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电磁流量计

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电磁流量计选型设计中需要深入研究的几个问题

来源:作者:发表时间:2018-06-28 17:38:42

        对电磁流量计在工程设计选用中的几个方面,包括被测液体的电导率、流量计口径的选择、电极材料的选择、传感器接地及接地环的材料的选择进行了深入的分析研究,以避免一些电磁流量计在应用中的常见故障,供工程设计人员参考。

 
电磁流量计(Eletromagnetic Flowmeters,简称EMF)是 20 世纪 50~60 年代随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表。由于其独特的优点,发展非常迅速,已经成为最常用的流量计之一,其应用领域日益扩大,发展前景未可限量。
 
1 电磁流量计的工作原理
在结构上,电磁流量计由电磁流量传感器和转换器两部分组成。传感器安装在工业过程管道上,它的作用是将流进管道内的液体体积流量值线性地变换成感生电势信号,并通过传输线将此信号送到转换器。转换器安装在离传感器不太远的地方,它将传感器送来的流量信号进行放大,并转换成流量信号成正比的标准电信号输出,以进行显示,累积和调节控制。
 
根据法拉第电磁感应定律,当一导体在磁场中运动切割磁力线时,在导体的两端即产生感生电势e,其方向由右手定则确定,其大小与磁场的磁感应强度 B,导体在磁场内的长度 L 及导体的运动速度 v成正比,如果 B,L,v 三者互相垂直,则
e = BL v  (1)
 
与此相仿,在磁感应强度为 B 的均匀磁场中,垂直于磁场方向放一个内径为 D 的不导磁管道,当导电液体在管道中以流速 v 流动时,导电流体就切割磁力线。如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极(如图)则可以证明,只要管道内流速分布为轴对称分布,两电极之间也产生感生电动势:
e=BD v f (2)
式中,v f 为管道截面上的平均流速。由此可得管道的体积流量 q v 为:
20180628173907.jpg
由上式可见,体积流量 q v 与感应电动势 e 和测量管内径 D 成线性关系,与磁场的磁感应强度 B 成反比,与其它物理参数无关.这就是电磁流量计的测量原理。
 
2 电磁流量计选用的深入分析研究
电磁流量计目前已广泛地被应用于工业过程中各种导电液体的流量测量,如:各种酸、碱、盐等腐蚀性介质。另外,由于电磁流量计的传感器结构牢固可靠,无可动部件,也没有阻碍流体流动的节流件,不会堵塞,因此,特别适用于带有悬浮物、固体颗粒、纤维等脏污流、浆液等的流量测量,形成了独特的应用领域。
电磁流量计的工作原理示意图
在电磁流量计的日常应用中,为避免一些不必要的故障,本文对于在工程设计中电磁流量计的被测液体的电导率、口径的选择、电极材料的选择、传感器接地及接地环材料的选择这几个方面进行了深入的分析研究。
 
2.1 被测液体的电导率
电磁流量计测量的液体必须是导电的,在设计选型中,只要被测液体的电导率超过电磁流量计的阈值,即使变化也不会影响测量值,但如果低于阈值则会产生测量误差。电导率的降低,将会增加传感器的输出阻抗,并且因转换器输入阻抗引起的负载效应而产生误差。因此,电磁流量计不适用于电导率太低的液体,具体可根据各个制造厂样本参数判定。也不能测量气体,蒸汽及含有气泡的液体。
 
另外,不要把电磁流量计安装在液体电导率极不均匀的地方。尤其在流量计安装上游有化学物质注入的情况下,极易导致电导率的不均匀性,从而对于流量计的测量产生严重干扰。
 
若工艺有要求注入化学物质,在这种情况下,可以在电磁流量计安装的下游管道注入。
 
如果必须从电磁流量计安装的上游管道注入化学物质,则必须装上足够长的直管段,以保证液体充分混合均匀。
 
2.2 传感器口径与连接的工艺管道口径
电磁流量计的口径是根据管道内的平均流速而定的。通常选用与连接的工艺管道相同的口径或略小些,不一定要与管道口径完全一致,可以用异径管连接。
 
管道的平均流速则根据不同的情况而定。一般工业输水管道的经济流速 1.5~3m/s,易粘附沉积结垢物质则提高到 3~4 m/s 或者更高,浆料等腐蚀性强的为 2~3 m/s。电磁流量计的液体流速范围还是很宽的,可以在 1~10 m/s 之间选用。原理上,上限流速并没有限制,满刻度流量的流速下限一般为 1m/s,有些产品更低,为 0.3 m/s。在这个流速范围内,考虑安装方便,电磁流量计口径可以选择和管道口径一致,不要选择异径管。
 
有时也会选择电磁流量计口径与连接的工艺管道口径不相同。如:管道内流速偏低,低于流量计的液体流速范围,工艺流量又比较稳定,从测量的准确度考虑,在流量计处局部提高流速,选择传感器口径小于工艺管道口径,以异径管连接到管道。
 
另外,对于大口径的电磁流量计,口径越大,价格也越高,对于管道内流速偏低,工艺参数稳定的情况下,可以选用口径较小的流量计,这样不仅可以使流量计运行在较好的工作状态下,还可以降低投资成本。
 
另外,需要特别注意的一点是,电磁流量计必须在满管条件下工作。不满管或者空管的情况下,流量计都不能正常工作。
 
2.3 电极材料的选择
电磁流量计的电极材料的选择首要考虑的因素是被测介质的腐蚀性,其次考虑是否会产生钝化等表面效应和所形成的噪声。
 
对电磁流量计来说,其电极的耐腐蚀性要求很高,不允许或者只允许极低的腐蚀速率,否则会破坏电极与衬里间的密封性,导致流量计不能正常工作。因此,原则上电极材料的选定,需要借鉴被测介质在其他设备的应用实际和以往的经验,由熟悉现场条件的用户来确定。一般情况下,电极材料的耐腐蚀性要比管道材料高一个等级。对一般的介质,可以查阅相关的防腐蚀手册,对于混酸等成分复杂的介质,应做挂片试验,从而得出比较可靠的结论。表 1 给出了在工程设计中常用的电极材料性能,供参考。
 
电极的耐腐蚀性是选择电极材料的重要因素,但有时候电极材料对于被测介质有很好的耐腐蚀性,却不一定就是适用的材料,还要避免产生电极的表面效应。电极的表面效应分为表面化学效应,电化学和极化现象,以及电极的触媒作用三个方面。下文举例若干实例说明如何避免电极表面效应。
电磁流量计常用电极材料性能
例如:钽对水是耐腐蚀的,但若使用钽电极电磁流量计测量水流量,钽与水接触会被氧化,产生表面化学效应,形成绝缘层,影响仪表的正常使用。氢氧化钠等碱液也不能使用钽电极,在工艺流程中即使是极短时间钽电极与水或“非酸”液体接触(如:清洗管系),均会影响流量计的正常使用。铂电极用于测量低压过氧化氢(压力低于0.3MPa)时,由于触媒作用在电极表面产生气雾,阻断了电路通路从而影响工作。
 
哈氏合金 B 对温度、浓度不高的盐酸有耐腐蚀性,应用良好,然而当硫酸浓度超过某值时会产生噪音。现场试验表明,浓度超过 15%~ 20%时仪表输出随之晃动起来,浓度到 25%时输出晃动高达20%。硝酸、硫酸等酸液也有相似效应。
 
水厂用硫酸铝液与原水混合以凝聚悬浮体,混合配比常用电磁流量计测量硫酸铝液,选用耐酸钢电极即可获得满意的结果。而选用哈氏合金 B 电极电磁流量计,在测量 15%硫酸铝液时,输出也会产生晃动现象。
 
通常情况下,铂、钽电极对于各种硫酸、硝酸、盐酸、氢氟酸,大部分均有较好的测量结果,但其中铂电极对于浓度大于 10%的盐酸会因为电化学和极化现象的电极表面效应而产生噪音,钽电极对于浓度大于 10%的氢氟酸则不耐腐蚀。所以,在工程设计中需要综合考虑材料的耐腐蚀性和避免电极表面效应,选择合适的电极材料。
 
2.4  传感器的接地考虑及接地环的材料的选择
电磁流量计的传感器接地非常关键,这不仅有利于保证安全,而且还可以确保电磁流量计的正常操作。由于电磁流量计的感应信号电压很小,容易受到噪音影响。基准电位应保持与被测液体相同。因此,传感器的基准电位(端电位),转换器和放大器的基准电位都与被测液体相同,而被测液体的电位又应与地电位相同。
 
所以,通常来讲,电磁流量计一般通过传感器的接地端子与金属工艺管道相连接,从而达到与地电位连接的目的。对于塑料管道或者装有绝缘内衬的管道,流体的接地通过设置接地环来实现。
 
譬如,对于防护电解腐蚀和部分化学介质的阴极保护管道,通常其内壁和外壁之间是绝缘的,因此,被测介质没有接地电位。此时,电磁流量计接地就必须使用接地环。这种情况下设置接地环时需要注意的问题,恰恰是比较容易疏忽的地方,而这又可能导致流量计在日后的使用中出现问题。例如:,某装置内安装的某台电磁流量计平时都运行正常,而在某天上午忽然出现输出信号大幅度波动,经检查仪表本身没有任何故障。原来是其附近实施管道电焊干扰了仪表的正常运行,工作人员立刻实施了转换器接线盒内的保护接地,又因本台电磁流量计的传感器是安装在阴极保护的管道上,除了是传感器和接地环通过接地线相连一起接地外,还用了较粗的铜导线绕过传感器跨接在管道两连接法兰上,使阴极保护电位与传感器之间隔离。随后仪表就能正常工作了。
 
由此可以看出,对于阴极保护管道上安装的电磁流量计接地需要设置接地环,使传感器独立于工艺管道单独接地。接地环要安装在传感器的两个端面上,它们必须与连接管道的法兰绝缘,通过接地线与传感器、接地环相连。接地环的作用是通过与液体接触,建立液体接地,同时又保护内衬。
 
另外,流量计两侧连接管的法兰应该用截面积为 16mm 2 的铜制导线绕过传感器相连。使用阴极保护电位与传感器之间的隔离。具有阴极防腐蚀的管道,传感器与两侧连接管道之间通常是绝缘的。所以,介质对地是不导通的,故电磁流量计安装在阴极防护管道上时,传感器的接地需要注意以下几点:
(1)对管道法兰绝缘的接地环必须同时安装在流量计的两端,接地环、流量计和测量接地之间必须互相连通。
(2)管道法兰之间必须用铜质导线互相连接,但必须注意不要接到传感器上去。故法兰与传感器连接的螺栓也必须绝缘。
 
接地环的材料选择也是比较重要的。接地环应能耐介质腐蚀,其选择可以与电极材料相同。但接地环的耐腐蚀要求比电极低,允许有一定的腐蚀性,定期更换即可。而且,因接地环体积大,从经济上考虑较少采用铂、钽等贵重金属,一般可选择与管道材料耐腐蚀性相同的材料,例如:耐酸钢或者哈氏合金等。如果金属工艺管道直接与流体接触就不需要接地环。
 
随文章附上电磁流量计的选型规格表,见表 2,便于工程设计人员选型参考。在这样规格表中,既要考虑满足工艺条件,又要考虑电磁流量计的特殊要求,同时还能识别一些关于电磁流量计的专业英文词汇。
 
3 结束语
综上所述,电磁流量计作为一种新型的流量测量仪表,有其独特的优点,在越来越多的领域得到了广泛的应用,发展迅速,具有强大的生命力。 因此,在工程设计中,电磁流量计的正确选用是极为重要的,必须引起重视。只有正确合理的使用电磁流量计,才能使其发挥更大的作用。
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