1　前言

在高爐生產中, 用于測量冷卻水流量的電磁流量計有近二十臺 ,其中每一臺都擔負著測量某一流某一段冷卻水流量的重任 , 我們知道在煉鐵高爐生產中 ,要求測量冷卻水量的電磁流量計必需準確無誤 。又由于這些用于監測冷卻水量的電磁流量計都分布在高爐現場高溫高濕的惡劣環境中 ,因此測量精度受環境及被測介質影響很大 ,下面進行具體分析 。

2　電磁流量計原理

電磁流量計的基本原理是法拉第電磁感應定律 ,運動的導體在磁場中切割磁力線 ,在其兩端產生感應電動勢。如圖所示 ,在一內徑為 D, 內部磁場強度為 B的非導磁性測量管內, 液態的具有導電性被測介質以 v的速度流動 ,則在與流動方向垂直的方向上產生與流量成比例的感應電勢 U,該電勢的大小如下:

U=BvD　　　　　　　　　　　　　(1)

式中:B為磁感應強度, T;v為流體平均流速 , m/s;D為測量管內徑 , m。液體的體積流量為

式中:K為儀表常數 ,由于傳感器生產的離散性 ,對同一標稱口徑的傳感器予以修正 , K=4B/πD。

傳感器的感應電勢 U與流量 qv 是線性的比例關系 ,它只與磁感應強度 B和測量管內徑 D有關 ,而與其他物理參數的變化無關, 這是電磁流量計的最大優點 。只要測出感應電勢的大小, 就可計算出實際的流量。

 

3　常見故障判斷及分析

由以上原理介紹, 下面就具體從幾個方面對電磁流量計使用中常見故障的成因 、檢測判別方法以及對故障的處理方式進行闡述 ,綜合分析電磁流量計在生產使用測量中主要存在以下幾方面問題:分別是液體中含有氣泡、電極腐蝕 、電導率過低、襯里變形、電極結垢 、外部干擾磁場或電場、電極短路(金屬顆粒)等。

1)液體中含有氣泡 。液體中含有氣泡導致測量不準或測量值波動 (輸出波動)。故障原因:液體中的氣體有從外界吸入和液體中溶解氣體(空氣 )兩種途徑 。若液體中含有較大氣泡 ,則因擦過電極時能遮蓋整個電極, 使流量信號輸入回路瞬時開路 ,導致輸出信號出現波動 。判斷方法:最簡單的判斷方法是當遇到測量值波動時, 可切斷磁場的勵磁回路電流,如果此時儀表依然有顯示且不穩定時 , 說明大多是由于氣泡影響造成。

 

如果此時以指針式萬用表測量電極電阻, 可測量到電極的回路電阻要比正常時高 。解決方法:對于被測介質中含有空氣的情況 , 如果判斷是由安裝位置引起的, 如因電磁流量計裝在管道高點而潴留氣體或外界吸入空氣造成氣泡而導致流量計測量波動,就應更換安裝位置, 可在管道低點或采用 U型管安裝。但很多應用情況是口徑較大或者安裝的位置不易改換, 可在流量計上游安裝集氣包和排氣閥。實驗表明一臺 DN2200口徑的電磁流量計 , 因氣泡造成顯示的波動可達 20% ～50%,在安裝了排氣裝置后 ,測量即恢復正常。

 

2)非滿管。液體未充滿管道可分為液面高度高于測量電極水平面或低于水平面兩種情況。當管內液面高于電極水平面時 , 若管道的前后是直管段時,電磁流量計的測量大多也能夠穩定 ,但流量計所計量的液體體積包含了管道內的非滿管部分體積 , 故這種測量存在著很大的測量誤差。當管內液面高度低于電極表面時 , 此時電極裸露在空氣中,測量回路實際處于開路狀態。電磁流量計的測量值和輸出處于一種隨機的狀態, 不停地波動或是滿度 。非滿管的情況多出現在靠流體直流或流量計后無任何背壓的直接排放口 。

 

判斷方法:可采用前述氣泡判斷的方法,此時以指針式萬用表測量電極電阻, 可發現電極的回路電阻明顯變高 。解決方法 :在流量計安裝時應盡量在管道最低端安裝或有意將流量計安裝在 U型管道。另外, 現在市場上也有能夠在非滿管情況下測量的電磁流量計。

 

3)電極腐蝕。因電極腐蝕而造成測量值波動的情況。故障原因 :由于流量計電極材料的選擇不當造成電極為被測液體所腐蝕 ,從而導致流量計輸出波動 。判斷方法:由于電極材料不耐腐蝕所造成的故障只有在電極被腐蝕后才會表現出來 ,之前通常無法判別 。對此問題的解決方法 ,只有更換新的電極 。一般電極腐蝕故障診斷處理都屬于事后維護處理的方法 。

 

4)電極結垢及電極短路 。電極短路的判斷比較簡單,若被測介質中含有金屬物質時 ,電極短路較易診斷 ,此時測量值明顯偏小或趨于零。但這種現象在日常運行中并不多見 。電極結垢, 因電磁流量計經常應用于原水或水質較差等環境,電極結垢的發生幾率較高 。當電極結垢時, 表現為信號逐漸減小 ,直至絕緣而使得信號回路開路,此時流量信號被隔絕。故障原因 :當被測水質的雜質較高時 ,易在管壁附著和沉淀, 若附著的介質是比被測液體電導率高的導電物質 ,則信號電勢被分流而不能工作, 即電極短路, 若是非導電層,就是我們日常所說的電極結垢, 則使電極開路而不能工作。判斷方法 :若附著于襯里管壁積垢層為氧化鐵銹層,或以金屬為主要成份的雜質,其電導率大于液體電導率 ,測得的流量值將比實際流量值低 ;若為碳酸鈣等水垢層, 由于其電導率低于被測介質,則測得的流量值將低于實際流量。假若附著層電導率與液體被測介質相同 ,那么附加誤差為零,但此只局限于附著層厚度較小的情況,

因為相同流量有附著層時流通截面積減小, 但平均流速增加 ,相互間可抵消 ,因此附加誤差可以忽略 。該故障解決方法 :建議選用不易附著的尖形或半球形突出電極、可更換式電極、刮刀式清垢電極等。刮刀式電極可在傳感器外定期手動刮除沉垢 。也有暫時斷開測量電路, 在電極間通以短時間的低壓大流量, 焚燒清除油脂類附著層。亦可在易產生附著層的場合采用提高流速以達到自行清掃管壁的目的 ,也是一個比較有效的方法,當然采用易清洗的管道連接是一個比較徹底的方法 。

 

5)電導率過低 。電導率低于閥值 (下限值 )會產生測量誤差甚至不能穩定工作 ,使用時測量出現波動現象,電導率超過閥值即使再變化時 ,此時測量的示值誤差幾乎恒定。通常儀表制造廠規范中規定的下限值是指在較理想的條件下可測量的最低值,而實際使用條件不可能都很理想。判斷方法 :液體電導率可查閱有關手冊 ,若缺少現成數據時 ,則可用電導率儀取樣測定 。若沒有配備電導率儀,最簡單的方法可以用萬用表測出液體的電阻 ,再用同樣的方法測試現場普通自來水的電阻, 比較兩者的測試結果。對于液體電導率過低產生的測量誤差解決方法:電導率過低超出了儀表所容許的測量范圍, 此時唯一的解決方法是選用其它能滿足要求的低電導率電磁流量計(如電容式電磁流量計)或者是其它原理的流量計 。

 

6)襯里變形。可導致測量不準確或傳感器損壞。故障原因 :襯里變形 ,大多發生在氟塑料的襯里, 造成這種現象的原因有兩種:一是蒸汽滲透引起氟塑料襯里的熱擴散現象 , 所謂熱擴散是當管道內介質 (氣體或蒸汽 )流過氟塑料襯里時所發生的自然的物理現象, 通常滲透的程度主要取決于襯里材料 、液體和蒸汽的類型 、襯里的厚度(當襯里的厚度增加時滲透程度則相應減小 )、襯里內外的溫差(當襯里內外溫差很大時滲透則加劇 )和管道壓力等多個因素。二是氟塑料襯里特別是聚四氟乙烯 (PTFE)襯里本身的工藝結構, 因為聚四氟乙烯與管壁間僅靠壓貼,無粘結力,故不能用于負壓管道。判斷方法:襯里變形在現場一般無法判別 ,現用的判斷方法是 ,在實際應用過程中發覺流量誤差較大時, 即將傳感器從工藝管道上拆下后以肉眼觀察, 但此時襯里的故障往往已經形成 。解決方法:用隔熱絕緣的方法,法蘭和線圈盒間增加隔熱措施 ,減少溫差、減小熱擴散, 這將在很大程度上改善襯里內外溫差情況, 從而降低滲透率和蒸汽在測量管壁內的凝聚 ;加厚聚四氟乙烯 (PTFE)襯里厚度;提供其它形式的襯里,如 PFA和陶瓷襯里 。

 

7)外部強電磁場干擾 。電磁流量計信號失真 ,輸出信號表現為非線性或信號波動。故障原因 :由于流量計流量信號小 ,易受外界干擾影響,而干擾源主要有管道雜散電流 、靜電 、電磁波和磁場等。電磁流量計的設計制造應符合電磁兼容性要求, 在規定輻射電磁環境下能正常工作。但現場應用表明 ,強磁場干擾會導致磁場回路飽和及外部磁場進入電磁流量計的磁場回路并形成雜散磁場而影響輸出信號的線性度 。電場干擾則是由于噪聲破壞測量管內的電勢平衡造成輸出信號波動異常 。判斷方法:當輸出信號表現為非線性時,可通過專用的模擬信號儀來判斷 , 如電磁流量計轉換器的輸出為線性, 可判斷為外界的磁場干擾影響, 反之也有可能是電磁流量計本身的電器故障 。對電場干擾 ,可在先不加激磁電流時用示波器測量兩極間的電勢 ,其值應為零,如測得有交流電勢, 則可判別為漏電流等電場干擾 。解決方法:防止磁場干擾, 通常只有將電磁流量計傳感器的安裝位置遠離強磁場源。強電場干擾的防止, 可采取增強屏蔽等措施。如仍無效 , 則可將電磁流量傳感器與連接管道絕緣 。

 

8)電纜的故障。流量計在運行一段時間后(一般不是新裝用表 ), 出現工作異常 , 具體表現為測量值變大或變小 ,或者是不停地波動 ,且經現場檢查已排除管道不滿管、介質含氣等上述現象的可能性。故障原因 :這類問題的產生一般與安裝 、維護不當有關 。未徹底做好電纜接頭處的防潮 (防水 )等處理, 且接頭處常用絞接的方法連接 。使用日久,且處于一個潮濕的環境中 ,潮氣侵入電纜接頭 ,可能造成以下一些故障 :①信號線對地絕緣下降 , 引起信號衰減, 最終是測量結果偏小 。 ②信號電纜接地處接觸電阻變大, 使測量值變小, 若該接觸電阻不穩定 ,則測量值無法穩定,且易引入干擾 。③勵磁線圈對地絕緣下降, 造成測量結果偏小。④勵磁回路電纜連接處接觸電阻變大, 使轉換器的勵磁回路處于非恒流工作區域,勵磁電流下降 , 同樣造成測量結果偏小 。⑤信號線 、勵磁線對地絕緣性能下降, 使得測量結果遠大于正常的數據 。如這種干擾不穩定 ,對儀表的影響也變化不定, 繼而出現波動。⑥信號電纜 、勵磁電纜兩個連接頭相靠較近, 就會產生耦合作用。通常能使實際運行結果增大幾成 , 此時儀表的零點變化就是由干擾引起的。判斷方法 :對于這類異常情況,在排除流量計其它幾類故障的可能性后 ,就應檢查電纜是否有問題, 尤其是電纜曾有中間接頭處。對于勵磁回路電纜的故障 ,儀表維護人員只要把現場的勵磁回路電阻測量值與廠方提供的數據作比較即可得知問題所在 ,繼而采取措施 。對于由于信號線 、勵磁線對地絕緣性能下降的故障 ,可由儀表維護人員在斷開一根勵磁線的情況下 ,觀察儀表的顯示或輸出信號 ,此時儀表應處于零流量的狀態,若測量值偏大, 則可確定是信號線、勵磁線的絕緣不良或有耦合。解決方法:對于這種由于電纜的接頭或絕緣等引起的故障, 解決方法只有更換電纜 。