電磁流量計的測量原理及其在工程設(shè)計中的應(yīng)用
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發(fā)布時間：1970-01-01 08:00:00
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摘要：電磁流量計具有無壓損、口徑大、量程比寬、耐腐蝕、適用于高黏度介質(zhì)、性價比高等特點。探討了電磁流量計的測量原理、特點、適用場合等工程要素，詳細介紹了電磁流量計的性能特點。重點介紹了電磁流量計的幾個典型應(yīng)用案例，提供了疑難流量測量的參考方案。
在石化、化工、電力、冶金、市政、制藥等行業(yè)，流量測量的技術(shù)難度和復(fù)雜程度都相當高，研究流量測量對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低企業(yè)的經(jīng)營成本、解決節(jié)能環(huán)保起到重要作用。電磁流量計具有無阻力，無壓損的優(yōu)點，可以充分減小管道內(nèi)的阻力，符合節(jié)能降耗的要求，因而電磁流量計在業(yè)界得到廣泛的重視。筆者介紹了電磁流量計的測量原理、特點和適用場合，提出了在工程設(shè)計中選用電磁流量計需考慮的因素及電磁流量計的安裝要求。
１ 電磁流量計測量原理
電磁流量計的測量原理是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律測量流速，再測量流通截面液位高度得流通面積，兩者相乘得到所測流量［１］，電磁流量計測量原理如圖１所示，電磁流量計實際測量介質(zhì)流速，是一種速度式流量計。電磁流量計的測量原理依據(jù)以下公式表述：Ｕｅ＝ｋＢＬｖ（１）
ｑＶ＝Ｌ２ｖπ／４（２）
因此
Ｕｅ＝４ｋＢｑＶ／πＬ（３）
式中：Ｕｅ—感應(yīng)電動勢，即流量信號，
Ｖ；Ｂ—磁感
應(yīng)強度，Ｔ；
Ｌ—電極間距，即測量管內(nèi)徑，ｍ；ｖ—液
體平均流速，ｍ／ｓ；
ｑＶ—液體體積流量，ｍ
３／
ｓ。
２ 適用范圍和優(yōu)點
電磁流量計廣泛用于導電液體或液固兩相介質(zhì)的體積流量測量，如其他儀表不能測量的各種酸、堿、鹽等高腐蝕性、易結(jié)晶的溶液的流量，泥漿、礦漿、水煤漿、紙漿、漿料等液固介質(zhì)和純水、污水等相對簡單的導電介質(zhì)的流量。電磁流量計要求被測介質(zhì)電導率一般應(yīng)大于５μＳ／ｃｍ。電磁流量計由流量傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，與其他類型的流量計相比，其優(yōu)點如下：
１）傳感器測量管是一段無阻流檢測件的直管，因而檢測流量時不會造成壓力損失，節(jié)能效果好。
２）適用于測量含有固體顆粒或纖維的液固兩相流體，如紙漿、煤粉漿、礦漿、污水及酸、堿、鹽溶液等具有一定電導率的液體，所測體積流量不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導率的影響。
３）測量范圍大，量程比一般大于１０∶１，最高可達１００∶１。流速范圍一般為１～６ｍ／ｓ，也可擴展到０．５～１０．０ｍ／ｓ。測量管徑范圍為２ｍｍ～３ｍ［２］。
４）Ｕｅ與ｑＶ成線性關(guān)系，故儀表具有均勻刻度，且所測得流體的體積流量與介質(zhì)的物性（如溫度、壓力、密度、黏度）無關(guān)，所以電磁流量計只需用水標定后，即可用來測量其他導電介質(zhì)的體積流量，無需修正［２］。
５）測量口徑大，適用于大管徑液體流量的測量。
６）與其他大部分流量儀表相比，所要求的前置直管段較低。
３ 工程設(shè)計中需考慮的因素
３．１ 工藝過程條件
選用建鑫電磁流量計通常需要考慮的工藝條件如下：
１）被測介質(zhì)電導率。電磁流量計測量的流體必須是導電的，一般只要電導率超過閾值，即使變化也不影響測量值，但低于閾值將會增大測量誤差；通常要求液體電導率不小于５μＳ／ｃｍ，去離子水電導率不小于２０μＳ／ｃｍ。
２）被測介質(zhì)溫度。根據(jù)被測工藝介質(zhì)的溫度范圍，選擇測量管內(nèi)襯材料及傳感器線圈的漆包線的耐溫等級，即襯里材料應(yīng)與介質(zhì)溫度相適應(yīng)，常用測量管襯里材料建議根據(jù)表１選擇。
３）被測介質(zhì)壓力。根據(jù)被測工藝介質(zhì)的壓力，結(jié)合介質(zhì)的設(shè)計溫度來確定電磁流量計傳感器的過程連接法蘭壓力等級，常用標準壓力等級有ＰＮ４０，ＰＮ１６，ＰＮ１０，ＰＮ６；美國標準ＡＳＭＥＢ１ ６．５Ｃｌａｓｓ １５０，Ｃｌａｓｓ ３００。選用電磁流量計時還需注意壓力等級與流量計口徑有關(guān)。
４）工藝介質(zhì)流量范圍及工藝管道的管徑。根據(jù)管道口徑和介質(zhì)流速確定電磁流量計傳感器的標稱口徑。通常選用與管道相同或略小的口徑，管道內(nèi)平均流速根據(jù)情況而定，一般工業(yè)輸水管道為經(jīng)濟流速１．５～３ｍ／ｓ，易黏附沉積結(jié)垢物質(zhì)流速宜為３～４ｍ／ｓ，礦漿等磨蝕性強的介質(zhì)流速宜為２～３ｍ／ｓ，電磁流量計液體流速可在１～１０ｍ／ｓ選用［１］。
５）介質(zhì)狀態(tài)。介質(zhì)含有固體顆粒對傳感器內(nèi)襯及電極有磨蝕作用，如果被測介質(zhì)含有固體顆粒，襯里需選用高耐磨性材料，如陶瓷或聚氨酯橡膠［１］。
６）介質(zhì)的腐蝕性。由于電極和襯里與介質(zhì)直接接觸，電極和襯里的耐腐蝕特性應(yīng)與介質(zhì)的腐蝕性相匹配。
７）工藝管道材質(zhì)。根據(jù)安裝電磁流量計所在的管道材質(zhì)是金屬還是絕緣材料，確定是否采用接地法蘭。
３．２ 環(huán)境條件
１）根據(jù)安裝區(qū)域是否屬于爆炸危險區(qū)域，確定是否選擇防爆型電磁流量計，并按照爆炸危險區(qū)域劃分等級選擇滿足儀表所在區(qū)域防爆要求的電磁流量計。
２）根據(jù)電磁流量計的實際安裝地理位置，并按照ＧＢ ４２０８—２００８《外殼防護等級（ＩＰ代碼）》或ＩＥＣ５２９—２００１ Ｄｅｇｒｅｓｓｏｆ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｐｒｏｖｉｄｅｄｂｙｅｎｃｌｏｓｕｒｅｓ（ＩＰ Ｃｏｄｅ），確定電磁流量計的類型及
防護等級。若儀表安裝在地面以下，易被水淹沒，宜選用分體型電磁流量計，且傳感器防護等級應(yīng)選用ＩＰ６８的儀表；若儀表安裝在地面以上，防護等級可選用ＩＰ６５到ＩＰ６７；同時，對分體型電磁流量計所提供電纜長度應(yīng)根據(jù)實際安裝位置確定。
３．３ 材 料
１）測量管材料。測量管材料應(yīng)為非磁性材料，通常為１．４３０１不銹鋼或１．４３０６／３０ ４Ｌ不銹鋼。
２）法蘭。過程連接法蘭材料通常為Ａ１０５，Ｆ３１６Ｌ（１．４５７１／３１６Ｌ）。
３）電極材料。電極材料應(yīng)根據(jù)被測介質(zhì)的成分及金屬的耐腐蝕性選用。
４）襯里材料。襯里材料應(yīng)根據(jù)被測介質(zhì)的腐蝕性、磨損性及介質(zhì)的最高溫度來選擇。
５）接地環(huán)（或接地電極）。接地環(huán)或接地電極的材質(zhì)應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的成分及金屬耐腐蝕性選擇，常用的接地環(huán)或接地電極材料：３１６Ｌ不銹鋼、哈氏合金、鉭。通常接地電極的材質(zhì)與測量電極相同。
４ 安 裝
在工程實際應(yīng)用中，為了確保電磁流量計的正常運行及測量精度，接地極的正確安裝是極為重要的一個環(huán)節(jié)。
４．１ 接 地
由于電磁流量計測量的是微弱電勢，需排除一切外界干擾才能準確測量，因而良好的接地是保障電磁流量計穩(wěn)定工作的必要條件。通常接地是通過接地環(huán)或傳感器內(nèi)的參考電極和管路系統(tǒng)的接地連接來實現(xiàn)。
１）當電磁流量計安裝在已接地的金屬管道上，通過電磁流量計變送器上的接地端子實現(xiàn)系統(tǒng)電勢平衡，即通過截面積不小于６ｍｍ
２的銅芯電線連接至接地端子上。
２）當電磁流量計安裝在未接地的金屬管道上，２個法蘭均通過截面積至少為６ｍｍ２的銅芯電線與管道法蘭相連接，并接地；將變送器或傳感器接線盒連接至接地端子上，實現(xiàn)系統(tǒng)電勢平衡。
３）當電磁流量計安裝在塑料管道或帶絕緣內(nèi)襯的管道上，通過附加接地環(huán)實現(xiàn)系統(tǒng)電勢平衡，接地環(huán)通過截面積至少為６ｍｍ２的銅芯電線連接至接地端子上。
４．２ 直管段要求
為了保證電磁流量計的正常運行，減少測量誤差，建鑫電磁流量計前后應(yīng)符合一定的直管段要求。根據(jù)ＪＪＧ １０３３—２００７《電磁流量計核定規(guī)程》測試標準要求，通常前直管段應(yīng)達到１０Ｄ，后直管段應(yīng)為５Ｄ；根據(jù)實際經(jīng)驗，在大部分應(yīng)用場合，流量計前直管段最少不小于５Ｄ，后直管段最少不小于３Ｄ。
４．３ 安裝位置
通常，電磁流量計設(shè)計時需特別注意以下幾點：
１）變送器要選擇在任何時候測量導管內(nèi)都能充滿液體的位置進行安裝，以防止由于測量導管內(nèi)沒有液體而產(chǎn)生指針不在零點引起的錯覺。最好是垂直安裝，減少由于液體流過在電極上產(chǎn)生氣泡而造成的誤差。
２）電磁流量計測量管中出現(xiàn)氣體積聚或有氣泡現(xiàn)象時，會增大測量誤差，所以要避免將電磁流量計傳感器安裝在管道的最高點。
３）電磁流量計傳感器不應(yīng)安裝在泵的入口側(cè)，避免抽液時形成負壓損壞測量管內(nèi)襯。
４）盡量避免安裝在有振動的地方，若不可避免，應(yīng)加固管路系統(tǒng)和傳感器，當振動十分劇烈時，宜選用分體式電磁流量計，將變送器和傳感器分開安裝。在高空管道上，也要盡量選用分體式電磁流量計，將傳感器安裝在高空管道上，將變送器安裝在地面上的易觀察處，方便巡查和維修。
５）電磁流量計信號微弱，在滿量程時只有２．５～８．０ｍＶ，流量很小時，輸出只有幾微伏。要避免將電磁流量計安裝在有電磁場和電磁場變化劇烈的地方，如大型變壓器、電機等強電磁設(shè)備附近。
６）變送器和二次儀表必須使用電源中的同一根相線，否則會由于檢測信號和反饋信號相位差１２０°，導致儀表不能正常工作［３］。
７）對于含固顆粒的液體流量測量，電磁流量檢測器宜垂直安裝，并且流體的流向應(yīng)自下而上。
４．４ 選型中需要注意的問題
電磁流量計的測量管內(nèi)襯材料有多種，其中耐腐蝕性能好的是聚四氟乙烯，目前最新的技術(shù)成果開發(fā)了陶瓷內(nèi)膽襯里，此種材料既防腐蝕又耐磨。電極材料的選擇要嚴格按照選型要求進行，應(yīng)以滿足需要為原則，不盲目選擇貴金屬。在化工生產(chǎn)中鉑是一種性能很好的催化劑，某些介質(zhì)在一定的條件下與鉑接觸后易發(fā)生化學反應(yīng)，鉑電極的電磁流計在測量雙氧水時，會在電極表面生成氣霧，流量為零時，輸出也會波動［４］。由于腐蝕性介質(zhì)的種類多種多樣，提供腐蝕性介質(zhì)給制造廠商進行研究，由制造廠商提供試用材料，在規(guī)定的條件上掛片試驗樣機。
５ 應(yīng)用案例分析
５．１ 在循環(huán)冷卻水站及尿素裝置中的應(yīng)用
２０１２年１月建成并投運的某項目的循環(huán)冷卻水站及尿素裝置液體流量測量點的特點：循環(huán)冷卻水站的工藝管徑大、壓力低、水中含有氯化物等腐蝕性介質(zhì)，而且工藝管道敷設(shè)在地面以下；尿素裝置流量測量介質(zhì)有熔融尿素、甲氨溶液等，具有腐蝕性強、易結(jié)晶的特點。同時要求儀表測量精度優(yōu)于±０．５％。鑒于上述工況特點及要求，選用建鑫儀表的電磁流量計，表２為該項目工況條件及電磁流量計的性能指標。其中，循環(huán)冷卻水站的電磁流量計選用分體型，檢測器的防護等級為ＩＰ６８，信號轉(zhuǎn)換器的防護等級為ＩＰ６７；尿素裝置所用電磁流量計的防護等級為ＩＰ６７，儀表運行至今效果良好。
５．２ 在乙烯堿洗塔系統(tǒng)中的應(yīng)用
乙烯堿洗塔系統(tǒng)中采用２０％質(zhì)量分數(shù)的離子堿注入塔內(nèi)，與塔內(nèi)的洗滌水液混合形成三段不同質(zhì)量分數(shù)的堿液，對裂解氣壓縮機 Ⅲ 段出來的裂解氣進行洗滌，從而脫除乙烯裂解氣中的 Ｈ ２ Ｓ和ＣＯ ２等雜質(zhì)，經(jīng)過三段洗滌后，在最后一段雜質(zhì)生成碳酸氫鈉后排出塔。洗滌后的裂解氣進入壓縮機的高壓段繼續(xù)壓縮并進入后系統(tǒng)進一步分離處理。
由于離子堿具有較強的腐蝕性，測量難度大。原設(shè)計采用差壓變送器測量方案，在使用過程中因引壓管和三閥組內(nèi)的物料結(jié)晶頻繁，無法正常工作。經(jīng)過多方評估，最后選擇了建鑫儀表的鉑金電極的電磁流量計，該流量計具有強抗腐蝕的鉑金電極和ＰＴＦＥ內(nèi)襯，剛開始儀表指示正常，但不久均失靈，經(jīng)多方面查找原因，系內(nèi)襯損壞導致電極被腐蝕損壞，儀表無法工作。經(jīng)過多方調(diào)研和交流，在再次改造中選擇了橫河電機公司的電容式無電極電磁、配置陶瓷內(nèi)膽的電磁流量計，該流量計以外壁作為測量電極，配以內(nèi)部陶瓷內(nèi)膽，具有極高的耐磨性和防腐蝕性能，徹底改變了原有電磁流量計配備專用電極的局限性，很好地解決了該工況中的測量問題。
６ 結(jié)束語
綜上所述，電磁流量計因其獨特的優(yōu)點，在石化、化工等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。用戶在選用電磁流量計時應(yīng)充分掌握測量工況的各項條件及其安裝要求，了解電磁流量計安裝所處的環(huán)境條件，以確保正確地選用電磁流量計，提高測量儀表的準確性和穩(wěn)定性。
