電磁流量計的測量原理及其在工程設計中的應用

張皓，楊金城

(1. 中國五環(huán)工程有限公司 電控室， 武漢 430223；2. 中石化揚子石油化工股份有限公司 烯烴廠， 南京 210048)

在石化、化工、電力、冶金、市政、制藥等行業(yè)，流量測量的技術難度和復雜程度都相當高，研究流量測量對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低企業(yè)的經(jīng)營成本、解決節(jié)能環(huán)保起到重要作用。電磁流量計具有無阻力，無壓損的優(yōu)點，可以充分減小管道內(nèi)的阻力，符合節(jié)能降耗的要求，因而電磁流量計在業(yè)界得到廣泛的重視。筆者介紹了電磁流量計的測量原理、特點和適用場合，提出了在工程設計中選用電磁流量計需考慮的因素及電磁流量計的安裝要求。

1 測量原理

電磁流量計的測量原理是根據(jù)法拉第電磁感應定律測量流速，再測量流通截面液位高度得流通面積，兩者相乘得到所測流量[1]，電磁流量計測量原理如圖1所示，電磁流量計實際測量介質(zhì)流速，是一種速度式流量計。電磁流量計的測量原理依據(jù)以下公式表述：

圖1 電磁流量計測量原理

Ue=kBLv

(1)

qV=L2vπ/4

(2)

因此

Ue=4kBqV/πL

(3)

式中：Ue—感應電動勢，即流量信號,V；B—磁感應強度,T；L—電極間距,即測量管內(nèi)徑,m；v—液體平均流速,m/s；qV—液體體積流量，m3/s。

2 適用范圍和優(yōu)點

電磁流量計廣泛用于導電液體或液固兩相介質(zhì)的體積流量測量，如其他儀表不能測量的各種酸、堿、鹽等高腐蝕性、易結晶的溶液的流量，泥漿、礦漿、水煤漿、紙漿、漿料等液固介質(zhì)和純水、污水等相對簡單的導電介質(zhì)的流量。電磁流量計要求被測介質(zhì)電導率一般應大于5 μS/cm。電磁流量計由流量傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，與其他類型的流量計相比，其優(yōu)點如下：

1) 傳感器測量管是一段無阻流檢測件的直管，因而檢測流量時不會造成壓力損失，節(jié)能效果好。

2) 適用于測量含有固體顆粒或纖維的液固兩相流體，如紙漿、煤粉漿、礦漿、污水及酸、堿、鹽溶液等具有一定電導率的液體，所測體積流量不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導率的影響。

3) 測量范圍大，量程比一般大于10∶1，最高可達100∶1。流速范圍一般為1～6 m/s，也可擴展到0.5～10.0 m/s。測量管徑范圍為2 mm～3 m[2]。

4)Ue與qV成線性關系，故儀表具有均勻刻度，且所測得流體的體積流量與介質(zhì)的物性(如溫度、壓力、密度、黏度)無關，所以電磁流量計只需用水標定后，即可用來測量其他導電介質(zhì)的體積流量，無需修正[2]。

5) 測量口徑大，適用于大管徑液體流量的測量。

6) 與其他大部分流量儀表相比，所要求的前置直管段較低。

3 工程設計中需考慮的因素

3.1 工藝過程條件

選用電磁流量計通常需要考慮的工藝條件如下：

1) 被測介質(zhì)電導率。電磁流量計測量的流體必須是導電的，一般只要電導率超過閾值，即使變化也不影響測量值，但低于閾值將會增大測量誤差；通常要求液體電導率不小于5 μS/cm， 去離子水電導率不小于20 μS/cm。

2) 被測介質(zhì)溫度。根據(jù)被測工藝介質(zhì)的溫度范圍，選擇測量管內(nèi)襯材料及傳感器線圈的漆包線的耐溫等級，即襯里材料應與介質(zhì)溫度相適應，常用測量管襯里材料建議根據(jù)表1選擇。

表1 常用襯里材料的適用溫度范圍 ℃

3) 被測介質(zhì)壓力。根據(jù)被測工藝介質(zhì)的壓力，結合介質(zhì)的設計溫度來確定電磁流量計傳感器的過程連接法蘭壓力等級，常用標準壓力等級有PN40，PN16，PN10，PN6；美國標準ASME B16.5 Class 150，Class 300。選用電磁流量計時還需注意壓力等級與流量計口徑有關。

4) 工藝介質(zhì)流量范圍及工藝管道的管徑。根據(jù)管道口徑和介質(zhì)流速確定電磁流量計傳感器的標稱口徑。通常選用與管道相同或略小的口徑，管道內(nèi)平均流速根據(jù)情況而定，一般工業(yè)輸水管道為經(jīng)濟流速1.5～3 m/s，易黏附沉積結垢物質(zhì)流速宜為3～4 m/s，礦漿等磨蝕性強的介質(zhì)流速宜為2～3 m/s，電磁流量計液體流速可在1～10 m/s選用[1]。

5) 介質(zhì)狀態(tài)。介質(zhì)含有固體顆粒對傳感器內(nèi)襯及電極有磨蝕作用，如果被測介質(zhì)含有固體顆粒，襯里需選用高耐磨性材料，如陶瓷或聚氨酯橡膠[1]。

6) 介質(zhì)的腐蝕性。由于電極和襯里與介質(zhì)直接接觸，電極和襯里的耐腐蝕特性應與介質(zhì)的腐蝕性相匹配。

7) 工藝管道材質(zhì)。根據(jù)安裝電磁流量計所在的管道材質(zhì)是金屬還是絕緣材料，確定是否采用接地法蘭。

3.2 環(huán)境條件

1) 根據(jù)安裝區(qū)域是否屬于爆炸危險區(qū)域，確定是否選擇防爆型電磁流量計，并按照爆炸危險區(qū)域劃分等級選擇滿足儀表所在區(qū)域防爆要求的電磁流量計。

2) 根據(jù)電磁流量計的實際安裝地理位置，并按照GB 4208—2008《外殼防護等級(IP代碼)》或IEC529—2001Degressofprotectionprovidedbyenclosures(IPCode)，確定電磁流量計的類型及防護等級。若儀表安裝在地面以下，易被水淹沒，宜選用分體型電磁流量計，且傳感器防護等級應選用IP68的儀表；若儀表安裝在地面以上，防護等級可選用IP65到IP67；同時，對分體型電磁流量計所提供電纜長度應根據(jù)實際安裝位置確定。

3.3 材 料

1) 測量管材料。測量管材料應為非磁性材料，通常為1.4301不銹鋼或1.4306/304L不銹鋼。

2) 法蘭。過程連接法蘭材料通常為A105，F(xiàn)316L(1.4571/316L)。

3) 電極材料。電極材料應根據(jù)被測介質(zhì)的成分及金屬的耐腐蝕性選用。

4) 襯里材料。襯里材料應根據(jù)被測介質(zhì)的腐蝕性、磨損性及介質(zhì)的最高溫度來選擇。

5) 接地環(huán)(或接地電極)。接地環(huán)或接地電極的材質(zhì)應根據(jù)介質(zhì)的成分及金屬耐腐蝕性選擇，常用的接地環(huán)或接地電極材料： 316L不銹鋼、哈氏合金、鉭。通常接地電極的材質(zhì)與測量電極相同。

4 安 裝

在工程實際應用中，為了確保電磁流量計的正常運行及測量精度，接地極的正確安裝是極為重要的一個環(huán)節(jié)。

4.1 接 地

由于電磁流量計測量的是微弱電勢，需排除一切外界干擾才能準確測量，因而良好的接地是保障電磁流量計穩(wěn)定工作的必要條件。通常接地是通過接地環(huán)或傳感器內(nèi)的參考電極和管路系統(tǒng)的接地連接來實現(xiàn)。

1) 當電磁流量計安裝在已接地的金屬管道上，通過電磁流量計變送器上的接地端子實現(xiàn)系統(tǒng)電勢平衡，即通過截面積不小于6 mm2的銅芯電線連接至接地端子上。

2) 當電磁流量計安裝在未接地的金屬管道上，2個法蘭均通過截面積至少為6 mm2的銅芯電線與管道法蘭相連接，并接地；將變送器或傳感器接線盒連接至接地端子上，實現(xiàn)系統(tǒng)電勢平衡。

3) 當電磁流量計安裝在塑料管道或帶絕緣內(nèi)襯的管道上，通過附加接地環(huán)實現(xiàn)系統(tǒng)電勢平衡，接地環(huán)通過截面積至少為6 mm2的銅芯電線連接至接地端子上。

4.2 直管段要求

為了保證電磁流量計的正常運行，減少測量誤差，電磁流量計前后應符合一定的直管段要求。根據(jù)JJG 1033—2007《電磁流量計核定規(guī)程》測試標準要求，通常前直管段應達到10D，后直管段應為5D；根據(jù)實際經(jīng)驗，在大部分應用場合，流量計前直管段最少不小于5D，后直管段最少不小于3D。

4.3 安裝位置

通常，電磁流量計設計時需特別注意以下幾點：

1) 變送器要選擇在任何時候測量導管內(nèi)都能充滿液體的位置進行安裝，以防止由于測量導管內(nèi)沒有液體而產(chǎn)生指針不在零點引起的錯覺。最好是垂直安裝，減少由于液體流過在電極上產(chǎn)生氣泡而造成的誤差。

2) 電磁流量計測量管中出現(xiàn)氣體積聚或有氣泡現(xiàn)象時，會增大測量誤差，所以要避免將電磁流量計傳感器安裝在管道的最高點。

3) 電磁流量計傳感器不應安裝在泵的入口側，避免抽液時形成負壓損壞測量管內(nèi)襯。

4) 盡量避免安裝在有振動的地方，若不可避免，應加固管路系統(tǒng)和傳感器，當振動十分劇烈時，宜選用分體式電磁流量計，將變送器和傳感器分開安裝。在高空管道上，也要盡量選用分體式電磁流量計，將傳感器安裝在高空管道上，將變送器安裝在地面上的易觀察處，方便巡查和維修。

5) 電磁流量計信號微弱，在滿量程時只有2.5～8.0 mV，流量很小時，輸出只有幾微伏。要避免將電磁流量計安裝在有電磁場和電磁場變化劇烈的地方，如大型變壓器、電機等強電磁設備附近。

6) 變送器和二次儀表必須使用電源中的同一根相線，否則會由于檢測信號和反饋信號相位差120°，導致儀表不能正常工作[3]。

7) 對于含固顆粒的液體流量測量，電磁流量檢測器宜垂直安裝，并且流體的流向應自下而上。

4.4 選型中需要注意的問題

電磁流量計的測量管內(nèi)襯材料有多種，其中耐腐蝕性能好的是聚四氟乙烯，目前最新的技術成果開發(fā)了陶瓷內(nèi)膽襯里，此種材料既防腐蝕又耐磨。電極材料的選擇要嚴格按照選型要求進行，應以滿足需要為原則，不盲目選擇貴金屬。在化工生產(chǎn)中鉑是一種性能很好的催化劑，某些介質(zhì)在一定的條件下與鉑接觸后易發(fā)生化學反應，鉑電極的電磁流量計在測量雙氧水時，會在電極表面生成氣霧，流量為零時，輸出也會波動[4]。

由于腐蝕性介質(zhì)的種類多種多樣，提供腐蝕性介質(zhì)給制造廠商進行研究，由制造廠商提供試用材料，在規(guī)定的條件上掛片試驗樣機。

5 應用案例分析

5.1 在循環(huán)冷卻水站及尿素裝置中的應用

2012年1月建成并投運的某項目的循環(huán)冷卻水站及尿素裝置液體流量測量點的特點： 循環(huán)冷卻水站的工藝管徑大、壓力低、水中含有氯化物等腐蝕性介質(zhì)，而且工藝管道敷設在地面以下；尿素裝置流量測量介質(zhì)有熔融尿素、甲氨溶液等，具有腐蝕性強、易結晶的特點。同時要求儀表測量精度優(yōu)于±0.5%。鑒于上述工況特點及要求，選用德國Khrone公司的電磁流量計，表2為該項目工況條件及電磁流量計的性能指標。其中，循環(huán)冷卻水站的電磁流量計選用分體型，檢測器的防護等級為IP68，信號轉(zhuǎn)換器的防護等級為IP67；尿素裝置所用電磁流量計的防護等級為IP67，儀表運行至今效果良好。

表2 循環(huán)水站及尿素裝置電磁流量計的性能指標及對應的工況

5.2 在乙烯堿洗塔系統(tǒng)中的應用

乙烯堿洗塔系統(tǒng)中采用20%質(zhì)量分數(shù)的離子堿注入塔內(nèi)，與塔內(nèi)的洗滌水液混合形成三段不同質(zhì)量分數(shù)的堿液，對裂解氣壓縮機Ⅲ段出來的裂解氣進行洗滌，從而脫除乙烯裂解氣中的H2S和CO2等雜質(zhì)，經(jīng)過三段洗滌后，在最后一段雜質(zhì)生成碳酸氫鈉后排出塔。洗滌后的裂解氣進入壓縮機的高壓段繼續(xù)壓縮并進入后系統(tǒng)進一步分離處理。

由于離子堿具有較強的腐蝕性，測量難度大。原設計采用差壓變送器測量方案，在使用過程中因引壓管和三閥組內(nèi)的物料結晶頻繁，無法正常工作。經(jīng)過多方評估，最后選擇了德國Khrone公司的鉑金電極的電磁流量計，該流量計具有強抗腐蝕的鉑金電極和PTFE內(nèi)襯，剛開始儀表指示正常，但不久均失靈，經(jīng)多方面查找原因，系內(nèi)襯損壞導致電極被腐蝕損壞，儀表無法工作。經(jīng)過多方調(diào)研和交流，在再次改造中選擇了橫河電機公司的電容式無電極電磁、配置陶瓷內(nèi)膽的電磁流量計，該流量計以外壁作為測量電極，配以內(nèi)部陶瓷內(nèi)膽，具有極高的耐磨性和防腐蝕性能，徹底改變了原有電磁流量計配備專用電極的局限性，很好地解決了該工況中的測量問題。

6 結束語

綜上所述，電磁流量計因其獨特的優(yōu)點，在石化、化工等行業(yè)得到廣泛應用。用戶在選用電磁流量計時應充分掌握測量工況的各項條件及其安裝要求，了解電磁流量計安裝所處的環(huán)境條件，以確保正確地選用電磁流量計，提高測量儀表的準確性和穩(wěn)定性。

參考文獻：

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[6] 王月明，孔令富，李英偉.油氣泡對電磁流量計影響徑向仿真研究[J].化工自動化及儀表，2013，40(09)： 1134-1136.