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電磁流量計

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電磁流量計選型設計中需要深入研究的幾個問題

來源:作者:發表時間:2018-06-28 17:38:42

        對電磁流量計在工程設計選用中的幾個方面,包括被測液體的電導率、流量計口徑的選擇、電極材料的選擇、傳感器接地及接地環的材料的選擇進行了深入的分析研究,以避免一些電磁流量計在應用中的常見故障,供工程設計人員參考。

 
電磁流量計(Eletromagnetic Flowmeters,簡稱EMF)是 20 世紀 50~60 年代隨著電子技術的發展而迅速發展起來的新型流量測量儀表。由于其獨特的優點,發展非常迅速,已經成為最常用的流量計之一,其應用領域日益擴大,發展前景未可限量。
 
1 電磁流量計的工作原理
在結構上,電磁流量計由電磁流量傳感器和轉換器兩部分組成。傳感器安裝在工業過程管道上,它的作用是將流進管道內的液體體積流量值線性地變換成感生電勢信號,并通過傳輸線將此信號送到轉換器。轉換器安裝在離傳感器不太遠的地方,它將傳感器送來的流量信號進行放大,并轉換成流量信號成正比的標準電信號輸出,以進行顯示,累積和調節控制。
 
根據法拉第電磁感應定律,當一導體在磁場中運動切割磁力線時,在導體的兩端即產生感生電勢e,其方向由右手定則確定,其大小與磁場的磁感應強度 B,導體在磁場內的長度 L 及導體的運動速度 v成正比,如果 B,L,v 三者互相垂直,則
e = BL v  (1)
 
與此相仿,在磁感應強度為 B 的均勻磁場中,垂直于磁場方向放一個內徑為 D 的不導磁管道,當導電液體在管道中以流速 v 流動時,導電流體就切割磁力線。如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極(如圖)則可以證明,只要管道內流速分布為軸對稱分布,兩電極之間也產生感生電動勢:
e=BD v f (2)
式中,v f 為管道截面上的平均流速。由此可得管道的體積流量 q v 為:
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由上式可見,體積流量 q v 與感應電動勢 e 和測量管內徑 D 成線性關系,與磁場的磁感應強度 B 成反比,與其它物理參數無關.這就是電磁流量計的測量原理。
 
2 電磁流量計選用的深入分析研究
電磁流量計目前已廣泛地被應用于工業過程中各種導電液體的流量測量,如:各種酸、堿、鹽等腐蝕性介質。另外,由于電磁流量計的傳感器結構牢固可靠,無可動部件,也沒有阻礙流體流動的節流件,不會堵塞,因此,特別適用于帶有懸浮物、固體顆粒、纖維等臟污流、漿液等的流量測量,形成了獨特的應用領域。
電磁流量計的工作原理示意圖
在電磁流量計的日常應用中,為避免一些不必要的故障,本文對于在工程設計中電磁流量計的被測液體的電導率、口徑的選擇、電極材料的選擇、傳感器接地及接地環材料的選擇這幾個方面進行了深入的分析研究。
 
2.1 被測液體的電導率
電磁流量計測量的液體必須是導電的,在設計選型中,只要被測液體的電導率超過電磁流量計的閾值,即使變化也不會影響測量值,但如果低于閾值則會產生測量誤差。電導率的降低,將會增加傳感器的輸出阻抗,并且因轉換器輸入阻抗引起的負載效應而產生誤差。因此,電磁流量計不適用于電導率太低的液體,具體可根據各個制造廠樣本參數判定。也不能測量氣體,蒸汽及含有氣泡的液體。
 
另外,不要把電磁流量計安裝在液體電導率極不均勻的地方。尤其在流量計安裝上游有化學物質注入的情況下,極易導致電導率的不均勻性,從而對于流量計的測量產生嚴重干擾。
 
若工藝有要求注入化學物質,在這種情況下,可以在電磁流量計安裝的下游管道注入。
 
如果必須從電磁流量計安裝的上游管道注入化學物質,則必須裝上足夠長的直管段,以保證液體充分混合均勻。
 
2.2 傳感器口徑與連接的工藝管道口徑
電磁流量計的口徑是根據管道內的平均流速而定的。通常選用與連接的工藝管道相同的口徑或略小些,不一定要與管道口徑完全一致,可以用異徑管連接。
 
管道的平均流速則根據不同的情況而定。一般工業輸水管道的經濟流速 1.5~3m/s,易粘附沉積結垢物質則提高到 3~4 m/s 或者更高,漿料等腐蝕性強的為 2~3 m/s。電磁流量計的液體流速范圍還是很寬的,可以在 1~10 m/s 之間選用。原理上,上限流速并沒有限制,滿刻度流量的流速下限一般為 1m/s,有些產品更低,為 0.3 m/s。在這個流速范圍內,考慮安裝方便,電磁流量計口徑可以選擇和管道口徑一致,不要選擇異徑管。
 
有時也會選擇電磁流量計口徑與連接的工藝管道口徑不相同。如:管道內流速偏低,低于流量計的液體流速范圍,工藝流量又比較穩定,從測量的準確度考慮,在流量計處局部提高流速,選擇傳感器口徑小于工藝管道口徑,以異徑管連接到管道。
 
另外,對于大口徑的電磁流量計,口徑越大,價格也越高,對于管道內流速偏低,工藝參數穩定的情況下,可以選用口徑較小的流量計,這樣不僅可以使流量計運行在較好的工作狀態下,還可以降低投資成本。
 
另外,需要特別注意的一點是,電磁流量計必須在滿管條件下工作。不滿管或者空管的情況下,流量計都不能正常工作。
 
2.3 電極材料的選擇
電磁流量計的電極材料的選擇首要考慮的因素是被測介質的腐蝕性,其次考慮是否會產生鈍化等表面效應和所形成的噪聲。
 
對電磁流量計來說,其電極的耐腐蝕性要求很高,不允許或者只允許極低的腐蝕速率,否則會破壞電極與襯里間的密封性,導致流量計不能正常工作。因此,原則上電極材料的選定,需要借鑒被測介質在其他設備的應用實際和以往的經驗,由熟悉現場條件的用戶來確定。一般情況下,電極材料的耐腐蝕性要比管道材料高一個等級。對一般的介質,可以查閱相關的防腐蝕手冊,對于混酸等成分復雜的介質,應做掛片試驗,從而得出比較可靠的結論。表 1 給出了在工程設計中常用的電極材料性能,供參考。
 
電極的耐腐蝕性是選擇電極材料的重要因素,但有時候電極材料對于被測介質有很好的耐腐蝕性,卻不一定就是適用的材料,還要避免產生電極的表面效應。電極的表面效應分為表面化學效應,電化學和極化現象,以及電極的觸媒作用三個方面。下文舉例若干實例說明如何避免電極表面效應。
電磁流量計常用電極材料性能
例如:鉭對水是耐腐蝕的,但若使用鉭電極電磁流量計測量水流量,鉭與水接觸會被氧化,產生表面化學效應,形成絕緣層,影響儀表的正常使用。氫氧化鈉等堿液也不能使用鉭電極,在工藝流程中即使是極短時間鉭電極與水或“非酸”液體接觸(如:清洗管系),均會影響流量計的正常使用。鉑電極用于測量低壓過氧化氫(壓力低于0.3MPa)時,由于觸媒作用在電極表面產生氣霧,阻斷了電路通路從而影響工作。
 
哈氏合金 B 對溫度、濃度不高的鹽酸有耐腐蝕性,應用良好,然而當硫酸濃度超過某值時會產生噪音。現場試驗表明,濃度超過 15%~ 20%時儀表輸出隨之晃動起來,濃度到 25%時輸出晃動高達20%。硝酸、硫酸等酸液也有相似效應。
 
水廠用硫酸鋁液與原水混合以凝聚懸浮體,混合配比常用電磁流量計測量硫酸鋁液,選用耐酸鋼電極即可獲得滿意的結果。而選用哈氏合金 B 電極電磁流量計,在測量 15%硫酸鋁液時,輸出也會產生晃動現象。
 
通常情況下,鉑、鉭電極對于各種硫酸、硝酸、鹽酸、氫氟酸,大部分均有較好的測量結果,但其中鉑電極對于濃度大于 10%的鹽酸會因為電化學和極化現象的電極表面效應而產生噪音,鉭電極對于濃度大于 10%的氫氟酸則不耐腐蝕。所以,在工程設計中需要綜合考慮材料的耐腐蝕性和避免電極表面效應,選擇合適的電極材料。
 
2.4  傳感器的接地考慮及接地環的材料的選擇
電磁流量計的傳感器接地非常關鍵,這不僅有利于保證安全,而且還可以確保電磁流量計的正常操作。由于電磁流量計的感應信號電壓很小,容易受到噪音影響。基準電位應保持與被測液體相同。因此,傳感器的基準電位(端電位),轉換器和放大器的基準電位都與被測液體相同,而被測液體的電位又應與地電位相同。
 
所以,通常來講,電磁流量計一般通過傳感器的接地端子與金屬工藝管道相連接,從而達到與地電位連接的目的。對于塑料管道或者裝有絕緣內襯的管道,流體的接地通過設置接地環來實現。
 
譬如,對于防護電解腐蝕和部分化學介質的陰極保護管道,通常其內壁和外壁之間是絕緣的,因此,被測介質沒有接地電位。此時,電磁流量計接地就必須使用接地環。這種情況下設置接地環時需要注意的問題,恰恰是比較容易疏忽的地方,而這又可能導致流量計在日后的使用中出現問題。例如:,某裝置內安裝的某臺電磁流量計平時都運行正常,而在某天上午忽然出現輸出信號大幅度波動,經檢查儀表本身沒有任何故障。原來是其附近實施管道電焊干擾了儀表的正常運行,工作人員立刻實施了轉換器接線盒內的保護接地,又因本臺電磁流量計的傳感器是安裝在陰極保護的管道上,除了是傳感器和接地環通過接地線相連一起接地外,還用了較粗的銅導線繞過傳感器跨接在管道兩連接法蘭上,使陰極保護電位與傳感器之間隔離。隨后儀表就能正常工作了。
 
由此可以看出,對于陰極保護管道上安裝的電磁流量計接地需要設置接地環,使傳感器獨立于工藝管道單獨接地。接地環要安裝在傳感器的兩個端面上,它們必須與連接管道的法蘭絕緣,通過接地線與傳感器、接地環相連。接地環的作用是通過與液體接觸,建立液體接地,同時又保護內襯。
 
另外,流量計兩側連接管的法蘭應該用截面積為 16mm 2 的銅制導線繞過傳感器相連。使用陰極保護電位與傳感器之間的隔離。具有陰極防腐蝕的管道,傳感器與兩側連接管道之間通常是絕緣的。所以,介質對地是不導通的,故電磁流量計安裝在陰極防護管道上時,傳感器的接地需要注意以下幾點:
(1)對管道法蘭絕緣的接地環必須同時安裝在流量計的兩端,接地環、流量計和測量接地之間必須互相連通。
(2)管道法蘭之間必須用銅質導線互相連接,但必須注意不要接到傳感器上去。故法蘭與傳感器連接的螺栓也必須絕緣。
 
接地環的材料選擇也是比較重要的。接地環應能耐介質腐蝕,其選擇可以與電極材料相同。但接地環的耐腐蝕要求比電極低,允許有一定的腐蝕性,定期更換即可。而且,因接地環體積大,從經濟上考慮較少采用鉑、鉭等貴重金屬,一般可選擇與管道材料耐腐蝕性相同的材料,例如:耐酸鋼或者哈氏合金等。如果金屬工藝管道直接與流體接觸就不需要接地環。
 
隨文章附上電磁流量計的選型規格表,見表 2,便于工程設計人員選型參考。在這樣規格表中,既要考慮滿足工藝條件,又要考慮電磁流量計的特殊要求,同時還能識別一些關于電磁流量計的專業英文詞匯。
 
3 結束語
綜上所述,電磁流量計作為一種新型的流量測量儀表,有其獨特的優點,在越來越多的領域得到了廣泛的應用,發展迅速,具有強大的生命力。 因此,在工程設計中,電磁流量計的正確選用是極為重要的,必須引起重視。只有正確合理的使用電磁流量計,才能使其發揮更大的作用。
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