摘要:分析了被測介質電導率、流速分布與直管段、電極結垢與附著層、安裝條件和運行環境5方面工程因素對電磁流量計準確測量的影響,提出了提高電磁流量測量準確性的工程對策。從而保證電磁流量計在工程應用中能夠準確測量,使其充分發揮其計量作用,為流量檢測提供可靠的測量數據.
流量測量廣泛應用于工農業生產、國防建設、科學試驗、國內外貿易等各個領域,然而,流量測量是一項復雜的技術.由于流量是一個動態量,被測流體的特性復雜、測量條件又各不相同,因此流量測量的準確可靠性較難保證.為了準確的測量流量,人們已研究開發出速度式流量計、容積流量計、動量式流量計、電磁流量計、超聲波流量計等幾十種流量計.其中,電磁流量計以其優越的性能,在諸多領域廣泛采用.但在實際使用中,影響流量計精確測量的因素較多,經常會出現流量計本身檢定合格,而實際卻感覺計量“不準”的現象.本文在確保電磁流量計本身計量檢定合格的基礎上,分析了工程上影響電磁流量計測量準確性的因素,提出了提高電磁流量計測量準確性的工程實施方法.
1 影響電磁流量計準確測量因素
電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律來工作的,即導電流體以平均速度v流過垂直于流動方向的磁場,其感應電勢E通過與流體直接接觸的電極(又稱傳感器)檢測出來.
E=KBvD ,(1)
式中:K為儀表常數;B為磁感應強度(T);v為流體運動平均速度(m/s);D為管道內徑(m).
當K、B、D確定下來后,E與v成正比.其工作原理和結構如圖1所示.根據流體的體積流量公式:
Q=1/4πD2v ,(2)
Q是v的正比函數,代入公式(1),那么E也是Q的正比函數,由此,測出了感應電壓E也即測出了介質的體積流量Q.
電磁流量計由流量傳感器和轉換器兩大部分組成.傳感器測出的感應電壓E由電纜送至轉換器,通過智能化處理,然后LCD顯示,或轉換成標準信號4～20mA輸出.根據以上測量原理,實際使用中,影響電磁流量計準確測量的工程因素主要有以下5個方面:
(1)被測介質電導率的影響.被測流體的電導率決定了轉換器所需的輸入阻抗大小,流體電導率降低,電極的輸出阻抗將增加,并且由轉換器輸入阻抗引起負載效應而產生誤差.因此,電磁流量計應用中規定了流體的電導率的下限.理論上,把電極看作點電極,忽略其大小,實際上,電極有一定尺寸,當直徑為d的圓形電極與電導率為ρ的半無限展寬的流體接觸時,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展寬電阻之和,即等于1/(ρd).一般測量的流體電導率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,轉換器的輸入阻抗應為200MΩ左右.對于電磁流量計,選型時必須考慮流體電導率要大于5μs/cm的閾值(即下限值)要求.
(2)流速分布與直管段的影響.根據公式(1)知,如果流速以中心軸為對稱流動,感應電勢與流速分布無關,僅正比于平均流速.若流速為非中心軸對稱分布,圖2表示90°彎頭與突擴管的流線分布與速度剖面,每個流動質點相對于電極幾何位置不同,對電極產生的感應電動勢大小也不同,越靠近電極,速度大的質點所產生的感應電動勢越大,容易引起誤差,因此,必須保證流體流速為中心軸對稱.工程上,正確的安裝可以減小此類誤差。
盡管電磁流量計生產廠家不斷追求流量計本身的精度,但實際工程中,工藝管道中的彎管、閥門等都會引起流動畸變、二次流或漩渦,破壞了原有充分均勻的流速分布狀況.只有經過相當長的直管段,才能讓流體恢復其軸對稱的流速分布.若實際工藝管道上下游直管段不足,可以通過安裝流動調整器來調整.
（3）電極結垢和附著層的影響.在測量如紙漿、污水等非清潔流體時,電極表面易受污染,引起零點變動,但零點變化和電極污染程度兩者的關系,很難進行定量分析比較,根據經驗,電極直徑越小,所受的影響越少,在使用中,應注意電極的清污,以防止附著.
設在襯里上附著沉淀物時產生的誤差Δε,如果附著的厚度是一樣,則可由式(3)計算:
Δε=1-2/[1+(kω/kf)+(1-kω/kf)*(1-2t/D)2] ,(3)
式中:kω、kf分別為附著物和測量流體的電導率;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,附著物的電導率較低時,上式仍然成立,但會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,因高電導率的附著層,使感應電勢短路,電極輸出偏低,造成負偏差.在測量具有沉淀附著物的流體時,可通過合理選擇傳感器內襯材料等方法減少測量誤差,除了選擇如玻璃或聚四氯乙烯等難以附著沉淀的襯里外,還應增加其流速,流體快速流動的同時能夠起到沖刷電極、清潔電極的作用,減少誤差.
(4)安裝條件的影響.電磁流量計要求滿管測量、流速分布軸對稱、可靠的接地等,否則可能現輸出晃動、示值不準等現象.這可通過規范安裝操作以使測量準確性得到提高.
(5)運行環境的影響.電磁流量計因輸出信號較弱,對機械振動比較敏感,測量結果易受干擾,運行時,不允許管道振動和周圍有大的電器如電焊機等.
2 提高電磁流量測量準確性的工程對
2.1正確選型
電磁流量計的選型考慮因素很多,有儀表性能、流體特性、安裝條件、環境條件和經濟等方面的因素,從測量準確性的角度,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系到流體在管道中的流速大小,影響到輸出電勢值.因此,傳感器口徑不一定與連接的工藝管道口徑相同,應根據實際使用流量而定.當管道內流體的流速在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;當管內流體流速較低,低于0.5m/s時,儀表口徑應改為小于管徑,以異徑管連接管道.
(2)襯里、電極材料的選擇要點.電極是電磁流量計拾取流量信號的部件,在測量過程中,只有它和接地環、接地電極與被測介質接觸,因此,為了適應不同介質的測量條件,比如流體介質的溫度、壓力、腐蝕性、磨損性等的要求,要選用不同的內襯、電極材料.
電磁流量計的內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,耐磨損性強而耐腐蝕性能一般的聚氨脂橡膠,耐腐蝕性能強和適于溫度高的聚四氟乙烯,化學性質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電極,耐腐蝕能力一般、但價格低廉的不銹鋼316L等.電極材料裝于傳感器測量管內壁,與被測介質直接接觸,故應根據被測介質的腐蝕性選定.
2.2 正確安裝
(1)對安裝管路的要求.實際工程上,電極平面處的流速分布已同初校時有較大的差別,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量值偏移.對傳感器前后直管段的要求是保證流速以中心軸為對稱分布,獲得儀表測量精確度的必要條件之一,國標GB/T18659-2002等列舉了對漸縮管、上游閥、圓弧彎頭最小直管段長度的要求(見表1).
另外,測量管內導電流體電導率不均勻,也會影響電磁流量計的測量,因此,若工藝要求在管道中加入其他介質,則應在流量計下游進行.如果必須在上游進行,應在流量計上游較遠處注入,建議在大于50D以遠(D為測量管內徑),以保證流體流動均勻后進入流量計.
(2)安裝要保證流體充滿測量管.電磁流量計測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.只有流體充滿測量管測量才準確.也就是說,在水平安裝時,流量計處于最低部位置的正確安裝方法才能保證流體充滿管道.對于固-液、氣-液兩相混相流體,傳感器應以垂直或傾斜姿勢安裝,且流體應自下而上流動,防止當傳感器水平安裝時,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量誤差.
(3)接液與接地.因傳感器輸出信號是電極間的電壓差,因此要有一個零電位基準點.接液是使用電磁流量計最重要的條件之一,即以導電液體接地作為信號的基準電位點.接地是防止進入干擾和安全保護的有效措施,傳感器接地極與流體(信號基準零電平)間容易由地回路引入各種共模干擾電壓,影響流量計的使用可靠性和測量精度.通過接地能夠屏蔽靜電感應與電磁感應引起的噪聲電壓;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,提高測量精度.在連接傳感器的管道內若涂有絕緣層或是非金屬管道時,傳感器兩側應裝有接地環.金屬管道電磁流量計接地連(跨)接方法如圖3.當被測流體電導率比較高、工藝管線比較長時,被測流體的體電阻幾乎為零,使用接液電極能夠穩定地取得信號的基準電位.當測量比較低的電導率流體時,被測流體的體電阻比較高,若利用接液環或接液電極接觸面太小,易產生信號的不穩定.為此應使用接液短管,加大與流體的接觸面積,減小流體體電阻.
(4)盡量避開振動源、磁源.由于電磁流量計的測量感應電壓很小,電壓較低易受外界電磁噪聲的影響,故在安裝時應盡可能避開振動源、磁源,并進行可靠的接地連接.一般情況要求接地電阻小于100Ω.對于防爆產品和防雷擊要求的安裝情況,接地電阻應小于10Ω.同時應注意不能將流量計的接地接在大的電器設備,如變壓器、發電機、變頻電源的外殼接地上.
3 結束語
電磁流量計在投運前,應對管道及流量計進行徹底檢查,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,首先應對線路的接地進行檢測,確保接地可靠后,還需進行絕緣電阻及接地電阻測試.
長期運行時,測量管壁易附著和沉淀物質,若附著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附著非導電膜層,儀表仍能工作,但若為高導電層則不能工作.
由于電磁流量計運行環境較為復雜,影響其正常工作的工程因素眾多,調試技術需要不斷總結和更新.總之,只要合理選用、正確安裝電磁流量計,并采取有效的措施加以維護,就能從工程上降低誤差,提高測量的準確性,規范的使用儀表,還能延長儀表的使用壽命,為生產提供準確可靠的計量數據.
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