摘 要：隨著國家對(duì)節(jié)能降耗的重視，特別是在冶金，礦業(yè)等高能耗行業(yè)中，企業(yè)需要嚴(yán)格進(jìn)行成本的核算計(jì)量，迫切需要高精度、高可靠性的計(jì)量?jī)x表。結(jié)合鋼鐵行業(yè)的實(shí)際情況，就電磁流量計(jì)的合理選擇和正確安裝作了詳細(xì)介紹，并提出了有效的維護(hù)措施。對(duì)保證其k測(cè)量準(zhǔn)確度、計(jì)量企業(yè)能耗具有重要意義。
關(guān)鍵字： 電磁流量計(jì) 鋼鐵 傳感器
引言
電磁流量計(jì)是20世紀(jì)60年代隨著電子技術(shù)發(fā)展而迅速開發(fā)的新型流量測(cè)量?jī)x表。它根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制成，用來測(cè)量導(dǎo)電流體的體積流量，由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)鋼鐵行業(yè)中的各種導(dǎo)電液體的測(cè)量。
隨著生產(chǎn)企業(yè)對(duì)工藝設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模的自動(dòng)化改造，大部分工藝設(shè)備都實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)級(jí)設(shè)備自動(dòng)化和過程控制自動(dòng)化，多數(shù)自動(dòng)化設(shè)備采用了國外先進(jìn)的PLC或DCS系統(tǒng)，過程自動(dòng)化對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面的信息監(jiān)控，將檢測(cè)儀表系統(tǒng)采集的高精度電磁流量計(jì)數(shù)據(jù)傳送到中央控制室。
電磁流量計(jì)在使用過程中常出現(xiàn)一些故障，有的是由于儀表本身元器件損壞引起的故障，有的是由于選用不當(dāng)、安裝不妥、環(huán)境條件、流體特性等因素造成的故障等。因此，合理選擇與正確安裝電磁流量計(jì)，并進(jìn)行有效維護(hù)，對(duì)于保證測(cè)量準(zhǔn)確度、提高使用壽命都是很重要的。
1 電磁流量計(jì)的原理和結(jié)構(gòu)
1.1 主要特點(diǎn)
電磁流量計(jì)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律，測(cè)量導(dǎo)電液體的流量。
它的主要特點(diǎn)：測(cè)量通道是光滑直管，不易阻塞，適用于測(cè)量含有固體顆粒或纖維的液固二相流體；不產(chǎn)生因檢測(cè)流量所形成的壓力損失；不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化影響；對(duì)前置直管段要求較低；測(cè)量范圍大，通常為20：1～50：1；不能用于較高溫度的液體測(cè)量。
電磁流量計(jì)不能測(cè)量電導(dǎo)率很低的液體，如石油制品和有機(jī)溶劑等，不能測(cè)量氣體、蒸汽和含有較多較大氣泡的液體。
1.2 基本原理
測(cè)量原理是基于法拉第電磁感虛定律。即：導(dǎo)電液體在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E為
式中：E為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即流量信號(hào)，V；K為儀表常數(shù)系數(shù)；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；D為測(cè)量管的內(nèi)徑值，m；υ為測(cè)量管界面的平均流速，m/s。
如圖1所示，導(dǎo)電性液體在垂直于磁場(chǎng)的非磁性測(cè)量管內(nèi)流動(dòng)，且與流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生與流量成比例的感應(yīng)電勢(shì)，設(shè)置液體的體積流量時(shí)，則式（1）中K=4B/（ぇD）。
圖1 流量測(cè)量的原理圖
在管道直徑確定，磁感應(yīng)強(qiáng)度不變的條件下，體積流量與電磁感應(yīng)電勢(shì)有一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，而與流體密度、黏度、溫度、壓力和電導(dǎo)率無關(guān)。
1.3 電磁流量計(jì)的流量傳感器
電磁流造計(jì)由流鰱傳感器和轉(zhuǎn)換器兩大部分組成。
流量傳感器由以下部分構(gòu)成：外殼，磁路系統(tǒng)，測(cè)量管，襯里，電極。
傳感器典型結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，測(cè)量管上下裝有勵(lì)磁線圈，通過勵(lì)磁電流后產(chǎn)生磁場(chǎng)穿過測(cè)量管，一對(duì)電極裝在測(cè)量管內(nèi)壁與液體相接觸，引出感應(yīng)電勢(shì)。
圖2 流量傳感器示意圖
傳感器各部分的主要功能如下：
（1）外殼。由鐵磁材料制成，保護(hù)勵(lì)磁線圈，隔離外磁場(chǎng)的干擾。
（2）磁路系統(tǒng)。產(chǎn)生均勻的直流或交流磁場(chǎng)，直流磁場(chǎng)可用永久磁鐵來實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電磁流量計(jì)，一般都采用交變磁場(chǎng)。
（3）測(cè)量管。流過被測(cè)流體，兩端設(shè)有法蘭，用作連接管道。測(cè)量導(dǎo)管采用由不導(dǎo)磁、低導(dǎo)電率、低導(dǎo)熱率并具有一定機(jī)械強(qiáng)度的材料制成，一般可選用不銹鋼、玻璃鋼、鋁及其他高強(qiáng)度的材料。
（4）襯里。增加測(cè)量導(dǎo)管的耐磨性與抗腐蝕性，防止感應(yīng)電勢(shì)被金屬測(cè)量導(dǎo)管壁所短路。在測(cè)量導(dǎo)管的內(nèi)壁有一層耐磨、耐腐蝕、耐高溫的絕緣材料。
（5）電極。正確引出感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)用不銹鋼非導(dǎo)磁材料制成，安裝時(shí)要求與襯里齊平。
1.4 電磁流量計(jì)的轉(zhuǎn)換器
轉(zhuǎn)換器的主要功能是放大感應(yīng)電勢(shì)、抑制主要的干擾信號(hào)。
它采用交變磁場(chǎng)克服了極化現(xiàn)象，但增加了電磁正交干擾信號(hào)，正交干擾信號(hào)的相位和被測(cè)感應(yīng)電勢(shì)相差900。
消除正交干擾的方法是將信號(hào)引出線進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。轉(zhuǎn)換器的放大電路具有反饋補(bǔ)償。
電磁流量轉(zhuǎn)換器的作用是把電磁流量計(jì)變送器輸出的毫伏信號(hào)放大，并轉(zhuǎn)化成與介質(zhì)體積流量成正比的0～5V或4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)或0～10kHz的頻率信號(hào)，以便于顯示，并可和電動(dòng)單元組合儀表或PLC配套使用。
2 電磁流量計(jì)的選擇與安裝
選擇時(shí)主要考慮的是安裝口徑，電磁流量計(jì)在大口徑儀表系列中，較多應(yīng)用于給排水工程。中小口徑的常用于固、液雙相流等較難測(cè)流體或高要求場(chǎng)所，如高爐水處理系統(tǒng)的流量控制和檢測(cè)，以及高爐冷卻壁進(jìn)出水的流量控制和監(jiān)漏。
2.1 電磁流量計(jì)選擇的要素
2.1.1 測(cè)量精度。通用型電磁流量計(jì)的性能有較大差別，有些精度高、功能多；有些精度低、功能簡(jiǎn)單。精度高的儀表基本誤差為（±0.5％-±1％）FS，精度低的儀表則為（±1.5％-±2.5％）FS（全量程），兩者價(jià)格相差1～2倍。因此測(cè)量精度要求不很高的場(chǎng)所（例如非經(jīng)濟(jì)核算僅以控制為目的，只要求高可靠性和重復(fù)性的場(chǎng)所），選用高精度儀表在經(jīng)濟(jì)上是不合算的。
例如：在連鑄機(jī)的生產(chǎn)工藝過程中，對(duì)于二冷水水量檢測(cè)和控制，直接關(guān)系到連鑄機(jī)的冷卻效果，我們選用了精度較高的流量計(jì)。
2.1.2 液體流速。選定電磁流量計(jì)的口徑不一定與管徑相同，要視流量而定。工業(yè)輸送水等黏度不同的液體，管道流速一般是經(jīng)濟(jì)流速，即1.5～3m/s。電磁流量計(jì)用在這樣的管道上，傳感器口徑與管徑相同即可。滿度流量時(shí)，液體流速可在1～10m/s范圍內(nèi)選用。用于有易黏附、沉積、結(jié)垢等物質(zhì)的流體，選用流速不低于2m/s，并帶自清掃、防止黏附沉積等作用。
2.1.3 管徑口徑。電磁流量計(jì)的口徑范圍為1O～3000mm，實(shí)際應(yīng)用還是以中小口徑居多，與大部分其他原理檢測(cè)流量?jī)x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。
例如：在50t高阻抗電弧爐中，對(duì)于水冷爐蓋和水冷爐壁的冷卻水量檢測(cè)和控制，考慮到這兩部分冷卻設(shè)備有不間的消耗量，我們分別選用了兩種不同口徑的流量計(jì)。
2.1.4 液體電導(dǎo)率。使用電磁流量計(jì)的前提是被測(cè)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(huì)產(chǎn)生測(cè)屋誤差直至不能使用，不超過閾值即使變化也可以測(cè)量，示值誤差變化不大，通用型電磁流量計(jì)的閾值在10-4～（5×10-6）S/cm之間，視型號(hào)而異。使用時(shí)還取決于傳感器與轉(zhuǎn)換器間流量信號(hào)線長(zhǎng)度及其分布電容。
2.2 電磁流量計(jì)傳感器的安裝
2.2.1 安裝場(chǎng)所。盡可能避免測(cè)量管內(nèi)變成負(fù)壓；選擇震動(dòng)小的安裝場(chǎng)所，特別對(duì)一體型儀表；避免附近有大電機(jī)、大變壓器等引起的電磁場(chǎng)干擾；易于實(shí)現(xiàn)傳感器單獨(dú)接地的場(chǎng)所；盡可能避開周圍環(huán)境有高濃度腐蝕性氣體；環(huán)境溫度在-25/-10～50/60℃范圍內(nèi)；環(huán)境相對(duì)濕度在10％～90％范圍內(nèi)；盡可能避免受陽光直照；避免雨水浸淋，不會(huì)被水浸沒。
2.2.2 直管段長(zhǎng)度要求。長(zhǎng)度與大部分其他流量?jī)x表相比要求較低。900彎頭、T形管、同心異徑管、全開閘閥后通常認(rèn)為只要離電極中心線5倍直徑（5D）長(zhǎng)度的直管段，不同開度的閥則需10D；下游直管段為2～3D或無要求；各標(biāo)準(zhǔn)或檢定規(guī)程所提出上下游直管段長(zhǎng)度亦不一致，要求比通常要求高。這是由于為保證達(dá)到當(dāng)前0.5級(jí)精度流量?jī)x表的要求。
例如：在50t高阻抗電弧爐中，對(duì)于水冷爐蓋和水冷爐壁的冷卻水量檢測(cè)，由于工廠管網(wǎng)接口法蘭與電弧爐冷卻水設(shè)備的水分配器之間彎道較多，直管段長(zhǎng)度未能達(dá)到流量?jī)x表的要求，導(dǎo)致冷卻水量的檢測(cè)數(shù)值波動(dòng)很大，無法準(zhǔn)確計(jì)量，后來調(diào)整了流量?jī)x表的檢測(cè)點(diǎn)，電弧爐冷卻水的流量數(shù)據(jù)才穩(wěn)定下來。
2.2.3 安裝儀表的接口方向不受限制。
2.2.4 接地。傳感器必須單獨(dú)接地，保持等電位，以保證穩(wěn)定地進(jìn)行測(cè)量，變送器外殼與金屬管兩端應(yīng)有良好的接地，轉(zhuǎn)換器外殼也應(yīng)接地。接地電阻<10Ω。為了避免干擾信號(hào)，變送器和轉(zhuǎn)換器之間的信號(hào)必須用屏蔽導(dǎo)線傳輸，不允許把信號(hào)電纜和電源線平行放在同一電纜鋼管內(nèi)敷設(shè)。
3 電磁流量計(jì)的使用和維護(hù)
3.1 安裝調(diào)試
3.1.1 安裝方面。通常是電磁流量傳感器的安裝位置不正確引起的故障，常見的如將傳感器安裝在易積聚氣體的管路最高點(diǎn)；或安裝在自上而下的垂直管上，可能出現(xiàn)排空；或傳感器后無背壓，流體直接排人大氣而形成測(cè)量管內(nèi)非滿管。
3.1.2 環(huán)境方面。通常主要是管道雜散電流干擾，空間強(qiáng)電磁波干擾，大型電機(jī)磁場(chǎng)干擾等。管道雜散電流干擾通常采取良好的單獨(dú)接地保護(hù)就可獲得滿意結(jié)果，但如遇到強(qiáng)大的雜散電流，尚需采取另外措施和流量傳感器與管道絕緣等。
3.1.3 流體方面。被測(cè)液體中含有均勻分布的微小氣泡通常不影響電磁流量計(jì)的正常工作，但隨著氣泡的增大，電磁流量計(jì)輸出信號(hào)會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，若氣泡大到足以遮蓋整個(gè)電極表面時(shí)，隨著氣泡流過電極會(huì)使電極回路瞬間斷路而使輸出信號(hào)出現(xiàn)更大的波動(dòng)。
3.2 工作運(yùn)行運(yùn)行期間故障一般由電磁流量計(jì)傳感器內(nèi)壁附著層、雷電打擊以及環(huán)境條件變化等因素引起。
3.2.1 傳感器內(nèi)壁附著層。由于電磁流量計(jì)常用來測(cè)量工業(yè)用水等流體，運(yùn)行一段時(shí)間后，常會(huì)在傳感器內(nèi)壁積聚附著層而產(chǎn)生故障。所以，應(yīng)及時(shí)清除電磁流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)的附著結(jié)垢層。
3.2.2 雷電打擊。雷擊容易在儀表線路中感應(yīng)出高電壓和浪涌電流，使電磁流量計(jì)損壞。它主要通過電源線或勵(lì)磁線圈或傳感器與轉(zhuǎn)換器之間的流量信號(hào)線等途徑引入，尤其是從控制室電源線引入占絕大部分。
3.2.3 環(huán)境條件變化。在調(diào)試期間由于環(huán)境條件尚好，電磁流量計(jì)工作正常，此時(shí)往往容易疏忽安裝條件。在這種情況下，一旦環(huán)境條件變化，運(yùn)行期間出現(xiàn)新的干擾源，就會(huì)干擾儀表的正常工作，電磁流量計(jì)的輸出信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。
4 結(jié)束語
綜上所述，電磁流量計(jì)作為流量測(cè)量?jī)x表，在鋼鐵領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，特別是近年來從國外引進(jìn)的智能化電磁流量計(jì)，內(nèi)置微處理器和程序控制，且?guī)ㄐ沤涌冢δ芨鼜?qiáng)，編程方便，因而具有更強(qiáng)的生命力。但是如果設(shè)計(jì)選型及安裝不當(dāng)，不僅無法發(fā)揮其優(yōu)越性，還會(huì)給企業(yè)帶來損失，從而會(huì)阻礙電磁流量計(jì)的應(yīng)用和推廣。因此，在工程應(yīng)用中，電磁流量計(jì)的正確選型及安裝是極為重要的兩大環(huán)節(jié)，必須引起高度重視。同時(shí)再采取有效的措施加以維護(hù)，就能避免或減少故障的發(fā)生，并保證測(cè)量的準(zhǔn)確度、提高電磁流量計(jì)的使用壽命
