电磁流量计在污水处理中的应用

      流量测量技术是发展得比较早、且至今仍在迅速发展的学科，流量测量在工业、商业、交通等各个部门均有极广泛的应用。在工业生产过程各种参数（如压力、温度、液位等）的测量中，以流量测量最为复杂，也是较难准确测量的参数。因而引起众多学者对流量测量进行研究、开发，研制出数十种原理各异的流量测量仪表，提供给用户，满足了大量流量测量任务的需要。

      随着工业的飞速发展，流量测量所面临的任务越来越繁重，要求也越来越高，再有，环境污染日益严重，为减少污染，必须对排放的污水、污泥等进行计量和控制。这些排放物多含有颗粒、杂质、油珠，呈多项混合状态，且输送管线多为地下，一般仪表很难完成测量任务，这就需要寻找更切合实际的方法。在污水流量仪表的正确选型之前，首先介绍3种可能选用的流量仪表的特点。

      1 3种流量仪表的特点

      1.1 节流装置

      标准节流装置包括标准孔板、标准喷嘴、文丘里喷嘴，非标准节流装置包括1/4圆喷嘴、双重孔板、圆缺孔板。不同的节流装置有不同的界限雷诺数。由最小流量算出的最小雷诺数必须大于所选的节流装置的界限雷诺数，这时的流量系数才为常数，这是基本条件。然后再根据工艺所要求的允许压力损失和节流装置前、后的最小直管段来最后选择何种节流装置。一般情况下，上游和下游直管段分别为15D和5D。

      一般情况下，推荐下列差压值。

      低压气体——差压范围在1~4kPa时，宜采用1.6kPa；液体——差压范围在16~40kPa时，宜采用25kPa；中高压气体及蒸汽——差压范围在40~100kPa，宜采用60kPa。

      节流装置一般安装在水平管道上，若要安装在垂直管道上，则气体、饱和水蒸汽、湿气体的流向宜自上而下；液体的流向必须自下而上。

      节流装置必须与差压变送器或差压流量变送器配套使用，其测量管路系统较为复杂，同时随着节流装置节流孔逐渐磨损，而改变了原设计计算的流量系数，以致造成测量误差的增大。流体密度和黏度的改变，也会造成测量误差的增大。

      1.2 电磁流量计（管道式）

      适用于电导率大于5μS/cm的导电液体。介质的最高压力为4MPa，介质的温度范围-60~180℃。具有测量精度高、量程比大（最大可达1000:1）、系统无压力损失、附加功能多等特点。前后直管段为5D和2D。电磁流量计的传感器最高防护等级可达IP68（潜水型），有普通型、隔爆型和本安型三类产品。

      电磁流量计可以在任意管道上安装，但是电磁流量计测量电极的轴线必须保持水平方向，且与管道中心线互相垂直。电磁流量计的传感器一定要安装在不产生气体的管道上，同时液体必须充满管道。

      1.3 超声波流量计（夹持型）

      1997年插入式超声波流量计还没有推入市场，夹持型是超声波流量计的主流产品。它适用于能传播超声波的均匀液体和流速较高的气体。介质温度范围-10~100℃，介质压力不受限制。具有量程比宽，不受流体的黏度、密度的影响、能测强腐蚀介质等特点。前后直管段为10D和5D。

      超声波流量计的探头要求与管壁紧密安装，不能有空气泡及沙砾。探头的安装方式共有四种：分别称为V法、Z法、N法、M 法。V法为标准安装方法，Z法适用于大管径测量，N法和M 法适用于小管径测量。管道内壁的粗糙度、结垢以及介质含有颗粒、气泡等均对流量计的精度有很大影响。

      2 流量计选型一般考虑的问题

      1）被测流体的类型（液体、气体、蒸汽等）、状态（清的、脏的、浆液等）及性质（有腐蚀性、无腐蚀性等）。
      2）工艺过程操作条件及温度压力的界限值。
      3）流量计的安装条件：管道的口径尺寸，上游能提供的直管段，管道是否过量振动，环境的温度和湿度等。
      4）仪表精度和量程的选用。
      5）经济性。
      6）仪表的日常维护和可靠性。

      3 流量计的选型

      根据选型原则和对3种仪表的主要性能的比较（见表1）。对炼油污水进行流量测量选用电磁流量计最为适合。1997年锦州石化公司新建并投运了1套700m³/h炼油污水处理场，流量测量仪表主要选用开封仪表厂生产的E-mag分离型电磁流量计，运行至今效果良好。

表1 3种流量测量仪表主要性能比较 

      4 E-mag电磁流量计

      4.1 传感器的基本原理和结构

      由电磁感应定律可知，导体在磁场中运动而切割磁力线时，在导体中就会有感应电势产生。同理，导电流体在磁场中作垂直方向流动而切割磁力线时，也会在两电极上产生感应电势，并存在如下关系。

      E_x=BDν×10^-12                          （1）

      式中 E_x--感应电势，V；
             B-- 磁感应强度，T；
             D-- 管道直径，即导体垂直切割磁力线的长度，cm；
             ν--液体平均流速，cm/s。

      体积流量qv（cm³/s）与流速的关系为

                                  （2）

      将式（2）代人式（1）得

      E_x=（4×10^-12 B/D）q_v=kq_v       （3）

      在D已确定并维持B不变时，k 就是一个常数，这时感应电势则与体积流量具有线性关系。因此，在管道两侧（导管式）各插入一根电极，便可以引出感应电势，经转换器运算放大，就可以显示流量的大小。

      为了避免磁力线被测量导管的管壁短路，并使测量导管在较强的交变磁场中尽可能地降低涡流损耗，E-mag 的测量导管由非导磁的不锈钢材料制成。

      用不锈钢等导电材料做导管时，在测量导管内壁与电极之间必须有绝缘衬里，以防止感应电势被短路。E-mag 电磁流量计为了防止导管被腐蚀并使内壁光滑，在整个测量内壁涂上了绝缘衬里。衬里材料视工作温度、介质腐蚀性的不同而不同，可选用橡胶、聚氨酯、聚丙稀等。

      4.2 转换器的基本原理和使用

      E-mag 电磁流量计的转换器采用新颖的励磁方式，使流量计具有优越的零点稳定性和测量精确度。转换器向传感器提供精确的双向恒流驱动电流，以驱动传感器励磁线圈。本身工作频率由单片机控制，不受电源频率变化的影响。励磁电路在磁场反向时由能量恢复系统提供一个高的反向电压，加速克服反向时的磁场阻力。

      由传感器测得的微弱感应电势，输人至转换器的测量系统。经高输人阻抗放大器放大、滤波和自动零点调整及增益控制后，经高性能、高精度信号转换，将模拟信号转换为数字量。单片机将数字信号采样后，计算出流速以及期望得到的各测量值、模拟输出、脉冲输出值等。LCD液晶显示器可显示各测量值。为了减小信号衰减，提高精度，分离型流量计的转换器和传感器之间采用STT3200专用信号电缆。

      为了使转换器能够理想地工作，还要对它进行菜单编程，菜单结构如图1所示。通过转换器上的4个操作按键，可方便地调出编程菜单，输入参数，确认即可。例如，需要转换器模拟输出4~20mA，通过按键调出菜单，操作过程如图1所示。