電磁流量計在供水行業中的應用

電磁流量計作為線性好、量程比寬、可靠性高和精確度高的流量計，在供水行業中得到了廣泛地應用，尤其在水廠進/出水口的源水和出廠水計量中占有重要的地位。盡管電磁流量計的設計和工藝技術在不斷提高，但在用戶現場實際應用的過程中，諸多因素會直接影響到儀表性能，而不能達到用戶的期望值。用戶在儀表設計選型、安裝、調試和維護的整個過程中，需要盡量保證儀表正常運行的基本條件，使儀表運行在良好的工作狀態。

1
設計選型

1.1 保證電磁流量計測量精度的必要條件

⑴ 被測流體介質必須具有導電性；
⑵ 被測流體介質必須充滿管道；
⑶ 流量計測量系統必須良好接地；
⑷
流量計應滿足其前后直管長度要求；
⑸ 在流量計附近，應避免強電磁場干擾。

1.2 一般選型原則

⑴ 口徑的確定

電磁流量計能夠連續測量較寬流量范圍的流量，在規定流量(流速)范圍
(0.5～10m/s)內，可任意調整測量量程。一般情況下，選擇流量計口徑等于工藝管道口徑，可以滿足工況需求，而且安裝方便，沒有壓力損失。

流量、流速與口徑三者關系如下式：
Q
= 0.0028274 * D2 * v
v = Q /（0.0028274 * D2 ）
其中： Q = 流量（m3/h）
D =
流量計公稱通徑(mm)；
V = 流體介質流速(m/s)。

⑵ 推薦使用流速

a.
從準確性、經濟性和耐用性方面考慮，推薦使用的流速范圍為1～5m/s之間。在這個范圍內，流量計測量精度高、線性好，動力損耗較小，流體介質對流量計襯里和電極的磨損也較小。


b.
對于含有固體顆粒的流體介質，推薦使用的流速范圍為1～3m/s之間。這樣的選擇有助于避免流速過高造成懸浮固體顆粒對流量計襯里和電極的過度磨損。


c.
對于在管道中可能造成沉積物的流體介質，推薦使用的流速范圍為2～5m/s之間。如果達不到要求，在壓力損失允許的情況下，可選用比管道直徑小的流量計，并且加裝異徑管。較高的流速易于消除過多的沉積物。將流量計垂直安裝或安裝在Ｖ型彎管處，易于消除過多的沉積物。


⑶ 耐蝕性

流量計電極材料和襯里材料的選擇，應根據被測流體介質的腐蝕性程度選定。對混酸等成份復雜
的流體介質，應做掛片試驗。

⑷ 儀表口徑與工藝管道口徑不同

a.
為使儀表工作在合適的流速范圍，當工藝管道內流速偏低，工藝流量較穩定，且允許一定的壓力損失時，可選擇儀表口徑小于工藝管道口徑，在儀表前后加異徑管，使儀表內局部流速提高。


b. 對于大口徑工藝管道，在管道內流速偏低，工藝流量較穩定時，可選擇口徑較小的儀表，
在儀
表前后加異徑管，一方面可降低儀表費用，另一方面也可使儀表運行在線性較好的流速范圍。

c.
為了保證儀表測量精確度，異徑管的中心錐角應不大于15°，且異徑管接頭的上游側至少應有５倍工藝管徑的直管段。

2 安裝


2.1 安裝場所要求（建議采用圖1所示安裝方法）


電磁流量計安裝的場所與位置按用戶的實際需要，可以水平、垂直和傾斜安裝。為了使電磁流量計穩定可靠地工作，應注意以下要求：

⑴
流量計測量管內必需充滿流體介質（即不允許有空管或不滿管現象）。

⑵ 流量計的電極軸線應近似水平。

⑶
流量計（從電極軸線起測量）的入口上游直管段最少為5D長，出口的下游直管段為2D長。

⑷
被測流體流動方向應與流量計的流向標志所指方向一致。

⑸
為了安裝、維護和保養的方便，應在管道法蘭附近確保有足夠的操作與維護空間。

⑹
當管道直徑與流量計通徑不一致時，可以在流量計兩端安裝漸擴管或漸縮管，其圓錐角應小于15°

⑺
電磁流量計安裝場所應避免有強磁場及強震動源。在流量計的兩邊管道上應有固定支座。

⑻
分體安裝的流量計轉換器應安裝在通風、干燥場所，應避免雨水淋澆、積水受淹。以防儀表的電氣元件受潮，造成絕緣性能下降及損壞。

2.2
接地要求

為了使電磁流量計穩定可靠地工作，保證其測量精度不受外界電磁場的干擾，流量計應有良好的單獨接地。若連接流量計的管道內涂有絕緣層或是非金屬管道，流量計應加裝接地（液）環。

3
測量精度與誤差曲線

電磁流量計制造廠所給出的流量計測量精度與誤差曲線均指參比工作條件下的技術指標，用戶應注意到與實際應用工況條件是有所區別的。

按JB/T 9248-1999
《電磁流量計》行業標準規定的參比工作條件是：

環境溫度：20℃±2℃；
相對濕度：60%～70%；
供電電源：額定電壓±1%；
安裝條件：上游直管段長度>10D；
下游直管段長度>5D；
預熱時間：>15min。

3.1 測量精度

現在大多數制造廠家采用示值的百分數表示儀表的測量精度（或稱基本誤差限）。如0.3級的流量計其測量精度為±0.3%，比較正規的制造廠都有自己受控的產品實流校驗規程，開封儀表廠規程規定，在參比工作條件下，流量計實流校驗測量精度控制在±0.28%內，優于行業標準。

3.2 誤差曲線

制造廠給出的誤差曲線表示流量計在其測量范圍內線性度變化的趨勢，與給出的精確度指標是相對應的（誤差曲線如圖2）。以開封儀表廠電磁流量計為例：

精確度為：示值的±0.3%（流速 ≥ 1m/s）；或 ±3 mm/s （流速 < 1m/s）。

因此，在0.5m/s時，流量計允許±0.5%的誤差，在0.3 m/s時，流量計允許±1.0%的誤差。

3.3 工況條件

流量計在工況條件下，因各種因素的影響，測量精度可能與制造廠在參比條件下給出的實流校驗精度有所區別。如按照行業標準，溫度每變化10℃，測量精度變化不應大于儀表基本誤差限的1/2，
當溫度變化20℃時，±0.3%的測量精度可能會變為±0.6%。

用戶在流量計運行過程中，應考慮到噪聲干擾、安裝條件的限制、環境溫度變化、濕度變化（在長期的潮濕環境下，流量計絕緣強度降低。）等因素對流量計測量精度的影響，通常0.5級流量計實際達到1級，也應該認為用戶對流量計運行維護的是比較好了。

4 測量量程與系統零點

4.1 測量量程

電磁流量計的流量范圍比較寬，對應的流速范圍為0～10m/s，有些廠家的流量計為0～15m/s。從理論上講，改變量程不會影響流量計的測量精度和線性，但選擇合適的量程有助于提高4～20mA模擬輸出信號單位分辨率。如果100m3/h量程能夠滿足用戶要求，就不要選擇200m3/h量程，否則模擬輸出信號單位分辨率將降低一半。

4.2 系統零點

正常運行情況下，電磁流量計的系統零點隨著系統的長期運行，因元器件老化、勵磁線包絕緣強度降低、測量電極極化與污染、系統接地電阻（電位）增加等因素，會造成系統零點的變化與漂移，用戶應定期檢查流量計的系統零點，進行調整與維護。對應于1m/s的流量來說，如果系統有±5mm/s的零點，將造成±0.5%的附加誤差。一般情況下，
流量較小時，系統零點造成的附加誤差越大。

由于系統零點總是或多或少存在的，制造廠在流量計出廠實流標定時，會依照規程調整到最小，用戶在應用現場，也是需要進行調整的。所以制造廠給出的誤差曲線，客觀上也反映了流量計系統零點的存在，因而造成儀表的非線性。如果僅給出電磁流量計的測量精度，而不給出誤差曲線，實際上是不能明確地反映流量計在整個測量范圍內的測量精度的。

5
信號基準與直流噪聲

5.1
信號基準

電磁流量計是一種以法拉第電磁感應定律（當導電性流體橫穿過磁場時，在導電性流體中感應出正比于流體流速）為基本原理的流量計。為了有效地拾取兩個測量電極上感應的mV級流量信號，并抑制干擾信號，流量信號以差動方式由傳感器傳輸到轉換器的差動放大器信號輸入端，把“零電阻”的流體介質“地”作為差動放大器的信號地端。差動放大器對流量信號的差值進行放大，對疊加在流量信號中的共模干擾信號進行抑制和衰減。當存在接地回路地電流、電極極化電壓、勵磁回路與電極測量回路間的靜電耦合電壓等共模干擾時，只要差動放大器的工作參數對稱，共模干擾不會影響到放大器對流量信號的放大，除非共模干擾電壓超出放大器的共模抑制范圍。

用戶在電磁流量計的安裝與維護過程中，要充分認識到流量計系統接地的重要性，有的制造廠為了更加明確地說明接地的區別，把作為流量信號基準的地稱作接液地（接液部件：接地電極或接地環等），把物理地稱作大地。接液地不僅要求接地電阻盡量小，而且還要具有良好的穩定性與可靠性。
而大地主要是為了減少外界環境對流量計系統的干擾與保護，如電磁場輻射、流體介質地與大地的回路電流、雷擊等。

5.2 直流噪聲


在流量比較穩定的情況下，如果流量計輸出波動較大，主要的影響因素是測量信號中疊加的直流噪聲。如果流體介質地與大地良好，造成直流噪聲的原因是電極上存在的極化電壓。電極與電解質流體介質之間，因液體中發生正負離子的定向移動，產生一定的電場，因此形成電極與接液地之間漂移的極化電壓。極化電壓以共模干擾形式疊加于流量信號中，阻塞差動放大器，使流量信號不能放大，流量計不能完成正常的信號采樣，或因其漂移變動，造成流量信號的波動。供水行業中，一般不會產生極化電壓，但在化工行業中，因流體介質的腐蝕和電極與接液材質的不同，很容易產生極化電壓，因此要求接液材質與測量電極材質一致，即使產生極化電壓，因材質一樣產生極化電壓的電位也一樣，使電極與測量基準之間的共模電壓為最小。

6
超聲波流量計在線標定電磁流量計

制造廠采用標準容器法、稱重法或標準表法等量值傳遞方式，實流標定電磁流量計。目前，還沒有見到各方面認可的電磁流量計在線標定設備，ABB向用戶提供一種叫做“CalMaster”的裝置，可以認為是一種電磁流量計的專家評估系統，能夠對Kent公司制造的電磁流量計進行在線評估，根據產品出廠時的歷史參數記錄與在線時產品運行狀態參數對比，給出電磁流量計與原出廠時實流標定的測量精度相比，存在多大的可能誤差。用戶在使用流量計的過程中，若感到測量精度存在問題，應送相關計量部門進行檢定。采用超聲波流量計在線比對的方法，可以定性的評估電磁流量計運行狀態是否良好，排除電磁流量計可能存在較大測量誤差的情況。


⑴
超聲波流量計的測量精度低于電磁流量計的測量精度，因為電磁流量計測量的是圓面積上的面平均流速，且電磁導管的公稱通徑與不圓度誤差，已在制造廠出廠實流標定時，經儀表系數修正。而超聲波流量計測量的是管道軸向截面的線平均流速，流動速度分布畸變的影響應予以考慮，且現場管道直徑與不圓度誤差，用戶很難給出定量值。


⑵ 超聲波流量計直管段長度要求上游10D，下游5D，單聲道超聲波流量計實際應更長，現場條件往往不能達到。

⑶
管壁銹蝕、涂覆防護和厚度等因素也影響超聲波流量計的測量精度。

7 泵流量不能判別電磁流量計是否準確


用戶在使用電磁流量計的過程中，經常有以泵流量大小評定電磁流量計是否準確的現象。但是，泵流量不能判別電磁流量計是否準確。

⑴
泵銘牌規定的流量值和揚程值，應是代表泵能力的標稱值，實際工況下，泵流量因揚程、效率、功率和管網負荷等變化而變化。

⑵
C級泵流量可能達到±8%的允差。

⑶ 多臺泵并聯運行，匯入總管的流量不一定等于各泵流量的總和。

8 測量電極污染防護


電極的污染對電磁流量計測量精度影響到何種程度，很難定量給出。

⑴
在流體介質可能造成沉積物而污染電極時，應在設計和安裝方面，選擇合適的流速（選定管道口徑）和安裝方式，避免造成過多的沉積物。

⑵
電極污染物理上表現為電極測量回路的信號輸入阻抗增加或減少，只要阻抗不超過某一界限，對電磁流量計測量不會有副作用。高輸入阻抗（1011Ω）差動放大器設計參數，能夠避免因電極污染（阻抗增加）的影響。知名品牌的電磁流量計均能達到此技術指標，因此，在供水行業中，電極污染不是電磁流量計應用中應注意的問題。


9 系統防雷


雷電主要有兩種形式：一種是不同帶電云層間的放電，另一種是云層對地的放電，后者是雷害的主要根源，直接雷擊、雷電靜電感應和電磁感應是造成儀表損壞的主要因素。儀表防雷的目的不是避免雷擊，而是為了保護儀表不被雷擊電波損壞。


制造廠在電磁流量計產品設計時，對流量計系統的防雷和抗干擾考慮了一定的防護措施。如：電源部分加裝瞬態抑制二級管或放電管；電源、信號輸入/輸出電氣隔離；數字通訊接口采用抗雷擊器件；傳感器與轉換器之間的信號連接電纜采用三重屏蔽；要求流量計系統良好接地等。但是，在雷電頻繁與強烈的地區，用戶應采取進一步的措施：


⑴ 電源輸入端加裝1:1變壓器和避雷器,避免電源被擊穿。

⑵ 信號模擬輸出加裝避雷器。

⑶
流量計系統接地一定要良好，且保證接液地與大地良好連接，避免管線和流體介質傳導的雷擊電流流過儀表本體。

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