1　前言

在高炉生产中, 用于测量冷却水流量的电磁流量计有近二十台 ,其中每一台都担负着测量某一流某一段冷却水流量的重任 , 我们知道在炼铁高炉生产中 ,要求测量冷却水量的电磁流量计必需准确无误 。又由于这些用于监测冷却水量的电磁流量计都分布在高炉现场高温高湿的恶劣环境中 ,因此测量精度受环境及被测介质影响很大 ,下面进行具体分析 。

2　电磁流量计原理

电磁流量计的基本原理是法拉第电磁感应定律 ,运动的导体在磁场中切割磁力线 ,在其两端产生感应电动势。如图所示 ,在一内径为 D, 内部磁场强度为 B的非导磁性测量管内, 液态的具有导电性被测介质以 v的速度流动 ,则在与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势 U,该电势的大小如下:

U=BvD　　　　　　　　　　　　　(1)

式中:B为磁感应强度, T;v为流体平均流速 , m/s;D为测量管内径 , m。液体的体积流量为

式中:K为仪表常数 ,由于传感器生产的离散性 ,对同一标称口径的传感器予以修正 , K=4B/πD。

传感器的感应电势 U与流量 qv 是线性的比例关系 ,它只与磁感应强度 B和测量管内径 D有关 ,而与其他物理参数的变化无关, 这是电磁流量计的最大优点 。只要测出感应电势的大小, 就可计算出实际的流量。

 

3　常见故障判断及分析

由以上原理介绍, 下面就具体从几个方面对电磁流量计使用中常见故障的成因 、检测判别方法以及对故障的处理方式进行阐述 ,综合分析电磁流量计在生产使用测量中主要存在以下几方面问题:分别是液体中含有气泡、电极腐蚀 、电导率过低、衬里变形、电极结垢 、外部干扰磁场或电场、电极短路(金属颗粒)等。

1)液体中含有气泡 。液体中含有气泡导致测量不准或测量值波动 (输出波动)。故障原因:液体中的气体有从外界吸入和液体中溶解气体(空气 )两种途径 。若液体中含有较大气泡 ,则因擦过电极时能遮盖整个电极, 使流量信号输入回路瞬时开路 ,导致输出信号出现波动 。判断方法:最简单的判断方法是当遇到测量值波动时, 可切断磁场的励磁回路电流,如果此时仪表依然有显示且不稳定时 , 说明大多是由于气泡影响造成。

 

如果此时以指针式万用表测量电极电阻, 可测量到电极的回路电阻要比正常时高 。解决方法:对于被测介质中含有空气的情况 , 如果判断是由安装位置引起的, 如因电磁流量计装在管道高点而潴留气体或外界吸入空气造成气泡而导致流量计测量波动,就应更换安装位置, 可在管道低点或采用 U型管安装。但很多应用情况是口径较大或者安装的位置不易改换, 可在流量计上游安装集气包和排气阀。实验表明一台 DN2200口径的电磁流量计 , 因气泡造成显示的波动可达 20% ～50%,在安装了排气装置后 ,测量即恢复正常。

 

2)非满管。液体未充满管道可分为液面高度高于测量电极水平面或低于水平面两种情况。当管内液面高于电极水平面时 , 若管道的前后是直管段时,电磁流量计的测量大多也能够稳定 ,但流量计所计量的液体体积包含了管道内的非满管部分体积 , 故这种测量存在着很大的测量误差。当管内液面高度低于电极表面时 , 此时电极裸露在空气中,测量回路实际处于开路状态。电磁流量计的测量值和输出处于一种随机的状态, 不停地波动或是满度 。非满管的情况多出现在靠流体直流或流量计后无任何背压的直接排放口 。

 

判断方法:可采用前述气泡判断的方法,此时以指针式万用表测量电极电阻, 可发现电极的回路电阻明显变高 。解决方法 :在流量计安装时应尽量在管道最低端安装或有意将流量计安装在 U型管道。另外, 现在市场上也有能够在非满管情况下测量的电磁流量计。

 

3)电极腐蚀。因电极腐蚀而造成测量值波动的情况。故障原因 :由于流量计电极材料的选择不当造成电极为被测液体所腐蚀 ,从而导致流量计输出波动 。判断方法:由于电极材料不耐腐蚀所造成的故障只有在电极被腐蚀后才会表现出来 ,之前通常无法判别 。对此问题的解决方法 ,只有更换新的电极 。一般电极腐蚀故障诊断处理都属于事后维护处理的方法 。

 

4)电极结垢及电极短路 。电极短路的判断比较简单,若被测介质中含有金属物质时 ,电极短路较易诊断 ,此时测量值明显偏小或趋于零。但这种现象在日常运行中并不多见 。电极结垢, 因电磁流量计经常应用于原水或水质较差等环境,电极结垢的发生几率较高 。当电极结垢时, 表现为信号逐渐减小 ,直至绝缘而使得信号回路开路,此时流量信号被隔绝。故障原因 :当被测水质的杂质较高时 ,易在管壁附着和沉淀, 若附着的介质是比被测液体电导率高的导电物质 ,则信号电势被分流而不能工作, 即电极短路, 若是非导电层,就是我们日常所说的电极结垢, 则使电极开路而不能工作。判断方法 :若附着于衬里管壁积垢层为氧化铁锈层,或以金属为主要成份的杂质,其电导率大于液体电导率 ,测得的流量值将比实际流量值低 ;若为碳酸钙等水垢层, 由于其电导率低于被测介质,则测得的流量值将低于实际流量。假若附着层电导率与液体被测介质相同 ,那么附加误差为零,但此只局限于附着层厚度较小的情况,

因为相同流量有附着层时流通截面积减小, 但平均流速增加 ,相互间可抵消 ,因此附加误差可以忽略 。该故障解决方法 :建议选用不易附着的尖形或半球形突出电极、可更换式电极、刮刀式清垢电极等。刮刀式电极可在传感器外定期手动刮除沉垢 。也有暂时断开测量电路, 在电极间通以短时间的低压大流量, 焚烧清除油脂类附着层。亦可在易产生附着层的场合采用提高流速以达到自行清扫管壁的目的 ,也是一个比较有效的方法,当然采用易清洗的管道连接是一个比较彻底的方法 。

 

5)电导率过低 。电导率低于阀值 (下限值 )会产生测量误差甚至不能稳定工作 ,使用时测量出现波动现象,电导率超过阀值即使再变化时 ,此时测量的示值误差几乎恒定。通常仪表制造厂规范中规定的下限值是指在较理想的条件下可测量的最低值,而实际使用条件不可能都很理想。判断方法 :液体电导率可查阅有关手册 ,若缺少现成数据时 ,则可用电导率仪取样测定 。若没有配备电导率仪,最简单的方法可以用万用表测出液体的电阻 ,再用同样的方法测试现场普通自来水的电阻, 比较两者的测试结果。对于液体电导率过低产生的测量误差解决方法:电导率过低超出了仪表所容许的测量范围, 此时唯一的解决方法是选用其它能满足要求的低电导率电磁流量计(如电容式电磁流量计)或者是其它原理的流量计 。

 

6)衬里变形。可导致测量不准确或传感器损坏。故障原因 :衬里变形 ,大多发生在氟塑料的衬里, 造成这种现象的原因有两种:一是蒸汽渗透引起氟塑料衬里的热扩散现象 , 所谓热扩散是当管道内介质 (气体或蒸汽 )流过氟塑料衬里时所发生的自然的物理现象, 通常渗透的程度主要取决于衬里材料 、液体和蒸汽的类型 、衬里的厚度(当衬里的厚度增加时渗透程度则相应减小 )、衬里内外的温差(当衬里内外温差很大时渗透则加剧 )和管道压力等多个因素。二是氟塑料衬里特别是聚四氟乙烯 (PTFE)衬里本身的工艺结构, 因为聚四氟乙烯与管壁间仅靠压贴,无粘结力,故不能用于负压管道。判断方法:衬里变形在现场一般无法判别 ,现用的判断方法是 ,在实际应用过程中发觉流量误差较大时, 即将传感器从工艺管道上拆下后以肉眼观察, 但此时衬里的故障往往已经形成 。解决方法:用隔热绝缘的方法,法兰和线圈盒间增加隔热措施 ,减少温差、减小热扩散, 这将在很大程度上改善衬里内外温差情况, 从而降低渗透率和蒸汽在测量管壁内的凝聚 ;加厚聚四氟乙烯 (PTFE)衬里厚度;提供其它形式的衬里,如 PFA和陶瓷衬里 。

 

7)外部强电磁场干扰 。电磁流量计信号失真 ,输出信号表现为非线性或信号波动。故障原因 :由于流量计流量信号小 ,易受外界干扰影响,而干扰源主要有管道杂散电流 、静电 、电磁波和磁场等。电磁流量计的设计制造应符合电磁兼容性要求, 在规定辐射电磁环境下能正常工作。但现场应用表明 ,强磁场干扰会导致磁场回路饱和及外部磁场进入电磁流量计的磁场回路并形成杂散磁场而影响输出信号的线性度 。电场干扰则是由于噪声破坏测量管内的电势平衡造成输出信号波动异常 。判断方法:当输出信号表现为非线性时,可通过专用的模拟信号仪来判断 , 如电磁流量计转换器的输出为线性, 可判断为外界的磁场干扰影响, 反之也有可能是电磁流量计本身的电器故障 。对电场干扰 ,可在先不加激磁电流时用示波器测量两极间的电势 ,其值应为零,如测得有交流电势, 则可判别为漏电流等电场干扰 。解决方法:防止磁场干扰, 通常只有将电磁流量计传感器的安装位置远离强磁场源。强电场干扰的防止, 可采取增强屏蔽等措施。如仍无效 , 则可将电磁流量传感器与连接管道绝缘 。

 

8)电缆的故障。流量计在运行一段时间后(一般不是新装用表 ), 出现工作异常 , 具体表现为测量值变大或变小 ,或者是不停地波动 ,且经现场检查已排除管道不满管、介质含气等上述现象的可能性。故障原因 :这类问题的产生一般与安装 、维护不当有关 。未彻底做好电缆接头处的防潮 (防水 )等处理, 且接头处常用绞接的方法连接 。使用日久,且处于一个潮湿的环境中 ,潮气侵入电缆接头 ,可能造成以下一些故障 :①信号线对地绝缘下降 , 引起信号衰减, 最终是测量结果偏小 。 ②信号电缆接地处接触电阻变大, 使测量值变小, 若该接触电阻不稳定 ,则测量值无法稳定,且易引入干扰 。③励磁线圈对地绝缘下降, 造成测量结果偏小。④励磁回路电缆连接处接触电阻变大, 使转换器的励磁回路处于非恒流工作区域,励磁电流下降 , 同样造成测量结果偏小 。⑤信号线 、励磁线对地绝缘性能下降, 使得测量结果远大于正常的数据 。如这种干扰不稳定 ,对仪表的影响也变化不定, 继而出现波动。⑥信号电缆 、励磁电缆两个连接头相靠较近, 就会产生耦合作用。通常能使实际运行结果增大几成 , 此时仪表的零点变化就是由干扰引起的。判断方法 :对于这类异常情况,在排除流量计其它几类故障的可能性后 ,就应检查电缆是否有问题, 尤其是电缆曾有中间接头处。对于励磁回路电缆的故障 ,仪表维护人员只要把现场的励磁回路电阻测量值与厂方提供的数据作比较即可得知问题所在 ,继而采取措施 。对于由于信号线 、励磁线对地绝缘性能下降的故障 ,可由仪表维护人员在断开一根励磁线的情况下 ,观察仪表的显示或输出信号 ,此时仪表应处于零流量的状态,若测量值偏大, 则可确定是信号线、励磁线的绝缘不良或有耦合。解决方法:对于这种由于电缆的接头或绝缘等引起的故障, 解决方法只有更换电缆 。