电磁流量计在空调冷却水测量系统中的设计与应

引言

空调系统管路错综复杂，循环冷却水管理系统以整体的形式安装在一个经防腐处理的金属机箱内，直接固定于系统的机房就进测量、便于观察的墙壁上，水路，电路经过防水接头连接分别进入干箱和湿箱。因为水体具有很大的比热物理特性，是良好的冷媒，因此，空调的循环冷却水系统多是利用自来水作为冷却的载体，迅速带走制冷机组压缩机转移的热量。本文着重探讨一下空调冷却水系统的设计问题。

　　1.空调冷却水系统的设计原则

　　1.1灵活性

　　冷却系统设计应具有的特点是减少或避免与安装新设备有关的系统停运。这些特点应适用于集中站房内的冷却系统和建筑物内的冷水管路构架，其中一些特点包括为以后的设备，如水冷式机架、集中式空调器、计算机房空调器与集中站房设备等安装时需预留管道阀门和管盖。集中站房应考虑在负荷增加时能添加冷水机组、水泵与冷却塔。全面的灵活性时常会受到集中站房内管道分布系统的限制。当数据中心在线后，从避免运行中断和实施费用的角度看，一般禁止用改变管道尺寸的方法去求得容量增加。

　　1.2可扩展性

　　冷却系统需要有扩展能力，以适应负荷增加。建筑物内的管路系统设计，应能支持建筑物内的冷负荷密度。还需考虑水泵的能耗、系统的灵活性和冷水储存，以确定总投资。机房应有足够的空间供未来的冷水机组、水泵和冷却塔之用。机房内冷水和冷却水系统的分、集水器的大小，从运行的天起到容量增加，以及达到未来的规划容量，应都能很好地适应其变化。

　　1.3便捷性

冷却水系统设计应安装方便，位置可见、易近。设计者应提供维护与操作阀门、控制装置、传感器和大型设备所需的通道。在集中机房内，可设置升降机、吊车、起重机等，用于搬动重的设备和部件。冷水管与冷却水管的走向应避免与冷却系统的设备搬动发生冲突；像水泵、冷水机这类机械设备的布置，应方便*更换；切断阀门的位置也必须能在更换时不便服务中断。因此，它们的布置与整个管路系统的集成是非常重要的。

　　2. .空调冷却水系统的设计

　　2.1水冷却

　　水冷却的方法采用一套复杂的外置冷却系统，通过机架内一个闭合回路水冷系统对电子元件进行冷却，供水和排水管道布满整个数据中心。这种紧凑型的系统能够减少空气流过的路径，从而减少了风扇的能耗。这种紧凑型散热方法大程度上降低甚至是*消除了冷热空气的混合，解决当前数据中心大幅增长的能耗成本的问题。

　　2.2安装传感器

　　在回水母管循环水泵的前方，设置一个引流口，通过一个针形调节阀引出一个很小的水样，滤除较大的颗粒胶体或杂质进入测量装置，有效延长传感器的维护周期，流经电导池测量装置之后另一端与大气开放进入积水槽，这个测量旁流流量仅有100-300mL/min，这个水量与冷却塔蒸发和风吹损失水量相比显得微不足道。冷却水管理系统的整体机箱尽可能与取样点的距离就近安装，水样进入流通测量装置后，可以再通过流通装置上的两调节阀进行微调，使出水到集水槽末端口的流量控制在200-400mL/min之间，又因为流通装置的出水口与大气相通，传感器不承受压力会使得传感器的运行更加平稳、使用寿命明显延长很久。因为循环水水质的老化是一个缓慢的进程，不存在测量数据滞后的问题，测量装置和仪表直接安装在一个壁挂的箱体内，由于就近测量减少了很多干扰的可能，检查维护显然十分方便。加强循环冷却水的运行管理是空调实现节能减排，延长设备使用寿命的重要环节，而通过电导率的变化控制循环冷却水浓缩倍数，实现有科学依据的排污、换水又是节省水力资源的优先手段，可以有效的避免过量的排污造成水源的浪费，加大废水处理的投入，减少药剂的浪费，实现、低耗、节能运行。

　　2.3设置排污管

　　排污管采用插入母管的形式安装，已获得大的固定强度，靠近母管的附近设置一个高压截止阀，供检修时关闭水源。排污管路一般在工程施工的过程已经预留，电导率浓缩倍数超标排污是由循环冷却水管理系统来自动驱动完成的，当达到预先设置的浓缩倍数的上*系统自动启动排污。在遭遇低气压引起的循环水温度很难降下来的工况下，循环冷却水管理系统的温度传感器检测到持续超温之后自动启动超温紧急换水程序，这项功能系统内部自动组态指向排污，启动同一个电磁阀实现紧急排污。由于静态水压取决于建筑物的高度，循环水的压力可能会很高，必须选择先导型电磁阀，并充分的考虑电磁阀的耐受压力等级。如果空调具有利用谷电制冰水功能，当出现持续超温状况时，还能自动启动冰水热交换功能的循环，以快的速度平抑热负荷过载。

　　2.4测量取样管

　　取样管采用1/2无缝钢管焊接，母管里面的开口迎向水流，避免沿管壁形成的杂质进入取样管线，增加内部过滤器的负荷。针形阀上方一定要设置截止阀以便于维修。

　　2.5信号传输设计

　　循环冷却水系统具有流量统计功能，在排污口和补水口安装两台电磁流量计，将信号传递给管理系统，因为电磁流量计具有瞬时流量和累积流量显示与记录的功能，可以获得整整一个运行季节的排污量统计，补水量统计，蒸发损失量统计，能够提供一个运行季节的经济数据的分析数据，对于提升运行经济性管理至关重要。为补充缓释阻垢药剂的补充与投加提供了数据支持，管理系统的内部可以自动依据每吨水量需要补充的药剂数量，或者通过药剂的浓度比例自动算的补充药剂数量，换算成计量泵的动作时间或脉冲数量，这一功能*实现了药剂投加的量化管理，及节省药剂成本，又能有效的避免药剂的不足引发的运行隐形事故，有效地延长设备的使用年限。系统在设计安装排污电磁流量计或补水电磁流量计时充分的考虑到系统的压力不确定性，安装距离的不确定性，而选择电磁流量计做配套，使用远传信号做信息传输。

　　2.6整体化机箱

循环冷却水管理系统采用集成的模式，将电化学专业测量、人机界面、热工测量，组态控制、专业软件，通信软件，取样流通等技术全部整合成为一个整体的弱电系统，形成一个系统化的整机，系统具有很好的兼容性和稳定性，客户能够通过一站式采购得到成套管理系统，并且有制造商提供技术支持和商业培训，在产品升级换代时可以得到相应的升级。循环冷却水管理系统分为干箱和湿箱两个部分，干箱内部是电子系统，湿箱内部是取样流通、过滤装置。所有的测量都在湿箱完成，仅需将水样的管路进行连接就可以了；干箱内部集合了全部测量和控制系统。

综上所述, 要保证电磁流量计的零点稳定性, 好采用低频矩形波励磁;为了能较准确地测量液固两相导电性流体和低导电率流体的流量, 又必须采用较高频率的矩形波励磁。采用图1所示的双频矩形波励磁的方法是佳方案。

　　3.2.3　双频矩形波励磁工作及抗干扰原理

　　在电磁流量计测量管内形成含有两个频率分量的电磁场:高频励磁分量不受液体干扰的影响, 而低频励磁分量则有着*的零点稳定性, 根据高、低频定时检测到的各分量信号经过计算, 便可得到流量信号。

　　双频矩形波励磁测量原理如图1所示,

一个由高低频分量迭加而成的电磁场通过励磁线圈被施加到被测液体中, 励磁波形是在一个低频矩形波上迭加一个高于市电频率的矩形波而得到的波形。在产生的电动势中, 低频分量通过一个大时间常数的积分电路获得一个零点稳定性好的平稳流量信号。而由浆液或低电导率流体产生的低频噪声可被不受噪声影响的高频采样电路所抑制, 有着同样时间常数的流量信号经过一个差分电路以确定流速信号的变化, 把这两种不同频率采样所得的信号结合起来可获得一个稳定流速信号, 该信号不受噪声干扰, 且有较高的零点稳定性。

　　3.3　电源干扰噪声特点及电磁流量计抗干扰技术

基本信号关系

　　　电磁流量计一般都采用工频交流电源供电, 其电源电压的幅值和频率的变化都会给电磁流量计带来电源性干扰噪声。对电源电压的幅值变化, 因采用多级集成稳压, 一般而言电源电压的幅值变化对电磁流量的测量精度影响不大。当电源电压的频率波动时, 虽然其波动范围有限, 但对电磁流量计测量精度影响较大。为了解决工频干扰问题, 实现对流体流速感应电势eab信号的准确测量, 需利用以下基本关系:①励磁周期为工频周期的整数倍, 即励磁频率为50/nHz(n为偶数);②正负励磁下的同相位采样。图2是对应低频矩形波励磁形式下的典型电势信号形式, 按上述关系在一个励磁周期下, 若假设t1 和t2 点为工频干扰的等效干扰点, 且采样宽度T=T1 =T2 , 则eab的基本算式[ 3] 为:

　　μ0 (t2)=1

　　2T ∫t1

　　+T1 t1

　　e(t1 )dt-∫t2

　　+T2 t2

　　e(t2 )dt=eab (4)

　　式(4)从理论上说明电磁流量计的工频干扰有可克服的途径, 即同步采样技术, 其方法是以同相位(t1=t2 )、同宽度采样(T1 =T2 =T)为前提的, 采样频率要选为工频周期的整数倍。这样即使混有干扰信号, 因其采样时间为完整的工频周期, 其平均值也为零, 干扰电压不起作用。

　　4　电磁流量计选型

　　4.1　电磁流量计选型的一般原则[ 4]

　　(1)被测介质是否为导电液体或浆液, 由此决定是否选用电磁流量计;

　　(2)被测介质的电导率决定电磁流量计的类型———是高电导率还是低电导率;

　　(3)工艺要求的大、小和常用流量工艺管道的公称通径, 决定介质的流速是否处在较经济的流速点上, 管道是否需要变径, 后确定流量计的口径;

　　(4)以工艺管道的布置情况, 来确定采用一体型还是分体型流量计, 以及流量计的防护等级等

　　(5)根据被测介质是否易结晶、结疤来选择电极型式;

　　(6)根据被测介质的腐蚀性来选择电极材料;

　　(7)被测介质的腐蚀性、磨损性及温度来决定采用何种衬里材料;

　　(8)被测介质的高工作压力决定流量计的公称压力;

　　(9)工艺管道的绝缘性决定接地环的型式。

　　4.2　根据电磁流量计励磁方式的的特点选型

　　(1)直流励磁型

　　这种电磁流量计数量很少, 只用于测量液态金属流量, 如常温下的汞和高温下的液态钠、钾等。

　　(2)交流工频励磁型

　　较早期的电磁流量计用50 Hz工频市电励磁,由于易受电磁干扰和零点漂移等原因, 现已逐渐被低频矩形励磁所代替。但在测量泥浆、矿浆等液固两相流时, 低频矩形波励磁方式不能克服固体擦过电极表面产生的尖峰噪声, 而工频交流励磁的仪表则不存在这一缺点, 所以国内外尚有一些电磁流量计仍采用交流工频励磁方式。

　　(3)低频矩形波励磁型

　　由于低频矩形波励磁方式功耗小, 零点稳定性好, 所以它是目前电磁流量计的主要励磁方式。其波形有“正-负”二值和“正-零-负-零”三值两种。有的电磁流量计励磁频率可以由用户设定, 一般小口径仪表用较高频率, 大口径仪表用较低频率。

　　(4)双频励磁型励磁电流的波形是在低频矩形波上叠加高频矩形波, 主要为克服二值矩形波励磁存在的浆液噪声和流动噪声, 提高仪表的稳定性和响应特性, 因此广泛用于制浆造纸及污水处理等行业。

　　　结束语

　　　　通过上面分析可知, 电磁流量计具有测量精度高、速度快、使用方便, 测量范围广、口径宽等诸多优点, 但同时也存在着测量输出信号易受工频电磁干扰, 流体电化学噪声及电源频率变化影响的缺点。不同励磁方式的电磁流量计具有不同的抗干扰技术和应用范围。正确了解各种励磁技术的特点和不同电磁流量计的技术原理是正确使用电磁流量计的前提。