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有效提高电磁流量计测量准确性的工程实施方法介绍
发表时间：2018-07-11 点击次数：635 技术支持：1560-1403-222
在工农业生产、国防建设、科学试验、国内外贸易等各个领域，对于流量测量的需求是一项很普遍的测量工作，因为流量的测量是测量的动态物理量，测量的介质也各不一样，不同的介质的特性对于流量测量的要求各不一样，测量现场的条件也有差异，所以就导致了流量测量的准确性与可靠性较难保证。针对于不一样的工况条件，目前市场上的仪表类型有速度式流量计、容积流量计、动量式流量计、电磁流量计、超声波流量计等几十种流量计。其中电磁流量计的应用特别**，它以其优越的性能,在诸多领域被**采用。
如何对电磁流量计进行精确的测量，解决现场测量的常见的“测不准”的现象。针对于这个情况，本文分析了被测介质电导率、流速分布与直管段、电极结垢与附着层、安装条件和运行环境5方面工程因素对电磁流量计准确测量的影响,提出了提高电磁流量测量准确性的工程对策。从而保证电磁流量计在工程应用中能够准确测量,使其充分发挥其计量作用,为流量检测提供可靠的测量数据。在确保电磁流量计本身计量检定合格的基础上,分析了工程上影响电磁流量计测量准确性的因素,提出了提高电磁流量计测量准确性的工程实施方法.
1 影响电磁流量计准确测量因素
电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律来工作的,即导电流体以平均速度v流过垂直于流动方向的磁场,其感应电势E通过与流体直接接触的电极(又称传感器)检测出来.
E=KBvD ,(1)
式中:K为仪表常数;B为磁感应强度(T);v为流体运动平均速度(m/s);D为管道内径(m).
当K、B、D确定下来后,E与v成正比.其工作原理和结构如图1所示.根据流体的体积流量公式:
Q=1/4πD2v ,(2)
Q是v的正比函数,代入公式(1),那么E也是Q的正比函数,由此,测出了感应电压E也即测出了介质的体积流量Q.
电磁流量计工作原理图
电磁流量计由流量传感器和转换器两大部分组成.传感器测出的感应电压E由电缆送至转换器,通过智能化处理,然后LCD显示,或转换成标准信号4～20mA输出.根据以上测量原理,实际使用中,影响电磁流量计准确测量的工程因素主要有以下5个方面:
(1)被测介质电导率的影响.被测流体的电导率决定了转换器所需的输入阻抗大小,流体电导率降低,电极的输出阻抗将增加,并且由转换器输入阻抗引起负载效应而产生误差.因此,电磁流量计应用中规定了流体的电导率的下限.理论上,把电极看作点电极,忽略其大小,实际上,电极有一定尺寸,当直径为d的圆形电极与电导率为ρ的半无限展宽的流体接触时,其展宽电阻为1/(2ρd),因此,如果管道直径Dd,则电极的输出阻抗为两个展宽电阻之和,即等于1/(ρd).一般测量的流体电导率ρ的下限为5～10μs/cm,所以,若电极直径d为1cm,则电极的输出阻抗就为1/(ρd)=100～200kΩ,为使输出阻抗的影响限制在0.1%以下,转换器的输入阻抗应为200MΩ左右.对于电磁流量计,选型时必须考虑流体电导率要大于5μs/cm的阈值(即下限值)要求.
(2)流速分布与直管段的影响.根据公式(1)知,如果流速以中心轴为对称流动,感应电势与流速分布无关,仅正比于平均流速.若流速为非中心轴对称分布,图2表示90°弯头与突扩管的流线分布与速度剖面,每个流动质点相对于电极几何位置不同,对电极产生的感应电动势大小也不同,越靠近电极,速度大的质点所产生的感应电动势越大,容易引起误差,因此,必须保证流体流速为中心轴对称.工程上,正确的安装可以减小此类误差。
电磁流量计弯头及突变管的流速分布图
尽管电磁流量计厂家不断追求流量计本身的精度,但实际工程中,工艺管道中的弯管、阀门等都会引起流动畸变、二次流或漩涡,破坏了原有充分均匀的流速分布状况.只有经过相当长的直管段,才能让流体恢复其轴对称的流速分布.若实际工艺管道上下游直管段不足,可以通过安装流动调整器来调整.
（3）电极结垢和附着层的影响.在测量如纸浆、污水等非清洁流体时,电极表面易受污染,引起零点变动,但零点变化和电极污染程度两者的关系,很难进行定量分析比较,根据经验,电极直径越小,所受的影响越少,在使用中,应注意电极的清污,以防止附着.
设在衬里上附着沉淀物时产生的误差Δε,如果附着的厚度是一样,则可由式(3)计算:
Δε=1-2/[1+(kω/kf)+(1-kω/kf)*(1-2t/D)2] ,(3)
式中:kω、kf分别为附着物和测量流体的电导率;t为附着物厚度;D为直径.
若式(3)中kω和、kf相等,则误差为零,附着物的电导率较低时,上式仍然成立,但会增加电极的输出阻抗,因此受到限制,如绝缘性沉淀物浸在流体中就是这种情况.相反,如附着金属粉末等,因高电导率的附着层,使感应电势短路,电极输出偏低,造成负偏差.在测量具有沉淀附着物的流体时,可通过合理选择传感器内衬材料等方法减少测量误差,除了选择如玻璃或聚四氯乙烯等难以附着沉淀的衬里外,还应增加其流速,流体快速流动的同时能够起到冲刷电极、清洁电极的作用,减少误差.
(4)安装条件的影响.电磁流量计要求满管测量、流速分布轴对称、可靠的接地等,否则可能现输出晃动、示值不准等现象.这可通过规范安装操作以使测量准确性得到提高.
(5)运行环境的影响.电磁流量计因输出信号较弱,对机械振动比较敏感,测量结果易受干扰,运行时,不允许管道振动和周围有大的电器如电焊机等.
2 提高电磁流量测量准确性的工程对策
2.1正确选型
电磁流量计的选型考虑因素很多,有仪表性能、流体特性、安装条件、环境条件和经济等方面的因素,从测量准确性的角度,可从下面两方面考虑.
(1)传感器口径选择.传感器口径的选择关系到流体在管道中的流速大小,影响到输出电势值.因此,传感器口径不一定与连接的工艺管道口径相同,应根据实际使用流量而定.当管道内流体的流速在1.5～3m/s,选择传感器口径的与工艺管道口径相同即可,且安装方便;当管内流体流速较低,低于0.5m/s时,仪表口径应改为小于管径,以异径管连接管道.
(2)衬里、电极材料的选择要点.电极是电磁流量计拾取流量信号的部件,在测量过程中,只有它和接地环、接地电极与被测介质接触,因此,为了适应不同介质的测量条件,比如流体介质的温度、压力、腐蚀性、磨损性等的要求,要选用不同的内衬、电极材料.
电磁流量计的内衬材料有耐腐蚀性中等、耐一般低浓度的酸、碱、盐的氯丁橡胶材料,耐磨损性强而耐腐蚀性能一般的聚氨脂橡胶,耐腐蚀性能强和适于温度高的聚四氟乙烯,化学性质等同于聚四氟乙烯的抗拉、抗压聚全氟乙丙烯,耐稀酸、碱、盐的温度<60℃的聚乙烯和温度<100℃的聚苯硫醚等.
电磁流量计电极的材料有耐盐和小于50%浓度碱溶液的鈦(Ti)电极,耐酸和盐的钽(Ta)电极,耐腐蚀能力强的贵金属铂电极,不适于盐酸的哈氏合金C电极和不适于硝酸的哈氏合金B电极,耐腐蚀能力一般、但价格低廉的不锈钢316L等.电极材料装于传感器测量管内壁,与被测介质直接接触,故应根据被测介质的腐蚀性选定.
2.2 正确安装
(1)对安装管路的要求.实际工程上,电极平面处的流速分布已同初校时有较大的差别,传感器上游管道连接件的配置是引起特殊的流速分布的因素之一,使用中就有可能出现量值偏移.对传感器前后直管段的要求是保证流速以中心轴为对称分布,获得仪表测量精确度的必要条件之一,国标GB/T18659-2002等列举了对渐缩管、上游阀、圆弧弯头小直管段长度的要求(见表1).
另外,测量管内导电流体电导率不均匀,也会影响电磁流量计的测量,因此,若工艺要求在管道中加入其他介质,则应在流量计下游进行.如果必须在上游进行,应在流量计上游较远处注入,建议在大于50D以远(D为测量管内径),以保证流体流动均匀后进入流量计.
(2)安装要保证流体充满测量管.电磁流量计测量的流量是电极平面的平均流速与电极断面的面积的乘积.只有流体充满测量管测量才准确.也就是说,在水平安装时,流量计处于低部位置的正确安装方法才能保证流体充满管道.对于固-液、气-液两相混相流体,传感器应以垂直或倾斜姿势安装,且流体应自下而上流动,防止当传感器水平安装时,固体容易沉淀到管道下部、混相中的气体分离到上部而造成测量误差.
(3)接液与接地.因传感器输出信号是电极间的电压差,因此要有一个零电位基准点.接液是使用电磁流量计重要的条件之一,即以导电液体接地作为信号的基准电位点.接地是防止进入干扰和安全保护的有效措施,传感器接地极与流体(信号基准零电平)间容易由地回路引入各种共模干扰电压,影响流量计的使用可靠性和测量精度.通过接地能够屏蔽静电感应与电磁感应引起的噪声电压;减小接地电阻可以降低地回路杂散电流的压降,减低共模干扰电压,提高测量精度.在连接传感器的管道内若涂有绝缘层或是非金属管道时,传感器两侧应装有接地环.金属管道电磁流量计接地连(跨)接方法如图3.当被测流体电导率比较高、工艺管线比较长时,被测流体的体电阻几乎为零,使用接液电极能够稳定地取得信号的基准电位.当测量比较低的电导率流体时,被测流体的体电阻比较高,若利用接液环或接液电极接触面太小,易产生信号的不稳定.为此应使用接液短管,加大与流体的接触面积,减小流体体电阻.
电磁流量计传感器接地图示
(4)尽量避开振动源、磁源.由于电磁流量计的测量感应电压很小,电压较低易受外界电磁噪声的影响,故在安装时应尽可能避开振动源、磁源,并进行可靠的接地连接.一般情况要求接地电阻小于100Ω.对于防爆产品和防雷击要求的安装情况,接地电阻应小于10Ω.同时应注意不能将流量计的接地接在大的电器设备,如变压器、发电机、变频电源的外壳接地上.
3 本文结语
电磁流量计在投运前,应对管道及流量计进行彻底检查,包括管道杂物等清理,电极处干燥处理.还包括电气线路的检查,*先应对线路的接地进行检测,确保接地可靠后,还需进行绝缘电阻及接地电阻测试.
长期运行时,测量管壁易附着和沉淀物质,若附着是比液体电导率高的导电物质,信号电势将被短路而不能工作,若是非导电层则*先应注意电极污染,譬如选用不易附着尖形或半球形突出电极、可更换式电极、刮刀式清垢电极等.非接触型电极电磁流量计附着非导电膜层,仪表仍能工作,但若为高导电层则不能工作.
由于电磁流量计运行环境较为复杂,影响其正常工作的工程因素众多,调试技术需要不断总结和更新.总之,只要合理选用、正确安装电磁流量计,并采取有效的措施加以维护,就能从工程上降低误差,提高测量的准确性,规范的使用仪表,还能延长仪表的使用寿命,为生产提供准确可靠的计量数据.
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如何对电磁流量计进行精确的测量，解决现场测量的常见的“测不准”的现象。针对于这个情况，本文分析了被测介质电导率、流速分布与直管段、电极结垢与附着层、安装条件和运行环境5方面工程因素对电磁流量计准确测量的影响,提出了提高电磁流量测量准确性的工程对策。从而保证电磁流量计在工程应用中能够准确测量,使其充分发挥其计量作用,为流量检测提供可靠的测量数据。在确保电磁流量计本身计量检定合格的基础上,分析了工程上影响电磁流量计测量准确性的因素,提出了提高电磁流量计测量准确性的工程实施方法.
1 影响电磁流量计准确测量因素
电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律来工作的,即导电流体以平均速度v流过垂直于流动方向的磁场,其感应电势E通过与流体直接接触的电极(又称传感器)检测出来.
E=KBvD ,(1)
式中:K为仪表常数;B为磁感应强度(T);v为流体运动平均速度(m/s);D为管道内径(m).
当K、B、D确定下来后,E与v成正比.其工作原理和结构如图1所示.根据流体的体积流量公式:
Q=1/4πD2v ,(2)
Q是v的正比函数,代入公式(1),那么E也是Q的正比函数,由此,测出了感应电压E也即测出了介质的体积流量Q.
电磁流量计工作原理图
电磁流量计由流量传感器和转换器两大部分组成.传感器测出的感应电压E由电缆送至转换器,通过智能化处理,然后LCD显示,或转换成标准信号4～20mA输出.根据以上测量原理,实际使用中,影响电磁流量计准确测量的工程因素主要有以下5个方面:
(1)被测介质电导率的影响.被测流体的电导率决定了转换器所需的输入阻抗大小,流体电导率降低,电极的输出阻抗将增加,并且由转换器输入阻抗引起负载效应而产生误差.因此,电磁流量计应用中规定了流体的电导率的下限.理论上,把电极看作点电极,忽略其大小,实际上,电极有一定尺寸,当直径为d的圆形电极与电导率为ρ的半无限展宽的流体接触时,其展宽电阻为1/(2ρd),因此,如果管道直径Dd,则电极的输出阻抗为两个展宽电阻之和,即等于1/(ρd).一般测量的流体电导率ρ的下限为5～10μs/cm,所以,若电极直径d为1cm,则电极的输出阻抗就为1/(ρd)=100～200kΩ,为使输出阻抗的影响限制在0.1%以下,转换器的输入阻抗应为200MΩ左右.对于电磁流量计,选型时必须考虑流体电导率要大于5μs/cm的阈值(即下限值)要求.
(2)流速分布与直管段的影响.根据公式(1)知,如果流速以中心轴为对称流动,感应电势与流速分布无关,仅正比于平均流速.若流速为非中心轴对称分布,图2表示90°弯头与突扩管的流线分布与速度剖面,每个流动质点相对于电极几何位置不同,对电极产生的感应电动势大小也不同,越靠近电极,速度大的质点所产生的感应电动势越大,容易引起误差,因此,必须保证流体流速为中心轴对称.工程上,正确的安装可以减小此类误差。
电磁流量计弯头及突变管的流速分布图
尽管电磁流量计厂家不断追求流量计本身的精度,但实际工程中,工艺管道中的弯管、阀门等都会引起流动畸变、二次流或漩涡,破坏了原有充分均匀的流速分布状况.只有经过相当长的直管段,才能让流体恢复其轴对称的流速分布.若实际工艺管道上下游直管段不足,可以通过安装流动调整器来调整.
（3）电极结垢和附着层的影响.在测量如纸浆、污水等非清洁流体时,电极表面易受污染,引起零点变动,但零点变化和电极污染程度两者的关系,很难进行定量分析比较,根据经验,电极直径越小,所受的影响越少,在使用中,应注意电极的清污,以防止附着.
设在衬里上附着沉淀物时产生的误差Δε,如果附着的厚度是一样,则可由式(3)计算:
Δε=1-2/[1+(kω/kf)+(1-kω/kf)*(1-2t/D)2] ,(3)
式中:kω、kf分别为附着物和测量流体的电导率;t为附着物厚度;D为直径.
若式(3)中kω和、kf相等,则误差为零,附着物的电导率较低时,上式仍然成立,但会增加电极的输出阻抗,因此受到限制,如绝缘性沉淀物浸在流体中就是这种情况.相反,如附着金属粉末等,因高电导率的附着层,使感应电势短路,电极输出偏低,造成负偏差.在测量具有沉淀附着物的流体时,可通过合理选择传感器内衬材料等方法减少测量误差,除了选择如玻璃或聚四氯乙烯等难以附着沉淀的衬里外,还应增加其流速,流体快速流动的同时能够起到冲刷电极、清洁电极的作用,减少误差.
(4)安装条件的影响.电磁流量计要求满管测量、流速分布轴对称、可靠的接地等,否则可能现输出晃动、示值不准等现象.这可通过规范安装操作以使测量准确性得到提高.
(5)运行环境的影响.电磁流量计因输出信号较弱,对机械振动比较敏感,测量结果易受干扰,运行时,不允许管道振动和周围有大的电器如电焊机等.
2 提高电磁流量测量准确性的工程对策
2.1正确选型
电磁流量计的选型考虑因素很多,有仪表性能、流体特性、安装条件、环境条件和经济等方面的因素,从测量准确性的角度,可从下面两方面考虑.
(1)传感器口径选择.传感器口径的选择关系到流体在管道中的流速大小,影响到输出电势值.因此,传感器口径不一定与连接的工艺管道口径相同,应根据实际使用流量而定.当管道内流体的流速在1.5～3m/s,选择传感器口径的与工艺管道口径相同即可,且安装方便;当管内流体流速较低,低于0.5m/s时,仪表口径应改为小于管径,以异径管连接管道.
(2)衬里、电极材料的选择要点.电极是电磁流量计拾取流量信号的部件,在测量过程中,只有它和接地环、接地电极与被测介质接触,因此,为了适应不同介质的测量条件,比如流体介质的温度、压力、腐蚀性、磨损性等的要求,要选用不同的内衬、电极材料.
电磁流量计的内衬材料有耐腐蚀性中等、耐一般低浓度的酸、碱、盐的氯丁橡胶材料,耐磨损性强而耐腐蚀性能一般的聚氨脂橡胶,耐腐蚀性能强和适于温度高的聚四氟乙烯,化学性质等同于聚四氟乙烯的抗拉、抗压聚全氟乙丙烯,耐稀酸、碱、盐的温度<60℃的聚乙烯和温度<100℃的聚苯硫醚等.
电磁流量计电极的材料有耐盐和小于50%浓度碱溶液的鈦(Ti)电极,耐酸和盐的钽(Ta)电极,耐腐蚀能力强的贵金属铂电极,不适于盐酸的哈氏合金C电极和不适于硝酸的哈氏合金B电极,耐腐蚀能力一般、但价格低廉的不锈钢316L等.电极材料装于传感器测量管内壁,与被测介质直接接触,故应根据被测介质的腐蚀性选定.
2.2 正确安装
(1)对安装管路的要求.实际工程上,电极平面处的流速分布已同初校时有较大的差别,传感器上游管道连接件的配置是引起特殊的流速分布的因素之一,使用中就有可能出现量值偏移.对传感器前后直管段的要求是保证流速以中心轴为对称分布,获得仪表测量精确度的必要条件之一,国标GB/T18659-2002等列举了对渐缩管、上游阀、圆弧弯头小直管段长度的要求(见表1).
另外,测量管内导电流体电导率不均匀,也会影响电磁流量计的测量,因此,若工艺要求在管道中加入其他介质,则应在流量计下游进行.如果必须在上游进行,应在流量计上游较远处注入,建议在大于50D以远(D为测量管内径),以保证流体流动均匀后进入流量计.
(2)安装要保证流体充满测量管.电磁流量计测量的流量是电极平面的平均流速与电极断面的面积的乘积.只有流体充满测量管测量才准确.也就是说,在水平安装时,流量计处于低部位置的正确安装方法才能保证流体充满管道.对于固-液、气-液两相混相流体,传感器应以垂直或倾斜姿势安装,且流体应自下而上流动,防止当传感器水平安装时,固体容易沉淀到管道下部、混相中的气体分离到上部而造成测量误差.
(3)接液与接地.因传感器输出信号是电极间的电压差,因此要有一个零电位基准点.接液是使用电磁流量计重要的条件之一,即以导电液体接地作为信号的基准电位点.接地是防止进入干扰和安全保护的有效措施,传感器接地极与流体(信号基准零电平)间容易由地回路引入各种共模干扰电压,影响流量计的使用可靠性和测量精度.通过接地能够屏蔽静电感应与电磁感应引起的噪声电压;减小接地电阻可以降低地回路杂散电流的压降,减低共模干扰电压,提高测量精度.在连接传感器的管道内若涂有绝缘层或是非金属管道时,传感器两侧应装有接地环.金属管道电磁流量计接地连(跨)接方法如图3.当被测流体电导率比较高、工艺管线比较长时,被测流体的体电阻几乎为零,使用接液电极能够稳定地取得信号的基准电位.当测量比较低的电导率流体时,被测流体的体电阻比较高,若利用接液环或接液电极接触面太小,易产生信号的不稳定.为此应使用接液短管,加大与流体的接触面积,减小流体体电阻.
电磁流量计传感器接地图示
(4)尽量避开振动源、磁源.由于电磁流量计的测量感应电压很小,电压较低易受外界电磁噪声的影响,故在安装时应尽可能避开振动源、磁源,并进行可靠的接地连接.一般情况要求接地电阻小于100Ω.对于防爆产品和防雷击要求的安装情况,接地电阻应小于10Ω.同时应注意不能将流量计的接地接在大的电器设备,如变压器、发电机、变频电源的外壳接地上.
3 本文结语
电磁流量计在投运前,应对管道及流量计进行彻底检查,包括管道杂物等清理,电极处干燥处理.还包括电气线路的检查,*先应对线路的接地进行检测,确保接地可靠后,还需进行绝缘电阻及接地电阻测试.
长期运行时,测量管壁易附着和沉淀物质,若附着是比液体电导率高的导电物质,信号电势将被短路而不能工作,若是非导电层则*先应注意电极污染,譬如选用不易附着尖形或半球形突出电极、可更换式电极、刮刀式清垢电极等.非接触型电极电磁流量计附着非导电膜层,仪表仍能工作,但若为高导电层则不能工作.
由于电磁流量计运行环境较为复杂,影响其正常工作的工程因素众多,调试技术需要不断总结和更新.总之,只要合理选用、正确安装电磁流量计,并采取有效的措施加以维护,就能从工程上降低误差,提高测量的准确性,规范的使用仪表,还能延长仪表的使用寿命,为生产提供准确可靠的计量数据.
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