摘要:分析了被測(cè)介質(zhì)電導(dǎo)率、流速分布與直管段、電極結(jié)垢與附著層、安裝條件和運(yùn)行環(huán)境5方面工程因素對(duì)電磁流量計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量的影響,提出了提高電磁流量測(cè)量準(zhǔn)確的工程對(duì)策。從而保證電磁流量計(jì)在工程應(yīng)用中能夠準(zhǔn)確測(cè)量,使其充分發(fā)揮其計(jì)量作用,為流量檢測(cè)提供可靠的測(cè)量數(shù)據(jù).
　　流量測(cè)量廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)、科學(xué)試驗(yàn)、國內(nèi)外貿(mào)易等各個(gè)領(lǐng)域,然而,流量測(cè)量是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù).由于流量是一個(gè)動(dòng)態(tài)量,被測(cè)流體的特性復(fù)雜、測(cè)量條件又各不相同,因此流量測(cè)量的準(zhǔn)確可靠性較難保證.為了準(zhǔn)確的測(cè)量流量,人們已研究開發(fā)出速度式流量計(jì)、容積流量計(jì)、動(dòng)量式流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等幾十種流量計(jì).其中,電磁流量計(jì)以其良好性能,在諸多領(lǐng)域廣泛采用.但在實(shí)際使用中,影響流量計(jì)精確測(cè)量的因素較多,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)流量計(jì)本身檢定合格,而實(shí)際卻感覺計(jì)量“不準(zhǔn)”的現(xiàn)象.本文在確保電磁流量計(jì)本身計(jì)量檢定合格的基礎(chǔ)上,分析了工程上影響電磁流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確的因素,提出了提高電磁流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確的工程實(shí)施方法.
1　影響電磁流量計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量因素
　　電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來工作的,即導(dǎo)電流體以平均速度v流過垂直于流動(dòng)方向的磁場(chǎng),其感應(yīng)電勢(shì)E通過與流體直接接觸的電極(又稱傳感器)檢測(cè)出來.
E=KBvD　,(1)
式中:K為儀表常數(shù);B為磁感應(yīng)強(qiáng)度(T);v為流體運(yùn)動(dòng)平均速度(m/s);D為管道內(nèi)徑(m).
當(dāng)K、B、D確定下來后,E與v成正比.其工作原理和結(jié)構(gòu)如圖1所示.根據(jù)流體的體積流量公式:
Q=1/4πD2v　,(2)
Q是v的正比函數(shù),代入公式(1),那么E也是Q的正比函數(shù),由此,測(cè)出了感應(yīng)電壓E也即測(cè)出了介質(zhì)的體積流量Q.

　　電磁流量計(jì)由流量傳感器和轉(zhuǎn)換器兩大部分組成.傳感器測(cè)出的感應(yīng)電壓E由電纜送至轉(zhuǎn)換器,通過智能化處理,然后LCD顯示,或轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4～20mA輸出.根據(jù)以上測(cè)量原理,實(shí)際使用中,影響電磁流量計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量的工程因素主要有以下5個(gè)方面:
(1)被測(cè)介質(zhì)電導(dǎo)率的影響.被測(cè)流體的電導(dǎo)率決定了轉(zhuǎn)換器所需的輸入阻抗大小,流體電導(dǎo)率降低,電極的輸出阻抗將增加,并且由轉(zhuǎn)換器輸入阻抗引起負(fù)載效應(yīng)而產(chǎn)生誤差.因此,電磁流量計(jì)應(yīng)用中規(guī)定了流體的電導(dǎo)率的下限.理論上,把電極看作點(diǎn)電極,忽略其大小,實(shí)際上,電極有一定尺寸,當(dāng)直徑為d的圓形電極與電導(dǎo)率為ρ的半無限展寬的流體接觸時(shí),其展寬電阻為1/(2ρd),因此,如果管道直徑Dd,則電極的輸出阻抗為兩個(gè)展寬電阻之和,即等于1/(ρd).一般測(cè)量的流體電導(dǎo)率ρ的下限為5～10μs/cm,所以,若電極直徑d為1cm,則電極的輸出阻抗就為1/(ρd)=100～200kΩ,為使輸出阻抗的影響限制在0.1%以下,轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗應(yīng)為200MΩ左右.對(duì)于電磁流量計(jì),選型時(shí)必須考慮流體電導(dǎo)率要大于5μs/cm的閾值(即下限值)要求.
(2)流速分布與直管段的影響.根據(jù)公式(1)知,如果流速以中心軸為對(duì)稱流動(dòng),感應(yīng)電勢(shì)與流速分布無關(guān),僅正比于平均流速.若流速為非中心軸對(duì)稱分布,圖2表示90°彎頭與突擴(kuò)管的流線分布與速度剖面,每個(gè)流動(dòng)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于電極幾何位置不同,對(duì)電極產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小也不同,越靠近電極,速度大的質(zhì)點(diǎn)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大,容易引起誤差,因此,必須保證流體流速為中心軸對(duì)稱.工程上,正確的安裝可以減小此類誤差。

　　盡管電磁流量計(jì)生產(chǎn)廠家不斷追求流量計(jì)本身的精度,但實(shí)際工程中,工藝管道中的彎管、閥門等都會(huì)引起流動(dòng)畸變、二次流或漩渦,破壞了原有充分均勻的流速分布狀況.只有經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)的直管段,才能讓流體恢復(fù)其軸對(duì)稱的流速分布.若實(shí)際工藝管道上下游直管段不足,可以通過安裝流動(dòng)調(diào)整器來調(diào)整.
（3）電極結(jié)垢和附著層的影響.在測(cè)量如紙漿、污水等非清潔流體時(shí),電極表面易受污染,引起零點(diǎn)變動(dòng),但零點(diǎn)變化和電極污染程度兩者的關(guān)系,很難進(jìn)行定量分析比較,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),電極直徑越小,所受的影響越少,在使用中,應(yīng)注意電極的清污,以防止附著.
設(shè)在襯里上附著沉淀物時(shí)產(chǎn)生的誤差Δε,如果附著的厚度是一樣,則可由式(3)計(jì)算:
Δε=1-2/[1+(kω/kf)+(1-kω/kf)*(1-2t/D)2]　,(3)
式中:kω、kf分別為附著物和測(cè)量流體的電導(dǎo)率;t為附著物厚度;D為直徑.
　　若式(3)中kω和、kf相等,則誤差為零,附著物的電導(dǎo)率較低時(shí),上式仍然成立,但會(huì)增加電極的輸出阻抗,因此受到限制,如絕緣性沉淀物浸在流體中就是這種情況.相反,如附著金屬粉末等,因高電導(dǎo)率的附著層,使感應(yīng)電勢(shì)短路,電極輸出偏低,造成負(fù)偏差.在測(cè)量具有沉淀附著物的流體時(shí),可通過合理選擇傳感器內(nèi)襯材料等方法減少測(cè)量誤差,除了選擇如玻璃或聚四氯乙烯等難以附著沉淀的襯里外,還應(yīng)增加其流速,流體快速流動(dòng)的同時(shí)能夠起到?jīng)_刷電極、清潔電極的作用,減少誤差.
(4)安裝條件的影響.電磁流量計(jì)要求滿管測(cè)量、流速分布軸對(duì)稱、可靠的接地等,否則可能現(xiàn)輸出晃動(dòng)、示值不準(zhǔn)等現(xiàn)象.這可通過規(guī)范安裝操作以使測(cè)量準(zhǔn)確得到提高.
(5)運(yùn)行環(huán)境的影響.電磁流量計(jì)因輸出信號(hào)較弱,對(duì)機(jī)械振動(dòng)比較敏感,測(cè)量結(jié)果易受干擾,運(yùn)行時(shí),不允許管道振動(dòng)和周圍有大的電器如電焊機(jī)等.
2　提高電磁流量測(cè)量準(zhǔn)確的工程對(duì)
2.1正確選型
　　電磁流量計(jì)的選型考慮因素很多,有儀表性能、流體特性、安裝條件、環(huán)境條件和經(jīng)濟(jì)等方面的因素,從測(cè)量準(zhǔn)確的角度,可從下面兩方面考慮.
(1)傳感器口徑選擇.傳感器口徑的選擇關(guān)系到流體在管道中的流速大小,影響到輸出電勢(shì)值.因此,傳感器口徑不一定與連接的工藝管道口徑相同,應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用流量而定.當(dāng)管道內(nèi)流體的流速在1.5～3m/s,選擇傳感器口徑的與工藝管道口徑相同即可,且安裝方便;當(dāng)管內(nèi)流體流速較低,低于0.5m/s時(shí),儀表口徑應(yīng)改為小于管徑,以異徑管連接管道.
(2)襯里、電極材料的選擇要點(diǎn).電極是電磁流量計(jì)拾取流量信號(hào)的部件,在測(cè)量過程中,只有它和接地環(huán)、接地電極與被測(cè)介質(zhì)接觸,因此,為了適應(yīng)不同介質(zhì)的測(cè)量條件,比如流體介質(zhì)的溫度、壓力、腐蝕性、磨損性等的要求,要選用不同的內(nèi)襯、電極材料.
　　電磁流量計(jì)的內(nèi)襯材料有耐腐蝕性中等、耐一般低濃度的酸、堿、鹽的氯丁橡膠材料,耐磨損性強(qiáng)而耐腐蝕性能一般的聚氨脂橡膠,耐腐蝕性能強(qiáng)和適于溫度高的聚四氟乙烯,化學(xué)性質(zhì)等同于聚四氟乙烯的抗拉、抗壓聚全氟乙丙烯,耐稀酸、堿、鹽的溫度<60℃的聚乙烯和溫度<100℃的聚苯硫醚等.
　　電磁流量計(jì)電極的材料有耐鹽和小于50%濃度堿溶液的鈦(Ti)電極,耐酸和鹽的鉭(Ta)電極,耐腐蝕能力強(qiáng)的貴金屬鉑電極,不適于鹽酸的哈氏合金C電極和不適于硝酸的哈氏合金B(yǎng)電極,耐腐蝕能力一般、但價(jià)格低的不銹鋼316L等.電極材料裝于傳感器測(cè)量管內(nèi)壁,與被測(cè)介質(zhì)直接接觸,故應(yīng)根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的腐蝕性選定.
2.2　正確安裝
(1)對(duì)安裝管路的要求.實(shí)際工程上,電極平面處的流速分布已同初校時(shí)有較大的差別,傳感器上游管道連接件的配置是引起特殊的流速分布的因素之一,使用中就有可能出現(xiàn)量值偏移.對(duì)傳感器前后直管段的要求是保證流速以中心軸為對(duì)稱分布,獲得儀表測(cè)量精度的必要條件之一,國標(biāo)GB/T18659-2002等列舉了對(duì)漸縮管、上游閥、圓弧彎頭最小直管段長(zhǎng)度的要求(見表1).

另外,測(cè)量管內(nèi)導(dǎo)電流體電導(dǎo)率不均勻,也會(huì)影響電磁流量計(jì)的測(cè)量,因此,若工藝要求在管道中加入其他介質(zhì),則應(yīng)在流量計(jì)下游進(jìn)行.如果必須在上游進(jìn)行,應(yīng)在流量計(jì)上游較遠(yuǎn)處注入,建議在大于50D以遠(yuǎn)(D為測(cè)量管內(nèi)徑),以保證流體流動(dòng)均勻后進(jìn)入流量計(jì).
(2)安裝要保證流體充滿測(cè)量管.電磁流量計(jì)測(cè)量的流量是電極平面的平均流速與電極斷面的面積的乘積.只有流體充滿測(cè)量管測(cè)量才準(zhǔn)確.也就是說,在水平安裝時(shí),流量計(jì)處于最低部位置的正確安裝方法才能保證流體充滿管道.對(duì)于固-液、氣-液兩相混相流體,傳感器應(yīng)以垂直或傾斜姿勢(shì)安裝,且流體應(yīng)自下而上流動(dòng),防止當(dāng)傳感器水平安裝時(shí),固體容易沉淀到管道下部、混相中的氣體分離到上部而造成測(cè)量誤差.
(3)接液與接地.因傳感器輸出信號(hào)是電極間的電壓差,因此要有一個(gè)零電位基準(zhǔn)點(diǎn).接液是使用電磁流量計(jì)最重要的條件之一,即以導(dǎo)電液體接地作為信號(hào)的基準(zhǔn)電位點(diǎn).接地是防止進(jìn)入干擾和安全保護(hù)的有效措施,傳感器接地極與流體(信號(hào)基準(zhǔn)零電平)間容易由地回路引入各種共模干擾電壓,影響流量計(jì)的使用可靠性和測(cè)量精度.通過接地能夠屏蔽靜電感應(yīng)與電磁感應(yīng)引起的噪聲電壓;減小接地電阻可以降低地回路雜散電流的壓降,減低共模干擾電壓,提高測(cè)量精度.在連接傳感器的管道內(nèi)若涂有絕緣層或是非金屬管道時(shí),傳感器兩側(cè)應(yīng)裝有接地環(huán).金屬管道電磁流量計(jì)接地連(跨)接方法如圖3.當(dāng)被測(cè)流體電導(dǎo)率比較高、工藝管線比較長(zhǎng)時(shí),被測(cè)流體的體電阻幾乎為零,使用接液電極能夠穩(wěn)定地取得信號(hào)的基準(zhǔn)電位.當(dāng)測(cè)量比較低的電導(dǎo)率流體時(shí),被測(cè)流體的體電阻比較高,若利用接液環(huán)或接液電極接觸面太小,易產(chǎn)生信號(hào)的不穩(wěn)定.為此應(yīng)使用接液短管,加大與流體的接觸面積,減小流體體電阻.

(4)盡量避開振動(dòng)源、磁源.由于電磁流量計(jì)的測(cè)量感應(yīng)電壓很小,電壓較低易受外界電磁噪聲的影響,故在安裝時(shí)應(yīng)盡可能避開振動(dòng)源、磁源,并進(jìn)行可靠的接地連接.一般情況要求接地電阻小于100Ω.對(duì)于防爆產(chǎn)品和防雷擊要求的安裝情況,接地電阻應(yīng)小于10Ω.同時(shí)應(yīng)注意不能將流量計(jì)的接地接在大的電器設(shè)備,如變壓器、發(fā)電機(jī)、變頻電源的外殼接地上.
3　結(jié)束語
　　電磁流量計(jì)在投運(yùn)前,應(yīng)對(duì)管道及流量計(jì)進(jìn)行徹底檢查,包括管道雜物等清理,電極處干燥處理.還包括電氣線路的檢查,首先應(yīng)對(duì)線路的接地進(jìn)行檢測(cè),確保接地可靠后,還需進(jìn)行絕緣電阻及接地電阻測(cè)試.
　　長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí),測(cè)量管壁易附著和沉淀物質(zhì),若附著是比液體電導(dǎo)率高的導(dǎo)電物質(zhì),信號(hào)電勢(shì)將被短路而不能工作,若是非導(dǎo)電層則首先應(yīng)注意電極污染,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.非接觸型電極電磁流量計(jì)附著非導(dǎo)電膜層,儀表仍能工作,但若為高導(dǎo)電層則不能工作.
　　由于電磁流量計(jì)運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜,影響其正常工作的工程因素眾多,調(diào)試技術(shù)需要不斷總結(jié)和更新.總之,只要合理選用、正確安裝電磁流量計(jì),并采取有效的措施加以維護(hù),就能從工程上降低誤差,提高測(cè)量的準(zhǔn)確,規(guī)范的使用儀表,還能延長(zhǎng)儀表的使用壽命,為生產(chǎn)提供準(zhǔn)確可靠的計(jì)量數(shù)據(jù).

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