電磁流量計的選用
1、 引 言
電磁流量計(簡稱EMF)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。20世紀(jì)50年代初EMF實現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用,近年來在世界范圍內(nèi),EMF產(chǎn)量約占工業(yè)流量儀表總數(shù)的5%~6.5%,特別是2000年以來,這個數(shù)值有逐年上升的趨勢。電磁流量計作為工業(yè)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(jié)合我一些切身經(jīng)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(yīng)用概況
電磁流量計應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。按應(yīng)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(yīng)用于給排水工程,中小口徑常應(yīng)用于固液雙相等難測流體或高要求場所,如測量造紙工業(yè)紙漿液和黑液、有色冶金業(yè)的礦漿、選煤廠的煤漿、化學(xué)工業(yè)的強腐蝕液、鋼鐵工業(yè)高爐風(fēng)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(yīng)用于醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、生物工程等有衛(wèi)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(mào)易核算僅以控制為目的,只要求高可靠性和優(yōu)良重復(fù)性的場所)選用高精度儀表在經(jīng)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(yán)格的安裝要求和參比條件,例如環(huán)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(biāo)準(zhǔn)裝置上作實流校準(zhǔn),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(biāo),要詳細(xì)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(tài)等。有些型號儀表的串行數(shù)字通信功能可選多種通信接口和專用芯片(ASIC),以連接HART協(xié)議系統(tǒng)、PROFTBUS、Modbus、CONFIG、FF現(xiàn)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(yīng)視流量而定。流程工業(yè)輸送水等粘度不同的液體,管道流速一般是經(jīng)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(nèi)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(yīng)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(yīng)改用小于管徑,用異徑管連接之。
用于有易粘附、沉積、結(jié)垢等物質(zhì)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(yīng)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(dǎo)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(xiàn)輸出晃動現(xiàn)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(nèi)可以提供的定型產(chǎn)品的口徑從10mm到3000mm,隨然實際應(yīng)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(zhì)量式等)相比,大口徑儀表占有較大比重。某企業(yè)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(dǎo)率
使用EMF的前提是被測液體必須是導(dǎo)電的,不能低于閾值(即下限值)。電導(dǎo)率低于閾值會產(chǎn)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(zhuǎn)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(guī)定電導(dǎo)率相對應(yīng)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(dǎo)率低至5×10-8S/cm的液體。
工業(yè)用水及其水溶液的電導(dǎo)率大于10-4S/cm,酸、堿、鹽液的電導(dǎo)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(dǎo)率過低就不能使用。表1列出若干液體的電導(dǎo)率。從資料上查到有些純液或水溶液電導(dǎo)率較低,認(rèn)為不能使用,然而實際工作中會遇到因含有雜質(zhì)而能使用的情況,這類雜質(zhì)增加了電導(dǎo)率。對于水溶液,資料中的電導(dǎo)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(yè)用水配比,電導(dǎo)率將比查得的要高,也有利于流量測量。
根據(jù)使用經(jīng)驗,實際應(yīng)用的液體電導(dǎo)率最好要比儀表制造廠規(guī)定的閾值至少大一個數(shù)量級。因為制造廠儀表規(guī)定的下限值是在各種使用條件較好狀態(tài)下可測量的最低值,是受一些使用條件的限制,如電導(dǎo)率均勻性、連接信號線、外界噪聲等,否則會出現(xiàn)輸出晃動現(xiàn)象等。我們就多次遇到測量低度蒸餾水或去離子水,其電導(dǎo)率接近閾值5×10-6S/cm,使用時出現(xiàn)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(xiàn)輸出晃動甚至不能正常工作。
含有非鐵磁性顆?;蚶w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(chǎn)生附加誤差。雖然還未見到EMF應(yīng)用于固液雙相流體中固形物影響的系統(tǒng)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(nèi);我國黃河水利委員會水利科學(xué)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(nèi)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(chǎn)生尖峰狀漿液噪聲,使流量信號不穩(wěn),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(zhì)的流體對通常的EMF,因測量管內(nèi)磁導(dǎo)率受鐵磁體的不同含量而變化,會產(chǎn)生測量誤差。但在磁路中置有磁通檢測線圈補償?shù)腅MF,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(nèi)。
對含有礦石顆粒的礦漿應(yīng)用,應(yīng)注意對傳感器襯里的磨損程度,測量管內(nèi)徑擴大會產(chǎn)生附加誤差。這種場合應(yīng)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(yán)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(zhì)的流體時,若附著的是比液體電導(dǎo)率高的導(dǎo)電物質(zhì),信號電勢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(chǎn)品曾有電極上裝超聲波換能器,以清除表面垢層,但現(xiàn)已少見。也有暫時斷開測量電路,在電極間斷時間內(nèi)流過低壓大電流,焚燒清除附著油脂類附著層。易產(chǎn)生附著的場所可提高流速以達(dá)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(dǎo)電膜層,儀表仍能工作,但若為高導(dǎo)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(huán)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(yīng)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(yīng)性強。
(1) 襯里材料(或直接與介質(zhì)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(yè)用水、廢污水及弱酸堿,價格最為低廉。氟塑料具有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性,但耐磨性差,不能用于測量礦漿液。氟塑料中最早應(yīng)用的是聚四氟乙烯,因與測量管間僅靠壓貼,無粘結(jié)力,不能用于負(fù)壓管道,后開發(fā)各種改性品種,實現(xiàn)注塑成形,與測量管有較強結(jié)合力,可用于負(fù)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(dāng)于天然橡膠的10倍,適用于煤漿、礦漿、介質(zhì)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(huán)材料
電極對測量介質(zhì)的耐腐是選擇材料首先考慮的因素,其次考慮是否會產(chǎn)生鈍化等表面效應(yīng)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(xué)液。此外還有適用于漿液等的低噪聲電極,它們是導(dǎo)電橡膠電極、導(dǎo)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(yīng)從使用者借鑒該介質(zhì)在其他設(shè)備的應(yīng)用實際或以往的經(jīng)驗來確定。有時要做必要的實驗,如現(xiàn)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(xiàn)場掛片,這是最接近實際應(yīng)用條件的腐蝕性試驗,可以得出比較可靠的結(jié)論。
②避免電極表面效應(yīng)
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(zhì)有很好的耐腐蝕性,卻不一定就是適用的材料,還要避免產(chǎn)生電極表面效應(yīng)。電極表面效應(yīng)分為表面化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)和極化現(xiàn)象以及電極的觸媒作用三個方面。
化學(xué)反應(yīng)效應(yīng)如電極表面與被測介質(zhì)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(yīng)的介質(zhì)----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(jīng)驗,尚待在實踐中積累。
接地環(huán)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(jīng)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(huán)。
3、 結(jié)論
隨著企業(yè)全面走向市場,企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)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(yè)流量測量儀表的一種,要發(fā)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(yè)人員在具備一定的專業(yè)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(yè)的要求,使流量計量發(fā)揮重要作用。