電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)中需要深入研究的問題

蘇菲

（中國石化集團(tuán)上海工程有限公司，上海 200120）

電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)中需要深入研究的問題

蘇菲

（中國石化集團(tuán)上海工程有限公司，上海 200120）

對電磁流量計(jì)在工程設(shè)計(jì)選用中的幾個方面，包括被測液體的電導(dǎo)率、流量計(jì)口徑的選擇、電極材料的選擇、傳感器接地及接地環(huán)的材料的選擇進(jìn)行了深入的分析研究，以避免一些電磁流量計(jì)在應(yīng)用中的常見故障，供工程設(shè)計(jì)人員參考。

電導(dǎo)率；接地；電極材料；接地環(huán)

Abstract :In this article, the analysis for several aspects, including conductivity of tested liquid, selection of diameter of fl ow meter, electrode material, sensor grounding and grounding ring material, was carried out so as to avoid some common failure occurred in the application of electromagnetic fl ow meter. What presented herein can be referenced by engineers and designers.

Keywords :conductivity; grounding; electrode material; grounding ring

電磁流量計(jì)（Eletromagnetic Flowmeters，簡稱EMF）是20世紀(jì)50～60年代隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型流量測量儀表。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展非常迅速，已經(jīng)成為最常用的流量計(jì)之一，其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，發(fā)展前景未可限量。

1 電磁流量計(jì)的工作原理

在結(jié)構(gòu)上，電磁流量計(jì)由電磁流量傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。傳感器安裝在工業(yè)過程管道上，它的作用是將流進(jìn)管道內(nèi)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(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器安裝在離傳感器不太遠(yuǎn)的地方，它將傳感器送來的流量信號進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成流量信號成正比的標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出，以進(jìn)行顯示，累積和調(diào)節(jié)控制。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)一導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動切割磁力線時(shí)，在導(dǎo)體的兩端即產(chǎn)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(yīng)強(qiáng)度B，導(dǎo)體在磁場內(nèi)的長度L及導(dǎo)體的運(yùn)動速度v成正比，如果B，L，v三者互相垂直，則

與此相仿，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場中，垂直于磁場方向放一個內(nèi)徑為D的不導(dǎo)磁管道，當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中以流速v流動時(shí)，導(dǎo)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(nèi)流速分布為軸對稱分布，兩電極之間也產(chǎn)生感生電動勢：

式中，vf為管道截面上的平均流速。由此可得管道的體積流量qv為：

由上式可見，體積流量qv與感應(yīng)電動勢e和測量管內(nèi)徑D成線性關(guān)系，與磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成反比，與其它物理參數(shù)無關(guān)．這就是電磁流量計(jì)的測量原理。

2 電磁流量計(jì)選用的深入分析研究

電磁流量計(jì)目前已廣泛地被應(yīng)用于工業(yè)過程中各種導(dǎo)電液體的流量測量，如：各種酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì)。另外，由于電磁流量計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)牢固可靠，無可動部件，也沒有阻礙流體流動的節(jié)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(dú)特的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖1 電磁流量計(jì)的工作原理示意圖

在電磁流量計(jì)的日常應(yīng)用中，為避免一些不必要的故障，本文對于在工程設(shè)計(jì)中電磁流量計(jì)的被測液體的電導(dǎo)率、口徑的選擇、電極材料的選擇、傳感器接地及接地環(huán)材料的選擇這幾個方面進(jìn)行了深入的分析研究。

2.1 被測液體的電導(dǎo)率

電磁流量計(jì)測量的液體必須是導(dǎo)電的，在設(shè)計(jì)選型中，只要被測液體的電導(dǎo)率超過電磁流量計(jì)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(chǎn)生測量誤差。電導(dǎo)率的降低，將會增加傳感器的輸出阻抗，并且因轉(zhuǎn)換器輸入阻抗引起的負(fù)載效應(yīng)而產(chǎn)生誤差。因此，電磁流量計(jì)不適用于電導(dǎo)率太低的液體，具體可根據(jù)各個制造廠樣本參數(shù)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(jì)安裝在液體電導(dǎo)率極不均勻的地方。尤其在流量計(jì)安裝上游有化學(xué)物質(zhì)注入的情況下，極易導(dǎo)致電導(dǎo)率的不均勻性，從而對于流量計(jì)的測量產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

若工藝有要求注入化學(xué)物質(zhì)，在這種情況下，可以在電磁流量計(jì)安裝的下游管道注入。

如果必須從電磁流量計(jì)安裝的上游管道注入化學(xué)物質(zhì)，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(jì)的口徑是根據(jù)管道內(nèi)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(jù)不同的情況而定。一般工業(yè)輸水管道的經(jīng)濟(jì)流速1.5～3m/s，易粘附沉積結(jié)垢物質(zhì)則提高到3～4 m/s或者更高，漿料等腐蝕性強(qiáng)的為2～3 m/s。電磁流量計(jì)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(chǎn)品更低，為0.3 m/s。在這個流速范圍內(nèi)，考慮安裝方便，電磁流量計(jì)口徑可以選擇和管道口徑一致，不要選擇異徑管。

有時(shí)也會選擇電磁流量計(jì)口徑與連接的工藝管道口徑不相同。如：管道內(nèi)流速偏低，低于流量計(jì)的液體流速范圍，工藝流量又比較穩(wěn)定，從測量的準(zhǔn)確度考慮，在流量計(jì)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(jì)，口徑越大，價(jià)格也越高，對于管道內(nèi)流速偏低，工藝參數(shù)穩(wěn)定的情況下，可以選用口徑較小的流量計(jì)，這樣不僅可以使流量計(jì)運(yùn)行在較好的工作狀態(tài)下，還可以降低投資成本。

另外，需要特別注意的一點(diǎn)是，電磁流量計(jì)必須在滿管條件下工作。不滿管或者空管的情況下，流量計(jì)都不能正常工作。

2.3 電極材料的選擇

電磁流量計(jì)的電極材料的選擇首要考慮的因素是被測介質(zhì)的腐蝕性，其次考慮是否會產(chǎn)生鈍化等表面效應(yīng)和所形成的噪聲。

對電磁流量計(jì)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(dǎo)致流量計(jì)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(zhì)在其他設(shè)備的應(yīng)用實(shí)際和以往的經(jīng)驗(yàn)，由熟悉現(xiàn)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(zhì)，可以查閱相關(guān)的防腐蝕手冊，對于混酸等成分復(fù)雜的介質(zhì)，應(yīng)做掛片試驗(yàn)，從而得出比較可靠的結(jié)論。表1給出了在工程設(shè)計(jì)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(shí)候電極材料對于被測介質(zhì)有很好的耐腐蝕性，卻不一定就是適用的材料，還要避免產(chǎn)生電極的表面效應(yīng)。電極的表面效應(yīng)分為表面化學(xué)效應(yīng)，電化學(xué)和極化現(xiàn)象，以及電極的觸媒作用三個方面。下文舉例若干實(shí)例說明如何避免電極表面效應(yīng)。

表1 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(jì)測量水流量，鉭與水接觸會被氧化，產(chǎn)生表面化學(xué)效應(yīng)，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(shí)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(jì)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(shí)，由于觸媒作用在電極表面產(chǎn)生氣霧，阻斷了電路通路從而影響工作。

哈氏合金B(yǎng)對溫度、濃度不高的鹽酸有耐腐蝕性，應(yīng)用良好，然而當(dāng)硫酸濃度超過某值時(shí)會產(chǎn)生噪音。現(xiàn)場試驗(yàn)表明，濃度超過15%～20%時(shí)儀表輸出隨之晃動起來，濃度到25%時(shí)輸出晃動高達(dá)20%。硝酸、硫酸等酸液也有相似效應(yīng)。

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(jì)測量硫酸鋁液，選用耐酸鋼電極即可獲得滿意的結(jié)果。而選用哈氏合金B(yǎng)電極電磁流量計(jì)，在測量15%硫酸鋁液時(shí)，輸出也會產(chǎn)生晃動現(xiàn)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(jié)果，但其中鉑電極對于濃度大于10%的鹽酸會因?yàn)殡娀瘜W(xué)和極化現(xiàn)象的電極表面效應(yīng)而產(chǎn)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(shè)計(jì)中需要綜合考慮材料的耐腐蝕性和避免電極表面效應(yīng)，選擇合適的電極材料。

2.4 傳感器的接地考慮及接地環(huán)的材料的選擇

電磁流量計(jì)的傳感器接地非常關(guān)鍵，這不僅有利于保證安全，而且還可以確保電磁流量計(jì)的正常操作。

由于電磁流量計(jì)的感應(yīng)信號電壓很小，容易受到噪音影響?；鶞?zhǔn)電位應(yīng)保持與被測液體相同。因此，傳感器的基準(zhǔn)電位（端電位），轉(zhuǎn)換器和放大器的基準(zhǔn)電位都與被測液體相同，而被測液體的電位又應(yīng)與地電位相同。

所以，通常來講，電磁流量計(jì)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(dá)到與地電位連接的目的。

對于塑料管道或者裝有絕緣內(nèi)襯的管道，流體的接地通過設(shè)置接地環(huán)來實(shí)現(xiàn)。

譬如，對于防護(hù)電解腐蝕和部分化學(xué)介質(zhì)的陰極保護(hù)管道，通常其內(nèi)壁和外壁之間是絕緣的，因此，被測介質(zhì)沒有接地電位。此時(shí)，電磁流量計(jì)接地就必須使用接地環(huán)。這種情況下設(shè)置接地環(huán)時(shí)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(dǎo)致流量計(jì)在日后的使用中出現(xiàn)問題。例如：，某裝置內(nèi)安裝的某臺電磁流量計(jì)平時(shí)都運(yùn)行正常，而在某天上午忽然出現(xiàn)輸出信號大幅度波動，經(jīng)檢查儀表本身沒有任何故障。原來是其附近實(shí)施管道電焊干擾了儀表的正常運(yùn)行，工作人員立刻實(shí)施了轉(zhuǎn)換器接線盒內(nèi)的保護(hù)接地，又因本臺電磁流量計(jì)的傳感器是安裝在陰極保護(hù)的管道上，除了是傳感器和接地環(huán)通過接地線相連一起接地外，還用了較粗的銅導(dǎo)線繞過傳感器跨接在管道兩連接法蘭上，使陰極保護(hù)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(hù)管道上安裝的電磁流量計(jì)接地需要設(shè)置接地環(huán)，使傳感器獨(dú)立于工藝管道單獨(dú)接地。

接地環(huán)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(huán)相連。接地環(huán)的作用是通過與液體接觸，建立液體接地，同時(shí)又保護(hù)內(nèi)襯。

另外，流量計(jì)兩側(cè)連接管的法蘭應(yīng)該用截面積為16mm2的銅制導(dǎo)線繞過傳感器相連。使用陰極保護(hù)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(cè)連接管道之間通常是絕緣的。所以，介質(zhì)對地是不導(dǎo)通的，故電磁流量計(jì)安裝在陰極防護(hù)管道上時(shí)，傳感器的接地需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）對管道法蘭絕緣的接地環(huán)必須同時(shí)安裝在流量計(jì)的兩端，接地環(huán)、流量計(jì)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(zhì)導(dǎo)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(huán)的材料選擇也是比較重要的。接地環(huán)應(yīng)能耐介質(zhì)腐蝕，其選擇可以與電極材料相同。但接地環(huán)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(huán)體積大，從經(jīng)濟(jì)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(huán)。

隨文章附上電磁流量計(jì)的選型規(guī)格表，見表2，便于工程設(shè)計(jì)人員選型參考。在這樣規(guī)格表中，既要考慮滿足工藝條件，又要考慮電磁流量計(jì)的特殊要求，同時(shí)還能識別一些關(guān)于電磁流量計(jì)的專業(yè)英文詞匯。

表2 電磁流量計(jì)規(guī)格書

3 結(jié)束語

綜上所述，電磁流量計(jì)作為一種新型的流量測量儀表，有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在越來越多的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，發(fā)展迅速，具有強(qiáng)大的生命力。 因此，在工程設(shè)計(jì)中，電磁流量計(jì)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(jì)，才能使其發(fā)揮更大的作用。

[1]蔡武昌,等.電磁流量計(jì)[M]，北京；中國石化出版社，2004.

[2]橫河電磁流量計(jì)樣本.

[3]陸德民主編.石油化工自動控制設(shè)計(jì)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[4]ABB電磁流量計(jì)選型樣本.

Problems Needed to be Studied in Design of Electromagnetic Flow Meter

Su Fei
(SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd Shanghai, 200120)

TQ056.1+5

A

1008-455X(2010) 05-0047-04

2010-07-12

蘇菲（1984-），女，工程師，主要從事石油化工和化工過程控制及儀表設(shè)計(jì)工作。

Tel：021-58366600-2309 Email：sufei@ssec.com.cn