摘要:電磁流量計的工作原理、結(jié)構(gòu)及相關(guān)特性,電磁流量計在濃硝酸項目中的應(yīng)用及選型時注意事項。
隨著石油化工裝置中工藝與設(shè)備越來越復(fù)雜，對流體檢測的可靠性要求也越來越高。特別對腐蝕性流體、臟污流體、高粘性流體、多相流體、特大流量、微小流量等測量成為重點關(guān)注問題。電磁流量計是自差壓、浮子及容積式之后用量最大的儀表,能測量常規(guī)流量儀表無法測量的腐蝕性流體、多相流體等介質(zhì)。
1電磁流量計工作原理
電磁流量計是-種測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。其工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律,感應(yīng)電勢與流速之間的關(guān)系式為:.
E=kBDv(1)
式中:
E為感應(yīng)電勢,V;
k為系數(shù);
B為交變矩形波磁感應(yīng)強度,T;
D為傳感器通道(測量管)的內(nèi)徑,m;
為流體在通道內(nèi)的平均流速,m/s。
設(shè)液體體積流量為:
由式(1)可知，感應(yīng)電勢與流體的平均流速成正比關(guān)系。流體所感應(yīng)的電勢由兩只與液體接觸的電極檢出,并傳送至轉(zhuǎn)換器，由轉(zhuǎn)換器完成信號放大,并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號輸送至顯示器和累計單元。
2電磁流量計結(jié)構(gòu)與分類
(1)電磁流量計由流量傳感器和轉(zhuǎn)換器兩大部.分組成。傳感器中的測量管上下裝有激磁線圈，通激磁電流后產(chǎn)生磁場穿過測量管,-對電極裝在測量管內(nèi)壁與液體相接觸，引出感應(yīng)電勢,送到轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換成與體積流量成正比的電壓信號。
(2)市場上通用型產(chǎn)品和特殊型儀表可以從不同角度分類:
1)按激磁電流方式分類:直流激磁、交流(工頻或其他頻率)激磁、低頻矩形波激磁和雙頻矩形波激磁;
2)按輸出信號連線和激磁(或電源)連線的制式分類:四線制和二線制;
3)按轉(zhuǎn)換器與傳感器組裝方式分類:分離型和一體型;
4)按流量傳感器與管道連接方法分類:法蘭連接、法蘭夾裝連接、衛(wèi)生型連接和螺紋連接;
5)按流量傳感器電極是否與被測液體接觸分類:接觸型和非接觸型;按流量傳感器結(jié)構(gòu)分類:短管型和插入型;
6)按用途分類:通用型、防爆型、衛(wèi)生型、防侵水型、潛水型和插入型等。
3電磁流量計的特點
3.1電磁流量計的優(yōu)點
(1)電磁流量計的變送器結(jié)構(gòu)簡單,沒有可動部件,測量通道是一段無阻流檢測件的光滑直管。所以當(dāng)流體通過時不會引起任何附加的壓力損失,同時它不會引起諸如磨損,堵塞等問題。特別適用于測量帶有固體顆粒的礦漿、污水等液固兩相流體及各種粘性較大的漿液等。
(2)易于選擇與流體接觸件的材料品種,可應(yīng)用于腐蝕性流體。由于它結(jié)構(gòu)上無運動部件,故可通過附上耐腐蝕絕緣襯里和選擇耐腐材料制成電極,起到很好的耐腐蝕性能，使之可用于各種腐蝕性介質(zhì)的測量。
(3)電磁流量計不產(chǎn)生因檢測流量所形成的壓力損失，儀表的阻力僅是同一長度管道的沿程阻力，節(jié)能效果顯著,對于要求低阻力損失的大管徑供水管道最為適合。
(4)電磁流量計是一種體積流量測量儀表，在測量過程中,它不受被測介質(zhì)的溫度、粘度、密度以及電導(dǎo)率(只要在某閾值以上的一定范圍內(nèi))的影響。因.此，電磁流量計只需經(jīng)水標(biāo)定以后，就可用來測量其它導(dǎo)電性液體的流量,而不需要附加溫度壓力補償?shù)绕渌拚?br />
(5)與其他大部分流量儀表相比，前置直管段要求較低;
(6)電磁流量計測量范圍度大，通常為20:1~50:1,可選流量范圍寬;滿度值液體流速可在0.5~10m/s內(nèi)選定。有些型號儀表可在現(xiàn)場根據(jù)需要擴大和縮小流量(例如設(shè)有4位數(shù)電位器設(shè)定儀表常數(shù))不必取下作離線實流標(biāo)定。
(7)電磁流量計的量程范圍極寬,同一臺電磁流量計的量程比可達(dá)1:100。此外，電磁流量計只與被測介質(zhì)的平均流速成正比，而與軸對稱分布下的流動狀態(tài)(層流或紊流)無關(guān)。
(8)電磁流量計的口徑范圍比其他品種流量儀表寬,從幾mm到3m,可測正反雙向流量和脈動流量。只要脈動頻率低于激磁頻率很多,儀表輸出本質(zhì)上是線性的。
(9)電磁流量計無機械慣性,反應(yīng)靈敏,可測量瞬時脈動流量，而且線性好。因此,可將測置信號直接用轉(zhuǎn)換器線性地轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號輸出,可就地指示，也可遠(yuǎn)距離傳送。
3.2電磁流量計不足之處.
主要包括如下幾點:
(1)電磁流量計不能用于測量氣體、蒸氣以及含有大量氣體較多和較大氣泡的液體。
(2)電磁流量計目前還不能用來測量電導(dǎo)率很低的液體介質(zhì)，被測液體介質(zhì)的電導(dǎo)率不能低于5μs/cm,相當(dāng)于蒸餾水的電導(dǎo)率,對石油制品或者有機溶劑等還無能為力。
(3)由于測量管絕緣襯里材料受溫度的限制，目前工業(yè)電磁流量計還不能測量高溫高壓流體。有些型號儀表用于過低于室溫的液體，因測量管外凝露(或霜)而破壞絕緣。
(4)電磁流量計受流速分布影響,在軸對稱分布的條件下，流量信號與平均流速成正比。所以，電磁流量計前后也必須有一-定長度的前后直管段。
(5)電磁流量計易受外界電磁干擾的影響。
4電磁流量計選型中注意事項
(1)根據(jù)測量介質(zhì)的特性、工況條件。選擇合適.的襯里材質(zhì)，應(yīng)考慮介質(zhì)的腐蝕性、摩擦性及操作工況的溫度壓力等。
(2)選擇合適的電極材質(zhì)，避免材質(zhì)與被測介質(zhì).不匹配而發(fā)生電極表面化學(xué)反應(yīng)形成鈍化膜、形成極化現(xiàn)象產(chǎn)生電勢或形成觸媒作用生成酸霧等。
4電磁流量計選型中注意事項
(1)根據(jù)測量介質(zhì)的特性、工況條件。選擇合適的襯里材質(zhì),應(yīng)考慮介質(zhì)的腐蝕性、摩擦性及操作工況的溫度壓力等。
(2)選擇合適的電極材質(zhì),避免材質(zhì)與被測介質(zhì)不匹配而發(fā)生電極表面化學(xué)反應(yīng)形成鈍化膜、形成極化現(xiàn)象產(chǎn)生電勢或形成觸媒作用生成酸霧等。
(3)必須注意接地問題，其中有接地帶、接地環(huán)、接地電極和襯里保護(hù)器，都必須要合理接地。為了使測量準(zhǔn)確和電極不會發(fā)生電流腐蝕，電磁流量傳感器必須單獨接地，并使傳感器和流體大約處于相同電位，分離型電磁流量計,原則上接地應(yīng)在傳感器側(cè)，轉(zhuǎn)換器接地應(yīng)在同一接地點。
通常傳感器的內(nèi)裝參比電極或金屬管能確保所許的電位平衡。因此,可通過內(nèi)裝的參比電極和金屬管將管中流體接地，將傳感器的接地片與接地線相連。如果傳感器安裝于帶陰極腐蝕保護(hù)管道上，除了傳感器和接地環(huán)一起接地外,還要用粗銅線繞過傳感器跨接在管道的兩法蘭.上,使陰極保護(hù)電流與傳感器之間隔離。
對于金屬非接地管道,應(yīng)用粗銅線連接,保證法蘭至法蘭和法蘭到傳感器是連通的;對于非導(dǎo)電的塑料管或襯里管,如果沒有參比電極或由于電位平衡電流的存在，需將流體通過接地環(huán)接地。
(4)保證被測介質(zhì)導(dǎo)電率必須大于電磁流量計所要求的最小導(dǎo)電率。但實際情況有時很不理想，一些低度蒸餾水和去離子水隨然導(dǎo)電率大于5μS/cm,但出現(xiàn)輸出晃動，因此建議穩(wěn)定測量的導(dǎo)電率下限值要高1~2個數(shù)量級。
(5)流體必須要充滿管道(非滿管型例外)，水.平安裝時電極中心軸線應(yīng)略低于管道中心線。若是垂直安裝，最好是流向要自下而上;若流向必須要從上向下，一定要有背壓，保證流體能充滿管。測兩相流時推薦垂直安裝，防止水平安裝時下半部局部磨損嚴(yán)重，低流速時固相沉淀等缺點。
(6)電磁流量計的精度和被測介質(zhì)的流速和測量范圍有直接的關(guān)系。
(7)設(shè)計時，--定要考慮周邊是否有大電機或是大變壓器等,以免引起電磁干擾。
(8)應(yīng)用在混合相流體時，選擇不會引起相分離的場所。測量雙組分液體時,避免裝在混合尚未均勻的下游;測量化學(xué)反應(yīng)管道時，要裝在反應(yīng)充分完成段的下游，避免導(dǎo)電率不均勻。
(9)盡可能避免測量管內(nèi)變成負(fù)壓，以防氟塑料.襯里的傳感器脫落。
(10)避免振動過大的場合,尤其是一體化電磁.流量計。
(11)有可能結(jié)晶液體，電磁流量計要慎用。因為電磁流量計的測量管難以實施保溫伴熱，測量管上因降溫而結(jié)成一層固體，導(dǎo)致信號源內(nèi)阻變得很大,儀表示值失常。
(11)有可能結(jié)晶液體，電磁流量計要慎用。因為.電磁流量計的測量管難以實施保溫伴熱，測量管.上因降溫而結(jié)成一層固體，導(dǎo)致信號源內(nèi)阻變得很大,儀表示值失常。
(12)一般功耗大的情況下最好應(yīng)用220VAC交流勵磁的型號，這樣就可以避免現(xiàn)場不可見因素的干擾。
(13)盡管電磁流量計要求的直管段長度相對于其他流量計來說很短，但是在設(shè)計過程中還應(yīng)該充分考慮這個問題，不要在傳感器上游的近處裝有截止閥。
5電磁流量計在某濃硝酸項目中的應(yīng)用
某化肥廠濃硝酸項目的吸收合成部分為整個裝置的核心部分，其硝酸介質(zhì)的流量檢測也為整個項目的關(guān)鍵部分,要求測量準(zhǔn)確且精度達(dá)到0.25%。由于測量介質(zhì)硝酸具有強腐蝕性,綜合地考慮測量的安全、準(zhǔn)確和經(jīng)濟(jì)性,選用電磁流量計來進(jìn)行流量檢測，下面對應(yīng)用過程中幾點關(guān)鍵問題進(jìn)行闡述。
此項目介質(zhì)為硝酸，具有強腐蝕性，但溫度最高為110'℃,所以選擇襯PTFE。
5.2特殊介質(zhì)的滲透問題
(1)水的滲透
水的滲透包含了黑液滲透、酸溶液、堿溶液滲透。其中黑液的主要組成分NaOH、NaHS、NaCl、木質(zhì)素纖維素高溫鹽液等;酸堿溶液包含濃硝酸、氫氟酸、氫氧化鈉。
(2)非水的滲透
非水滲透主要為CIO2。
一般情況，PTFE/PFA是不易被水沾濕，但是在含鹽濃度高時，PTFE/PFA便具有親水性了，含鹽濃度越高、壓力高、溫度高時，滲透速度加倍。滲透模式以水分子以水蒸氣形式吸附、水分子在襯里內(nèi)擴散、水分子從襯里擴散到襯里與管壁之間(水不吸附在襯里背面，最終凝結(jié)成水滴)3種形式，-旦通路形成，滲透急劇加速,造成傳感器故障。
此項目為第--種情況即水的滲透,為防止此現(xiàn)場.發(fā)生，首先增加襯里厚度延長滲透時間，然后選用淚孔形式，在管壁上開小孔,提供釋放通路,這樣滲透.的介質(zhì)不會積存在襯里與管道間，也就不會產(chǎn)生氣泡。
5.3電極材質(zhì)選擇問題
適當(dāng)?shù)碾姌O選擇和設(shè)計減少結(jié)垢，增加過程穩(wěn)定性，降低維護(hù)成本。對于不產(chǎn)生結(jié)晶、結(jié)疤、不沾污電極的介質(zhì)，可用標(biāo)準(zhǔn)電極;否則用刮刀式清垢電極或有清洗連接裝置的電極。對于測污場合,還可以選用可換式電極。設(shè)計時候要考慮能否加旁路管或便于清洗的連接和預(yù)置入孔，用來清除電極污垢和測量管內(nèi)壁。電極形狀可以設(shè)計成紐扣式和子彈頭式的，當(dāng)磨損成為主要因素的時候選用紐扣式的電極形式,當(dāng)覆蓋成為主要因素的時候選用子彈頭式的電極形式。常見電極材質(zhì)見表2。此項目中覆蓋并不是主要因素,所以選用紐扣形式的電極形式。
6結(jié)束語
近幾年無論在理論分析.上還是在實踐應(yīng)用上,電磁流量計都有了很大的改進(jìn)和發(fā)展，具有很高的可靠性、安全性、可用性，加深了解儀表的原理結(jié)構(gòu)及性能，從根本上保證儀表的可靠性,保障系統(tǒng)能更穩(wěn)定安全的運行。
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