電磁流量計接地問題的研究與設置方案

宋雷，林洪俊

(中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071)

在工業領域，電磁流量計應用廣泛，例如煉油廠工藝裝置中的循環水管線、新鮮水管線、含鹽污水管線流量測量；烷基化裝置中濃硫酸、稀硫酸、中間酸等介質管線流量測量；硫磺裝置中堿液、急冷水等管線流量測量。由于電磁流量計測量原理的特殊性，其接地問題直接影響到儀表正常投用和測量精度，所以，正確理解電磁流量計的接地原因，熟悉電磁流量計在不同使用場合下的接地方案，有助于電磁流量計的合理選型、安裝投用、故障排查。

1 電磁流量計的工作原理

電磁流量計是基于電磁感應定律工作原理的流量檢測儀表。根據法拉第電磁感應定律，導體在磁場中運動時，通過切割磁力線產生感應電勢。電磁流量計的傳感器通過位于導體兩端的正負電極來獲取電勢信號，再通過信號線傳遞給轉換器，經過信號放大、轉換后傳輸到控制室。典型的電磁流量計工作原理如圖1所示，其中，Ex表示感應電動勢，k為系數，B表示磁感應強度，d表示兩電極間距離(測量管內徑)，v表示介質流速。

圖1 電磁流量計工作原理示意

2 電磁流量計的接地問題

2.1 接地問題產生的根源

從圖1可以看出，感應電動勢Ex是由流經電磁流量計前后法蘭間(a端至b端)的導體(被測介質)切割磁力線產生，所以Ex的負端參考電位必須和流量計兩法蘭間的被測介質電位一致，為了嚴格保證兩者的一致性，除保證流量計電極與介質接觸外，還應通過可靠的接地來保持零電位；同時，由于Ex數值較小，滿量程時僅2.5～8.0 mV，當流量很小時，只有幾微伏，所以為了避免外界干擾(主要是靜電干擾)帶來的Ex數值漂移，需通過接地將傳感器電極測量到的微弱電動勢Ex完整、無損地傳遞給轉換器。以上是電磁流量計正常工作的兩個關鍵點，也是電磁流量計在接地要求方面區別于其他流量計的根本原因。

2.2 與熱電偶信號的不同

電磁流量計工作時，電極間產生的信號為毫伏級，如2.1節所述，這是其現場儀表需可靠接地的原因之一，但并非所有的毫伏級信號儀表在工作時都需要接地。為了更好地理解電磁流量計接地的必要性，避免陷入認知的誤區，該處可類比同為毫伏級信號的熱電偶，其現場儀表工作時不需要采取單獨的接地措施。究其原因，是因為熱電偶的毫伏級信號產生于熱端和冷端，兩種不同材質的電極由于熱電效應，在熱端構成了正負極，并通過補償導線延伸到冷端，負極不需要與被測介質電位相同。而電磁流量計工作電極與介質接觸并保持同一負電位，是其工作的前置必要條件。

3 電磁流量計的接地方案

如圖1所示，當流體切割磁力線產生流量信號時，一個電極上產生正電勢，另一個電極上產生負電勢，為了避免極化反應，兩者交替變化。由于電勢差以流體本身作為零電位，所以電磁流量計傳感器輸出信號的接地點應與被測介質電氣連接，這是電磁流量計工作的必要條件，如不滿足該條件，電磁流量計就不能正常工作。因此，電磁流量計轉換器輸入端中點必須與流體共處于零電位且導通，這樣才能構成對稱的輸入回路。但在工程實施過程中，針對不同的工況場合，仍需采用不同的接地方案。

3.1 安裝于金屬管道的接地方案

電磁流量計所測量的介質必須是導電的，所以當電磁流量計安裝于無襯里金屬管道時，如果確認金屬管道已進行了可靠接地，則電磁流量計不再需要單獨接地。原因是因為電磁流量計通過金屬墊片、螺栓和管道已構成了一個整體，電位為0。此處應注意兩個細節： 為了避免導磁，電磁流量計本體一般采用不銹鋼材質或碳鋼加非金屬襯里，前面所述的不需要單獨接地的電磁流量計，是針對本體為不銹鋼及其他非導磁金屬材質而言；對于碳鋼加非金屬襯里的，如果不帶非金屬法蘭翻邊，當采用金屬墊片時，不需單獨接地，但對于帶有非金屬法蘭翻邊的電磁流量計，如果連接螺栓的電阻值大于0.03 Ω(注： 數據來自于GB/T20801.4—2006《壓力管道規范 工業管道第4部分： 制作與安裝》10.12.1條，經驗數值是數量少于5個)，應采用和非金屬管道相同的接地方案。金屬管道電磁流量計接地方案如圖2所示。

圖2 金屬管道電磁流量計接地方案示意

3.2 安裝于非金屬管道的接地方案

當電磁流量計安裝在非金屬管道，如塑料管道或有絕緣涂料、絕緣襯里的金屬管道上，則管道內介質無法通過金屬管道與大地連通。該工況下，傳感器的兩端面應要求配帶接地環，使管內流動的被測介質良好接地，具有零電位，否則電磁流量計無法正常工作。非金屬管道電磁流量計接地方案如圖3所示。

圖3 非金屬管道電磁流量計接地方案示意

如3.1節中分析，當電磁流量計安裝在帶非金屬襯里的金屬管道上時，其接地方案與安裝于非金屬管道的接地方案相同，也應采用圖3所示接地方案。

由于接地環不改變電磁流量計的形式，工作時與介質直接接觸，所以大多數情況下是首選方案，但其并不是工程設計中唯一的選擇。特別是對于材質特殊的接地環或者口徑較大的接地環，鑒于其費用較高，此類工況可考慮改用增加接地電極即“三電極”的方案來實現工作接地。

3.3 安裝于帶陰極保護管道的接地方案

對于埋地敷設且距離較長的金屬管線，為了防止電化學腐蝕，根據不同種類的介質，需強制或推薦設置陰極保護。無論是犧牲陽極的陰保方案還是強制電流的方案，金屬管道在實施陰極保護措施后對大地均為負電位。對于該工況下管道上安裝的電磁流量計，需要將現場儀表作為一個獨立的整體進行接地，不能與金屬管道有任何的導電性電路連接，防止陰極保護的電流通過儀表直接流入大地，嚴重破壞陰極保護的效果。同時為了維持金屬管道陰極保護的整體性，還需要增加導線跨接管道上的法蘭。帶陰極保護管道電磁流量計接地方案如圖4所示。圖4中，接地環與陰極保護的金屬管道絕緣，螺栓與墊片也要與金屬管道之間采用良好的絕緣措施。

圖4 帶陰極保護管道電磁流量計接地方案示意

4 電磁流量計的抗干擾措施

電磁流量計現場儀表正確接地僅為其正常工作的必要條件之一。從干擾源的角度來看，外界磁場、電場均會對電磁流量計產生干擾，對于外界磁場干擾，人們并沒有較好的主動防護措施，一般是在設計過程中要求信號線應采用對絞屏蔽電纜，通過感應平衡來降低磁場干擾。同時在選擇電磁流量計的安裝地點時，應遠離一切電磁干擾源(比如大功率電機、變壓器等)。對于分體式的電磁流量計，轉換器與傳感器間的信號線、勵磁線應使用廠家專用電纜并分別穿管敷設。對于電場的干擾，除做好現場儀表的工作接地外，還應按照規范要求完善轉換器至控制室電纜的屏蔽接地。電磁流量計電信號回路連接與接地如圖5所示。

圖5 電磁流量計電信號回路連接與接地示意

5 結束語

電磁流量計的正確接地，對電磁流量計的正常投用和長期運行來講至關重要，但在工程實施時，應認清“正確接地”并不代表一定要單獨設置接地，比如上文中提到金屬管道有良好接地措施時，即可不需要單獨儀表接地。另外，本文重點討論研究的是管道式電磁流量計，對于插入式電磁流量計，可將管道式兩個法蘭視為一個整體，與插入式電磁流量計單個連接法蘭對應，參考采用上文中提到的接地方案。