污水處理中對電磁流量計的應用

流量測量技術是發展得比較早、且至今仍在迅速發展的學科，流量測量在工業、商業、交通等各個部門均有極廣泛的應用。在工業生產過程各種參數（如壓力、溫度、液位等）的測量中，以流量測量zui為復雜，也是較難準確測量的參數。因而引起眾多學者對流量測量進行研究、開發，研制出數十種原理各異的流量測量儀表，提供給用戶，滿足了大量流量測量任務的需要。

      隨著工業的飛速發展，流量測量所面臨的任務越來越繁重，要求也越來越高，再有，環境污染日益嚴重，為減少污染，必須對排放的污水、污泥等進行計量和控制。這些排放物多含有顆粒、雜質、油珠，呈多項混合狀態，且輸送管線多為地下，一般儀表很難完成測量任務，這就需要尋找更切合實際的方法。在污水流量儀表的正確選型之前，首先介紹3種可能選用的流量儀表的特點。

      1 3種流量儀表的特點

      1.1 節流裝置

      標準節流裝置包括標準孔板、標準噴嘴、文丘里噴嘴，非標準節流裝置包括1/4圓噴嘴、雙重孔板、圓缺孔板。不同的節流裝置有不同的界限雷諾數。由zui小流量算出的zui小雷諾數必須大于所選的節流裝置的界限雷諾數，這時的流量系數才為常數，這是基本條件。然后再根據工藝所要求的允許壓力損失和節流裝置前、后的zui小直管段來zui后選擇何種節流裝置。一般情況下，上游和下游直管段分別為15D和5D。

      一般情況下，推薦下列差壓值。

      低壓氣體——差壓范圍在1~4kPa時，宜采用1.6kPa；液體——差壓范圍在16~40kPa時，宜采用25kPa；中高壓氣體及蒸汽——差壓范圍在40~100kPa，宜采用60kPa。

      節流裝置一般安裝在水平管道上，若要安裝在垂直管道上，則氣體、飽和水蒸汽、濕氣體的流向宜自上而下；液體的流向必須自下而上。

      節流裝置必須與差壓變送器或差壓流量變送器配套使用，其測量管路系統較為復雜，同時隨著節流裝置節流孔逐漸磨損，而改變了原設計計算的流量系數，以致造成測量誤差的增大。流體密度和黏度的改變，也會造成測量誤差的增大。

      1.2 電磁流量計（管道式）

      適用于電導率大于5μS/cm的導電液體。介質的zui高壓力為4MPa，介質的溫度范圍-60~180℃。具有測量精度高、量程比大（zui大可達1000:1）、系統無壓力損失、附加功能多等特點。前后直管段為5D和2D。電磁流量計的傳感器zui高防護等級可達IP68（潛水型），有普通型、隔爆型和本安型三類產品。

      電磁流量計可以在任意管道上安裝，但是電磁流量計測量電極的軸線必須保持水平方向，且與管道中心線互相垂直。電磁流量計的傳感器一定要安裝在不產生氣體的管道上，同時液體必須充滿管道。

      1.3 超聲波流量計（夾持型）

      1997年插入式超聲波流量計還沒有推入市場，夾持型是超聲波流量計的主流產品。它適用于能傳播超聲波的均勻液體和流速較高的氣體。介質溫度范圍-10~100℃，介質壓力不受限制。具有量程比寬，不受流體的黏度、密度的影響、能測強腐蝕介質等特點。前后直管段為10D和5D。

      超聲波流量計的探頭要求與管壁緊密安裝，不能有空氣泡及沙礫。探頭的安裝方式共有四種：分別稱為V法、Z法、N法、M 法。V法為標準安裝方法，Z法適用于大管徑測量，N法和M 法適用于小管徑測量。管道內壁的粗糙度、結垢以及介質含有顆粒、氣泡等均對流量計的精度有很大影響。

      2 流量計選型一般考慮的問題

      1）被測流體的類型（液體、氣體、蒸汽等）、狀態（清的、臟的、漿液等）及性質（有腐蝕性、無腐蝕性等）。
      2）工藝過程操作條件及溫度壓力的界限值。
      3）流量計的安裝條件：管道的口徑尺寸，上游能提供的直管段，管道是否過量振動，環境的溫度和濕度等。
      4）儀表精度和量程的選用。
      5）經濟性。
      6）儀表的日常維護和可靠性。

      3 流量計的選型

      根據選型原則和對3種儀表的主要性能的比較（見表1）。對煉油污水進行流量測量選用電磁流量計zui為適合。1997年錦州石化公司新建并投運了1套700m³/h煉油污水處理場，流量測量儀表主要選用開封儀表廠生產的E-mag分離型電磁流量計，運行至今效果良好。

      4 E-mag電磁流量計

      4.1 傳感器的基本原理和結構

      由電磁感應定律可知，導體在磁場中運動而切割磁力線時，在導體中就會有感應電勢產生。同理，導電流體在磁場中作垂直方向流動而切割磁力線時，也會在兩電極上產生感應電勢，并存在如下關系。

      E_x=BDν×10^-12                          （1）

      式中 E_x--感應電勢，V；
             B-- 磁感應強度，T；
             D-- 管道直徑，即導體垂直切割磁力線的長度，cm；
             ν--液體平均流速，cm/s。

      體積流量qv（cm³/s）與流速的關系為

                                  （2）

      將式（2）代人式（1）得

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

      在D已確定并維持B不變時，k 就是一個常數，這時感應電勢則與體積流量具有線性關系。因此，在管道兩側（導管式）各插入一根電極，便可以引出感應電勢，經轉換器運算放大，就可以顯示流量的大小。

      為了避免磁力線被測量導管的管壁短路，并使測量導管在較強的交變磁場中盡可能地降低渦流損耗，E-mag 的測量導管由非導磁的不銹鋼材料制成。

      用不銹鋼等導電材料做導管時，在測量導管內壁與電極之間必須有絕緣襯里，以防止感應電勢被短路。E-mag 電磁流量計為了防止導管被腐蝕并使內壁光滑，在整個測量內壁涂上了絕緣襯里。襯里材料視工作溫度、介質腐蝕性的不同而不同，可選用橡膠、聚氨酯、聚丙稀等。

      4.2 轉換器的基本原理和使用

      電磁流量計的轉換器采用新穎的勵磁方式，使流量計具有*的零點穩定性和測量度。轉換器向傳感器提供的雙向恒流驅動電流，以驅動傳感器勵磁線圈。本身工作頻率由單片機控制，不受電源頻率變化的影響。勵磁電路在磁場反向時由能量恢復系統提供一個高的反向電壓，加速克服反向時的磁場阻力。

      由傳感器測得的微弱感應電勢，輸人至轉換器的測量系統。經高輸人阻抗放大器放大、濾波和自動零點調整及增益控制后，經高性能、高精度信號轉換，將模擬信號轉換為數字量。單片機將數字信號采樣后，計算出流速以及期望得到的各測量值、模擬輸出、脈沖輸出值等。LCD液晶顯示器可顯示各測量值。為了減小信號衰減，提高精度，分離型流量計的轉換器和傳感器之間采用STT3200信號電纜。

      為了使轉換器能夠理想地工作，還要對它進行菜單編程，菜單結構如圖1所示。通過轉換器上的4個操作按鍵，可方便地調出編程菜單，輸入參數，確認即可。例如，需要轉換器模擬輸出4~20mA，通過按鍵調出菜單，操作過程如圖1所示。

      通過以上的操作，就可以得到1個模擬4~20mA輸出信號。通過編程可以對流量量程、脈沖輸出、總量累計、報警點設置、傳感器參數等進行設定。為了保證儀表的正常工作，對于一般參數采取一級保護；對于重要參數如傳感器參數等進行二級保護，分別設置保護密碼。

      這種智能型轉換器在開車過程中起到了很大作用。裝置運行初期，流量變化較大。工藝要求在生化池中培養活性污泥，污水主要打回流，以增加停留時間。這時回流量變得很大，而儀表量程是按穩定狀態下設計的，儀表瞬時流量值已經超出zui程范圍。電磁流量計的量程比可達1000:1，在測量范圍內量程可通過轉換器改變。于是筆者對轉換器重新編程，把量程設置在合理范圍，使流量測量達到滿意效果。當生產流程運行穩定后，再將量程改回即可。

      4.3 電磁流量計的安裝^［1］

      4.3.1 傳感器的安裝

      為了使儀表可靠測量，安裝時要注意以下幾點。

      1）為使傳感器測量導管內始終充滿流體，傳感器可安裝在U型管道zui低部位。
      2）保證傳感器前后直管段分別不小于5D和2D。
      3）如果垂直或傾斜安裝，流體一般應自下而上流動。
      4）應保證測量管與工藝管道同軸。
      5）為防止襯里磨損，可在傳感器進口加裝進口保護法蘭（廠家可提供）。
      6）應避免強烈振動和過大的溫度變化。
      7）安裝場所的磁場強度應小于400A/m。

      4.3.2 電氣接線

      為了保證測量精度，傳感器與轉換器之間的接線應注意以下問題。

      1）在確認電纜型號后，按規定進行接線，接線應正確、牢靠。
      2）電纜剝線時，注意不要損傷應保留的絕緣層。對流量信號線，只要可以接線，就盡量少剝屏蔽層。
      3）連接傳感器與轉換器之間的電纜采用STT3200，兩同軸電纜的內層屏蔽泄漏線絞合后，應套上絕緣套管，然后再接至SIGGND（信號地）端。對黑色半導體層應從根部切除，以免影響其他接線。
      4）傳感器與轉換器之間的電纜長度一般不超過100m。

      5 結束語

      通過對E-mag電磁流量計的實際應用，筆者總結出以下特點。

      1）測量不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導率變化的影響；
      2）測量管內*流動部件，無壓損，直管段要求較低；
      3）傳感器有法蘭型及夾持型，其襯里和電極材料有多種選擇；
      4）SMART轉換器采用勵磁方式，功耗低、零點穩定、度高；量程比可達1000:1；
      5）轉換器采用16位高性能微處理器，參數設定方便，編程可靠；
      6）流量計為雙向測量系統，內裝3個積算器：正向流量、反向流量及差值量累積；可顯示正、反流量，并具有多種輸出：電流、脈沖、HART通訊信號；
      7）橡膠和聚氨酯襯里傳感器為本質沉浸結構；
      8）可用于相應的防爆場所。

      E-mag電磁流量計在污水處理廠中使用后，一直運行良好，操作人員反映讀數準確，操作簡單。不但為裝置達標提供了準確的數據，還為電磁流量計在該公司的應用提供了重要依據。