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电磁流量计

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电磁流量计的原理、整机装配和检测以及故障分析

来源:www.sancdc.com作者:发表时间:2017-03-29 09:10:43

摘  要:本文阐述了电磁流量计的原理以及构成,详细讲解了电磁流量计整机装配的关键环节,分析了电磁流量计各种故障现象,并具体的讲解了检查方法和步骤,并总结了电磁流量计维护的经验,为用户提供了很好的指导方案。

 引言
电磁流量计(以下简称 EMF)是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。50 年代初电磁流量计实现了工业化应用,近年来世界范围电磁流量计产量约占工业流量仪表台数的 5% ~ 6.5%。
1  电磁流量计的原理
1.1  
电磁流量计的工作原理
        电磁流量计的基本原理是法拉第电磁感应定律,即导体在磁场中切割磁力线运动时,在导体两端会感应一个与磁场方向和导体运动方向相互垂直的感应电动势。感应电动势的大小与感应强度和运动速度成正比。导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动,与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势,其值如下式:
E=K×B×D×V
式中 E----- 感应电动势,即流量信号,V。
         K----- 传感器的修正系数。
         B----- 磁感应强度,T。
         D---- 电极间距及测量管内径,m。
         V---- 导电介质的平均流速,m/s。

法拉第电磁感应定律

        感应电动势“E”是通过装在内管道壁上的两个电极来检测的,并通过连接在电极上的引线将感应到的“E”信号传至转换器的信号处理单元,将信号进行放大,通过单片机进行处理 , 实现流量、流速的显示,并转换为统一的、标准的电流信号、频率信号以及所需要的各种报警信号输出,随着通讯技术的发展,电磁流量计也正在从单机仪表逐步走向网络化仪表的过渡,可方便的实现远程调试,监测及工业过程自动化处理。

1.2   电磁流量计的组成
电磁流量计主要由电磁流量传感器和电磁流量转换器组成,连接方式分为一体型和分体型。传感器安装在所测介质的管道上,将导电介质的流速(流量)线性的变换成感应电势“E”信号。转换器向传感器提供工作磁场的励磁电流,并接受感应电势信号,并将信号进行一系列的处理,转换成电流、频率信号输出。
1.2.1   电磁流量传感器
电磁流量传感器的形式主要由励磁方式决定,一般由4 部分组成。
1)测量管:被测介质流过的通道。一般由内衬绝缘衬里的非导磁材料、非导磁性金属管子(通常使用不锈钢)构成。
2)工作磁场:由励磁线圈通电产生。励磁系统主要由励磁线圈、极靴板、磁轭等构成;励磁线圈通电后产生恒定的磁场,其直接安装在导管上,并与电极轴线垂直,磁场的分布将会影响到电磁流量的线性和重复性。磁轭是使磁力线均匀的分布到电极轴线的垂直面上,以提高传感器的测量精度和测量稳定性。
3)信号检测部分:包括电极、电极引出线、电极屏蔽罩和接线端子盒等;电极直接与被测介质接触,感应电压信号通过电极输出到转换器的信号处理单元。
4)壳体:起磁路与外界隔离、保护作用。

1.2.2  电磁流量转换器
传感器产生的电极信号或测得的电压 , 其数值 ( 或信号 )极其微弱 , 通常为 μV 到 m V, 并且干扰成分相当复杂,信号幅度直接受到磁场变动的影响,故感应信号不能直接用于流量的显示。而转换器的任务是将传感器测得的信号进行滤波、整形、放大,提取真正反应流速大小的电压信号,这个信号通过A/D转换成计算机可以直接处理的数字信号。转换器一般由低频矩形波(双频、高频)恒流源励磁电路、差动前置放大器、主放大器、同步采样和保持电路、模拟电流输出和频率输出及流量积算的变换电路、CPU 与外围存储器、键盘显示驱动和数字通讯电路、辅助功能如励磁报警、空管报警电路、电源电路等。转换器的一般输出类型有 4m A ~ 20m A 输出、频率 / 脉冲输出及上下限和异常报警输出等。它还可以通过相应的数字接口如:RS485、HART 通讯、PROFIBUS-PA(现场总线)传递数字信号,直接用于过程系统当中。转换器的类型从励磁方法上可分为恒流源励磁和磁场变动补偿方式,一般常用的是恒流源励磁,它为励磁线圈提供一个恒定的电流。现在的电磁流量计通常采用直流脉冲方波励磁,以保证电磁流量计的低功耗。

1.3   电磁流量计的特点
优点:
?  结构简单,电磁流量计的测量通道是一段无阻流检测件的光滑直管,因不易阻塞适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流体,如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等。
?  电磁流量计因其没有节流件,被测介质在传感器测量管道内流动时,不产生因检测流量所形成的压力损失,仅消耗 10W ~ 20W 的电功率,节能效果显著,对于要求低阻力损失的大管径供水管道最为适合。
?  电磁流量计所测得的体积流量,实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率(只要在某阈值以上)变化明显的影响。
?  电磁流量计测量范围度大,无起始流量的限制,可以测量接近于零的及小流量,对于同一口径的传感器,满量程流速在 15m/s 以下任意设定,可选流量范围宽。
?  电磁流量计的口径范围比其他品种流量仪表宽,从几毫米到 3m。可测正反双向流量,仪表输出本质上是线性的,在保证直管段的前提下具有相同的测量精度。
?  耐腐蚀性能好,易于选择与流体接触件的材料品种,可应用于腐蚀性流体。
 缺 点 : 
?  电磁流量计不能测量电导率很低的液体,一般电导率在 5μS/cm 以下的介质,如石油制品和有机溶剂等。不能测量气体、蒸汽和含有较多较大气泡的液体。
?  通用型电磁流量计由于衬里材料和电气绝缘材料限制,不能用于较高温度的液体;有些型号仪表用于过低于室温的液体,因测量管外凝露(或霜)而破坏绝缘。

2  电磁流量计的应用
电磁流量计应用领域广泛,大口径仪表较多应用于给排水工程。中小口径常用于难测流体或高要求场所,如:测量造纸工业纸浆液和黑液、有色冶金业的矿浆、选煤厂的煤浆、化学工业的强腐蚀液等。小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物工程等有卫生要求的场所。

3  电磁流量计的整机装配与检测
3.1  
电磁流量转换器的检测
        检查购进的电磁流量转换器的整体性能和技术指标是否符合设计标准,所使用的仪器:台式电流表、频率计、万用表、电磁流量计模拟信号器。按照企业标准和外购转换器的技术协议,对转换器进行复检,检验的内容如下。

3.1.1   对于 RPmag60 系列及智能型电磁流量计转换器需查

--- 外观检查
装配合理,电路板焊接符合标准,液晶显示板无较明显的划痕。

--- 功能性检查
首先输入用户密码,检查仪表是否能设置和调整。主要检查项目如下:测量管道口径、仪表量程设置、测量阻尼时间、测量方向设定、流量零点修正、小信号切除点、流量积算显示、电流输出类型、脉冲输出方式、脉冲单位当量、频率输出范围、空管报警允许、空管报警阈值、上、下限报警允许、上、下限报警数值、传感器系数值、励磁方式选择、流量标定系数、仪表计算系数、电流零点修正、电流满度修正、出厂标定系数。

--- 技术指标检查
用频率计和万用表观察输出频率和输出电流是否与模拟信号器输入的流速信号一致,并与转换器的原始记录一致。

以上各项合格之后,将转换器接上模拟信号源,通电进行老化,时间为 168h。

3.1.2    对于西门子电磁流量计转换器(SITRANS
FM 系列转换器)需查
--- 外观检查
记下转换器的类型(MLFB 编号),转换器的系列号。
--- 计量性能检查
转换器接收信号端与模拟流量信号发生器相连,接收励磁信号的两个接收端与模拟流量信号发生器对应端相连,模拟流量信号发生器一般使用 1.55m/s,内部程序写入为DN50;转换器的流量显示值是否和模拟流量信号发生器设置的流量一致。

--- 转换器的标识检查
接通电源,查看转换器 MLFB 编码是否与转换器外部提供的编码相一致,查看无误后,装袋入库。

3.2  
整机装配与检测在电磁流量计计量标定完成后,需进行整机装配工作,整机装配之前,转换器和传感器要一一对应。下面以西门子电磁流量计整机装配为例,具体步骤如下。

3.2.1  西门子电磁流量计一体型整机装配和检测
--- 在传感器的 SMART-PLUG 信号传输小板上插入写好的 PIC12C509A 芯片,打开转换器液晶显示板,拔下用于励磁传输的端子,将接在传感器上的励磁端子插入。

--- 接电源:此时要注意转换器是 220V 电源还是 24V电源,若接错电源将会烧坏转换器电源保险。

--- 开机时查看传感器序列号(如 99900102)能否出现,初步判断转换器和传感器通讯传输是否正常,随后查看出现的转换器出厂编号是否与转换器铭牌上的编号一致。

--- 查看转换器上的菜单
为避免写 PIC12C509A 程序时出错,要验证 6.7.2、6.7.3、6.7.4、5.2.6.1 是否与标定值或实际的传感器要求一致。
* 6.7.2 CFH 值(1m/s 液压参比工作条件下的水标定值)
* 6.7.3 ZPH 值(液压零点的水标定值)
* 6.7.4 励 磁 频 率( 励 磁 频 率 取 决 于 传 感 器 和 电源, 一 般 DN2~DN100 为 12Hz,DN125~DN600 为 6Hz,DN700~DN3000 为 3Hz)
* 6.5.1 励 磁 电 压( 励 磁 电 压 的 控 制 值, 一 般 在23000~30000)
* 5.2.6.1 通径(传感器的内部通经,及两个电极之间的距离,从 SMART-PLUG 中读取)

--- 查看各项参数值正确之后,在传感器上用于传输信号的扁平电缆的接口处用热溶胶密封,以免在装配或使用中扁平电缆脱落或松动,待热溶胶固化后,将转换器和传感器用配套螺丝上紧,由于在紧固螺丝时,有时会压到励磁线,使励磁线和管道相连,造成励磁电压为零,故需再查一遍菜单 6.5.1 励磁电压一项。

--- 以上工序完成之后,将事先打好的标签分别贴到转换器和传感器上,装接地钉。

3.2.2  西门子电磁流量计分体型整机装配和检测
在进行西门子电磁流量计分体型整机装配和检测之前,以及在水标定之前,将传感器和转换器分别接上接线盒和端子板。具体装配和检测如下:

--- 打开接在传感器接线盒上的端子板,将事先写好的 PIC12C509A 芯片插入 SMART-PLUG 小板上,后连接好传输扁平电缆。
--- 将转换器接好电源,注意事项同一体型。
--- 将用于检测传输是否正确的三芯励磁电缆线和五芯信号电缆线按如下表格 1 连接:切记转换器和传感器上的电缆线连接一定要一一对应。

电缆接线对应表

--- 接好电缆线后,打开电源,检查电磁流量计各项参数是否正确,方法同一体型。
--- 插下各端子板上的电缆线,在传感器上与 SMART小板相连的扁平电缆接口处密封热溶胶,待热溶胶固化后,将端子板固定在接线盒上,此时要注意励磁线不能被压在端子板和铝环之间,否则励磁线短路,将烧坏励磁保险,接好端子板后,使用万用表欧姆档测量 5、6、7 端子之间的绝缘性能,5、6 端子为励磁线,阻值为 16Ω 左右,5、7 和 6、7 阻值为无穷大。

--- 分体型电磁流量计防护等级分 IP67 和 IP68,IP67型防护等级为防尘、防浸水级,IP68 为防尘防潜水级。若防护等级为 IP68 型,则需要接西门子防水电缆线。在传感器接好防水电缆后需灌封胶,目的是防止水进入传感器内部。

以上工序完成之后,将标签分别贴到转换器和传感器上,装接地钉。

4   电磁流量计的常见故障检查和分析
         电磁流量计运行中产生故障的第一类为仪表本身故障,即仪表结构件或元器件损坏引起的故障;第二类为外界原因引起的故障,如:安装不妥,管道内有沉积和污垢等。电磁流量计常见故障现象有:无流量信号、输出晃动、零点不稳、流量测量值与应用参比值不符(测量值与用户的工艺参数不相符)、输出信号超满度值等。通常检查整个测量系统和判断故障的程序如图2所示。检查环节包括电磁流量计本身的传感器和转换器以及连接两者的电缆,电磁流量计上位的工艺管道,下位显示仪表和连接电缆。

检查程序

通常采用的检查方法及检查内容如下:
--- 电阻法:*保险丝的通断
*  传输信号电缆和励磁电缆的通断
*  励磁线圈的通断
*  电极对称性测量
*  电极对地的绝缘电阻
*  励磁线圈对地的绝缘电阻
--- 电流法:*测量励磁电流
*  测量输出电流
--- 电压法:判别工作电源(包括供电和转换器本身电源)是否正确。
--- 波形法:在熟悉线路基础上测量关键点波形,判别故障所在。
--- 替代法:利用转换器和传感器间以及转换器内各线路板部件间的互换性,以替代法判别故障所在位置。
--- 信号跟踪法:用流量模拟信号发生器替代传感器,在介质未流动的情况下提供流量信号,以测试电磁流量转换器。

5  结束语
          国内的电磁流量计工业应用从 20 世纪 60 年代开始,随着工业技术的迅猛发展,电磁流量计已应用于化工、医药、食品、电力、污水处理等多行业。因此,电磁流量计有很大的市场发展前景,对于其所具有的独特性,生产厂家必须对每一道工序严格把关,并不断提高自身产品的优越性。