污水流量測量中流量計的選型

摘要：環(huán)保產業(yè)對污水流量的測量和控制的精確度、可靠性要求已越來越高，文章介紹了電磁式、渦街式、節(jié)流式等幾種流量計的選型設計，結合水處理工藝，從理論和實踐兩方面闡述各自的特點。  
    國外一位流量專家F.C.Kinghoro曾說過，流量計是少數(shù)幾種使用比制造艱難的粘性摩擦作用，還會產生不穩(wěn)定的旋渦和二次流等復雜流動現(xiàn)象。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(tài)（紊流狀態(tài)、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(fā)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(tài)、安裝要求與環(huán)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。除了儀表自身質量要得到保證，工藝數(shù)據的提供和儀表的安裝、使用、維護是否合理也相當重要。本文介紹電磁式、渦街式、節(jié)流式等幾種流量計的選型設計。 
    1.電磁流量計選型設計 
    電磁流量計自20世紀50年代末國內首次工業(yè)應用以來，七八十年代在流量測量中運用和發(fā)展很快。電磁流量計的工作原理是基于法拉第電磁感應定律，即被測介質垂直于磁力線方向流動，因而在與介質流動和磁力線都垂直的方向上產生一感應電動勢EX感應電動勢EX與被測介質流量（流速）成正比，電磁流量計不受溫度、壓力、粘度、重度等外界因素的影響，測量管內部無收縮或凸出部分的壓力損失，另外，流量元件檢測出的最初信號，是一個與流體平均流速成精確線性變化的電壓，它與流體的其他性質無關，具有很大的優(yōu)越性。 
    根據污水具有流量變化大、含雜質、腐蝕性小、有一定的導電能力等特性，測量污水的流量，電磁流量計是一個很好的選擇。它結構緊湊、體積小，安裝、操作、維護方便，如測量系統(tǒng)采用智能化設計，整體密封加強，能在較惡劣的環(huán)境下正常工作?？蛇x用氯丁橡膠襯里，含鉬不銹鋼（OCrI8Ni12Mo2Ti）電極的電磁流量計，即可滿足污水流量測量的要求。 
    某冶煉廠在生產中，由于生產工藝的需要，會產生大量的工業(yè)污水，污水處理分廠必須對污水的流量進行監(jiān)控。在以往的設計中，流量儀表不少都選用旋渦流量計和孔板流量計。而實際應用中發(fā)現(xiàn)測量的流量顯示值與實際流量偏差較大，而改用電磁流量計偏差大大減小。 
    2.渦街流量計選型設計 
    渦街流量計作為一種新型流量計，80年代中期以來發(fā)展較快，它在流量測量方面有著諸多的優(yōu)點和長處，在現(xiàn)代流量測量中應用越來越廣泛。在國內使用渦街流量計進行流量測量也愈來愈得到重視，目前我國已有性能優(yōu)良并有自主知識產權的產品系列。渦街流量計是基于流體振動發(fā)展起來的，根據旋渦的不同，檢測方式從熱絲式、熱敏式逐漸發(fā)展了應力式、磁敏式及差動開關電容式、超聲波式等。渦街流量計幾乎可用于一切可形成旋渦列的場合，不僅可用于封閉的管道，還可用于開放的溝槽。與渦輪流量計相比，渦街流量計沒有可動的機械部件，維護工作量小，儀表常數(shù)穩(wěn)定；與孔板式流量計相比，渦街流量計測量范圍大，壓力損失小，準確度高，安裝與維護簡單。但渦街流量計的環(huán)境相關參數(shù)較多，容易在使用現(xiàn)場被忽略而影響流量計性能的正確發(fā)揮。 
    渦街流量計的原理是在流量計管道中，設置一滯流件，當流體流經滯流件時，由于滯流件表面的滯流作用等原因，在其下游會產生兩列不對稱的旋渦，這些旋渦在滯流件的側后方分開，形成所謂的卡門（Karman）旋渦列，兩列旋渦的旋轉方向是相反的，卡門從理論上證明了當h/L=0.281（h為兩旋渦列之間的寬度，L為兩個相鄰旋渦間的距離）時，旋渦列是穩(wěn)定的雷諾數(shù)Re是表征粘性流體流動特性的一個無量綱數(shù)，其物理意義是流體流動的慣性力與粘滯力的比值。因此，流體的流動狀態(tài)對渦街流量計的使用也有一定的影響。如果環(huán)境參數(shù)對流體流動狀態(tài)有影響也會影響到渦街流量計的使用性能。 
    經過實踐，如下幾個方面對渦街流量計的使用都有影響，應對這些問題進行分析。 
    （1）渦街流量計的測量范圍較大，一般10：1，但測量下限受許多因素限制：Re＞10000是渦街流量計工作的最基本條件，除此以外，它還受旋渦能量的限制，介質流速較低，則旋渦的強度、旋轉速度也低，難以引起傳感元件產生響應信號，旋渦頻率f也小，還會使信號處理發(fā)生困難。測量上限則受傳感器的頻率響應（如磁敏式一般不超過400Hz）和電路的頻率限制，因此設計時一定要對流速范圍進行計算、核算，根據流體的流速進行選擇。使用現(xiàn)場環(huán)境條件復雜，選型時除注意環(huán)境溫度、濕度、氣氛等條件外，還要考慮電磁干擾。在強干擾如高壓輸電電站、大型整流所等場合，磁敏式、壓電應力式等儀表不能正常工作或不能準確測量。 
    （2）振動也是該類儀表的一大勁敵。因此在使用時注意避免機械振動，尤其是管道的橫向振動（垂直于管道軸線又垂直旋渦發(fā)生體軸線的振動），這種影響在流量計結構設計上是無法抑制和消除的。由于渦街信號對流場影響同樣敏感，故直管段長度不能保證穩(wěn)定渦街所必要的流動條件時，是不宜選用的。即使是抗振性較強的電容式、超聲波式，保證流體為充分發(fā)展的單向流，也是不可忽略的。 
    （3）介質溫度對渦街流量計的使用性能也有很大的影響。如壓力應力式渦街流量計不能長期使用在300℃狀態(tài)下，因其絕緣阻抗會由常溫下的10MΩ～100MΩ急降至1MΩ～10KΩ，輸出信號也變小，導致測量特性惡化，對此宜選用磁敏式或電容式結構。在測量系統(tǒng)中，傳感器與轉換器宜采用分離安裝方式，以免長期高溫影響儀表可靠性和使用壽命。  
    渦街流量計是一種比較新型的流量計，處于發(fā)展階段，還不很成熟，如果選擇不當，性能也不能很好發(fā)揮。只有經過合理選型、正確安裝后，還需要在使用過程中認真定期維護，不斷積累經驗，提高對系統(tǒng)故障的預見性以及判斷、處理問題的能力，從而達到令人滿意的效果。 
    3.節(jié)流式流量計選型設計 
    節(jié)流式流量計是早期大量使用的一種測量流量的計量裝置，其歷史最長，用量最多?，F(xiàn)在常見的為圓孔板型和錐形入口板型，其工作原理是在流體管道中加入一孔板節(jié)流件，通過導壓管引入壓差變送器測出節(jié)流件上、下游的壓差，根據所測的壓差經過計算即得出流量的瞬時值。由于導壓管內水的不流動性，在較寒冷地區(qū)，冬天室外安裝的孔板取壓管容易凍裂（凍?。?，使差壓儀器無法正常工作。測量較臟的污水時，孔板需經常清洗。如清洗不及時，測量精度降低，取壓管經常被污物堵死，儀表無法使用。用孔板的方式測流量時還有壓力損失大、維護量大等缺點。因此改變取壓方式，例如用徑距取壓法，就可以減少孔板污物的影響。 
    4.結語 
    以上幾種污水流量測量流量計中，電磁流量計性能較好，節(jié)流流量計應用范圍廣，而渦街流量計比較新型，并正在不斷發(fā)展。只有了解這幾種流量計各自的性能，才能對流量計選型設計好，使污水流量的測量和控制達到精確度和可靠性要求。