摘要:電磁流量計(jì)區(qū)別于其他流量計(jì),在設(shè)計(jì)選型、安裝投用、使用維護(hù)過程中均有具體的要求。尤其接地問題對(duì)電磁流量計(jì)至關(guān)重要，從電磁流量計(jì)的原理出發(fā),提出可靠的接地是電磁流量計(jì)正常工作的前置必要條件,同時(shí)結(jié)合電磁流量計(jì)不同的安裝場(chǎng)合,給出相對(duì)應(yīng)的接地方案。
在工業(yè)領(lǐng)域,電磁流量計(jì)應(yīng)用廣泛，例如煉油廠工藝裝置中的循環(huán)水管線、新鮮水管線、含鹽污水管線流量測(cè)量;烷基化裝置中濃硫酸、稀硫酸、中間酸等介質(zhì)管線流量測(cè)量;硫磺裝置中堿液、急冷水等管線流量測(cè)量。由于電磁流量計(jì)測(cè)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(cè):量精度,所以，正確理解電磁流量計(jì)的接地原因,熟悉電磁流量計(jì)在不同使用場(chǎng)合下的接地方案,有助于電磁流量計(jì)的合理選型、安裝投用、故障排查。
1電磁流量計(jì)的工作原理
電磁流量計(jì)是基于電磁感應(yīng)定律工作原理的流量檢測(cè)儀表。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),通過切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。電磁流量計(jì)的傳感器通過位于導(dǎo)體兩端的正負(fù)電極來獲取電勢(shì)信號(hào),再通過信號(hào)線傳遞給轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過信號(hào)放大、轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)娇刂剖�。典型的電磁流量�?jì)工作原理如圖1所示,其中,Ex表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),k為系數(shù),B表示磁感應(yīng)強(qiáng)度,d表示兩電極間距離(測(cè)量管內(nèi)徑),ʋ表示介質(zhì)流速。
2電磁流量計(jì)的接地問題
2.1接地問題產(chǎn)生的根源
從圖1可以看出,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ex是由流經(jīng)電磁流量計(jì)前后法蘭間(a端至b端)的導(dǎo)體(被測(cè)介質(zhì))切割磁力線產(chǎn)生,所以Ex的負(fù)端參考電位必須和流量計(jì)兩法蘭間的被測(cè)介質(zhì)電位一致,為了嚴(yán)格保證兩者的一致性,除保證流量計(jì)電極與介質(zhì)接觸外,還應(yīng)通過可靠的接地來保持零電位;同時(shí),由于Ex數(shù)值較小,滿量程時(shí)僅2.5~8.0mV,當(dāng)流量很小時(shí),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(shù)值漂移,需通過接地將傳感器電極測(cè)量到的微弱電動(dòng)勢(shì)Ex完整、無損地傳遞給轉(zhuǎn)換器。以上是電磁流量計(jì)正常工作的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，也是電磁流量計(jì)在接地要求方面區(qū)別于其他流量計(jì)的根本原因。
2.2與熱電偶信號(hào)的不同
電磁流量計(jì)工作時(shí)，電極間產(chǎn)生的信號(hào)為亳伏級(jí),如2.1節(jié)所述,這是其現(xiàn)場(chǎng)儀表需可靠接地的原因之一,但并非所有的毫伏級(jí)信號(hào)儀表在工作時(shí)都需要接地。為了更好地理解電磁流量計(jì)接地的必要性,避免陷入認(rèn)知的誤區(qū)，該處可類比同為亳伏級(jí)信號(hào)的熱電偶,其現(xiàn)場(chǎng)儀表工作時(shí)不需要采取單獨(dú)的接地措施。究其原因,是因?yàn)闊犭娕嫉馁穹?jí)信號(hào)產(chǎn)生于熱端和冷端,兩種不同材質(zhì)的電極由于熱電效應(yīng),在熱端構(gòu)成了正負(fù)極,并通過補(bǔ)償導(dǎo)線延伸到冷端，負(fù)極不需要與被測(cè)介質(zhì)電位相同。而電磁流量計(jì)工作電極與介質(zhì)接觸并保持同一負(fù)電位,是其工作的前置必要條件。
3電磁流量計(jì)的接地方案
如圖1所示,當(dāng)流體切割磁力線產(chǎn)生流量信號(hào)時(shí)，一個(gè)電極上產(chǎn)生正電勢(shì),另一個(gè)電極上產(chǎn)生負(fù)電勢(shì),為了避免極化反應(yīng),兩者交替變化。由于電勢(shì)差以流體本身作為零電位,所以電磁流量計(jì)傳感器輸出信號(hào)的接地點(diǎn)應(yīng)與被測(cè)介質(zhì)電氣連接，這是電磁流量計(jì)工作的必要條件，如不滿足該條件，電磁流量計(jì)就不能正常工作。因此,電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器輸入端中點(diǎn)必須與流體共處于零電位且導(dǎo)通,這樣才能構(gòu)成對(duì)稱的輸入回路。但在工程實(shí)施過程中,針對(duì)不同的工況場(chǎng)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(jì)所測(cè)量的介質(zhì)必須是導(dǎo)電的,所以當(dāng)電磁流量計(jì)安裝于無襯里金屬管道時(shí),如果確認(rèn)金屬管道已進(jìn)行了可靠接地，則電磁流量計(jì)不再需要單獨(dú)接地。原因是因?yàn)殡姶帕髁坑?jì)通過金屬墊片、螺栓和管道己構(gòu)成了一個(gè)整體，電位為0。此處應(yīng)注意兩個(gè)細(xì)節(jié):為了避免導(dǎo)磁,電磁流量計(jì)本體一般采用不銹鋼材質(zhì)或碳鋼加非金屬襯里,前面所述的不需要單獨(dú)接地的電磁流量計(jì),是針對(duì)本體為不銹鋼及其他非導(dǎo)磁金屬材質(zhì)而言;對(duì)于碳鋼加非金屬襯里的，如果不帶非金屬法蘭翻邊,當(dāng)采用金屬墊片時(shí)，不需單獨(dú)接地,但對(duì)于帶有非金屬法蘭翻邊的電磁流量計(jì),如果連接螺栓的電阻值大于0.03Ω(注:數(shù)據(jù)來自于GB/T20801.4-2006《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道第4部分:制作與安裝》10.12.1條,經(jīng)驗(yàn)數(shù)值是數(shù)量少于5個(gè)),應(yīng)采用和非金屬管道相同的接地方案。金屬管道電磁流量計(jì)接地方案如圖2所示。
3.2安裝于非金屬管道的接地方案
當(dāng)電磁流量計(jì)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(nèi)介質(zhì)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(yīng)要求配帶接地環(huán),使管內(nèi)流動(dòng)的被測(cè)介質(zhì)良好接地,具有零電位，否則電磁流量計(jì)無法正常工作。非金屬管道電磁流量計(jì)接地方案如圖3所示。
如3.1節(jié)中分析,當(dāng)電磁流量計(jì)安裝在帶非金屬襯里的金屬管道上時(shí),其接地方案與安裝于非金屬管道的接地方案相同,也應(yīng)采用圖3所示接地方案。
由于接地環(huán)不改變電磁流量計(jì)的形式,工作時(shí)與介質(zhì)直接接觸,所以大多數(shù)情況下是首選方案,但其并不是工程設(shè)計(jì)中唯一的選擇。特別是對(duì)于材質(zhì)特殊的接地環(huán)或者口徑較大的接地環(huán)，鑒于其費(fèi)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(shí)現(xiàn)工作接地。
3.3安裝于帶陰極保護(hù)管道的接地方案
對(duì)于埋地敷設(shè)且距離較長(zhǎng)的金屬管線,為了防止電化學(xué)腐蝕，根據(jù)不同種類的介質(zhì),需強(qiáng)制或推薦設(shè)置陰極保護(hù)。無論是犧牲陽極的陰保方案還是強(qiáng)制電流的方案,金屬管道在實(shí)施陰極保護(hù)措施后對(duì)大地均為負(fù)電位。對(duì)于該工況下管道上安裝的電磁流量計(jì),需要將現(xiàn)場(chǎng)儀表作為一個(gè)獨(dú)立的整體進(jìn)行接地,不能與金屬管道有任何的導(dǎo)電性電路連接,防止陰極保護(hù)的電流通過儀表直接流入大地,嚴(yán)重破壞陰極保護(hù)的效果。同時(shí)為了維持金屬管道陰極保護(hù)的整體性,還需要增加導(dǎo)線跨接管道.上的法蘭。帶陰極保護(hù)管道電磁流量計(jì)接地方案如圖4所示。圖4中,接地環(huán)與陰極保護(hù)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。
4電磁流量計(jì)的抗干擾措施.
電磁流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)、電場(chǎng)均會(huì)對(duì)電磁流量計(jì)產(chǎn)生干擾，對(duì)于外界磁場(chǎng)干擾，人們并沒有較好的主動(dòng)防護(hù)措施，一般是在設(shè)計(jì)過程中要求信號(hào)線應(yīng)采用對(duì)絞屏蔽電纜,通過感應(yīng)平衡來降低磁場(chǎng)干擾。同時(shí)在選擇電磁流量計(jì)的安裝地點(diǎn)時(shí),應(yīng)遠(yuǎn)離一切電磁干擾源(比如大功率電機(jī)、變壓器等)。對(duì)于分體式的電磁流量計(jì),轉(zhuǎn)換器與傳感器間的信號(hào)線、勵(lì)磁線應(yīng)使用廠家專用電纜并分別穿管敷設(shè)。對(duì)于電場(chǎng)的干擾，除做好現(xiàn)場(chǎng)儀表的工作接地外,還應(yīng)按照規(guī)范要求完善轉(zhuǎn)換器至控制室電纜的屏蔽接地。電磁流量計(jì)電信號(hào)回路連接與接地如圖5所示。
5結(jié)束語
電磁流量計(jì)的正確接地,對(duì)電磁流量計(jì)的正常投用和長(zhǎng)期運(yùn)行來講至關(guān)重要,但在工程實(shí)施時(shí),應(yīng)認(rèn)清“正確接地”并不代表一定要單獨(dú)設(shè)置接地,比如上文中提到金屬管道有良好接地措施時(shí),即可不需要單獨(dú)儀表接地。另外,本文重點(diǎn)討論研究的是管道式電磁流量計(jì)，對(duì)于插入式電磁流量計(jì)，可將管道式兩個(gè)法蘭視為一個(gè)整體，與插入式電磁流量計(jì)單個(gè)連接法蘭對(duì)應(yīng),參考采用上文中提到的接地方案。
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