工業(yè)污水流量監(jiān)測(cè)中流量計(jì)的選型

傅其鳳 楊亞磊 安旭朝

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，石家莊 050018)

在進(jìn)行工業(yè)園區(qū)污水流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，流量計(jì)的合理選型尤為關(guān)鍵。筆者在首先明確測(cè)量介質(zhì)的前提下，對(duì)幾種常用流量計(jì)的原理、應(yīng)用范圍和性能特點(diǎn)進(jìn)行了綜合比較，選擇出運(yùn)行穩(wěn)定可靠、能夠提供精確流量數(shù)據(jù)的流量計(jì)，為工程技術(shù)人員提供一定的參考。

1 電磁流量計(jì)①

1.1 工作原理

法拉第電磁感應(yīng)是電磁流量計(jì)進(jìn)行流量監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。在結(jié)構(gòu)上，電磁流量計(jì)由兩部分組成：電磁流量傳感器和轉(zhuǎn)換器，如圖1所示[1]。

圖1 電磁流量計(jì)的組成

電磁流量計(jì)的傳感器安裝在工業(yè)污水排放管道上，利用導(dǎo)電介質(zhì)在磁場(chǎng)中流動(dòng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，轉(zhuǎn)換器接收此信號(hào)，然后再放大傳感器送來(lái)的流量信號(hào)，輸出與流量信號(hào)成正比的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顯示、累積與調(diào)節(jié)的控制。

1.2 適用范圍

電磁流量計(jì)主要用于測(cè)量多種導(dǎo)電液體的體積流量，但其電導(dǎo)率最小應(yīng)大于10-7s/m。不能測(cè)量非導(dǎo)電的流體(油品)、含有較大氣泡的液體和蒸汽。按照結(jié)構(gòu)電磁流量計(jì)主要分為一體型和分體型。分體型應(yīng)用在振動(dòng)劇烈、含有爆炸性氣體和高溫流體的場(chǎng)合；而一般情況下，一體型就能滿足要求。

對(duì)于含有各種酸、堿、鹽的強(qiáng)腐蝕性污水，各種水泥漿、礦漿及纖維溶液等具有較大磨損性的流體，奶類、酒類及糖漿等衛(wèi)生要求十分嚴(yán)格的液體[2]，電磁流量計(jì)都是特別適用的。給排水工程中更多使用大口徑流量計(jì)；而要求比較高、測(cè)量困難的場(chǎng)合則更多地使用小口徑流量計(jì)。

1.3 應(yīng)用特點(diǎn)

電磁流量計(jì)在運(yùn)行過(guò)程中耗能最低，不受所測(cè)流體的水質(zhì)、壓力、溫度、粘度及密度等影響。其流速調(diào)節(jié)范圍大，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，上限范圍一般在0.3～10.0m/s，下限一般可為流量計(jì)量程的10%，建議流速為1～5m/s效果更好。在現(xiàn)場(chǎng)可以按照企業(yè)排污管道口徑來(lái)選擇流量計(jì)口徑以滿足測(cè)量精度要求。為了減少流體對(duì)襯里的磨損，可以把傳感器中的流速降低；也可以為了避免流體中固體物沉淀而把傳感器內(nèi)的流速提高。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了防止含有固體顆粒物的污水對(duì)襯里、電極產(chǎn)生磨損，一般情況下選擇的傳感器口徑比較大，并且其中的流速在3m/s以下為宜[3]，但為了確保流速的對(duì)稱分布，要盡量加長(zhǎng)上、下游的直管長(zhǎng)度。

一般情況下要求電磁流量計(jì)滿管測(cè)量，所以最好是所測(cè)污水從下往上，流量計(jì)垂直安裝[4]，這樣污水中所含的雜物可以沉積下來(lái)，油脂上升遠(yuǎn)離電極，從而達(dá)到流體充滿管道，保證流量數(shù)據(jù)的可靠性。但在無(wú)法保證垂直的情況下，為避免污水中空氣泡的干擾，測(cè)量電極應(yīng)處于水平的軸線上，從而規(guī)避測(cè)量誤差。

2 超聲波流量計(jì)

2.1 工作原理

超聲波流量計(jì)的測(cè)量方法很多，但在各種測(cè)量原理中，目前多普勒超聲波流量計(jì)和時(shí)差超聲波流量計(jì)是比較常用的兩種類型。多普勒超聲波流量計(jì)是通過(guò)向流動(dòng)著的液體發(fā)射聲波，測(cè)量從被測(cè)流體的散射體(固體顆粒或者氣泡)上返回信號(hào)的多普勒頻移fd來(lái)確定被測(cè)流體的流動(dòng)速度v，即利用相位差法測(cè)量流速，基本原理如圖2所示[5]。

圖2 多普勒超聲波流量計(jì)工作原理簡(jiǎn)圖

時(shí)差超聲波流量計(jì)通過(guò)測(cè)量隨超聲波傳播速度而變化的逆流與順流的時(shí)間差Δt來(lái)確定被測(cè)流體的流速v，即利用時(shí)間差法測(cè)量流速，基本原理如圖3所示。

圖3 時(shí)差超聲波流量計(jì)工作原理簡(jiǎn)圖

2.2 適用范圍

時(shí)差超聲波流量計(jì)適用于潔凈、沒(méi)有太多氣泡或懸浮顆粒的均勻流體，要求雜質(zhì)含量小于10g/L，且粒徑小于1mm為宜[6]，如自來(lái)水公司和工業(yè)用水領(lǐng)域。

對(duì)于含有一定量能反射超聲波信號(hào)的顆粒或氣泡的流體，如工廠排放液、未處理的污水及雜質(zhì)含量穩(wěn)定的工廠過(guò)程液等，則多普勒超聲波流量計(jì)比較適用。

2.3 應(yīng)用特點(diǎn)

超聲波流量計(jì)維護(hù)工作量比較小，不同聲道的標(biāo)準(zhǔn)型、高溫型、防爆型及濕式型等流量計(jì)可以適應(yīng)不同介質(zhì)、不同場(chǎng)合和不同管道條件的流量測(cè)量。在安裝使用中，要求前、后直管段比較長(zhǎng)，而且對(duì)傳感器的安裝情況要求比較嚴(yán)格，實(shí)踐中證明Z形安裝，傳感器的方向與水平位置的夾角小于45°時(shí)準(zhǔn)確度高、運(yùn)行穩(wěn)定性好。特別適合于大口徑管道流量的監(jiān)測(cè)，并且不像其他流量計(jì)一樣隨著口徑的變化價(jià)格也會(huì)升高。

3 V錐流量計(jì)

3.1 工作原理

V錐流量計(jì)的測(cè)量原理是基于伯努利和流體連續(xù)性方程[1]，當(dāng)流體流經(jīng)懸掛在管道中的V形錐與管壁所形成的間隙時(shí)，流體流速加快，在V錐的最大端壓力達(dá)到最大，而在下游處壓力最小，從而在V錐前、后產(chǎn)生壓差Δp，通過(guò)對(duì)壓差的測(cè)量達(dá)到對(duì)流量的監(jiān)測(cè)，其結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

圖4 V錐流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖

3.2 適用范圍

V錐流量計(jì)適用于各種氣體、液體、煤氣、各種臟污氣體介質(zhì)、直管段不足的場(chǎng)所和對(duì)精度要求高的地方。特別適合測(cè)量液體中含氣、氣體中含水和液體或氣體含有固定顆粒或其他雜質(zhì)的介質(zhì)流體。

3.3 應(yīng)用特點(diǎn)

V錐流量計(jì)在使用中具有自整流、自清洗、自保護(hù)功能[7]，而且直管段要求極短，上游一般為3D左右，下游約為1D的長(zhǎng)度，即使在沒(méi)有直管段的情況下，也能保持±0.5%的測(cè)量精度，沒(méi)有污染物的堆積，不會(huì)產(chǎn)生堵塞的情況，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行。V錐流量計(jì)的噪聲很小(信噪比約為1∶0.0014)，壓力損失也小，這是其他流量計(jì)所不及的特點(diǎn)。大范圍的測(cè)量量程，穩(wěn)定的壓差信號(hào)，使得V錐流量計(jì)對(duì)于小流量的監(jiān)測(cè)也很準(zhǔn)確，同時(shí)不受安裝位置的限制，可以水平、垂直或傾斜安裝。

4 幾種流量計(jì)的綜合比較

電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、V錐流量計(jì)都可以用于工業(yè)污水的監(jiān)測(cè)。超聲波流量計(jì)對(duì)所測(cè)介質(zhì)的條件更為苛刻。本案例中所選的流量計(jì)是用于對(duì)工業(yè)園區(qū)企業(yè)污水排放量的計(jì)量收費(fèi)，在測(cè)量精度方面，超聲波流量計(jì)的穩(wěn)定性和測(cè)量精度要比電磁流量計(jì)差一些，并且超聲波流量計(jì)要求很長(zhǎng)的直管段，這又對(duì)安裝條件有限制。

電磁流量計(jì)與V錐流量計(jì)都適用于環(huán)境較惡劣的場(chǎng)合。在測(cè)量精度上，V錐流量計(jì)要比電磁流量計(jì)高，而且安裝更靈活，對(duì)上、下游直管段的要求很短，但V錐流量計(jì)要比電磁流量計(jì)昂貴得多。電磁流量計(jì)的測(cè)量精度雖不及V錐流量計(jì)，但在此應(yīng)用中完全可以滿足要求，而且運(yùn)行穩(wěn)定性和流量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度也很好。表1是使用電磁流量計(jì)對(duì)園區(qū)某個(gè)企業(yè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)連續(xù)4天的累積流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論流量的對(duì)比。

表1 電磁流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)與理論值比較 m3

從監(jiān)測(cè)流量數(shù)據(jù)與理論流量值的對(duì)比可以看出，電磁流量計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，所以可選用電磁流量計(jì)對(duì)工業(yè)污水流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)污水流量監(jiān)測(cè)中被測(cè)對(duì)象在排放量、雜質(zhì)及腐蝕性等方面的多變特點(diǎn)給流量計(jì)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行和精確測(cè)量造成了很大困難。通過(guò)對(duì)幾種常用流量計(jì)的分析、比較、實(shí)際論證和綜合考量，認(rèn)為電磁流量計(jì)對(duì)于監(jiān)測(cè)工業(yè)污水的流量是一個(gè)很好的選擇。