1．引言：眾所周知，自來水廠在制水過程中，為了使自來水的水質(zhì)達(dá)到一定的要求，常常加入微量的氨氣和一定量的氯氣。顯然，這兩種氣體的流量的大小，將對(duì)自來水水質(zhì)優(yōu)劣產(chǎn)生較大的影響。過去自來水廠大多采用傳統(tǒng)的玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)來測(cè)量這兩種氣體的流量。由于轉(zhuǎn)子流量計(jì)只測(cè)量體積流量，而氨、氯氣在供氣過程中，其工作壓力是不斷地變化的，顯而易見，這種無溫度壓力補(bǔ)償?shù)牧髁繙y(cè)量，其測(cè)量準(zhǔn)確度是不高的。另外，轉(zhuǎn)子流量計(jì)無輸出遠(yuǎn)傳電信號(hào)，供計(jì)算機(jī)處理控制。因此，無法實(shí)現(xiàn)控制室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管理監(jiān)控的自動(dòng)化過程。
    如上所述，利用無須溫度、壓力補(bǔ)償?shù)腜BF型熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)(以下簡(jiǎn)稱PBF型流量計(jì))，來測(cè)量氨、氯氣的質(zhì)量流量，是***合理的、***先進(jìn)的方案。特別是對(duì)氯氣流量的測(cè)量，由于其腐蝕性強(qiáng)，使許多流量計(jì)望而生畏，但對(duì)PBF型流量計(jì)卻是輕而易舉的事。我們?cè)谏虾Ｄ匙詠硭畯S，使用了3臺(tái)PBF型流量計(jì)，測(cè)量氨氣流量。使用了4臺(tái)PBF型流量計(jì)(防腐型)，測(cè)量氯氣流量。通過一年多的運(yùn)行，獲得了相當(dāng)滿意的結(jié)果：流量測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、測(cè)量響應(yīng)速度快：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便和防腐性特好等。

   2．PBF型流量計(jì)的結(jié)構(gòu)及其工作原理

    圖1是PBF型流量計(jì)的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。它利用流體(氣體)與固體(傳感探頭)之間 的熱傳導(dǎo)原理，使氣體流量的變化，以溫度變化的形式檢測(cè)出來，再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大線性處理后，輸出與瞬時(shí)流量相對(duì)應(yīng)的4～20mA電流信號(hào)、3- I／2 LCD瞬時(shí)流量顯示和六位LcD累積流量顯示。圖1中，流量計(jì)由傳感探頭和電子組件組成。傳感探頭由兩個(gè)傳感器組成，一個(gè)是流體速度傳感器，另一個(gè)是流體 溫度傳感器。測(cè)量時(shí)，傳感探頭插入流體中，感受流體的流速和溫度。它們同時(shí)是電子組件橋路的兩個(gè)橋臂，形成一個(gè)不平衡電橋。
    通電時(shí)，橋臂電流將速度傳感器加熱到高于流體溫度T2一個(gè)溫差△T的T1，即T1-T2=△T。不平衡電橋就變成平衡電轎。此時(shí)電橋便輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)零流量的電壓，經(jīng)放大電路處理， 輸出流量計(jì)的F限信號(hào)4mA：瞬時(shí)流量顯示為000：且累積流量無累積動(dòng)作發(fā)生，累積顯示保持著原來的累積數(shù)字不變。
    當(dāng)流體流經(jīng)加熱的速度傳感器時(shí)，根據(jù)熱傳導(dǎo)原理，將會(huì)帶走速度傳感器的一部分熱量，使其溫度T1下降，而且流量越大，帶走的熱量越多，其溫度T1下降也越大，電橋又變成一 個(gè)不平衡電橋。由于橋路的反饋控制作用，總要回到平衡電橋狀態(tài)。為此，電橋必須在速度 傳感器上流過與流量大小成正比的電流，使速度傳感器回到平衡狀態(tài)時(shí)的溫度TI．這時(shí)橋路 便輸出一個(gè)正比于流量大小的電壓信號(hào)。經(jīng)電路放大、線性化處理，使輸出與流量成正比的 4～20mA之間的一個(gè)電流信號(hào)、瞬時(shí)流量顯示為直到***大刻度流量的一個(gè)值、累積動(dòng)作將以與瞬時(shí)流量成正比的速度進(jìn)行累積。
    按上所述，設(shè)速度傳感器的加熱功率為p，速度傳感器與流體的溫差為TI-T2=△T，流 體的質(zhì)量流速為pV。根據(jù)L．V King定理，即流體流經(jīng)加熱的速度傳感器時(shí)所帶走的熱量Q，與對(duì)速度傳感器加熱到溫度Tl的電功率P相等。得下列關(guān)系式：
    Q=[B+A√pV]x(T1-T2)
    P=[B+Ax√pV]x(T1-T2)
    式中，A、B是取決于速度傳感器和流體性質(zhì)的常數(shù)。p為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下流體的密度。由于橋路的反饋控制作用T1-T2=-AT為一恒定的常數(shù)。所以橋路的輸出(決定流量計(jì)輸出的量)與流體的質(zhì)量流速pV成單值函數(shù)關(guān)系。特別要指出的是由于速度傳感器的熱量是被流體中的分子所帶走的，所以速度傳感器測(cè)量的是流體的質(zhì)量流速pv。因此只要乘以流體管道的截面積S，便可得到流體的質(zhì)量流量Qm。即Qm=S x pV。
    3．氯氣和氯氣質(zhì)量流量的測(cè)量
    3．1氯氣流量的測(cè)量
    3．1．1測(cè)量流程圖
    圖2 供氯管理系統(tǒng)示意圖  
   

    圖2是自來水廠的供氨管路系統(tǒng)示意圖。圖中FZ1和FZ2是廠里原先采用過的轉(zhuǎn)子流量計(jì)的安裝位置，其旁邊的V1和V2是測(cè)量氨氣工作壓力的真空壓力表。氨氣是通過預(yù)先加滿液態(tài)氨的鋼瓶汽化后獲得，然后流經(jīng)PBF型流量計(jì)，測(cè)量其流量，再加入半成品的自來水中去的。氨氣在流動(dòng)管道中是處于負(fù)壓狀態(tài)的，大約為Pa=60～92kPa的壓力，由于在輸氨氣過程中，鋼瓶?jī)?nèi)的液態(tài)氨重量越來越輕，因此氨氣的工作壓力，也越來越接近大氣壓。也就是說，氨氣的工作壓力是不斷地發(fā)生變化的，于是氨氣的密度也是不斷地發(fā)生變化的。在這種流體工況不斷變化的情況下，要測(cè)得準(zhǔn)確的氨氣流量，必須采用PBF型流量計(jì)，測(cè)量其質(zhì)量流量。我們認(rèn)為這樣的流量測(cè)量方法才是一種***科學(xué)、***合理的流量測(cè)量方法。
 
    3．1．2測(cè)量結(jié)果
    表l是四個(gè)液態(tài)氨鋼瓶使用后，其重量的減少量的總和(由吊秤稱得)和流量計(jì)A、流量計(jì)B累積流量總和兩者之間的對(duì)比數(shù)據(jù)記錄。這里用來稱出氨氣重量的吊秤 是一種精度較高的電子吊秤(日產(chǎn))，其精度為±0．1％，因此可作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。表中的數(shù)據(jù)表明，流量計(jì)測(cè)得氨氣的累積流量數(shù)據(jù)與吊秤稱出的氨氣重量的數(shù)據(jù)非常接近，而且每次測(cè)試得到的兩者之間的比例系數(shù)k幾乎是相等的。根據(jù)表1中的每次的比例系數(shù)k的值，求得它們的平均比例系數(shù)為：kp=(0.903+0.905+0.898+0.895+0.904+0.900+0.903+0.902)／8=0．901。比例系數(shù)與平均比例系數(shù)之間的 ***大誤差max={(0．895-0．901)／0.901)×100％=-0．67％?？梢姷闹凳呛苄〉?，顯然越小，說明PBF型流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果越準(zhǔn)確、可靠。

    圖3 是液態(tài)氨鋼瓶的吊瓶稱量減少量總和與兩個(gè)流量計(jì)累積流量總和的折線比較圖。兩條折線的變化情況非常相似。幾乎是平行的，即在每?jī)纱螜z測(cè)點(diǎn)之間不相交。為什么兩條折線不能完全重合呢？我們認(rèn)為，引起這種現(xiàn)象的主要原因是，由于氨氣工況的變化，引起氨氣密度變化所致。一句話，在變化的負(fù)壓工況下，質(zhì)量流量與重量流量是不會(huì)完全相等的。

    圖4是安裝在現(xiàn)場(chǎng)PBF型流量計(jì)與管理監(jiān)控室計(jì)算機(jī)連接．記錄下來的加氨與時(shí)間關(guān)系曲線圖，這里摘錄的是其中一段時(shí)間(Sep．-17-99到Sep-19-99)的記錄曲線．觀察曲線的形狀，我們得到下面3個(gè)結(jié)論：1)輸出曲線從零流量到工作流量的變化是垂直的矩形脈沖狀。這說明流量計(jì)的輸出響應(yīng)速度是很快的，完全滿足自來水廠加氨工藝的要求。2)工廠的管理者和工程技術(shù)人員，隨時(shí)可以調(diào)用查看某月其日車間的加氨記錄，對(duì)車間加氨氨的歷史一目了然。例如，我們可以清楚地了解99年9月8日加氨的情況：上午6：30分開始加氨，流量計(jì)A的流量為2．5kg/h，流量計(jì)B的流量為2．2kg/h．到8：40分時(shí)停止了自氨．直到10：15分又開始加氨……。這樣，既為工程技術(shù)人員改善加氨質(zhì)量提供原始可靠的資料，又有利于萬一出現(xiàn)異常情況時(shí)，為工廠管理者分析事故，提供原始可靠的依據(jù)。3)由于流量計(jì)靈敏度高，檢測(cè)微小流量的能力強(qiáng)，記錄曲線可幫助檢查送氨管道是否完全關(guān)死。例如，由曲線可知，直到9月18日6：30分加氨之前，還有大約5kg/h×0.01=0.05kg/h的微小流量通過流量計(jì)，說明送氨管道沒有關(guān)死?？墒窃褂玫哪惩鈬?guó)公司的“ON／OFF”流量指示器的“NO FLOW”紅燈卻已亮著。轉(zhuǎn)子流量計(jì)的浮子也死死地停在較低位置上。當(dāng)排除管道上安裝閥門的微漏后，流量計(jì)的瞬時(shí)指示值才為零顯然。PBF型流量計(jì)的靈敏度要比“ON／OFF”流量指示器和轉(zhuǎn)子流量計(jì)的靈敏度高得多。

    3．2氯氣流量的測(cè)量
    3．2．1氯氣流量測(cè)量的難度
    雖然百分之百的干氯氣，不存在腐蝕性的問題。但由鋼瓶中的液態(tài)氯獲得的氯氣卻并非是完全的干氯氣，因此自來水廠中的氯氣是一種相當(dāng)強(qiáng)的腐蝕性的氣體。其它一些流量計(jì)因結(jié)構(gòu)上的原因，無法勝任對(duì)氯氣的測(cè)量。據(jù)反映有的流量計(jì)僅使用了三個(gè)月左右，就或被腐蝕掉、或顯示誤差大得嚇人，僅當(dāng)參考流量而己。而PBF型流量計(jì)由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，測(cè)量腐蝕性氣體，卻是輕而易舉的事。

    圖1的結(jié)構(gòu)可知，流量計(jì)只有傳感探頭保護(hù)罩部分接觸腐蝕性氣體，即使保護(hù)罩受到輕微的腐蝕也無害于覃內(nèi)的傳感體的正常工作．更何況保護(hù)罩可根據(jù)具體氣體的腐蝕類型來選擇適合的防腐材料制造。經(jīng)過一年多的連續(xù)使用，PBF型流量計(jì)無任何故障。***近我們拆下一臺(tái)流量計(jì)．觀察處在氯氣中的傳感探頭，沒有發(fā)現(xiàn)它受到腐蝕的任何痕跡，依舊充滿著金屬的光澤一這充分證明了PBF型流量計(jì)，是***適臺(tái)用來測(cè)量各種腐蝕性氣體流量的流量計(jì)。

    3．2．2測(cè)量流程圖
    圖5是自來水廠的供氯管路系統(tǒng)圖。在8個(gè)鋼瓶?jī)?nèi)．加滿液態(tài)氯，液態(tài)氯流出鋼瓶后汽化得到氯氣，氯氣流經(jīng)PBF型流量計(jì)，測(cè)量其流量，再加入自來水中去。氯氣在管道中流動(dòng)時(shí)，處于可變的負(fù)壓工作狀態(tài)。所以．質(zhì)量流量和重量流量．在數(shù)值上是不相等的。
    3．2．3測(cè)量結(jié)果             
    表2是8個(gè)鋼瓶液態(tài)氯重量的減少量之和(由吊秤稱得)與流量計(jì)A、流量計(jì)B累積流量的總和的對(duì)比數(shù)據(jù)記錄。表中的數(shù)據(jù)表明，與氨氣流量測(cè)量的情況一樣。流量 計(jì)的數(shù)據(jù)與吊秤稱重值是非常接近的。而且比例系數(shù)幾乎是相等的。比例系數(shù)的平均值為：k=0.895。比例系數(shù)間的***大誤差為max={(O.900．0.895)／0.89s}X 100％=0.56％。由此說明,PBF型流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果是準(zhǔn)確的,可靠的。
      

    圖6是液態(tài)氯鋼瓶的吊稱減少總量與流量計(jì)累積流量的折線比較圖。兩條折線的情況比較與氨氣的情況一樣，非常相似。兩折線不能重合的原因,請(qǐng)參見氨氣一段的分析,這里不再重述。
    圖7是安裝在現(xiàn)場(chǎng)的流量計(jì)與管理監(jiān)控室計(jì)算機(jī)連接,記錄下來的加氯與時(shí)間關(guān)系曲線，觀察這兩條記錄曲線，得到的3個(gè)結(jié)論，也如氨氣的情況一樣。

    4．結(jié)束語

    由于加氨加氯量的準(zhǔn)確度，對(duì)自來水質(zhì)有很大的影響。筆者認(rèn)為測(cè)量它們的質(zhì)量流量比測(cè)量它們的重量流量更有實(shí)質(zhì)性的意義。而就我國(guó)自來水廠目前使用自動(dòng)化儀表的現(xiàn)狀來說，采用無須溫度、壓力補(bǔ)償就能測(cè)量質(zhì)量流量的；具有輸出電流信號(hào)，瞬時(shí)流量顯示和累積流量顯示功能的；一體化的PBF型熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)來測(cè)量氨、氯氣的質(zhì)量流量，是***佳的設(shè)計(jì)．這一設(shè)計(jì)，同樣適臺(tái)于對(duì)其它腐蝕性氣體的流量測(cè)量。