù)據(jù)準確度的影響。對結(jié)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(chǎn)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件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(jié)語

計量是工業(yè)生產(chǎn)的眼睛，流量計在工業(yè)生產(chǎn)中占有重要位置。隨著設(shè)計水平和生產(chǎn)工藝的不斷提高，流量計的技術(shù)性能不斷得到改善。現(xiàn)階段，市面上應(yīng)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(chǎn)效率。