電磁流量計(jì)在工業(yè)上的應(yīng)用

亓瀟(中海殼牌石油化工有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

流量計(jì)大部分用于測量管道或明渠中流體流量的一種儀表設(shè)備。流量計(jì)是計(jì)量科學(xué)技術(shù)的重要組成部分。流量計(jì)廣泛應(yīng)用于國防建設(shè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究對外貿(mào)易以及人民生活等各個領(lǐng)域。如果沒有流量計(jì)量，那么工業(yè)將無法正常的生產(chǎn)，也無法保證工業(yè)的貿(mào)易來往。在化工行業(yè)，流量計(jì)量不準(zhǔn)確會造成化學(xué)組分無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，產(chǎn)品質(zhì)量就無法得到保障，更嚴(yán)重的還可能會導(dǎo)致生產(chǎn)安全事故。在工業(yè)生產(chǎn)中，液體、氣體、蒸汽等介質(zhì)流量的測量和調(diào)節(jié)十分重要。流量計(jì)量的準(zhǔn)確與否對工業(yè)生產(chǎn)意義重大，隨著科技不斷的發(fā)展，在工業(yè)的應(yīng)用上流量測量的準(zhǔn)確性已經(jīng)成為保障安全運(yùn)行的重要因素[1]。

1 流量計(jì)的種類

(1)按測量原理分類：力學(xué)原理、電學(xué)原理、熱學(xué)原理、光學(xué)原理、聲學(xué)原理、原子物理學(xué)原理等。(2)按測量結(jié)構(gòu)原理分類：容積式流量計(jì)、壓差式流量計(jì)、浮子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)等。

2 電磁流量計(jì)的歷史

電磁流量計(jì)是采用法拉第電磁感應(yīng)定律原理制作而成的一種可以測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表設(shè)備。20世紀(jì)50 年代初電磁流量計(jì)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，70 年代后期低頻矩形波勵磁替換了早期應(yīng)用的工頻交流勵磁方式，得到更為廣泛的應(yīng)用。近年來，電磁流量計(jì)的應(yīng)用更為廣泛，給排水工程，固液兩相等難測流體或要求較高的場，如：造紙產(chǎn)業(yè)紙漿液、有色冶金業(yè)的礦漿、選煤廠的煤漿、化學(xué)產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)侵蝕液以及鋼鐵產(chǎn)業(yè)高爐冷卻水控制和監(jiān)控，醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)、食物產(chǎn)業(yè)、生物工程等有衛(wèi)生要求的場所均有較好的應(yīng)用。

3 電磁流量計(jì)的基本原理

測量原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。即：導(dǎo)電液體在磁場中作切割磁力線運(yùn)動時，導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其感應(yīng)電勢 E 為：

式中：K為儀表常數(shù)；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；V為測量管截面內(nèi)的平均流速；D為測量管的內(nèi)徑。

在電磁流量計(jì)測量流量時，流體流過垂直于流動方向時產(chǎn)生磁場，導(dǎo)電性液體的流動感應(yīng)出一個與平均流速(亦即體積流量)成正比的電壓，其感應(yīng)電壓信號通過兩個與液體直接接觸的電極檢出，并通過專用信號電纜傳送至信號放大器，最終轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的輸出信號。

4 電磁流量計(jì)的優(yōu)勢

(1)測量不受流體密度、黏度、溫度、壓力等工況條件的影響；(2)測量管內(nèi)任何無節(jié)流元件，所以介質(zhì)流過時，不會造成壓損，直管段要求與其他形式流量計(jì)相比相對較低；(3)具有良好的耐腐蝕和耐磨損特性；(4)功耗相對其他形式的流量計(jì)相對較低、零點(diǎn)穩(wěn)定、精確度較高；(5)多種安裝形式可以便于用戶進(jìn)行選擇，例如：一體式、分體式、掛墻式等；(6)流量計(jì)可以雙向測量，可顯示正、反向流量，并具有多種輸出選擇，如：電流、脈沖、數(shù)字通訊、HART等。

5 電磁流量計(jì)的劣勢

(1)無法測量氣體、蒸汽以及含有大量氣體的介質(zhì)；(2)基本無法測量電導(dǎo)率很低或者不導(dǎo)電的液體介質(zhì)；(3)會受到周圍強(qiáng)磁場的影響。

6 電磁流量計(jì)的選用

6.1 電極

一般情況下，測量介質(zhì)不結(jié)晶、不沾污電極的介質(zhì)可選用標(biāo)準(zhǔn)電極；如測量介質(zhì)含有腐蝕性，應(yīng)根據(jù)被測介質(zhì)的腐蝕特性進(jìn)行選擇，如介質(zhì)混雜建議進(jìn)行掛片測試以防盲目選擇材質(zhì)帶來不必要的經(jīng)濟(jì)損失及安全風(fēng)險。

舉例如下：工業(yè)上的用水、原水、下水、污水、稀酸、稀堿等弱腐蝕性酸、堿、鹽，建議選用316L材質(zhì)；海水、鹽水、弱酸、弱堿建議選用哈式合金材質(zhì)；沸點(diǎn)的鹽酸、硝酸、硫酸強(qiáng)腐蝕性建議選用鉭材質(zhì)。

6.2 襯里

應(yīng)根據(jù)被測介質(zhì)的腐蝕性，介質(zhì)磨損特性及介質(zhì)運(yùn)行溫度范圍進(jìn)行選擇。例如：-40～180 ℃，酸堿等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)，衛(wèi)生類介質(zhì)建議選用PTFE材質(zhì)。-5～80 ℃，一般的水、污水、泥漿、礦漿，建議選用氯丁橡膠材質(zhì)。

6.3 防護(hù)等級的要求

根據(jù)國標(biāo)GB 4208—2017與國際電工委員會 IEC 標(biāo)準(zhǔn)(IEC 529—76)關(guān)于外殼防護(hù)等級為：IPXX，第一位代表的是防塵等級，考慮到工業(yè)生產(chǎn)中惡劣的環(huán)境與不定因素，我們在工業(yè)使用中基本選擇的都是IP6X，6數(shù)字代表完全防止外物及灰塵。所以基本在防護(hù)等級上選擇IP65IP66IP67IP68，在工業(yè)中我們基本選擇IP67和IP68的較多，7數(shù)字代表在深達(dá)1 m的水中防30 min的浸泡影響，8代表在深度超過1 m的水中防持續(xù)浸泡影響[2]。

6.4 接地環(huán)

普通接地環(huán)，保護(hù)接地環(huán)，用于保護(hù) PTFE 翻邊不受損傷及帶頸接地環(huán)，適用于磨損性介質(zhì)，保護(hù)端部襯里，延長傳感器壽命(建議與儀表一起訂貨和標(biāo)定，否則可能影響精度)，接地環(huán)材質(zhì)：不銹鋼、哈氏合金、鉭等。

6.5 安裝方式

一體式、分體式或者掛墻式。

6.6 電極形式

標(biāo)準(zhǔn)型或刮刀型。

6.7 電源選擇

220 VAC或24 VDC。

6.8 防爆等級

AEPSATEX等。

7 電磁流量計(jì)選用及應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)

當(dāng)電磁流量計(jì)到貨之后，務(wù)必第一時間安排人員對其組織進(jìn)行驗(yàn)收，其中到貨檢查有幾點(diǎn)需格外注意。銘牌的檢查務(wù)必確認(rèn)其參數(shù)是否齊全，參數(shù)與設(shè)計(jì)規(guī)格書及計(jì)算書規(guī)格一致，其中參數(shù)一般包括但不限于：產(chǎn)品制造廠名稱、產(chǎn)品規(guī)格型號、出廠編號、公稱通徑、流量范圍、精度等級、流量計(jì)特性系數(shù)、防爆等級、防護(hù)等級、制造年月等參數(shù)。外觀檢查時需要注意不得出現(xiàn)毛刺、刻痕、裂紋、銹蝕、霉斑、涂層不允許有起皮、剝落的現(xiàn)象。

法蘭密封面無任何損傷。如果條件允許可以用754連接變送器檢查設(shè)置參數(shù)確保與設(shè)計(jì)規(guī)格書及計(jì)算規(guī)格書參數(shù)一致，另務(wù)必注意K系數(shù)是否與銘牌一致，生產(chǎn)日期是否與銘牌一致，以防出現(xiàn)返修的產(chǎn)品。隨機(jī)合格證書及檢定或標(biāo)定證書是否齊全且合格，隨機(jī)備件是否齊全且合格。供電電壓是否與設(shè)計(jì)規(guī)格書或計(jì)算書保持一致。變送器及傳感器蓋是否蓋緊，孔洞是否封堵合格，傳感器及變送器專用電纜是否提供，且無任何損傷。如檢查發(fā)現(xiàn)任何問題，務(wù)必在第一時間將驗(yàn)收情況反饋給商務(wù)部門，要求其盡快答復(fù)，避免因?yàn)樘幚砘蛘吒鼡Q時間過長影響現(xiàn)場的安裝及施工。

(1)電極的材質(zhì)選用并不是絕對的，當(dāng)選型時除了考慮設(shè)計(jì)的介質(zhì)外，也要充分考慮是否存在其他介質(zhì)的可能，是否存在介質(zhì)發(fā)生改變或者濃度發(fā)生改變的情況，評估后再做選擇，避免造成設(shè)備損壞的風(fēng)險。我們在選用時經(jīng)常會忽略可能存在的介質(zhì)，這導(dǎo)致后期投用介質(zhì)后很快就無法正常使用，二次選型來解決投入的成本也會更高，而且更重要的還面臨著工藝是否具備隔離的條件，此問題會給貿(mào)易計(jì)量或成本核算帶來巨大困難。解決辦法：在項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)階段時，首先工藝介質(zhì)要由設(shè)計(jì)院工藝專業(yè)和有生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的業(yè)主共同確認(rèn)后再反饋給儀表專業(yè)進(jìn)行選型確認(rèn)，尤其明確濃度范圍，這是材質(zhì)選擇的關(guān)鍵部分，同時也要充分考慮材質(zhì)的投資成本。

(2)襯里材質(zhì)的選擇，很多會忽略掉耐磨性，一般在設(shè)計(jì)規(guī)格書中并不會明確支持介質(zhì)的特性，盲目地選用材質(zhì)會大大縮短電磁流量計(jì)的使用壽命。解決辦法：除正常的原水、循環(huán)水、酸、堿等以外的介質(zhì)，需要格外注意，如設(shè)計(jì)院未明確，且自己不了解介質(zhì)特性時需格外注意。需向設(shè)計(jì)院和有生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的業(yè)主咨詢，之后再進(jìn)行選型。同時也要充分考慮材質(zhì)的投資成本，襯里材質(zhì)不同會導(dǎo)致不同電磁流量計(jì)的價格偏差很大。

(3)防護(hù)等級的應(yīng)用，經(jīng)過多年應(yīng)用建議，戶外露天的選擇最好為IP67，液下使用或者閥井內(nèi)的選擇最好為IP68，特別提示有很多閥門井內(nèi)設(shè)計(jì)防護(hù)等級是IP67，但在應(yīng)用時發(fā)現(xiàn)流量計(jì)安裝位置頻繁出現(xiàn)閥門井內(nèi)滲漏，或者下雨存積井內(nèi)導(dǎo)致電磁流量計(jì)傳感器長期處于水下，這導(dǎo)致儀表元件的損壞危害性最大。

(4)接地環(huán)的選擇，很多工廠為了便于安裝也為了節(jié)約成本基本不選擇配備接地環(huán)，自己安排施工單位在法蘭面焊接兩處螺釘，供連接等電勢線使用。此方案也可接受，但務(wù)必注意焊接時對襯里的保護(hù)，高溫會導(dǎo)致襯里的破壞，如局部處理破壞會導(dǎo)致在介質(zhì)投用后無法正常使用，有腐蝕的介質(zhì)也會很快將襯里損壞后面的殼體穿孔，存在安全風(fēng)險。另焊接螺釘處，需注意防腐措施，我們會經(jīng)常發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場電磁流量計(jì)的迅速腐蝕都源自于焊接螺釘，基本都是焊接后破壞了原防腐涂層，施工后又不進(jìn)行防腐導(dǎo)致，尤其是在存在酸霧區(qū)域更為明顯。如果工藝管道是絕緣材質(zhì)，那么建議要配備接地環(huán)。信號源參考零電位，使被測介質(zhì)與大地相連通抗外界干擾。接地點(diǎn)離傳感器越近越好，絕不能與其他設(shè)備接地點(diǎn)相連接，要求接地電阻≤10 Ω。接地要求電磁流量計(jì)變送器外殼、屏蔽線、測量導(dǎo)管及變送器兩端的管道都要接地且單獨(dú)設(shè)置接地點(diǎn)，絕不能接在電機(jī)電氣等公用地線或上下水管道上；轉(zhuǎn)換器部分已通過電纜線接地，無須再行接地，以免因電位不同而引入干擾。

(5)安裝方式可以根據(jù)需求自行選擇，如沒有特殊要求，建議選擇分體式，根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，雖然分體式增加了接線的環(huán)節(jié)以及安裝分體式變送器的工作量。但對于后期維護(hù)來講十分便利，因?yàn)樵趹?yīng)用中有一些一體式的電磁流量計(jì)安裝位置對維護(hù)工作不便利，可能面臨需要搭設(shè)腳手架或者進(jìn)入受限空間作業(yè)，這不但增加了維修工時，也增加了作業(yè)的風(fēng)險，同時對于操作人員現(xiàn)場巡檢時，可以隨時觀察到現(xiàn)場的電磁流量計(jì)指示。當(dāng)然如果工廠具有PRM管理系統(tǒng)，無論哪種安裝方式都可以。

(6)電極形式一般建議選擇廠家的標(biāo)準(zhǔn)形式，對于污泥的工況有些設(shè)計(jì)院會設(shè)計(jì)帶有掛刀功能的形式，所謂刮刀電極就是可以在工藝正常運(yùn)行時可以手動機(jī)械清理附著于電極表面的沾污物。目前也有一些廠家可以生產(chǎn)在工藝運(yùn)行的條件下將電極拆卸安裝的功能，這兩種功能在某些情況會有一定的作用，但是對于維護(hù)來講，因?yàn)樵黾恿烁郊簿褪窃黾恿司S修的環(huán)節(jié)和精密封點(diǎn)，同時帶來的就是故障率的增加，某些方面增加了維修的成本。

(7)供電選擇根據(jù)設(shè)計(jì)院的要求執(zhí)行即可，但仍然建議可以在詳設(shè)階段能夠確認(rèn)電纜的路由距離，如果距離過長將導(dǎo)致電壓衰減，電磁流量計(jì)無法正常使用，這也是我們在新建項(xiàng)目中常見的一種情況。

(8)防爆級別和要求根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的防爆區(qū)域等級要求選型即可。

(9)現(xiàn)場施工單位的安裝不滿足電磁流量計(jì)的要求，此問題大多存在于新建工廠和改擴(kuò)建裝置，施工單位基本都是按圖施工，施工后電磁流量計(jì)投用，介質(zhì)因?yàn)椴粷M管的情況導(dǎo)致無法正常使用。此問題一直困擾用戶，導(dǎo)致后期需要調(diào)整電磁流量計(jì)位置或者變更管線走向既增大了施工量，也帶來了不必要的損失。

解決辦法：設(shè)計(jì)院在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時需要明確提出電磁流量計(jì)直管段要求及滿管要求，在現(xiàn)場施工安裝時需儀表專業(yè)人員及有生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的業(yè)主共同確認(rèn)是否保證滿管，如確認(rèn)無法滿足申請?jiān)O(shè)計(jì)變更進(jìn)行管線的調(diào)整。在PID圖審查時我們需對幾點(diǎn)格外關(guān)注，安裝要在控制閥門前，在泵的后面進(jìn)行安裝。另注意電磁流量計(jì)的直管段要求，一般是以電極為起點(diǎn)，以前有很多施工人員一直是以法蘭進(jìn)行計(jì)算是一種誤解。如果具備條件建議垂直安裝，使介質(zhì)自下而上流經(jīng)儀表。如不能垂直安裝，水平安裝也可以，但要保證兩電極在同一水平面上。當(dāng)被測介質(zhì)中固體顆粒多時，應(yīng)垂直安裝使襯里不受磨損(水平安裝會造成局部磨損)。流量計(jì)安裝使用時，不能在負(fù)壓的情況下使用。因?yàn)樽兯推鞯囊r里容易剝落，所以流量計(jì)只能在正壓的工藝管線上安裝使用。

(10)在施工安裝電磁流量計(jì)時我們會常見到在緊固法蘭連接的螺栓時造成襯里的翻邊位置損壞，日后會很容易的導(dǎo)致泄漏或腐蝕，這就要求我們在安裝電磁流量計(jì)時，襯里的翻邊會在受到壓力作用下變形，安裝時務(wù)必要將螺栓均勻的擰緊，如果有條件建議使用扭矩扳手進(jìn)行安裝。

(11)在介質(zhì)投用后即使流量指標(biāo)穩(wěn)定，也建議現(xiàn)場對電磁流量計(jì)的振動情況進(jìn)行檢查，如果在這種工況下長時間運(yùn)行會導(dǎo)致后續(xù)帶來的危害，例如：電氣元件的損傷、接線端子的松動、法蘭的泄漏等。

8 結(jié)語

綜上所述，工業(yè)上合理地選用電磁流量計(jì)且保證長期可靠的應(yīng)用關(guān)鍵的核心在于確認(rèn)好設(shè)計(jì)工況參數(shù)，這樣才能保證在電磁流量計(jì)選型時是準(zhǔn)確可靠的，到貨后嚴(yán)格執(zhí)行驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，安裝及施工注意事項(xiàng)嚴(yán)格按照廠家指導(dǎo)要求進(jìn)行，相信電磁流量計(jì)在日后長時間的工業(yè)應(yīng)用中會展現(xiàn)出準(zhǔn)確且可靠的特性。