王颖 马晖

随着生产的发展和科技的进步,建筑内的供水技术日趋完善,设备运行基本自动化,实现这一变化的核心是微机和控制技术,而自动化仪表在整个控制系统中起到了关键的作用。

1 自动化仪表的基本概述

1.1 组成

1)传感器。传感器是检测仪表与被检测对象直接发生联系的部分,它的作用是感受被检测参数的变化,直接从对象中提取被检测的参数信息,并转换成一种相应的输出信号,它是仪表的重要部件,必须准确、稳定、灵敏,而且要经济、耐腐蚀、低能耗。2)变换器。变换器是将传感器的输出信号进行远距离传送、放大、线性变化或转变成统一的信号,供给显示器,它必须能准确稳定地传输、放大和转换信号,受外界其他因素的干扰和影响要小,即造成的误差应尽量小。3)显示器。显示器的作用是向观察者显示被测数值的部件,有指示式、数字式、屏幕式三种。4)传输通道。传输通道连接仪表的各个环节,给各环节的输入、输出信号提供通道。

1.2 性能指标

1)测量范围与量程。测量范围是指在正常工作条件下,仪表可以检测的被测参数的范围,其最高值与最低值的差成为量程。2)基本误差。基本误差是指仪表在规定的工作条件下的误差,主要包括绝对误差(仪表的示值与被测参数的真值之差)、相对误差(绝对误差与被测参数的真值的比值)、引用误差(绝对误差与仪表量程之比)、引用误差的最大值(绝对误差的绝对值最大值与仪表量程之比)。3)精度等级。精度等级是指允许引用误差百分数的分子,允许引用误差是指仪表在出厂检验时各检测值的引用误差不能超过的允许值。4)灵敏度与分辨率。灵敏度是指单位输入量与输出量的比值,比值越大,灵敏度越高,灵敏度应与仪表的精度等级相适应,前者应略高于后者。分辨率是指仪表能够精确检测出被测量对象的最小变化能力,它说明了检测仪表响应与分辨输入量微小变化的能力。灵敏度越高,分辨率越好。5)变差。变差又称回差,反映在仪表检测时所得的上升曲线和下降曲线经常出现不重合的现象,它可以反映出仪表内部元器件工作、配合是否正常。6)漂移。漂移是指一定工作条件下,保持输入信号不变时,输出信号随时间或温度的缓慢变化,漂移能够说明仪表工作的稳定性。7)可靠性。可靠性是指仪表在寿命期内正常运行的系数,用有效度来表示,有效度表示为平均无故障工作时间与寿命期的比值。8)响应时间。响应时间是指当仪表输入阶跃变化时,仪表输出从一个稳态到另一个稳态值所需时间。

2 自动化仪表的分类

2.1 流量检测仪表

流量检测仪表包括电磁流量计、超声波流量计、涡街流量计、质量流量计、涡轮流量计、气体流量计、玻璃转子流量计、转子流量计等,下面主要介绍一下常用的涡街流量计。

2.1.1 涡街流量计的特点

涡街流量计适用流体种类多,如液体、气体、蒸汽和部分混相流体,其结构简单牢固,安装维护方便(与节流式差压流量计相比较,无需导压管和三阀组等,减少泄漏、堵塞和冻结等);精确度较高(与差压式,浮子式流量计比较),一般为测量值的±1%～±2%;压损小(约为孔板流量计1/4～1/2);输出与流量成正比的脉冲信号,适用于总量计量;无零点漂移;在一定雷诺数范围内,输出频率信号不受流体物性(密度,粘度)和组分的影响,即仪表系数仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸有关,只需在一种典型介质中校验而适用于各种介质;可根据测量对象选择相应的检测方式,仪表的适应性强。

涡街流量计不适用于低雷诺数测量(ReD≥2×104),故在高粘度、低流速、小口径情况下应用受到限制;与涡轮流量计相比仪表系数较低,分辨率低,口径愈大愈低,一般满管式流量计用于DN300以下;仪表在脉动流、混相流中尚欠缺理论研究和实践经验。

表1 给排水工程中常用的两种压力检测仪表

2.1.2 涡街流量计的类别

涡街流量计可按下述原则分类:按传感器连接方式分为法兰型和夹装型;按检测方式分为热敏式、应力式、电容式、应变式、超声式、振动体式、光电式和光纤式等;按用途分为普通型、防爆型、高温型、耐腐型、低温型、插入式和汽车专用型等;按传感器与转换器组成分为一体型和分离型;按测量原理分为体积流量计、质量流量计。

2.1.3 涡街流量计与涡轮流量计的区别

涡街流量计是应用流体振动原理来测量流量的,流体在管道中经过涡街流量变送器时,在三角柱的旋涡发生体后上下交替产生正比于流速的两列旋涡,旋涡的释放频率与流过旋涡发生体的流体平均速度及旋涡发生体特征宽度有关。由于叶片有导磁性,它处于信号检测器(由永久磁钢和线圈组成)的磁场中,旋转的叶片切割磁力线,周期性的改变着线圈的磁通量,从而使线圈两端感应出电脉冲信号,此信号经过放大器的放大整形,形成有一定幅度的连续的矩形脉冲波,可远传至显示仪表,显示出流体的瞬时流量或总量。涡轮流量计是流体流经传感器壳体,由于叶轮的叶片与流向有一定的角度,流体的冲力使叶片具有转动力矩,克服摩擦力矩和流体阻力之后叶片旋转,在力矩平衡后转速稳定,在一定的条件下,转速与流速成正比。

2.2 压力检测仪表

压力是给排水工程中自动化控制的主要参数,由于压力的测量范围很宽,测量的条件和精度要求各异,所以压力检测仪表的种类非常丰富,下面简单介绍两种在给排水工程中常用的压力检测仪表(见表1)。

2.3 液位检测仪表

在建筑给排水工程中,液位检测仪表不仅能够为设备运行提供需要的参数,还可以保护设备,使其在不正常的液位条件下停止运行,并提示管理人员。液位检测仪表有浮力式、静压式、电容式、超声波式等,下面简单介绍几种常用仪表:1)浮力开关(KEY)。浮力开关广泛应用于建筑给排水工程,如潜水泵的排水、供水水泵的低水位保护。它利用水的浮力,使浮标随着液面的变化而浮动,把浮标的位移转换为电量的变化,在到达设定的液面位置时,给设备运行或停止的信号,从而实现液位的远传指示、记录和控制。此外,带钢丝绳浮子式液位计、杠杆带浮球式液位计、浮筒式液位计都属于浮力式液位仪表,且其精度可靠性能要高于浮力开关,但用于供水系统造价较高。2)电触点式液位计(电极式液位计)。电触点式液位计目前在直接供水设备上应用较多,主要是对调节容器内的水位进行监控,输出定点少数连续的信号并报警,以保证在过低水位时避免水泵空转。

[1] 崔福义,彭永臻,南 军.给水工程仪表与控制[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社,2006.

[2] 陈耀宗,姜文源,胡鹤钧,等.建筑给水排水设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1992.