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电磁流量计选型要点
磁流量计的选型及应用
摘要：阐述了按照被测量介质的性质和使用环境, 如何正确选择电磁流量计的口径、衬里材料、电极材料、电极形式等, 并提出了电磁流量计的正确安装方法, 以保证在流量监测中体现电磁流量计的优异特性。
关键词：电磁流量计,电磁流量计选型, 传感器,转换器
0 .. 前言
电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体的体积流量计, 电磁流量计的测量通过是一段无阻流检测件的光滑直管, 因不易阻塞是用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流, 仪表的阻力仅是同一长度管道的沿程阻力, 节能效果显著, 所测得的体积流量, 实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和导电率( 只要在某阈值以上) 变化明显的影响, 测量范围度大20 :1~ 50 :1, 前置直管段要求较低。它在上世纪五十年代初就实现了工业化的应用, 经过几十年的不断发展和改进, 目前已经成为一种性能优异, 在冶金、化工、轻工、给排水等许多行业应用极为广泛的流量计量仪表, 近年来我公司先后投入400 多万元来完善水计量, 通过对各类流量仪表的论证确定为电磁流量计, 特别是用管段式电磁流量计( 满管) 来计量明渠水计量方式为国内首创, 在项目的设计安装实施过程中总结了一些经验。要真正发挥电磁流量计的高精度、高稳定性等优异性能, 必须要注意它的正确选择和正确使用。下面就这两方面的问题谈一些建议:
1 .. 电磁流量计存在问题
总结以往使用电磁流量计的经验, 造成电磁流量计安装使用失败的原因为: 口径与量程的选择不合理; 忽略了对衬里材料的选择及衬里耐负压状态; 电极材料和电极形式的选择不合理; 忽略了接地环的使用; 流量计类型的选择不当; 忽略了传感器安装的位置要求前后直管段。
2 .. 智能电磁流量计的正确选择
针对上述存在的问题, 下面逐一的论述一下如何设计选型、注意事项和正确使用。在决定选用电磁流量计( 由传感器、转换器和连接电缆组成) 作为流量计表之后, 首先需要确定下述几个工艺参数, 然后根据参数正确选择使用仪表。这些工艺参数分别是: 被测介质的性质( 是否为电导液体, 是否有腐蚀性, 是否含固体颗粒) : 工艺管道内径, 材质( 是否为非金属管道或内部涂敷绝缘材料的管道) ; 被测介质的温度、压力、流量; 仪表安装位置和场所( 室内或室外, 地上或地下, 以便解决定防水等级和防爆要求) ; 仪表形式( 一体或分体型, 分体型传感器与转换器之间电缆长度) 等。使用电磁流量计的前提是被测介质必须导电, 介质的电导率只要超过仪器的阈值, 即使有变化也不会影响测量值。电磁流量计的通过阈值一般是在100~ 10us/cm。
2. 1 .. 口径与量程的选择
电磁流量计是一种作为直管段连接在工艺管道上的流量计, 因此必须首先确定它的口径, 传感器口径不一定与工艺管道口径相同, 应视流量而定, 曾经 有过设计选型按管道口径来定传感器口径, 因实际用量小, 仪表投运后不计量, 造成仪表安装失败, 重新设计装表。
下面分四种情况来考虑:
1) 对于粘度不高的液体( 例如水) , 管道流速大多设计成经济流速, 即( 1. 5~ 3m/s) , 在这种管段上, 一般来说都选择传感器口径与管道口径相同或者略小一些( 可在传感器前后安装变径管) 。选择传感器口径时, 最好让传感器内满度流量时的流速在1. 0 ~ 10m/s 之间。上限流速在原理上是不受限制的, 但流速太高, 使衬里受到较强的冲刷, 容易被损坏, 建议流速不超过5m/s, 超过10m/s 的流速就极为罕见了, 因此, 传感器口径也不能选的太小。满度流量时的流速下限一般为1m/s, 最小也要大于0. 5m/s, 否则不能保证计量精度。
2) 对于粘度稍大或有沉积物的液体, 选用传感器口径时应使流速不低于2m/s, 最好选用3~ 4m/s 或更高些, 以便用液体自清洁, 防沉积。
3) 对于矿浆等磨损性能强的液体, 常用流速应低于2m/s, 最大不超过3m/s, 以降低对衬里和电极的磨损。
4) 对于接近阈值的低导电率液体, 在选用传感器口径时, 应尽可能使用较低流速( 略小于0. 5m/s, 最大不超过1m/s) , 因为流速提高, 流动噪声会增加, 而出现输出晃动现象( 关于流动噪声见电极材料一节电极表面效应部分) 。
2. 2 .. 衬里材料的选择
传感器常用的衬里材料有氟塑料、氯丁橡胶、聚氨酯橡胶、氧化铝陶瓷和玻璃钢等。氟塑料包括聚氟乙烯( PTFE) 、全氟乙丙稀( F- 46 或FEP) 、改性聚四氟乙烯( PFA) 、四氟乙烯与乙烯供聚物( F- 40) 。根据介质的情况可选用不同的衬里, 例如, 污水( 河水) 、泥浆计量应选用聚氨酯橡胶衬里, 高炉炉壁循环水泄漏检测计量, 要求其一致性强, 温度高, 这种情况下要选用氧化铝陶瓷衬里。下面就常用衬里作一简介。
1) 聚四氟乙烯在氟塑料中有最优的耐化学腐蚀特性, 除三氟化氯、液氟、液氧等, 可以抗所有化学介质的腐蚀。可耐180 度 的高温介质, 适宜腐蚀性介质, 但耐磨损性能差。由于它与测量管不能粘接, 也不能注塑, 只能与测量管紧贴配套, 因此不能用于负压状态。它内表面光滑, 不宜附着沉积层, 也适宜卫生类介质。
2) 改性聚四氟乙烯性能与聚四氟乙烯基本相同, 他可以模压或注塑成型, 与测量管有较强的粘接力, 能用于管道负压状态。
3) 聚丁橡胶耐一般低浓度酸、碱、盐介质的腐蚀, 有极好的弹性, 高强的扯断力, 耐磨性能好。可耐80度以下的介质温度。不耐氧化性的介质的腐蚀。较多用于水和一般污水。
4) 聚氨酯橡胶有极好的耐磨性能, 相当天然橡胶的10 倍。耐腐蚀性差, 不能用于酸、碱液和有机溶剂混合液。适用于较低的温度( 一般在40 度 以下) 。使用于含固体颗粒的矿浆等介质。
5) 氧化铝陶瓷耐磨性能约为聚氨酯橡胶的10 倍。高温高压下不变形, 但不耐介质温度剧变、耐腐蚀, 耐机械冲击性差, 防止夹装受力不均。
2. 3 .. 电极材料和电极形式的选择
1) 电极材料的选择。对测量介质的耐腐蚀是选择电极材料首先考虑的因素, 其次是考虑钝化等表面效应及所形成的噪声。电磁流量计电极的耐腐蚀性要求很高, 不允许腐蚀, 或严格地说只允许极低的腐蚀速率, 否则会破坏电极与衬里间的密封性。若介质泄漏, 轻则破坏绝缘使仪表不能工作, 重则完全损坏传感器。常用电极材料有含钼不锈钢(Mo2Ti) 、哈氏合金(Hc,HB) 、钛、钽、铂铱合金等。此外还有导电橡胶。导电氟塑料等低噪声电极。下面就它们的适用范围作简单介绍:
2) 电极表面效应。电极的耐腐蚀性是选择材料的重要因素, 但是电极的表面效应又是影响使用的一个因素, 有时材料对介质有很好的耐腐蚀性, 但不一定是适用的电极材料, 还要考虑电极表面效应的问题。电极表面效应分为表面化学反应、电化学及极化现象、电极的触媒作用等三个方面。化学反应是指电极表面与被测介质接触后形成钝化膜和氧化层的反应。例如钽与水接触就会被氧化, 生成绝缘层。电化学及极化现象会产生干扰电势而形成噪声。浆液噪声和流动噪声即是电极表面噪声的表现。触媒作用是被测介质在电极的作用下产生化学反应而影响测量的现象。例如铂电极在测量双氧水时在电极表面生成气雾。
常用电极材料及其适用范围：（1）不锈钢.. 含钼不锈钢.. 0Cr18Ni12Mo2Ti ：主要用于生活和工业用水、原水、下水、废物水及稀酸、稀碱等弱腐蚀性酸碱盐液, 价格最低（2）哈氏合金B ：对沸点下的盐酸有良好的耐腐蚀性, 也耐硫酸、氢氟酸、有机酸等非氧化性酸、碱、盐介质, 不适用硝酸等氧化性酸（3）哈氏合金C： 适用于常温硝酸、其他氧化性酸、氧化性盐液等, 不适用于盐酸等还原性酸和氯化物等介质（4）钛(Ti) ：具有非常优良的耐腐蚀性能。适用于氯化物、次氯酸盐、海水、常温硝酸等介质, 不适用于盐酸、硫酸等氧化性酸（5） 钽(Ta)： 耐腐蚀性非常优良, 和玻璃相似。除了氢氟酸、发烟硫酸、碱外, 几乎能耐一切化学介质的腐蚀。适用于大部分酸性介质, 不适用于氢氧化钠等碱液（6）铂、铂铱合金：适用于几乎所有的酸、碱液, 但不适用王水、铵盐、卤素等介质, 价格昂贵（7）碳化钨硬质合金：浆液专用电极材料, 可降低浆液噪声, 耐酸性较差, 腐蚀性液体不适应（8）导电橡胶、导电氟塑料、多孔性陶瓷：低液噪电极材料, 抗浆液噪声和流动噪声, 导电氟塑料耐化学品性能好
3) 电极形式的选择。电极形式一般分为标准型、可清洗型和可更换型三种类型: a、标注型电极是不可清洗的, 需在安装前将电极清洗干净, 清除油污。这种电极适用于无沉积物、无油污、无结晶物的流体, 例如自来水, 啤酒, 一般酸, 碱溶液等。b、可清洗型电极用于测量容易粘附或沉淀结垢的流体( 机械清洗、电化学清洗和超声波清洗) 。以便在流量测量不间断的情况下清除粘附物或沉积物, 以保证测量精度。c、可更换型电极一般用于电极沉积物较难清洗的流体。
2. 4 .. 关于接地环的使用
智能电磁流量计工作时要求被测介质必须是地电位, 一般是通过管道或法兰接地, 若连接传感器的工艺管道相对被测介质是绝缘的( 塑料管道或有绝缘衬里的管道) , 就必须选用接地环或带接地电极的传感器, 使被测介质处于地电位, 在实际设计安装时容易被忽视。接地环的形式又分为普通型和保护型, 一般使用普通型, 若被测介质是磨损性的, 宜使用带颈的保护接地环, 以保护进口端的衬里, 延长使用寿命。若口径在200mm 以下的电磁流量计, 选用聚四氟乙烯衬里时, 应选用接地环, 以保证在管道连接安装时保护衬里不受损坏。接地环通常是不锈钢或Hc 合金的。
2. 5 .. 流量计类型的选择
电磁流量计按组装方式有一体型和分体型两种类型。在设计选型时应充分重视( 最容易被忽视) , 在地下或易被水淹的地方装表, 一定选用分体型安装方式, 同时选好连接电缆的长度。这方面有过沉痛的教训, 净化站在仪表井内安装4 台一体型电磁流量计, 在一次跑水事故中被淹, 结果表头( 电路板部分) 全部损坏, 净化站无法正常工作, 影响了公司生产。
1) 分体型是电磁流量计较普遍的应用形式。传感器单独接在工艺管道上, 转换器安装在相距数米或百余米的其他地方, 中间用电缆相连接。分体型的流量计可以使得转换器远离环境比较恶劣的现场, 也便于观测和调整设定的参数。
2) 一体型是将转换器和传感器组装在一起成为一个整体, 连接线在仪表内部, 使用比较简单, 而且由于不用长电缆, 外界干扰比较小。一体型的流量计一般用于小口径的仪表, 但是若传感器安装在高处或难于观测的场合, 高温或有较大振动的场合, 转换器的电子元件较难承受, 则不宜使用一体型的电磁流量计。
3 .. 电磁流量计的应用
3. 1 .. 电磁流量计的安装
电磁流量计的安装正确与否, 是计量仪表能否正常工作的关键, 安装过程中除了严格按安装原则执行外, 怎样与前后设备的组合也直接影响仪表的正常运行, 例如, 深井泵计量电磁流量计应安装在止回阀的下游, 即泵的出口处安装阀门和止回阀, 然后让开所需的直管段再装传感器, 否则, 一旦停泵止回阀后将产生很强的负压( 几十米水柱产生的吸力) , 将使传感器的衬里脱落而损坏仪表。
3. 1. 1 .. 安装原则
1) 传感器测量管在使用中被测介质必须满管工作;
2) 被测介质在测量管中必须处于地电位;
3) 安装位置不会在测量管内造成负压;
4) 安装位置不会在测量管内存在气泡;
5) 在测量管中介质电导率分布要求大体均匀, 传感器安装要避开容易产生电导率不均匀的场所, 如在水中加入药液最好选在传感器的下游实施;
6) 被测介质为混合物时, 其在测量管中的分布应力求均匀。
3. 1. 2 .. 传感器的安装
1) 安装场所。测量混合相流体时, 选择不会引起相分离的场所; 尽量避免测量管内变成负压; 选择振动小的场所; 避免附近有大电机、大变压器等, 以免对流量计电磁场有干扰; 选择易使传感器能单独接地的场所; 尽可能避开有高浓度腐蚀性气体的环境; 安装环境的温度和湿度要在仪表规定的范围之内; 在雨淋或浸水的安装环境中, 要注意仪表的防水等级( IP68 防尘防潜水级) 。
2) 安装位置和流动方向。传感器安装的位置要求前后都有一定长度的直管段, 以保证流体平稳, 上游一般要求( 90..弯头、T 形管、同心异径管、全开闸阀后) 直管段长度是前5D, 不同开度的阀则需10D, 下游直管段为2~ 3D( D 为传感器内径) ; 但要防止蝶阀阀片深入到传感器测量管内, 如阀不能全开时, 应按阀截流方向和电极轴成45o 角度安装, 则附加误差可大为减少。传感器安装方向可以水平、垂直或倾斜, 不受限制。但是测量固液两相流体时最好垂直安装并自下而上流动, 不要水平安装, 以避免衬里下半部磨损严重, 或低流速固相沉淀等问题; 水平安装时要使电极轴线平行于地平线, 以免电极被流体中沉积物覆盖, 或液体中偶存气泡擦过或遮住电极表面, 使信号不稳定; 传感器上流一侧要远离阀门、弯头等影响流体流动的装置, 下流一侧不能安装水泵, 以防止形成负压; 安装位置尽量考虑便于人员现场维修。
3) 传感器的接地。为避免外界寄生电势的干扰, 传感器必须单独接地, 接地电阻要低于10 欧姆; 被测介质流过传感器时要处于低电位。在连接传感器的管道内若有绝缘层或是非金属管道时, 传感器两侧应装接地环或接地电极。
3. 1. 3 .. 转换器的安装
注意防水、防尘和防震; 周围环境不含有腐蚀性气体; 转换器一般安装在室内, 或防雨、保温箱内; 转换器与传感器之间的连接长度越短越好, 以减少分布电容的影响, 为避免干扰, 信号电缆必须单独穿在有接地保护的钢管内。焦化厂明渠水的计量方案是将明渠过水改为两根1m( 1. 2m) 管道过水, 在管道上安装电磁流量计, 同时为保证满管, 确保精度, 采用了倾斜安装的方式。本次设计在来水进入流量计以前设置自动除污机及格栅以保证将粗大的悬浮物等去除, 在格栅后面设置了小调节池, 可以起到一定的沉淀作用, 同时图1.. 管道式电磁流量计计量明渠水对来水进行均匀分配, 分别流入两根安装流量计的管道, 在流量计后面的管道上方设置了短管, 短管深入管道, 在通上高压水时就可冲洗管道内的淤泥。这样就可以保证即使在枯水季节, 流量计位置依然能保证满管, 确保流量计计量的准确度。
3. 2 .. 电磁流量计的使用
1) 运行前首先检查安装和接地是否正确;
2) 被测介质必须是电导率超过5us/cm 的导电液体;
3) 慢慢开启传感器两侧的阀门, 使液体流过;
4) 使被测介质充满传感器的测量管;
5) 关闭两层阀门, 使液体静止状态下检查和调整零输出( 仪表投运前, 通电后必须在传感器充满液体静止状态下调整零点) ;
6) 开启阀门, 进行测量;
7) 在运行一个阶段后, 应对仪表做定期检验, 以保证仪表正常工作;
8) 粗略地测量电极间阻值: 断开传感器与转换器间信号连线, 用万用表测量两电极与地端的电阻值, 是否在制造厂规定值范围内, 且所测得两阻值大体相同;
9) 检查电极绝缘电阻: 传感器放空液体, 擦净内壁, 待完全干燥后用兆欧计测量两电极与接地端子间的电阻值;
10)检查激磁线圈绝缘电阻: 卸下传感器激磁线圈端子与转换器间连线, 用兆欧计测量线圈的绝缘电阻。在使用中不允许任意修改流量计的GK 值。
4 .. 结语
以上论述了电磁流量计正确选择和正确使用应注意的一些事项, 在实际设计、安装和使用维护中只要充分考虑以上诸多事项, 取长避短, 就能使电磁流量计抗干扰能力增强, 精度和可靠性提高。近年来我公司安装近百台电磁流量计用于深井水、净化水、软水、浓水、污水、地表水和明渠水的计量, 因严格的选型、周密的设计, 仪表的一次投运成功率( 仪表故障除外) 和运行完好率都达到了百分之百。
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