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电磁流量计原理,选型,优缺点,分类,安装,维护,故障等详谈

来源:作者:发表时间:2017-10-18 09:03:33

        电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。上世纪50年代电磁流量计实现了工业化应用,近年来世界范围的产量约占工业流量仪表数量的50%。在巴彦淖尔紫金锌业有限公司20万t湿法锌冶炼系统各工艺流量检测仪表中,电磁流量计的使用量达到了95%。本文结合生产实际,介绍电磁流量计的选位、安装、维护、故障处理,为合理选择和应用电磁流量计提供借鉴。
 
1电磁流量计的工作原理、结构、分类
        及特点
1.1工作原理和结构
        电磁流量计的基本原理就是法拉第电磁感应定律,即导体在磁场中切割磁力线运动时在其两端产生感应电动势。导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动,与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势,电动势的方向遵循“弗来明右手规则”,其计算式如下:
        E=kBDV(1)
式中:E为感应电动势,即流量信号,V;k为系数;;B为磁感应强度,T;D为测量管内径,mo
        电磁流量计由流量传感器和变送器两大部分组成。测量管上下装有励磁线圈,通励磁电流后产生磁场穿过测量管,一对电极装在测量管内壁与液体相接触,引出感应电势送到转换器。励磁电流由变送器提供。
1.2种类
        电磁流量计按励磁电流方式可划分为:直流励磁;交流(工频或其他频率)励磁;低频方波励磁。
1.2.1直流励磁
        直流励磁方式用直流电产生磁场或采用永久磁铁,它能产生一个恒定的均匀磁场。这种直流励磁变送器最大的优点是受交流电磁场干扰影响很小,因而可以忽略液体中自感现象的影响。但是,使用直流磁场易使通过测量管道的电解质液体被极化,即电解质在电场中被电解,产生正负离子。在电场力的作用下,负离子跑向正极,正离子跑向负极,导致正负电极分别被相反极性的离子所包围,严重影响仪表的正常工作。所以,直流励磁一般只用于测量非电解质液体.
 
1.2.2交流励磁
        目前工业上使用的电磁流量计,大都采用工频(50Hz)电源交流励磁方式,即它的磁场是由正弦交变电流产生的,所以产生的磁场也是一个交变磁场。交变磁场变送器的主要优点是消除了电极表面的极化干扰。另外,由于磁场是交变的,所以输出信号也是交变信号,放大和转换低电平的交流信号要比直流信号容易得多。
        值得注意的是,交流磁场会带来一系列的电磁干扰问题,例如正交干扰、同相干扰等,这些干扰信号会与有用的流量信号混杂在一起。如何正确区分流量信号与干扰信号,并如何有效地抑制和排除各种干扰信号,是交流励磁电磁流量计在实际使用中应注意的问题。
1.2.3低频方波励磁
        低频方波励磁能避免交流磁场的正交电磁干扰,消除由分布电容引起的工频干扰,抑制交流磁场在管壁和流体内部引起的电涡流,排除直流励磁的极化现象。
 
1.3特点
        电磁流量计的优点是不易阻塞,适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流体,如纸浆、水煤浆、矿浆、泥浆和污水等,还可用于测量强酸、强碱等强腐蚀液体。由于不产生因检测流量所形成的压力损失,对于要求低阻力损失的大口径供水管道最为适合,其不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率(只要在某阂值以上)变化明显的影响。与其他大部分流量仪表相比,前置直管段要求较低。
        电磁流量计测量范围大,可选流量范围宽,满度值液体流速可在0.5-12m/s内选定。口径范围比其他品种流量仪表宽,从几毫米到3米。可测正反双向流量。
 
        电磁流量计的缺点是不能测量电导率很低的液体(电导率小于5林slom),如石油制品和有机溶剂等。不能测量气体、蒸汽和含有较多较大气泡的液体。
 
2电磁流量计的选型
2.1精度等级和功能
        电磁流量计的测量精度误差为士0.5%的最大测
量值。巴彦淖尔紫金公司锌冶炼系统使用的是西门子SITRANS.F M智能型多功能型电磁流量计,其具有测双向流、量程切换、上下限流量报警、空管和电源切断报警、小信号切除、流量显示和总量计算、自动核对和故障自诊断、与上位机通信,可以连接HART协议系统等功能
 
2.2流速、满度流f、口径
        电磁流量计满量程流量时,液体流速可在1-12m/s范围内选用,范围比较宽。上限流速通常不超过5m/s,满度流量的流速下限一般为I m/s,用于矿浆等磨耗性强的流体,常用流速应低于2-3m/s,以降低衬里和电极的磨损。
 
        电磁流量计可提供产品的口径从10mm到3 000mm,实际应用以中小口径居多。巴彦淖尔紫金公司使用的近百台仪表中,50mm以下小口径、65 -250mm中口径、300-900mm大口径所占比例分别为10%,87%,3%0
 
2.3对测最液体电导率的要求
        使用电磁流量计的前提是被测液体必须是导电的,通用的电磁流量计阑值在(5x 10')-1O's/cm之间,视型号而异。
 
2.4测It液体中含有的混入物
        锌冶炼湿法系统中的浆液内有较大颗粒,其擦过电极表面,使流量信号不稳。以80 mm口径电磁流量计作清水和浆液流量对比试验,流量计示值变化7%-10%,装有磁通检测线圈的仪表示值误差在正负2%FS以内。
 
2.5与流体接触的零部件材料
        与流体接触的传感器零部件有衬里(或绝缘材料制成的测量管)、电极、接地环和密封垫片,其材料的耐腐蚀性、耐磨耗性和使用温度上限等都不影响仪表对流体的适应性。由于零部件少,形状简单,材料选择灵活,电磁流量传感器对流体的适应性强。
 
        (1)衬里材料(或直接与介质接触的测量管)。常用的有氟塑料、聚氨醋橡胶、氯丁橡胶和陶瓷等。近年有采用高纯氧化铝(99.7%AI203)陶瓷制成衬里的,但只限中小口径传感器。
        (2)测量电极和接地环材料。电极对测量介质的耐腐蚀性是首先考虑的因素,其次考虑是否会产生钝化等表面效应和所形成的噪声。
        电磁流量计电极的耐腐蚀性要求很高,常用金属材料有哈氏合金(耐蚀镍基合金)、铂铱合金,几乎可覆盖全部化学液。此外还有适用于矿浆液等的低噪声电极,有导电橡胶电极、导电氟塑料电极和多孔性陶瓷电极,或包覆这些材料的金属电极。
        接地环连接在塑料管道或衬绝缘衬里金属管道的流量传感器两端,其耐腐蚀性要求比电极低,需定期更换,通常选用不锈钢材质,如金属工艺管道直接与流体接触就不需要接地环。
 
2.6使用注意事项
        使用时传感器测量管必须充满液体。有混合时,其分布应大体均匀。液体应与地同电位,必须使用接地环接地。如工艺管道用塑料等绝缘材料时,输送液体产生摩擦静电等原因,造成液体与地间有电位差。
 
3流量传感器的安装
3.1安装场所
        通常电磁流量传感器外壳防护等极为IP65,其安装有以下要求:
        (1)测量混合相流体时,选择不会引起相分离的场所;测量化学反应管道时,要装在反应充分完成段的下游;
        (2)尽可能避免测量管内变成负压;
        (3)选择震动小的场所,特别是一体化型电磁流量计;
        (4)避免附近有大电机、大变压器等,以免引起电磁场干扰;
        (5)安装在易于实现传感器单独接地的场所;
        (6)尽可能避开高浓度腐蚀性气体;
        (7)环境温度在一25/-10.50/600℃范围内;
        (8)环境相对湿度在10%-90%范围内;
        (9)尽可能避免阳光直照;
        (10)避免雨水浸淋,不被水浸没。
 
3.2安装注意事项
 
        (1)安装方向:确保在电磁流量传感器上游预留1OD,下游5D长度直管段。传感器安装方向水平、垂直或倾斜均可,不受限制。但测量固液两相流体最好垂直安装,自下而上流动,这样可避免水平安装时衬里下半部局部磨损严重,低流速时固相沉淀等缺点。
        (2)旁路管:便于清洗传感器内结晶。
        (3)负压管的安装:防止关闭传感器上下游截止阀停止运行后,流体冷却收缩形成负压。
        (4)接地:传感器必须单独接地(接地电阻100欧姆以下),如电解槽沿电解液的泄漏电流影响正常测量,则可采取流量传感器与其连接的工艺之间电气隔离的办法。
 
        (5)变送器安装和连接电缆:一体化型电磁流量计无单独安装的变送器;分离型的变送器安装在传感器附近或仪表室,场所选择余地较大,环境条件比传感器好。其防护等级为IP65或IP64(防尘防溅级)。单层屏蔽电缆用于工业用水或酸碱液,通常可传送距离100 m。为了避免测量信号干扰,信号电缆必须单独穿在接地保护钢管内,不能把信号电缆和电源线安装在同一钢管内。
 
4电磁流量计故障检查和分析
4.1故障原因
        输出信号超满度值的故障主要出自以下原因:
        (1)传感器一电极间无液体连通,从液体引人电干扰,结晶;
        (2)连接电缆一电缆断开,接线错误;
        (3)变送器与传感器配套错误,设定错误。
4.2故障检查和解决措施
        (1)判别故障原因在传感器之前还是在传感器及其后之下位仪表。故障在转换器之前,即在传感器和传感器/变送器之间的信号电缆(一体化型电磁流量计信号连接线,在仪表内部,一般极少出现故障);之后即在传感器本身及DCS系统。
        (2)确认信号电缆完好性和两电极与液体充分接触。信号回路包括电缆及其连接端子,流量传感器两电极和电极间液体。除检查电路通断外,还应核实电缆型号,各接点的连接正确性,绝缘是否达到要求等。
        (3)复核转换器设定值的正确性,核查零点和满量程。一般转换器和传感器按合同规定口径及流量及设定参数实流校准,传感器和变送器必须一一对应。因此,先检查配套是否正确,再检查变送器仪表常数和各参数是否符合。一体化型仪表毋需检查本项。
        (4)检查下位仪表。电磁流量变送器输出流量模拟信号传送给DCS系统。若后者带电连接(即有源负载),负载上电源会损坏转换器输出电路,出现输出信号超满度值现象,要采取电隔离措施。变送器输出回路有允许接地和不允许接地两种类型。若是允许接地者,输出仍超过满度值,变送器有故障;若是不允许接地者误接地,只要去除接地就可运行正常。
        (5)检查从液体引人电干扰。在无激磁电流情况下,用万用电表或示波器在两电极检测干扰电势。这一故障现象常出现于湿法炼锌的电解工序上,可采取将电磁流量传感器与管线绝缘的措施,使电极与液体处于同电位。
        (6)检查变送器本身。变送器本身故障引起输出信号超满度值的原因较为复杂,它可由变送器内各单元线路中某一环节引起,用替代法检查判别。
 
4.3案例
        案例1,气候寒冷等原因等导致工艺管道结晶。公司一期湿法系统用5台DN150西门子电磁流量计计量生产环节的新液流量,2006年7月安装使用正常,2006年10月出现流量计量与实际流量偏差大(仪表显示流量大),如果传感器内结晶体使电极短路则随着时间推移,流量显示越来越小;结晶体不引起电极短路则流量显示越来越大。经检查流量传感器两电极对地电阻值不对称,分析流量传感器出现故障的可能性较大。2006年11月停产检修,拆卸流量传感器测量管,其内壁结晶最厚处超过30mm,电极表面亦被结晶体所覆盖,清洗后,仪表运行即恢复正常。确认故障系工艺管道结晶所致。
 
        案例2,公司一期电解车间用4台DN150哈氏合金电极的西门子电磁流量计(直流励磁)测量硫酸和F离子浓度较高的电解液,其中两台出现输出信号不稳现象。经检查传感器电极腐蚀,现场检查确认信号不稳的两台仪表正常,同时排除了引发输出晃动的其他干扰原因。从西门子公司改变硫酸浓度的试验及公司对液体的成分化验得知,硫酸浓度逐渐增加,低浓度时仪表输出稳定,当浓度增加到15%-20%时,仪表测量值开始发生变化,浓度到25%时,测量值变化高达20%满量程值。而且在电解车间使用直流励磁的电磁流量计会受到电磁干扰(设计有误),且不能使用哈氏合金电极的传感器〔哈氏合金电极不耐氯离子腐蚀),改用钮电极交流励磁的电磁流量计后运行正常。
 
5结束语
        目前,电磁流量计的种类很多,应用也很广泛,其在流量测量方面发挥着越来越重要的作用,而且技术更新很快,不断有新型的电磁流量计推向市场。维护人员只有把握电磁流量计的发展方向,才能更好地了解使用,使其更好地服务于生产。