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电磁流量计

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电磁流量计接地问题的产生根源与不同的接地方案设置

来源:作者:发表时间:2021-01-18 09:39:57

 摘要:电磁流量计区别于其他流量计,在设计选型、安装投用、使用维护过程中均有具体的要求。尤其接地问题对电磁流量计至关重要,从电磁流量计的原理出发,提出可靠的接地是电磁流量计正常工作的前置必要条件,同时结合电磁流量计不同的安装场合,给出相对应的接地方案。

 
     在工业领域,电磁流量计应用广泛,例如炼油厂工艺装置中的循环水管线、新鲜水管线、含盐污水管线流量测量;烷基化装置中浓硫酸、稀硫酸、中间酸等介质管线流量测量;硫磺装置中碱液、急冷水等管线流量测量。由于电磁流量计测量原理的特殊性,其接地问题直接影响到仪表正常投用和测量精度,所以,正确理解电磁流量计的接地原因,熟悉电磁流量计在不同使用场合下的接地方案,有助于电磁流量计的合理选型、安装投用、故障排查。
 
1、电磁流量计的工作原理
     电磁流量计是基于电磁感应定律工作原理的流量检测仪表。根据法拉第电磁感应定律,导体在磁场中运动时,通过切割磁力线产生感应电势。电磁流量计的传感器通过位于导体两端的正负电极来获取电势信号,再通过信号线传递给转换器,经过信号放大、转换后传输到控制室。典型的电磁流量计工作原理如图1所示,其中,Ex表示感应电动势,k为系数,B表示磁感应强度,d表示两电极间距离(测量管内径),v表示介质流速。
电磁流量计工作原理示意
2、电磁流量计的接地问题
2.1接地问题产生的根源
     从图1可以看出,感应电动势Ex是由流经电磁流量计前后法兰间(a端至b端)的导体(被测介质)切割磁力线产生,所以Ex的负端参考电位必须和流量计两法兰间的被测介质电位一致,为了严格保证两者的一致性,除保证流量计电极与介质接触外,还应通过可靠的接地来保持零电位;同时,由于Ex数值较小,满量程时仅2.5~8.0mV,当流量很小时,只有几微伏,所以为了避免外界干扰(主要是静电干扰)带来的Ex数值漂移,需通过接地将传感器电极测量到的微弱电动势Ex完整、无损地传递给转换器。以上是电磁流量计正常工作的两个关键点,也是电磁流量计在接地要求方面区别于其他流量计的根本原因。
 
2.2与热电偶信号的不同
     电磁流量计工作时,电极间产生的信号为毫伏级,如2.1节所述,这是其现场仪表需可靠接地的原因之一,但并非所有的毫伏级信号仪表在工作时都需要接地。为了更好地理解电磁流量计接地的必要性,避免陷入认知的误区,该处可类比同为毫伏级信号的热电偶,其现场仪表工作时不需要采取单独的接地措施。究其原因,是因为热电偶的毫伏级信号产生于热端和冷端,两种不同材质的电极由于热电效应,在热端构成了正负极,并通过补偿导线延伸到冷端,负极不需要与被测介质电位相同。而电磁流量计工作电极与介质接触并保持同一负电位,是其工作的前置必要条件。
 
3电磁流量计的接地方案
     如图1所示,当流体切割磁力线产生流量信号时,一个电极上产生正电势,另一个电极上产生负电势,为了避免极化反应,两者交替变化。由于电势差以流体本身作为零电位,所以电磁流量计传感器输出信号的接地点应与被测介质电气连接,这是电磁流量计工作的必要条件,如不满足该条件,电磁流量计就不能正常工作。因此,电磁流量计转换器输入端中点必须与流体共处于零电位且导通,这样才能构成对称的输入回路。但在工程实施过程中,针对不同的工况场合,仍需采用不同的接地方案。
 
3.1安装于金属管道的接地方案
     电磁流量计所测量的介质必须是导电的,所以当电磁流量计安装于无衬里金属管道时,如果确认金属管道已进行了可靠接地,则电磁流量计不再需要单独接地。原因是因为电磁流量计通过金属垫片、螺栓和管道已构成了一个整体,电位为0。此处应注意两个细节:为了避免导磁,电磁流量计本体一般采用不锈钢材质或碳钢加非金属衬里,前面所述的不需要单独接地的电磁流量计,是针对本体为不锈钢及其他非导磁金属材质而言;对于碳钢加非金属衬里的,如果不带非金属法兰翻边,当采用金属垫片时,不需单独接地,但对于带有非金属法兰翻边的电磁流量计,如果连接螺栓的电阻值大于0.03Ω(注:数据来自于GB/T20801.4—2006《压力管道规范工业管道第4部分:制作与安装》10.12.1条,经验数值是数量少于5个),应采用和非金属管道相同的接地方案。金属管道电磁流量计接地方案如图2所示。
金属管道电磁流量计接地方案示意
3.2安装于非金属管道的接地方案
     当电磁流量计安装在非金属管道,如塑料管道或有绝缘涂料、绝缘衬里的金属管道上,则管道内介质无法通过金属管道与大地连通。该工况下,传感器的两端面应要求配带接地环,使管内流动的被测介质良好接地,具有零电位,否则电磁流量计无法正常工作。非金属管道电磁流量计接地方案如图3所示。
非金属管道电磁流量计接地方案示意
     如3.1节中分析,当电磁流量计安装在带非金属衬里的金属管道上时,其接地方案与安装于非金属管道的接地方案相同,也应采用图3所示接地方案。
 
     由于接地环不改变电磁流量计的形式,工作时与介质直接接触,所以大多数情况下是首选方案,但其并不是工程设计中很好的选择。特别是对于材质特殊的接地环或者口径较大的接地环,鉴于其费用较高,此类工况可考虑改用增加接地电极即“三电极”的方案来实现工作接地。
 
3.3安装于带阴极保护管道的接地方案
     对于埋地敷设且距离较长的金属管线,为了防止电化学腐蚀,根据不同种类的介质,需强制或推荐设置阴极保护。无论是牺牲阳极的阴保方案还是强制电流的方案,金属管道在实施阴极保护措施后对大地均为负电位。对于该工况下管道上安装的电磁流量计,需要将现场仪表作为一个独立的整体进行接地,不能与金属管道有任何的导电性电路连接,防止阴极保护的电流通过仪表直接流入大地,严重破坏阴极保护的效果。同时为了维持金属管道阴极保护的整体性,还需要增加导线跨接管道上的法兰。带阴极保护管道电磁流量计接地方案如图4所示。图4中,接地环与阴极保护的金属管道绝缘,螺栓与垫片也要与金属管道之间采用良好的绝缘措施。
非金属管道电磁流量计接地方案示意
4、电磁流量计的抗干扰措施
     电磁流量计现场仪表正确接地仅为其正常工作的必要条件之一。从干扰源的角度来看,外界磁场、电场均会对电磁流量计产生干扰,对于外界磁场干扰,人们并没有较好的主动防护措施,一般是在设计过程中要求信号线应采用对绞屏蔽电缆,通过感应平衡来降低磁场干扰。同时在选择电磁流量计的安装地点时,应远离一切电磁干扰源(比如大功率电机、变压器等)。对于分体式的电磁流量计,转换器与传感器间的信号线、励磁线应使用厂家专用电缆并分别穿管敷设。对于电场的干扰,除做好现场仪表的工作接地外,还应按照规范要求完善转换器至控制室电缆的屏蔽接地。电磁流量计电信号回路连接与接地如图5所示。
电磁流量计电信号回路连接与接地示意
5、结束语
     电磁流量计的正确接地,对电磁流量计的正常投用和长期运行来讲至关重要,但在工程实施时,应认清“正确接地”并不代表一定要单独设置接地,比如上文中提到金属管道有良好接地措施时,即可不需要单独仪表接地。另外,本文重点讨论研究的是管道式电磁流量计,对于插入式电磁流量计,可将管道式两个法兰视为一个整体,与插入式电磁流量计单个连接法兰对应,参考采用上文中提到的接地方案。