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| 芻議電磁流量計在鋼鐵行業(yè)中的應用 |
| 芻議電磁流量計在鋼鐵行業(yè)中的應用 | | 發(fā)布時間：2017/2/25 15:58:03 |
摘 要：隨著國家對節(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)需要嚴格進行成本的核算計量，迫切需要高精度、高可靠性的計量儀表。結合鋼鐵行業(yè)的實際情況，就電磁流量計的合理選擇和正確安裝作了詳細介紹，并提出了有效的維護措施。對保證其k測量準確度、計量企業(yè)能耗具有重要意義。
關鍵字： 電磁流量計 鋼鐵 傳感器
引言
電磁流量計是20世紀60年代隨著電子技術發(fā)展而迅速開發(fā)的新型流量測量儀表。它根據(jù)法拉第電磁感應定律制成，用來測量導電流體的體積流量，由于其獨特的優(yōu)點，目前已廣泛地應用于國內鋼鐵行業(yè)中的各種導電液體的測量。
隨著生產企業(yè)對工藝設備進行大規(guī)模的自動化改造，大部分工藝設備都實現(xiàn)了基礎級設備自動化和過程控制自動化，多數(shù)自動化設備采用了國外先進的PLC或DCS系統(tǒng)，過程自動化對設備進行全面的信息監(jiān)控，將檢測儀表系統(tǒng)采集的高精度電磁流量計數(shù)據(jù)傳送到中央控制室。
電磁流量計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、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，并進行有效維護，對于保證測量準確度、提高使用壽命都是很重要的。
1 電磁流量計的原理和結構
1.1 主要特點
電磁流量計是利用法拉第電磁感應定律，測量導電液體的流量。
它的主要特點：測量通道是光滑直管，不易阻塞，適用于測量含有固體顆�；蚶w維的液固二相流體；不產生因檢測流量所形成的壓力損失；不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導率變化影響；對前置直管段要求較低；測量范圍大，通常為20：1～50：1；不能用于較高溫度的液體測量。
電磁流量計不能測量電導率很低的液體，如石油制品和有機溶劑等，不能測量氣體、蒸汽和含有較多較大氣泡的液體。
1.2 基本原理
測量原理是基于法拉第電磁感虛定律。即：導電液體在磁場中作切割磁力線運動，導體中產生感應電動勢，其感應電動勢E為
式中：E為感應電動勢，即流量信號，V；K為儀表常數(shù)系數(shù)；B為磁感應強度，T；D為測量管的內徑值，m；υ為測量管界面的平均流速，m/s。
如圖1所示，導電性液體在垂直于磁場的非磁性測量管內流動，且與流動方向垂直的方向上產生與流量成比例的感應電勢，設置液體的體積流量時，則式（1）中K=4B/（ぇD）。
圖1 流量測量的原理圖
在管道直徑確定，磁感應強度不變的條件下，體積流量與電磁感應電勢有一一對應的線性關系，而與流體密度、黏度、溫度、壓力和電導率無關。
1.3 電磁流量計的流量傳感器
電磁流造計由流鰱傳感器和轉換器兩大部分組成。
流量傳感器由以下部分構成：外殼，磁路系統(tǒng)，測量管，襯里，電極。
傳感器典型結構示意如圖2所示，測量管上下裝有勵磁線圈，通過勵磁電流后產生磁場穿過測量管，一對電極裝在測量管內壁與液體相接觸，引出感應電勢。
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，保護勵磁線圈，隔離外磁場的干擾。
（2）磁路系統(tǒng)。產生均勻的直流或交流磁場，直流磁場可用永久磁鐵來實現(xiàn)，結構簡單，工業(yè)現(xiàn)場電磁流量計，一般都采用交變磁場。
（3）測量管。流過被測流體，兩端設有法蘭，用作連接管道。測量導管采用由不導磁、低導電率、低導熱率并具有一定機械強度的材料制成，一般可選用不銹鋼、玻璃鋼、鋁及其他高強度的材料。
（4）襯里。增加測量導管的耐磨性與抗腐蝕性，防止感應電勢被金屬測量導管壁所短路。在測量導管的內壁有一層耐磨、耐腐蝕、耐高溫的絕緣材料。
（5）電極。正確引出感應電勢信號用不銹鋼非導磁材料制成，安裝時要求與襯里齊平。
1.4 電磁流量計的轉換器
轉換器的主要功能是放大感應電勢、抑制主要的干擾信號。
它采用交變磁場克服了極化現(xiàn)象，但增加了電磁正交干擾信號，正交干擾信號的相位和被測感應電勢相差900。
消除正交干擾的方法是將信號引出線進行自動補償。轉換器的放大電路具有反饋補償。
電磁流量轉換器的作用是把電磁流量計變送器輸出的毫伏信號放大，并轉化成與介質體積流量成正比的0～5V或4～20mA的標準電流信號或0～10kHz的頻率信號，以便于顯示，并可和電動單元組合儀表或PLC配套使用。
2 電磁流量計的選擇與安裝
選擇時主要考慮的是安裝口徑，電磁流量計在大口徑儀表系列中，較多應用于給排水工程。中小口徑的常用于固、液雙相流等較難測流體或高要求場所，如高爐水處理系統(tǒng)的流量控制和檢測，以及高爐冷卻壁進出水的流量控制和監(jiān)漏。
2.1 電磁流量計選擇的要素
2.1.1 測量精度。通用型電磁流量計的性能有較大差別，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％）FS，精度低的儀表則為（±1.5％-±2.5％）FS（全量程），兩者價格相差1～2倍。因此測量精度要求不很高的場所（例如非經濟核算僅以控制為目的，只要求高可靠性和重復性的場所），選用高精度儀表在經濟上是不合算的。
例如：在連鑄機的生產工藝過程中，對于二冷水水量檢測和控制，直接關系到連鑄機的冷卻效果，我們選用了精度較高的流量計。
2.1.2 液體流速。選定電磁流量計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，管道流速一般是經濟流速，即1.5～3m/s。電磁流量計用在這樣的管道上，傳感器口徑與管徑相同即可。滿度流量時，液體流速可在1～10m/s范圍內選用。用于有易黏附、沉積、結垢等物質的流體，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。電磁流量計的口徑范圍為1O～3000mm，實際應用還是以中小口徑居多，與大部分其他原理檢測流量儀表（如容積式，渦輪式、渦街式或科里奧利質量式等）相比，大口徑儀表占有較大比重。
例如：在50t高阻抗電弧爐中，對于水冷爐蓋和水冷爐壁的冷卻水量檢測和控制，考慮到這兩部分冷卻設備有不間的消耗量，我們分別選用了兩種不同口徑的流量計。
2.1.4 液體電導率。使用電磁流量計的前提是被測液體必須是導電的，不能低于閾值（即下限值）。電導率低于閾值會產生測屋誤差直至不能使用，不超過閾值即使變化也可以測量，示值誤差變化不大，通用型電磁流量計的閾值在10-4～（5×10-6）S/cm之間，視型號而異。使用時還取決于傳感器與轉換器間流量信號線長度及其分布電容。
2.2 電磁流量計傳感器的安裝
2.2.1 安裝場所。盡可能避免測量管內變成負壓；選擇震動小的安裝場所，特別對一體型儀表；避免附近有大電機、大變壓器等引起的電磁場干擾；易于實現(xiàn)傳感器單獨接地的場所；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；環(huán)境相對濕度在10％～90％范圍內；盡可能避免受陽光直照；避免雨水浸淋，不會被水浸沒。
2.2.2 直管段長度要求。長度與大部分其他流量儀表相比要求較低。900彎頭、T形管、同心異徑管、全開閘閥后通常認為只要離電極中心線5倍直徑（5D）長度的直管段，不同開度的閥則需10D；下游直管段為2～3D或無要求；各標準或檢定規(guī)程所提出上下游直管段長度亦不一致，要求比通常要求高。這是由于為保證達到當前0.5級精度流量儀表的要求。
例如：在50t高阻抗電弧爐中，對于水冷爐蓋和水冷爐壁的冷卻水量檢測，由于工廠管網接口法蘭與電弧爐冷卻水設備的水分配器之間彎道較多，直管段長度未能達到流量儀表的要求，導致冷卻水量的檢測數(shù)值波動很大，無法準確計量，后來調整了流量儀表的檢測點，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。傳感器必須單獨接地，保持等電位，以保證穩(wěn)定地進行測量，變送器外殼與金屬管兩端應有良好的接地，轉換器外殼也應接地。接地電阻<10Ω。為了避免干擾信號，變送器和轉換器之間的信號必須用屏蔽導線傳輸，不允許把信號電纜和電源線平行放在同一電纜鋼管內敷設。
3 電磁流量計的使用和維護
3.1 安裝調試
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；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量管內非滿管。
3.1.2 環(huán)境方面。通常主要是管道雜散電流干擾，空間強電磁波干擾，大型電機磁場干擾等。管道雜散電流干擾通常采取良好的單獨接地保護就可獲得滿意結果，但如遇到強大的雜散電流，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。被測液體中含有均勻分布的微小氣泡通常不影響電磁流量計的正常工作，但隨著氣泡的增大，電磁流量計輸出信號會出現(xiàn)波動，若氣泡大到足以遮蓋整個電極表面時，隨著氣泡流過電極會使電極回路瞬間斷路而使輸出信號出現(xiàn)更大的波動。
3.2 工作運行運行期間故障一般由電磁流量計傳感器內壁附著層、雷電打擊以及環(huán)境條件變化等因素引起。
3.2.1 傳感器內壁附著層。由于電磁流量計常用來測量工業(yè)用水等流體，運行一段時間后，常會在傳感器內壁積聚附著層而產生故障。所以，應及時清除電磁流量計測量管內的附著結垢層。
3.2.2 雷電打擊。雷擊容易在儀表線路中感應出高電壓和浪涌電流，使電磁流量計損壞。它主要通過電源線或勵磁線圈或傳感器與轉換器之間的流量信號線等途徑引入，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。在調試期間由于環(huán)境條件尚好，電磁流量計工作正常，此時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，運行期間出現(xiàn)新的干擾源，就會干擾儀表的正常工作，電磁流量計的輸出信號就會出現(xiàn)波動。
4 結束語
綜上所述，電磁流量計作為流量測量儀表，在鋼鐵領域得到了越來越廣泛的應用，特別是近年來從國外引進的智能化電磁流量計，內置微處理器和程序控制，且?guī)ㄐ沤涌�，功能更強，編程方便，因而具有更強的生命力。但是如果設計選型及安裝不當，不僅無法發(fā)揮其優(yōu)越性，還會給企業(yè)帶來損失，從而會阻礙電磁流量計的應用和推廣。因此，在工程應用中，電磁流量計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。同時再采取有效的措施加以維護，就能避免或減少故障的發(fā)生，并保證測量的準確度、提高電磁流量計的使用壽命。 |
摘 要：隨著國家對節(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)需要嚴格進行成本的核算計量，迫切需要高精度、高可靠性的計量儀表。結合鋼鐵行業(yè)的實際情況，就電磁流量計的合理選擇和正確安裝作了詳細介紹，并提出了有效的維護措施。對保證其k測量準確度、計量企業(yè)能耗具有重要意義。
關鍵字： 電磁流量計 鋼鐵 傳感器
引言
電磁流量計是20世紀60年代隨著電子技術發(fā)展而迅速開發(fā)的新型流量測量儀表。它根據(jù)法拉第電磁感應定律制成，用來測量導電流體的體積流量，由于其獨特的優(yōu)點，目前已廣泛地應用于國內鋼鐵行業(yè)中的各種導電液體的測量。
隨著生產企業(yè)對工藝設備進行大規(guī)模的自動化改造，大部分工藝設備都實現(xiàn)了基礎級設備自動化和過程控制自動化，多數(shù)自動化設備采用了國外先進的PLC或DCS系統(tǒng)，過程自動化對設備進行全面的信息監(jiān)控，將檢測儀表系統(tǒng)采集的高精度電磁流量計數(shù)據(jù)傳送到中央控制室。
電磁流量計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、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，并進行有效維護，對于保證測量準確度、提高使用壽命都是很重要的。
1 電磁流量計的原理和結構
1.1 主要特點
電磁流量計是利用法拉第電磁感應定律，測量導電液體的流量。
它的主要特點：測量通道是光滑直管，不易阻塞，適用于測量含有固體顆�；蚶w維的液固二相流體；不產生因檢測流量所形成的壓力損失；不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導率變化影響；對前置直管段要求較低；測量范圍大，通常為20：1～50：1；不能用于較高溫度的液體測量。
電磁流量計不能測量電導率很低的液體，如石油制品和有機溶劑等，不能測量氣體、蒸汽和含有較多較大氣泡的液體。
1.2 基本原理
測量原理是基于法拉第電磁感虛定律。即：導電液體在磁場中作切割磁力線運動，導體中產生感應電動勢，其感應電動勢E為
式中：E為感應電動勢，即流量信號，V；K為儀表常數(shù)系數(shù)；B為磁感應強度，T；D為測量管的內徑值，m；υ為測量管界面的平均流速，m/s。
如圖1所示，導電性液體在垂直于磁場的非磁性測量管內流動，且與流動方向垂直的方向上產生與流量成比例的感應電勢，設置液體的體積流量時，則式（1）中K=4B/（ぇD）。
圖1 流量測量的原理圖
在管道直徑確定，磁感應強度不變的條件下，體積流量與電磁感應電勢有一一對應的線性關系，而與流體密度、黏度、溫度、壓力和電導率無關。
1.3 電磁流量計的流量傳感器
電磁流造計由流鰱傳感器和轉換器兩大部分組成。
流量傳感器由以下部分構成：外殼，磁路系統(tǒng)，測量管，襯里，電極。
傳感器典型結構示意如圖2所示，測量管上下裝有勵磁線圈，通過勵磁電流后產生磁場穿過測量管，一對電極裝在測量管內壁與液體相接觸，引出感應電勢。
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，保護勵磁線圈，隔離外磁場的干擾。
（2）磁路系統(tǒng)。產生均勻的直流或交流磁場，直流磁場可用永久磁鐵來實現(xiàn)，結構簡單，工業(yè)現(xiàn)場電磁流量計，一般都采用交變磁場。
（3）測量管。流過被測流體，兩端設有法蘭，用作連接管道。測量導管采用由不導磁、低導電率、低導熱率并具有一定機械強度的材料制成，一般可選用不銹鋼、玻璃鋼、鋁及其他高強度的材料。
（4）襯里。增加測量導管的耐磨性與抗腐蝕性，防止感應電勢被金屬測量導管壁所短路。在測量導管的內壁有一層耐磨、耐腐蝕、耐高溫的絕緣材料。
（5）電極。正確引出感應電勢信號用不銹鋼非導磁材料制成，安裝時要求與襯里齊平。
1.4 電磁流量計的轉換器
轉換器的主要功能是放大感應電勢、抑制主要的干擾信號。
它采用交變磁場克服了極化現(xiàn)象，但增加了電磁正交干擾信號，正交干擾信號的相位和被測感應電勢相差900。
消除正交干擾的方法是將信號引出線進行自動補償。轉換器的放大電路具有反饋補償。
電磁流量轉換器的作用是把電磁流量計變送器輸出的毫伏信號放大，并轉化成與介質體積流量成正比的0～5V或4～20mA的標準電流信號或0～10kHz的頻率信號，以便于顯示，并可和電動單元組合儀表或PLC配套使用。
2 電磁流量計的選擇與安裝
選擇時主要考慮的是安裝口徑，電磁流量計在大口徑儀表系列中，較多應用于給排水工程。中小口徑的常用于固、液雙相流等較難測流體或高要求場所，如高爐水處理系統(tǒng)的流量控制和檢測，以及高爐冷卻壁進出水的流量控制和監(jiān)漏。
2.1 電磁流量計選擇的要素
2.1.1 測量精度。通用型電磁流量計的性能有較大差別，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％）FS，精度低的儀表則為（±1.5％-±2.5％）FS（全量程），兩者價格相差1～2倍。因此測量精度要求不很高的場所（例如非經濟核算僅以控制為目的，只要求高可靠性和重復性的場所），選用高精度儀表在經濟上是不合算的。
例如：在連鑄機的生產工藝過程中，對于二冷水水量檢測和控制，直接關系到連鑄機的冷卻效果，我們選用了精度較高的流量計。
2.1.2 液體流速。選定電磁流量計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，管道流速一般是經濟流速，即1.5～3m/s。電磁流量計用在這樣的管道上，傳感器口徑與管徑相同即可。滿度流量時，液體流速可在1～10m/s范圍內選用。用于有易黏附、沉積、結垢等物質的流體，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。電磁流量計的口徑范圍為1O～3000mm，實際應用還是以中小口徑居多，與大部分其他原理檢測流量儀表（如容積式，渦輪式、渦街式或科里奧利質量式等）相比，大口徑儀表占有較大比重。
例如：在50t高阻抗電弧爐中，對于水冷爐蓋和水冷爐壁的冷卻水量檢測和控制，考慮到這兩部分冷卻設備有不間的消耗量，我們分別選用了兩種不同口徑的流量計。
2.1.4 液體電導率。使用電磁流量計的前提是被測液體必須是導電的，不能低于閾值（即下限值）。電導率低于閾值會產生測屋誤差直至不能使用，不超過閾值即使變化也可以測量，示值誤差變化不大，通用型電磁流量計的閾值在10-4～（5×10-6）S/cm之間，視型號而異。使用時還取決于傳感器與轉換器間流量信號線長度及其分布電容。
2.2 電磁流量計傳感器的安裝
2.2.1 安裝場所。盡可能避免測量管內變成負壓；選擇震動小的安裝場所，特別對一體型儀表；避免附近有大電機、大變壓器等引起的電磁場干擾；易于實現(xiàn)傳感器單獨接地的場所；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；環(huán)境相對濕度在10％～90％范圍內；盡可能避免受陽光直照；避免雨水浸淋，不會被水浸沒。
2.2.2 直管段長度要求。長度與大部分其他流量儀表相比要求較低。900彎頭、T形管、同心異徑管、全開閘閥后通常認為只要離電極中心線5倍直徑（5D）長度的直管段，不同開度的閥則需10D；下游直管段為2～3D或無要求；各標準或檢定規(guī)程所提出上下游直管段長度亦不一致，要求比通常要求高。這是由于為保證達到當前0.5級精度流量儀表的要求。
例如：在50t高阻抗電弧爐中，對于水冷爐蓋和水冷爐壁的冷卻水量檢測，由于工廠管網接口法蘭與電弧爐冷卻水設備的水分配器之間彎道較多，直管段長度未能達到流量儀表的要求，導致冷卻水量的檢測數(shù)值波動很大，無法準確計量，后來調整了流量儀表的檢測點，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。傳感器必須單獨接地，保持等電位，以保證穩(wěn)定地進行測量，變送器外殼與金屬管兩端應有良好的接地，轉換器外殼也應接地。接地電阻<10Ω。為了避免干擾信號，變送器和轉換器之間的信號必須用屏蔽導線傳輸，不允許把信號電纜和電源線平行放在同一電纜鋼管內敷設。
3 電磁流量計的使用和維護
3.1 安裝調試
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；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量管內非滿管。
3.1.2 環(huán)境方面。通常主要是管道雜散電流干擾，空間強電磁波干擾，大型電機磁場干擾等。管道雜散電流干擾通常采取良好的單獨接地保護就可獲得滿意結果，但如遇到強大的雜散電流，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。被測液體中含有均勻分布的微小氣泡通常不影響電磁流量計的正常工作，但隨著氣泡的增大，電磁流量計輸出信號會出現(xiàn)波動，若氣泡大到足以遮蓋整個電極表面時，隨著氣泡流過電極會使電極回路瞬間斷路而使輸出信號出現(xiàn)更大的波動。
3.2 工作運行運行期間故障一般由電磁流量計傳感器內壁附著層、雷電打擊以及環(huán)境條件變化等因素引起。
3.2.1 傳感器內壁附著層。由于電磁流量計常用來測量工業(yè)用水等流體，運行一段時間后，常會在傳感器內壁積聚附著層而產生故障。所以，應及時清除電磁流量計測量管內的附著結垢層。
3.2.2 雷電打擊。雷擊容易在儀表線路中感應出高電壓和浪涌電流，使電磁流量計損壞。它主要通過電源線或勵磁線圈或傳感器與轉換器之間的流量信號線等途徑引入，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。在調試期間由于環(huán)境條件尚好，電磁流量計工作正常，此時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，運行期間出現(xiàn)新的干擾源，就會干擾儀表的正常工作，電磁流量計的輸出信號就會出現(xiàn)波動。
4 結束語
綜上所述，電磁流量計作為流量測量儀表，在鋼鐵領域得到了越來越廣泛的應用，特別是近年來從國外引進的智能化電磁流量計，內置微處理器和程序控制，且?guī)ㄐ沤涌�，功能更強，編程方便，因而具有更強的生命力。但是如果設計選型及安裝不當，不僅無法發(fā)揮其優(yōu)越性，還會給企業(yè)帶來損失，從而會阻礙電磁流量計的應用和推廣。因此，在工程應用中，電磁流量計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。同時再采取有效的措施加以維護，就能避免或減少故障的發(fā)生，并保證測量的準確度、提高電磁流量計的使用壽命。 |
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