浅谈流量测量在工业自动化控制系统中的应用

流量 、压力、温度是检测物体的三大参数 ， 被广泛应用于测量中。随着我国工业的飞速发展， 各类自动化控制系统对流量测量的要求日益提升， 流量仪表 获得了广泛的应用 。

过程控制对流量测量仪表的要求

流量仪表广泛应用于过程控制，流量仪表在过程控制中的作用是对密封管道中的流体流量进行检测，必要时还将流量测量仪表与调节仪表、执行器等组成调节系统，将流量稳定在合适的范围，从而实现过程的稳定性。流量测量仪表在过程控制中担当这样一个特定的任务，因此需要满足一下一些要求。

1、性能稳定

①流量测量仪表的输出应具备良好的稳定性，如果流量信号本身有噪声，应可通过表内的阻尼调整，使示值稳定到便于读数。在与调节器组成调节系统时，应使调节器输出无明显振荡。

②流量测量仪表表示值的环境温度影响应在规定的技术指标范围内。

③仪表应具有良好的长期稳定性。

2、可靠性要求

①仪表应具有高度的可靠性.现代工业装置趋向于大型化的连续过程,仪表故障容易导致过程的不稳定，而对安装在管道上的流量计一旦发生故障，又不可能为了修理特地将流程停下来，因此仪表制造和系统设计都要首先考虑可靠性，包括用于温度补偿的热电阻的可靠性。有些仪表制造商对相比之下容易发生故障不便维修的部件实行双重化。也有一些制造商设计了在不断流条件下更换传感器的方法。有的电磁流量计制造商提供了不断流更换电极的方法和工具，这些都为提高可靠性创造了良好的条件。

②故障诊断。仪表一旦发生故障，故障诊断部分应能自动提示发生故障的部位和故障性质，以便维修者缩短排除故障的时间。在仪表数字通信的方法将诊断信息送入计算机后，计算机可对仪表的运行状况进行监视，在仪表故障时发出报警信号，并显示故障内容，甚至采取必要的安全措施。

3、抗干扰能力强

①抗振动干扰能力。

流量传感器大多安装在管道上，现场环境条件较恶劣，其中振动式一大干扰，所以流量传感器、转换器等都应有较强的抗干扰能力。有些涡街流量计和科里奥利质量流量计就是因为抗振动干扰能力不够理想，在现场用不好，出现“无中生有”和“示值偏高”等现象。

②抗射频干扰能力。

在安装流量计的工业现场有多种干扰源，例如厂房内的行车开过，铲车开过或附近有人使用对讲机，都会引起某些流量测量仪表示值升高，这是因为行车中的电器、铲车的火花塞发出的射频电磁波，对讲机天线发出的射频电磁波经某些途径进入仪表，干扰其工作。近几年，人们对射频干扰影响开始重视起来。测量仪表增设射频干扰影响指标，并采取很多措施提高抗干扰能力。

4、影响时间短

有许多流量测量仪表与调节器等一起组成调节系统，要求流量测量仪表的响应时间在1s以内。在流量定值调节系统中，流量测量环节的总时间常数如果大于1s，就可能对调节品质产生明显影响，严重时导致系统振荡，无法工作。

5、输出信号的多样性

①模拟输出。

流量测量仪表应有4~20mA的模拟输出，而且应有恒流特性。

②频率输出。

流量变送器（转换器）用频率将流量信号传送到显示仪表或调节器，可以基本不损失精确度，这是这种方法的突出优点。

③数字量输出。

流量测量仪表RS485之类的通信口与计算机连接，在专用软件的支持下，不仅可将流量测量仪表测量到的各种参数传送到计算机，将故障信息和有关组态数据、表征仪表状况的有关数据传送到计算机，而且可以通过计算机在控制室修改现场仪表的组态，进行检查、校验、维护和管理等各项工作。

流量检测与流量仪表的使用

流量测量是工业测量的常见方法，在工业控制领域 ，如电力 、冶金 、化工 、石油、食品等行业，获得了广泛应用 。凡涉及质量互变的过程，都需要用到流量测量，流量仪表是进行流量测量的工具，根据测量原理的不同，测量仪表可以分为很多种类，随着现代测量方法的发展，流量仪表也从最初的差压式、容积式 、电磁式等逐渐发展，不仅结构更加简洁，功能也日趋多样 。流量仪表测量的精确与否，直接关系到工业控制过程的正确 、稳定实现，与我国国民经济发展有着直接联系，所以，掌握常见流量仪表的原理，了解典型流量仪 表在自动化系统中的应用，对提高工业自动化水平和仪表装备水平具有重要意义 。

流量仪表在自动化控制系统中的应用

1、流量计在油田自动化计量系统中的应用

油田是应用流量计最为广泛的行业之一 ， 主要用于产油量计量 、统计和分析，测量油井日采出量等，先进的计量和工艺技术有利于及时了解油田开发情况和油井储层变化情况，分析油气生产变化的动态，进一步指导油田开发方针。在油田的分队计量中，采油获得的原始来液首先经过三相分离器分为三部分，一部分经过调节阀后去压气站，一部分经过电磁流量计去沉降罐，还有一部分经过质量流量计去缓冲罐 。

图 1 中，油水混合液经过质量流量计传感器采集油管内的流量 、温度和密度等参数信号，上送处理器，通过相关的微机算法，将采集到的原油和水分的相关参数进行分析计算，再经过变送环节，通过TCP／ IP以太网通讯，上送监控主机，完成对数据的显示、存储、报表、打印等综合管理功能，实现对多台油水计量系统的监控 。

此外，在油田的转井现场，针对深井普遍存在的高密度和重材料浪费问题，通过流量计传感器采集和分析钻井液黏度 、 密度和离心机性能参数的变化，经过控制系统计算得出离心机的工作转速和相应处理量后，通过计算机输出控制，来建立控制系统流程，能够有效提升重材料的回收利用率 ，节约重材料的使用费用 。

2、流量计在电厂工艺系统中的应用

2.1 应用于锅炉送风工艺

在电厂锅炉中，流量计主要用来测量空气 、蒸汽、锅炉送风等的流量 。最为常 用的流量计为旋涡流量计 。旋涡流量计使用速度式原理，采用有规律的旋涡剥离现象来进行流量的测量，当蒸汽、风力等流体流过流量计的传感器时，能够在前部产生压力大于管道静压的高压区，当流体流经管道的加速段时，产生压力小于管道静压的低压区 ， 并在低压区的后部形成 一个有旋涡的真空地带 ， 这样就形成了压力波动，其波动的频率与气体的流量成正比，所以通过测量这个振动频率并经过相应的换算和补偿，能够计算出流体的流速 。

以旋涡流量计在锅炉送风流量中的测量为例，锅炉的送风流量是体现热电厂锅炉和风机运行状态的重要参数之一，其对锅炉燃烧的 自动控制系统控制有重要作用，实际电厂的送风管道多为矩形截面，常规的流量计很难进行精确的测量， 使用旋涡流量计具有较好效果。

使用旋涡流量计进行锅炉送风流量测量时，由传感器 、转换器 、控制中心组成锅炉送风测量系统，其中传感器包括旋 涡发生体和旋涡检测器两部分，主要用来进行锅炉送风流量的测量并将之转换为对应的频率信号，该频率信号在转换器中进行整形和放 大，并输出4 ～20mA的直流控制信号，送至控制中心， 进行待测送风流量的显示 、记录和分析，作为电厂锅炉运行状态的重要参考 。

使用旋涡流量计进行锅炉送风流量的测量时，应注意仪表量程的选择和温度与压力的补偿问题 。将被测流体的常用流量控制在旋涡流量计的1／ 2 ～2 ／ 3 范围内，可确保旋涡流量计的精度误差在允许范围内，同时，还要选择合适的温度和压力测量仪器与旋涡流量计相配套，以建立精 密 、准确的锅炉自动化控制系统 。随着计算机和微电子技术的发展，智能型旋涡流量计已经获得普及， 具有流量校正和自诊断功能，能够根据电厂锅炉的运行工况进行更加灵活的控制，并对误差进行修正，技术更加成熟 。

2.2 应用于烟气脱硫工艺

流量计在电厂烟气脱硫工艺中也有广泛应用，电厂的烟气排放由于粉尘大 、温度高，且具有一定的腐蚀性，同时电厂锅炉的风烟道存在紊流和旋流 ，不利于流量计的准确测量 ，所以需要设置多个测点来计算平均值 。电厂流量测点众多， 包 括一次风、二次风 、人炉气体 、 脱硫烟气等， 给电厂的烟气检测带来 了一定的难度。应用于脱硫的烟气流量计采用了独特的原理，基于热扩散原理， 根据流体流过传感器RTD时的温度差与流量的关系，转换为线性输出的流量信号，结合专用的流量数据模型和模糊控制理论，输出控制信号， 通过专用的电荷感应式探针和刮扫装置来完成系统控制 。

3、流量计在污水处理工艺系统中的应用

制药厂的污水处理系统

随着现代工业的飞速发展，城市污水处理的重要性日益提升 。在实现了 自动化的污水处理厂中，流量计也获得了广泛的应用 。污水中含有大量的悬浮物、 废水 、杂质 、病菌等， 不同监测点对流量计的需求是不同的 ，电磁流量 计 、超声波流量计等都有应用，超声波流量计因其精度高、集成度好 、体积小等优点， 近年来获得了更多应用 。

以超声波流量计在污水处理中的应用为例，通过超声波流量计与巴氏计量槽相配合，监测出水流量 ，控制进水流量和超越阀门，实现对污水处理的流量控制，在超声波的流量自动控制系统中，超声波传感器检测流量信息， 根据测量零位置到传感器测量膜片和满量程之间的距离，得出实际的污水流量对应的高度 ，并将之送到控制系统的中央微处理器 ，经过换算输出 4～2O mA 的脉冲信号 ， 上送中央控制室的可编程控制器 ， 经过通讯后在管理机显示，包括流量的瞬时值 、最大值 、最小值 、平均值等信息， 支持流量统计和打印， 并根据故障判别逻辑。

当发生系统故障或流量异常时， 输出报警信息， 提示运行人员通过调节进水阀门和超越阀门进行流量控制，从而满足污水处理工艺的生产要求。更先进的控制系统可以将流量作为一个变量， 输入到中央控制室的PLC中，直接进行程序运算并控制进水阀门和超越阀 门的变化量，同时将进水阀门和超越阀门更改为电动驱动，就不需要运行人员再进行控制，进一步提高了系统的工作效率 。

除了上述领域，流量计在脱硫工艺 、直流供 电、 煤气化废水处理 、能源计 量、环境保护等方面都有大量运用 ， 遍及工业生产各个能量转换环节 。随着工业生产自动化程度的不断提升 、计算机微电子技术的飞速发 展 ， 流量计从机械式向电子技术式发展，新 型流量计不断出现，流量计在我国国民经济 中发挥的作用也越来越大 ，具有良好的发展前景 。

编辑：jq