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流量技术的最新发展

作者:Trevor Ball, Robert Zaun,Amy Johnson, and Mark Kester,Emerson Process Management2011.05.11阅读 3020

        虽然有些流量计在50年间都没有什么变化,但是,其他一些流量计却发生了翻天覆地的改进。一些较重要的变化发生于电子学和诊断技术领域,使流量计在自动化和过程控制上的应用更加得心应手。由于处在问题不断的经济环境中,大多数的仪器仪表市场在过去的两年都处于变革当中,到底哪种传感器类型会站稳脚跟,哪种会逐渐退出市场,众说纷纭。然而,市场分析得出的结论是,技术更新的传感器——例如差压、超声波、科里奥利和涡街流量计——越来越受欢迎,而一些传统的传感器,例如涡轮流量计和容积式流量计正在淡出市场。让我们看看一些流量计技术的特性及其近期的发展。
        差压流量计仍旧是标准设备
        差压(DP)流量计都有相同的工作原理:在紧缩位置的压力下降值与流速成正比。这种流量计可以工作于广泛的应用领域,提供最优的结果,包括贸易交接、过程控制和监控。差压流量计便于校准,可以降低维护费用,通常这一理由就足够将老旧的差压设备更换成新型的更精密的部件。
        差压流量技术的发展涉及检测部件和变送器,甚至连长久以来是工业标准件的孔板也有很多改进:
        •在保证高性能的同时,可调孔板需要更少的上游和下游直线管道。
        •改进孔道工艺的变送器直接安装于现有的凸面法兰上
        •平均皮托管,具有插入技术和低失压,精确度更高
        变送器的改进包括更精确的诊断功能、无线网络和多变量测量:
        •内嵌变送器诊断功能不仅仅可以用于内部校验www.cechina.cn,它采用了统计学过程监控技术,用以检测异常状态,例如流体组分改变或者引压管堵漏
        •精细电源管理可以减少能耗,电池供电和无线通讯随之成为可能。安装成本降低,测量作业场合拓宽。
        •多变量差压流量计仅仅使用一根渗透管就可以测量质量和能量流,无需安装多达10个的独立设备。
        这些改进确保差压流量计技术持续发展,稳固其工业标准设备的地位。
        用于特殊流体的电磁流量计
        电磁流量计或者电磁流量计功能以法拉利电磁定律为基础,即当导体切割磁感线时会在导体上产生电压,电压大小与导体运动速度成正比。对于电磁流量计,导体就是穿过传感器的流体,通过校准,生成电压、电磁场强度和流体速度之间的关系得以确定。
        电磁流量计可以提供高精确度的体积流量测量,传感器不会造成失压,尺寸从直径0.1英寸到120英寸不等。电磁流量计可以用于颇难对付的泥浆流的测量,例如煤矿泥浆和纸浆。其他种类的传感器在这些领域难以工作。
        然而,电磁流量计的应用场合有一定局限性,例如,过程流体必须是导体,而且电磁流量计不能应用于气体或者蒸汽的测量。

电磁流量计可以解决很多棘手的问题,这台电磁流量计不会受污泥积聚的影响,可以应用于污水处理厂中

        科里奥利流量计以精度见长
        科里奥利流量测量基于如下原理,当流体流经做周期震荡的管道时,在管道上会产生扭力,使其扭转。扭力的大小与流经管道流体质量成正比。流体密度也可以一并测量出来,因为在容量固定的管道中的单位体积流体的质量的增减与震动频率成正比,将质量除以密度,就可以高精度地计算得到体积流量。
        科里奥利流量计可以在很宽的量程范围内提供高精度的多变量测量,事实证明,科里奥利流量计能够使用于广泛的应用领域,包括过程和质量控制、贸易交接核算、计量、质量平衡及其他。因为质量测量并不受压力、温度、密度和粘度的影响,他们越来越多地使用在体积计量领域。而且,对于液体特性的精密分析也可以实现,包括密度和比重。
        由于科里奥利流量计可以带来成本降低和效率提高,在过去两年里,它是销售业绩良好的新技术之一。更多的近期发展,包括含气泡流体的精确测量能力和双线循环供电科里奥利流量计的出现控制工程网版权所有,都提升了这种技术的实用性。

一家造纸厂使用现代阿牛巴传感器替换老式孔板差压传感器,得以提升蒸汽压力,进而提高产量。

        涡街有大用
        涡街流量计的工作原理被称为冯卡门效应,当流体流经非流线型物体或涡街发生器时,在非流线型物体的下游会产生涡流。涡流的频率与流速成正比。涡街传感器通常检测涡流的频率并传输流量信号。
        涡街传感器是一种精确可靠的装备,可以用于测量液体、蒸汽或者气体的流量,与其他传感器相比,特别是6英寸和更小的应用尺寸时,它能提供高精度、高可靠性、宽量程和低廉的价位。随着用户意识到这种测量技术的优势,它的认可度越来越高。
        涡街流量计的一个缺点是无法测量低速流体。为了产生可测涡流,有最低流速的要求,具体的最低流速取决于设备本身和流体的参数。
        超声波技术不断发展
        超声波流量计最初诞生于1963年,在过去的50年里它发生了巨大的改进,然而一些市场分析仍旧将其归为“高科技”设备。
        有两种主要的技术手段:多普勒和渡越时间:
        •多普勒流量计在管道中发送超声波,测量流体中的回波,并通过测量多普勒频移来计算流速
        •渡越时间模块在管道中向位于管道另一端的接收器发送两个超声波信号,一个信号顺流,一个信号逆流。测量两个信号渡越时间的差值并计算流量。
        超声波流量计的近期发展包括气体和低速流体的测量能力和多普勒和渡越时间两种测量原理的结合。超声波流量计发展最快的应用领域是石油的贸易交接。
        热式质量流量计用于气体测量
        热式质量流量计通过检测流体经过热表面所获得的热量来测量流量。热式质量流量计几乎全部应用于气体测量。
        两种方法:毛细管和浸入式:
        •毛细管传感器,气体中的很少一部分流经加热的毛细管,毛细管外部环绕两根RTD温度传感器,用于检测气体带走的热量。
        •浸入式传感器完全浸入管道内,通常是以探针的形式。这使得它适用于大范围的管道直径和流体流速。对于超大型管道,可以布置多个探针。
        机械解决方案
        使用机械方法搭建的传感器可以追溯到几个世纪以前,而且今天仍旧有很多应用控制工程网版权所有,但是在很多领域,它们的市场地位正在逐渐被不含运动部件的电子解决方案所侵蚀。当今大多数机械传感器的设计都以某种形式应用电子信号处理,然而,它们还是依赖于轴承之类的旋转部件。
        涡轮流量计始于1790年,它依赖于离心转子,离心转子可以是桨轮、螺旋推进器或者类似的部件。由于转子浸在流体当中,流量可以由转子的速度推算出来。
        容积式(DP)流量计也是一种老式的流量计,通过测量流体对活塞、齿轮、摆动盘、回转片或振动膜等设备产生的位移来计算流量。容积式流量计可以具有很高的精度和很广的量程,然而它们会造成很大的失压,并且精确的移机花费不菲。
        绝不是父辈的变送器
        流量计使用变送器已经有50年历史了,变送器的作用是将传感器的实测值转换成标准格式的模拟型号,例如4-20mA电流信号或者3-15psi气压信号,便于将这些信号回传到控制室或现场控制器。
        气压变送器几乎已经完全绝迹了,但是大多数的现代现场设备仍旧使用双绞电缆传输4-20mA信号。今天,它们也使用HART、无线HART和现场总线网络。现代变送器使用了电子技术、计算机技术和智能技术CONTROL ENGINEERING China版权所有,确保其能完成诊断功能和其他类似的先进功能,例如计算差压或涡街流量计的质量流量,或者配合科里奥利流量计检测区分不同啤酒品牌之间的细微差别。
        自从制造商将第一片微处理器嵌入到变送器中时,操作人员就能够完成诊断和校准功能了。以前,操作人员必须手持HART通讯器,与内部变送器做物理接触才能存取变送器数据控制工程网版权所有,今天,现场总线网络和HART技术允许这些功能在控制室完成。资产管理软件平台可以从变送器获取传感器数据,并进行必要的诊断,无需依赖技术人员现场作业。
        自动诊断
        不管是对特定问题的排障还是对流量计系统健康状况的持续监控,今天的诊断功能都能轻松应对。例如Micro Motion Smart Meter Verification系统可以在设备现场作业的同时,检查整个科里奥利单元、传感器和电子器件的健康状况和性能。这极大地节省了人力和校准成本。同样的技术应用在差压流量计上,可以通过检测过程异常来预警设备的健康状况。有一个案例,一家大型化工厂的流量计的这些信息在流体进入“粘性滑移流动”状态前大约30分钟,就检测到了状况。操作人员立即采取预防措施,避免了停工。
        自行校准能够节省数额可观的成本。例如,酿酒厂需要校准那些用于测量酒精产量的流量计以确定最终税款。美国FDA 27 CFR 第25部分要求道:“…酿酒厂必须周期性地检测测量设备。”一家酿酒厂有12台电磁流量计符合此条款规定,所以酿酒厂与第三方组织签约,每年两次对这些设备进行校准。每台设备每次校准费用1600美元,每年校准费用为38400美元。校准设备时停产所造成的损失更是高达470000美元。
        这家酿酒厂将老式流量计更换成具有内部校准诊断功能的流量计。现在,校准自动完成,对生产过程不会造成任何影响,每年为酿酒厂节约超过500000美元。
        流量计诊断功能
        诊断功能可以用于诊断影响传感器工作的过程故障。
        传感器故障和失准——大多数变送器可以决定何时传感器发生故障,或者何时传感器的读数过高或者过低。具有运动部件的流量计,例如容积式流量计和涡轮流量计,会被磨损或者腐蚀,在流量计内壁会堆积杂质,这些都会影响性能。流量变送器就可以发现这些问题。
        内嵌管——科里奥利流量计需要应对长期表面杂质堆积或者使用内嵌管的状况。通过监控传感器的工作电压,可以诊断杂质堆积或者内嵌传感器管道的工作情况。差压流量计也可以检测内嵌引压管。天然气制油厂可以采用这种技术来改进加工质量,使用这些信息可以优化维护计划,进而增加工作时间。
        浪涌——冷凝物、气穴中的气泡破裂或者其他问题会引起测量误差,或者损坏下游设备。变送器可以测量过程噪声并检测到这些过程问题。一家工业天然气厂的现场结算点的一台天然气压缩机持续不断地使测量管路中产生振动,进而导致结算不准。差压流量计使用了先进的诊断技术,可以检测到这种状况,做出更正。
        组分——与酿酒厂使用科里奥利流量计检测啤酒差异类似,多变量流量计的诊断功能可以检测气体中和管道中的液滴、液体冷凝泄露和流体组分改变可能导致的其他情况。
        电子回路诊断——例如外壳进水、接地环路问题、腐蚀或者电压不稳等电子回路上的变化,都有可能影响输出。精密的诊断功能可以监控从流量计到主系统的电子回路的完整性,在有害状态出现之前发出预警。
        空管——一旦管道空置,则会产生错误读数,例如批处理操作时。诊断功能可以发现何时发生管道空置,并将流量设置为零,随之向操作人员发出警报。
        不仅仅是过程变量
        现代流量计的功能远非仅仅测量流量。它们具有先进的诊断功能、信号处理功能和计算功能,它们可以为用户节省可观的维护、校准和纠错成本。为什么过程中存在控制问题?流量计可以给你回答。

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