流量儀表在自動化控制系統中的應用

張津林

（天津新科成套儀表有限公司，天津300385）

0 引言

流量、壓力、溫度是檢測物體的三大參數，被廣泛應用于測量中。近年來，隨著我國工業的飛速發展，各類自動化控制系統對流量測量的要求日益提升，流量儀表獲得了廣泛的應用。本文結合具體實例，淺談流量儀表在自動化控制系統中的應用。

1 流量檢測與流量儀表的使用

流量測量是工業測量的常見方法，在我國工業控制領域，如電力、冶金、化工、石油、食品等行業，獲得了廣泛應用。凡涉及質量互變的過程，都需要用到流量測量，流量儀表是進行流量測量的工具，根據測量原理的不同，測量儀表可以分為很多種類，隨著現代測量方法的發展，流量儀表也從最初的差壓式、容積式、電磁式等逐漸發展，不僅結構更加簡潔，功能也日趨多樣。流量儀表測量的精確與否，直接關系到工業控制過程的正確、穩定實現，與我國國民經濟發展有著直接聯系，所以，掌握常見流量儀表的原理，了解典型流量儀表在自動化系統中的應用，對提高工業自動化水平和儀表裝備水平具有重要意義。

2 流量儀表在自動化控制系統中的應用

2.1 流量計在油田自動化計量系統中的應用

油田是應用流量計最為廣泛的行業之一，主要用于產油量計量、統計和分析，測量油井日采出量等，先進的計量和工藝技術有利于及時了解油田開發情況和油井儲層變化情況，分析油氣生產變化的動態，進一步指導油田開發方針。在油田的分隊計量中，采油獲得的原始來液首先經過三相分離器分為3部分，一部分經過調節閥后去壓氣站，一部分經過電磁流量計去沉降罐，還有一部分經過質量流量計去緩沖罐。圖1為質量流量計自動控制系統圖。

圖1 油田質量流量計自動控制系統圖

圖1 中，油水混合液經過質量流量計傳感器采集油管內的流量、溫度和密度等參數信號，上送處理器，通過相關的微機算法，將采集到的原油和水分的相關參數進行分析計算，再經過變送環節，通過TCP／IP以太網通訊，上送監控主機，完成對數據的顯示、存儲、報表、打印等綜合管理功能，實現對多臺油水計量系統的監控。此外，在油田的轉井現場，針對深井普遍存在的高密度和重材料浪費問題，通過流量計傳感器采集和分析鉆井液黏度、密度和離心機性能參數的變化，經過控制系統計算得出離心機的工作轉速和相應處理量后，通過計算機輸出控制，來建立控制系統流程，能夠有效提升重材料的回收利用率，節約重材料的使用費用。

2.2 流量計在電廠工藝系統中的應用

2.2.1 應用于鍋爐送風工藝

在電廠鍋爐中，流量計主要用來測量空氣、蒸汽、鍋爐送風等的流量。最為常用的流量計為旋渦流量計。旋渦流量計使用速度式原理，采用有規律的旋渦剝離現象來進行流量的測量，當蒸汽、風力等流體流過流量計的傳感器時，能夠在前部產生壓力大于管道靜壓的高壓區，當流體流經管道的加速段時，產生壓力小于管道靜壓的低壓區，并在低壓區的后部形成一個有旋渦的真空地帶，這樣就形成了壓力波動，其波動的頻率與氣體的流量成正比，所以通過測量這個振動頻率并經過相應的換算和補償，能夠計算出流體的流速。

以旋渦流量計在鍋爐送風流量中的測量為例，鍋爐的送風流量是體現熱電廠鍋爐和風機運行狀態的重要參數之一，其對鍋爐燃燒的自動控制系統控制有重要作用，實際電廠的送風管道多為矩形截面，常規的流量計很難進行精確的測量，使用旋渦流量計具有較好效果。使用旋渦流量計進行鍋爐送風流量測量時，由傳感器、轉換器、控制中心組成鍋爐送風測量系統，其中傳感器包括旋渦發生體和旋渦檢測器2部分，主要用來進行鍋爐送風流量的測量并將之轉換為對應的頻率信號，該頻率信號在轉換器中進行整形和放大，并輸出4～20 mA的直流控制信號，送至控制中心，進行待測送風流量的顯示、記錄和分析，作為電廠鍋爐運行狀態的重要參考。

使用旋渦流量計進行鍋爐送風流量的測量時，應注意儀表量程的選擇和溫度與壓力的補償問題。將被測流體的常用流量控制在旋渦流量計的1／2～2／3范圍內，可確保旋渦流量計的精度誤差在允許范圍內，同時，還要選擇合適的溫度和壓力測量儀器與旋渦流量計相配套，以建立精密、準確的鍋爐自動化控制系統。隨著計算機和微電子技術的發展，智能型旋渦流量計已經獲得普及，具有流量校正和自診斷功能，能夠根據電廠鍋爐的運行工況進行更加靈活的控制，并對誤差進行修正，技術更加成熟。

2.2.2 應用于煙氣脫硫工藝

流量計在電廠煙氣脫硫工藝中也有廣泛應用，電廠的煙氣排放由于粉塵大、溫度高，且具有一定的腐蝕性，同時電廠鍋爐的風煙道存在紊流和旋流，不利于流量計的準確測量，所以需要設置多個測點來計算平均值。電廠流量測點眾多，包括一次風、二次風、入爐氣體、脫硫煙氣等，給電廠的煙氣檢測帶來了一定的難度。應用于脫硫的煙氣流量計采用了獨特的原理，基于熱擴散原理，根據流體流過傳感器RTD時的溫度差與流量的關系，轉換為線性輸出的流量信號，結合專用的流量數據模型和模糊控制理論，輸出控制信號，通過專用的電荷感應式探針和刮掃裝置來完成系統控制。

2.3 流量計在污水處理工藝系統中的應用

隨著現代工業的飛速發展，城市污水處理的重要性日益提升。在實現了自動化的污水處理廠中，流量計也獲得了廣泛的應用。污水中含有大量的懸浮物、廢水、雜質、病菌等，不同監測點對流量計的需求是不同的，電磁流量計、超聲波流量計等都有應用，超聲波流量計因其精度高、集成度好、體積小等優點，近年來獲得了更多應用。以超聲波流量計在污水處理中的應用為例，通過超聲波流量計與巴氏計量槽相配合，監測出水流量，控制進水流量和超越閥門，實現對污水處理的流量控制，在超聲波的流量自動控制系統中，超聲波傳感器檢測流量信息，根據測量零位置到傳感器測量膜片和滿量程之間的距離，得出實際的污水流量對應的高度，并將之送到控制系統的中央微處理器，經過換算輸出4～20 mA的脈沖信號，上送中央控制室的可編程控制器，經過通訊后在管理機顯示，包括流量的瞬時值、最大值、最小值、平均值等信息，支持流量統計和打印，并根據故障判別邏輯，當發生系統故障或流量異常時，輸出報警信息，提示運行人員通過調節進水閥門和超越閥門進行流量控制，從而滿足污水處理工藝的生產要求。更先進的控制系統可以將流量作為一個變量，輸入到中央控制室的PLC中，直接進行程序運算并控制進水閥門和超越閥門的變化量，同時將進水閥門和超越閥門更改為電動驅動，就不需要運行人員再進行控制，進一步提高了系統的工作效率。

3 結語

除了上述領域，流量計在脫硫工藝、直流供電、煤氣化廢水處理、能源計量、環境保護等方面都有大量運用，遍及工業生產各個能量轉換環節。隨著我國工業生產自動化程度的不斷提升、計算機微電子技術的飛速發展，流量計從機械式向電子技術式發展，新型流量計不斷出現，流量計在我國國民經濟中發揮的作用也越來越大，具有良好的發展前景。

［1］陸川.熱式氣體質量流量計的研制［D］.成都：電子科技大學，2010

［2］徐南.多聲道超聲波氣體流量計信號處理模塊設計［D］.成都：電子科技大學，2009

［3］姜非歐.渦輪流量計的動態流量測量方法研究［D］.長春：長春理工大學，2012