談電磁流量計的選用 | |
巨化工程有限公司儀表廠 董高峰 | |
| 1、 引 言 電磁流量計（簡稱EMF）是利用法拉第電磁感應定律制成的一種測量導電液體體積流量的儀表。20世紀50年代初EMF實現了工業化應用，近年來在世界范圍內，EMF產量約占工業流量儀表總數的5%～6.5%，特別是2000年以來，這個數值有逐年上升的趨勢。電磁流量計作為工業流量測量儀表的一種，在其選用方面有一些技巧和注意事項，在這里結合我一些切身經驗和大家討論，希望能對電磁流量計的正確選用作出貢獻。 2、 電磁流量計選用 2.1 應用概況 電磁流量計應用領域非常廣泛。按應用場合有大口徑、中小口徑、小口徑和微小口徑之分，其中大口徑電磁流量計較多應用于給排水工程，中小口徑常應用于固液雙相等難測流體或高要求場所，如測量造紙工業紙漿液和黑液、有色冶金業的礦漿、選煤廠的煤漿、化學工業的強腐蝕液、鋼鐵工業高爐風口冷卻水控制、長距離管道煤的水力輸送的流量測量和控制等，而小口徑和微小口徑常應用于醫藥工業、食品工業、生物工程等有衛生要求的場所。 2.2 精度等級和功能 市場上通用型EMF的性能有較大差別，有些精度高、功能多，有些精度低、功能簡單。精度高的儀表基本誤差為（±0.5%～±1%）R，精度低的儀表則為（±1.5%～±2.5%）FS，兩者價格相差1～2倍。因此測量精度要求不很高的場所（例如非貿易核算僅以控制為目的，只要求高可*性和優良重復性的場所）選用高精度儀表在經濟上是不合算的。 有些型號儀表聲稱有更高的精確度，基本誤差僅（±0.2%～±0.3%）R，但有嚴格的安裝要求和參比條件，例如環境溫度20～22℃，前后直管段長度要求分別大于10D和3D（通常為5D和2D），甚至提出流量傳感器要與前后直管組成一體在流量標準裝置上作實流校準，以減少夾裝影響。因此在多種型號選擇比較時不要單純只看高指標，要詳細閱讀制造廠樣本或說明書做綜合分析。 市場上EMF的功能差別也很大，簡單的就只是測量單向流量，只輸出模擬信號帶動后位儀表；多功能儀表有測雙向流、量程切換、上下限流量報警、空管和電源切斷報警、小信號切除、流量顯示和總量計算、自動核對和故障自診斷、與上位機通信和運動組態等。有些型號儀表的串行數字通信功能可選多種通信接口和專用芯片（ASIC），以連接HART協議系統、PROFTBUS、Modbus、CONFIG、FF現場總線等。 2.3 流速、滿度流量、范圍度和口徑 選定儀表口徑不一定與管徑相同，應視流量而定。流程工業輸送水等粘度不同的液體，管道流速一般是經濟流速1.5～3m/s。EMF用在這樣的管道上，傳感器口徑與管徑相同即可。 EMF滿度流量時液體流速可在1～10m/s范圍內選用，范圍是比較寬的。上限流速在原理上是不受限制的，然而通常建議不超過5m/s，除非襯里材料能承受液流沖刷，實際應用很少超過7m/s，超過10m/s則更為罕見。滿度流量的流速下限一般為1m/s，有些型號儀表則為0.5m/s。有些新建工程運行初期流量偏低或在流速偏低的管系，從測量精度角度考慮，儀表口徑應改用小于管徑，用異徑管連接之。 用于有易粘附、沉積、結垢等物質的流體，選用流速不低于2m/s，最好提高到3～4m/s或以上，起到自清掃、防止粘附沉積等作用。用于礦漿等磨耗性強的流體，常用流速應低于2～3m/s ，以降低對襯里和電極的磨損。 在測量接近閾值（即下限值）的低電導液體，盡可能選定較低流速（小于0.5～1m/s），因流速提高流動噪聲會增加，而出現輸出晃動現象。 EMF的范圍度是比較大的，通常不低于20，帶有量程自動切換功能的儀表，可超過50～100。國內可以提供的定型產品的口徑從10mm到3000mm，隨然實際應用還是以中小口徑居多，但與大部分其他原理流量儀表（如容積式、渦輪式、渦街式或科里奧利質量式等）相比，大口徑儀表占有較大比重。某企業近萬臺儀表中，50mm以下小口徑、65～250mm中口徑、300～900mm大口徑、1000mm以上超大口徑分別占37%、45%、15%和3%。 2.4 液體電導率 使用EMF的前提是被測液體必須是導電的，不能低于閾值（即下限值）。電導率低于閾值會產生測量誤差甚至不能使用，超過閾值即使變化也可以測量，示值誤差變化不大，通用型EMF的閾值在10-4～（5×10-6）S/cm之間，視型號而異。使用時還取決于傳感器和轉換器間流量信號線長度及其分布電容，制造廠使用說明書中通常規定電導率相對應的信號線長度。非接觸電容耦合大面積電極的儀表則可測電導率低至5×10-8S/cm的液體。 工業用水及其水溶液的電導率大于10-4S/cm，酸、堿、鹽液的電導率在10-4～10-1S/cm之間，使用不存在問題，低度蒸餾水為10-5S/cm也不存在問題。石油制品和有機溶劑電導率過低就不能使用。表1列出若干液體的電導率。從資料上查到有些純液或水溶液電導率較低，認為不能使用，然而實際工作中會遇到因含有雜質而能使用的情況，這類雜質增加了電導率。對于水溶液，資料中的電導率是用純水配比在實驗室測得的，實際使用的水溶液可能用工業用水配比，電導率將比查得的要高，也有利于流量測量。 根據使用經驗，實際應用的液體電導率最好要比儀表制造廠規定的閾值至少大一個數量級。因為制造廠儀表規定的下限值是在各種使用條件較好狀態下可測量的最低值，是受一些使用條件的限制，如電導率均勻性、連接信號線、外界噪聲等，否則會出現輸出晃動現象等。我們就多次遇到測量低度蒸餾水或去離子水，其電導率接近閾值5×10-6S/cm，使用時出現輸出晃動。 2.5 液體中含有混入物 混入成泡狀流的微小氣泡仍可正常工作，但測得的是含氣泡體積的混合體積流量；如氣體含量增加到形成彈（塊）狀流，因電極可能被氣體蓋住使電路瞬時斷開，出現輸出晃動甚至不能正常工作。 含有非鐵磁性顆粒或纖維的固液雙相流體同樣可測得二相的體積流量。固體含量較高的流體，如鉆井泥漿、鉆探固井水泥漿、紙漿等實際上已屬非牛頓流體。由于固體在載體液中一起流動，兩者之間有滑動，速度上有差別，單相液體校驗的儀表用于固液雙相流體會產生附加誤差。雖然還未見到EMF應用于固液雙相流體中固形物影響的系統實驗報告，但國外有報告稱固形物含量有14%時誤差在3%范圍以內；我國黃河水利委員會水利科學研究所的實驗報告稱，測量高沙含量水的流量，含沙量體積比17%～40%（沙中值粒徑0.35mm），儀表測量誤差小于3%。 在漿液內有較大顆粒擦過電極表面，在頻率較低的矩形激磁的EMF中會產生尖峰狀漿液噪聲，使流量信號不穩，就要選用較高頻率的儀表或有較強抑制漿液噪聲能力的儀表，也可選用交流激磁的儀表或雙頻激磁的儀表。 含有鐵磁性物質的流體對通常的EMF，因測量管內磁導率受鐵磁體的不同含量而變化，會產生測量誤差。但在磁路中置有磁通檢測線圈補償的EMF，可減小混入鐵磁體的影響。上海光華儀表廠在交流激磁儀表的實驗報告中稱，水中含有液固重量比約4：1，顆粒度≤0.15mm鐵精礦石的礦漿，以80mm口徑儀表作清水和漿液對比流量試驗，通常的儀表示值變化7%～10%，裝有磁通檢測線圈的儀表，示值誤差在±2%FS以內。 對含有礦石顆粒的礦漿應用，應注意對傳感器襯里的磨損程度，測量管內徑擴大會產生附加誤差。這種場合應選用耐磨性較好的陶瓷襯里或聚氨酯橡膠襯里，同時建議傳感器安裝在垂直管道上，使管道磨損均勻，消除水平安裝下半部局部磨損嚴重的缺點，也可以在傳感器進口端加裝噴嘴形護套，相對延長使用期。 2.6 附著和沉淀 測量易在管壁附著和沉淀物質的流體時，若附著的是比液體電導率高的導電物質，信號電勢將被短路而不能工作，若是非導電層則首先應注意電極的污染，譬如選用不易附著尖形或半球形突出電極、可更換式電極、刮刀式清垢電極等。刮刀式電極可在傳感器外定期手動刮出沉垢。國外產品曾有電極上裝超聲波換能器，以清除表面垢層，但現已少見。也有暫時斷開測量電路，在電極間斷時間內流過低壓大電流，焚燒清除附著油脂類附著層。易產生附著的場所可提高流速以達到自清掃的目的，還可以采取較方便的易清洗的管道連接，可不拆卸清洗傳感器。 非接觸型電極 EMF附著非導電膜層，儀表仍能工作，但若為高導電層則同樣不能工作。 2.7 與流體接觸零部件材料的選擇 與流體接觸的傳感器零部件有襯里（或絕緣材料制成的測量管）、電極、接地環和密封墊片，其材料的耐腐蝕性、耐磨耗性和使用溫度上限等影響儀表對流體的適應性。由于零部件少，形狀簡單，材料選擇靈活，電磁流量傳感器對流體的適應性強。 （1） 襯里材料（或直接與介質接觸的測量管）常用襯里材料有氟塑料、聚氨酯橡膠、氯丁橡膠和陶瓷等。近年有采用高純氧化鋁99.99%AI2O3)陶瓷制成襯里的，但只限中小口徑傳感器。氯丁橡膠和玻璃鋼用于非腐蝕性或弱腐蝕性液體，如工業用水、廢污水及弱酸堿，價格最為低廉。氟塑料具有優良的耐化學腐蝕性，但耐磨性差，不能用于測量礦漿液。氟塑料中最早應用的是聚四氟乙烯，因與測量管間僅*壓貼，無粘結力，不能用于負壓管道，后開發各種改性品種，實現注塑成形，與測量管有較強結合力，可用于負壓。聚氨酯橡膠有極好的耐磨耗性，但耐酸堿的腐蝕性較差，它的耐磨性相當于天然橡膠的10倍，適用于煤漿、礦漿、介質溫度低于40～60/70℃的場合。氧化鋁陶瓷有極好的耐磨耗性和對強酸堿的耐磨腐蝕性，耐磨性約為聚氨酯橡膠的10倍，適用于具有腐蝕性的礦漿，但性脆，安裝夾緊時易碎，可用于較高溫度（120～140/180℃）但要防止溫度劇變，如通蒸汽滅菌，一般溫度突變不能大于100℃，升溫150℃ 要有10min時間。 通用型EMF幾種材料的壓力、溫度大體適用范圍可參閱下圖。 （2）電極和接地環材料 電極對測量介質的耐腐是選擇材料首先考慮的因素，其次考慮是否會產生鈍化等表面效應和所形成的噪聲。 ①選擇耐腐蝕材料 EMF電極的耐腐蝕性要求很高，常用金屬材料有含鉬耐酸鋼1Cr18Ni12Mo2Ti，哈氏合金（耐蝕鎳基合金）B、C、鈦、鉭、鉑銥合金，幾乎可覆蓋全部化學液。此外還有適用于漿液等的低噪聲電極，它們是導電橡膠電極、導電氟塑料電極和多孔性陶瓷電極，或包覆這些材料的金屬電極。在原則上電極材料的選擇應從使用者借鑒該介質在其他設備的應用實際或以往的經驗來確定。有時要做必要的實驗，如現場取液體樣品在實驗室做待用材料的腐蝕性試驗，最好的實驗是現場掛片，這是最接近實際應用條件的腐蝕性試驗，可以得出比較可*的結論。 ②避免電極表面效應 電極的耐腐蝕性是選擇材料的重要因素，但有時候電極材料對被測介質有很好的耐腐蝕性，卻不一定就是適用的材料，還要避免產生電極表面效應。電極表面效應分為表面化學反應、電化學和極化現象以及電極的觸媒作用三個方面。 化學反應效應如電極表面與被測介質接觸后，形成鈍化膜或氧化層。他們對耐腐蝕性能可能起到積極保護作用，但也有可能增加表面接觸電阻。例如鉭與水接觸就會被氧化，生成絕緣層。對于避免或減輕電極表面效應的介質----電極材料匹配，還沒有像腐蝕性那樣有充足的資料可查，只有一些有限經驗，尚待在實踐中積累。 接地環連接在塑料管道或襯絕緣襯里金屬管道的流量傳感器兩端，他們的耐腐蝕要求比電極低，通常選用耐酸鋼或哈氏合金。因其體積大，從經濟上考慮較少采用鉭、鉑等貴重金屬。如金屬工藝管道直接與流體接觸就不需要接地環。 3、 結論 隨著企業全面走向市場，企業生產經營管理將進一步深化，流量計量越顯重要，電磁流量計作為工業流量測量儀表的一種，要發揮其作用，第一步要做好的工作就是選用好電磁流量計。因此，自動化儀表專業人員在具備一定的專業知識的前提下，有必要在其選用方面掌握一定的技巧和注意事項，只有如此，才能滿足企業的要求，使流量計量發揮重要作用。 參考文獻 [1] 梁國偉，蔡武昌主編《流量測量技術及儀表》北京：機械工業出版社，2002.06 [2] 吳永生，方可人主編《熱工測量及儀表》 北京：水利電力出版社，1995 [3] 王紹純主編《自動檢測技術》（第二版）[M] 北京：冶金工業出版社，1995 |
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