化學(xué)工程與材料工程系化工設(shè)備與程序控制

1、.南臺科技大學(xué)化學(xué)工程與材料工程系化工設(shè)備與程序控制電磁流量計班級：四化材三甲學(xué)生：邱宇涵 49640008黃小萍 49640013廖家汶 49640018詹于慧 49640026洪伶鳳 49640027陳詩涵 49640907指導(dǎo)老師：陳木陽 報告日期： 2010年6月2日一、 前言我們選擇流量計為主題，因為流量計可分成許多不同的種類，例如:文氏管、超音波、電磁等，所以我們想探討電磁流量計，因為它適合較多種的流體且較廣泛被使用。目前電磁流量計可被用在涉及汙水、化工、醫(yī)藥、造紙、食品等各個行業(yè)。電磁流量計是由法拉第電磁感應(yīng)定律而製成的。二、流量儀器1(一)流量計之種類1.流孔板及限流板11.靶

2、流量計2.面積式流量計12.正位移式流量計3.差壓式傳送器13.輪葉式流量計4.文氏管14.質(zhì)量流量計5.流嘴 15.電磁流量計6.皮式管16.漩渦流量計7.溫差型質(zhì)量流量計17.觀察式流量指示器8.超音波式敝槽引水溝9.超音波流量計10.切V型流量計(二)流量計選擇之原理流量計之選擇條件是依管子、流量之大小及流體之物性及化性之不同，其分析如下所述：1.壓力損(1)高壓力損：流孔板及限流板、面積式、正移式。(2)低壓力損：文氏管、流嘴、皮式管、輪葉式、漩渦式。(3)無壓力損：超音波敝槽引水溝、超音波式、電磁流量計。2.適應(yīng)性(1)不能用於測氣體或蒸氣：電磁式、超音波敝槽引水溝。(2)可測量任何

3、液體：電磁式、切V型式。(3)兩相流體且?guī)в蓄w粒狀：超音波式、電磁式、文氏管。(4)可測低流速：流孔板、超音波式敝槽引水溝、正位移式、電磁式。3.輸出信號之比例讀數(shù)(1)開根號（010）輸出：流孔板、文氏管、流嘴、皮式管。(2)線性（0100）輸出：超音波式、正位移式、質(zhì)量式、電磁式、漩渦式。三、電磁流量計(一)儀器之構(gòu)造2電磁流量計是由感測器及轉(zhuǎn)換器所組成，結(jié)構(gòu)上可分為一體型與分離型，分離型之間由一條多心之電纜來傳送信號。1.感測器感測器主要由測量導(dǎo)管、測量電極、電磁線圈、鐵芯、磁軛和殼體組成。(1)測量導(dǎo)管：由不銹鋼導(dǎo)管、襯裡和連接法蘭組合而成，為被測液體現(xiàn)場工況測量的載體。(2)測量電極

4、：安裝在測量導(dǎo)管內(nèi)側(cè)壁，與軸流方向垂直，使測量液體產(chǎn)生信號的一對電極。(3)電磁線圈：在測量導(dǎo)管內(nèi)產(chǎn)生磁場的上下兩個勵磁線圈。(4)鐵芯和磁軛：將勵磁線圈產(chǎn)生的磁場導(dǎo)入液體，並構(gòu)成磁回路。(5)殼體：儀錶外包裝。2.轉(zhuǎn)換器即為智慧二次表，其將流量信號放大處理經(jīng)單片機(jī)運算後，可顯示流量、累計量，並能輸出脈衝、類比電流等信號，用於流體流量的計量或控制。圖1 電磁流量計之原理示意圖圖2 電磁流量計剖面圖 (二)原理3-71.法拉第原理法拉第感應(yīng)定律(Faradays law of induction)，此定律敘述：在一個磁場中(B)，若以垂直於此磁場之導(dǎo)體(L)，以某一速度(V)切割此磁場中之磁力線

5、時，便會感應(yīng)一個電壓(E)，其關(guān)係式如下：E=BLV其中：E代表感應(yīng)電壓 L代表導(dǎo)體長度V代表運動速度 B代表磁通密度由式知道是向量的乘積項，因此若想得到最大的感應(yīng)電壓，則運動方向與磁場方向必須垂直。另外，若導(dǎo)體的長度固定，且磁通密度也固定時，則感應(yīng)電壓和運動速度成正比，也就是。2.電磁流量計原理電磁流量計測量原理依據(jù)於法拉第電磁感應(yīng)定律，式為發(fā)電機(jī)之基本作用原理，在發(fā)電機(jī)中導(dǎo)體為電線，但是在電磁流量計中，則為具導(dǎo)電性之流體。由電磁感應(yīng)定律可知，導(dǎo)體在磁場中切割磁力線時，便會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。同理，當(dāng)導(dǎo)電的液體在磁場中作垂直於磁力線方向的流動而切割磁力線時，也會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。流量計測量管是一內(nèi)襯絕

6、緣材料的非導(dǎo)磁合金導(dǎo)管。兩隻電極與軸流方向垂直穿透關(guān)閉固定在測量管上，其電極頭與襯裡內(nèi)表面基於平齊。當(dāng)電磁線圈由雙向發(fā)生方波脈衝勵磁時，即在與測量管軸線垂直方向上產(chǎn)生一磁能量密度為B的工作磁場。此時，如果具有一定電導(dǎo)率的流體流經(jīng)測量管，將切割磁力線感應(yīng)出電動勢E。電動勢E正比於磁通量密度B，測量管內(nèi)徑與平均流速V的乘積，其運算式如下：式中：B為磁感應(yīng)強度；為平均流速；D為測量管內(nèi)徑； EX為電動勢。電磁流量計感測器中，感應(yīng)電勢原始電壓信號是平均流速的線性函數(shù)，它與流速分佈及介質(zhì)的其他特性無關(guān)。感應(yīng)電勢(毫伏電信號)經(jīng)專用電纜傳送至智能轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行數(shù)位化處理，計算即時流量、累積流量。電動勢的大小

7、與磁場、管道和液體流速有關(guān)，由此不難得出流體的體積流量與感應(yīng)電勢的關(guān)係為：Q=DEX/4B式中：Q為液體的體積流量；(推導(dǎo))EX為感應(yīng)電勢； =EX /BDB為磁感應(yīng)強度；D為測量管內(nèi)徑。圖3 電磁流量計之感測原理(三)功能電磁式流量計適合測量封閉管道中導(dǎo)電液體和漿液的體積流量，如自來水、汙廢水、各種酸鹼鹽溶液、泥漿、礦漿、紙漿及食品方面的液體等，廣泛用於自來水、化工、紡織、造紙、鋼鐵、製藥、食品等工業(yè)7。1.應(yīng)用8：電磁流量計應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。(1)大口徑儀錶較多應(yīng)用於給排水工程。(2)中小口徑常用於固液雙相等難測流體或高要求場所，如測量造紙工業(yè)紙漿液和黑液、有色冶金業(yè)的礦漿、選煤廠的煤漿、化學(xué)

8、工業(yè)的強腐蝕液以及鋼鐵工業(yè)高爐風(fēng)口冷卻水控制和監(jiān)漏，長距離管道煤的水力輸送的流量測量和控制。(3)小口徑、微小口徑常用於醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、生物工程等有衛(wèi)生要求的場所。2.優(yōu)點9：電磁式流量計與其他型式流量計相較下之優(yōu)勢：(1)感測器中光滑無凸出物件，因此無壓損之慮。(2)訊號在整個充滿磁場的空間內(nèi)形成，而訊號為量測管道上截面上的平均值，因此以電極平面至感測器前端所需直管段相對比其他型式流量計的前端直管段要求短，而一般前端要求直管段為5ID。(3)流體僅與感測器中的內(nèi)襯及電極直接接觸，只要選擇適合的內(nèi)襯及電極材質(zhì)，即可達(dá)到耐腐蝕、耐磨損的需求。(4)輸出信號正比於體積流量，精確度及線性度比其他

9、型式流量計來的精確及穩(wěn)定。(5)流體的管內(nèi)壓力、溫度、密度、黏度、導(dǎo)電率及管內(nèi)的流速分佈等與量測時所需參數(shù)無關(guān)，可量測之流體範(fàn)圍廣，精確度高。(6)低功耗設(shè)計，零點穩(wěn)定，精確度高。(四)選用要點8、101.精度等級和功能市場上通用型電磁流量計的性能有較大差別，有些精度高、功能多，有些精度低、功能簡單。精度高的儀錶基本誤差為（±0.5%±1%）R，精度低的儀錶則為（±1.5%±2.5%）FS，兩者價格相差12 倍。因此測量精度要求不很高的場所（例如非貿(mào)易核算僅以控制為目的，只要求高可靠性和優(yōu)良重複性的場所）選用高精度儀錶在經(jīng)濟(jì)上是不合算的。有些型號儀錶聲稱

10、有更高的精確度，基本誤差僅（±0.2%±0.3%）R，但有嚴(yán)格的安裝要求和參比條件，例如環(huán)境溫度2022，前後置直管段長度要求分別大於10D,3D（通常為5D,2D）甚至提出流量感測器要與前後置直管組成一體在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上作實流校準(zhǔn)，以減少夾裝不善的影響。因此在多種型號選擇比較時不要單純只看高指標(biāo)，要詳細(xì)閱讀製造廠樣本或說明書做綜合分析。市場上電磁流量計的功能差別也很大，簡單的就只是測量單向流量，只輸出類比信號帶動後位元儀錶；多功能儀錶有測雙向流、量程切換、上下限流量報警、空管和電源切斷報警、小信號切除、流量顯示和總量計算、自動核對和故障自診斷、與上位機(jī)通信和運動組態(tài)等。有

11、些型號儀錶的串列數(shù)位通信功能可選多種通信介面和專用晶片（ASIC），以連接HART協(xié)定系統(tǒng)、PROFTBUS、Modbus、CONFIG、FF現(xiàn)場匯流排等。2.流速、滿度流量、範(fàn)圍度和口徑選定儀錶口徑不一定與管徑相同，應(yīng)視流量而定。流程工業(yè)輸送水等粘度不同的液體，管道流速一般是經(jīng)濟(jì)流速1.53m/s。電磁流量計用在這樣的管道上，感測器口徑與管徑相同即可。(1)電磁流量計滿度流量時液體流速可在110m/s範(fàn)圍內(nèi)選用，範(fàn)圍是比較寬的。上限流速在原理上是不受限制的，然而通常建議不超過5m/s，除非襯裡材料能承受液流沖刷，實際應(yīng)用很少超過7m/s，超過10m/s則更為罕見。滿度流量的流速下限一般為1m

12、/s，有些型號儀錶則為0.5m/s。有些新建工程運行初期流量偏低或在流速偏低的管系，從測量精度角度考慮，儀錶口徑應(yīng)改用小於管徑，以異徑管連接之。(2)用於有易黏附、沉積、結(jié)垢等物質(zhì)的流體，選用流速不低於2m/s，最好提高到34m/s或以上，起到自清掃、防止粘附沉積等作用。用於礦漿等磨耗性強的流體，常用流速應(yīng)低於23m/s ，以降低對襯裡和電極的磨損。在測量接近閾值的低電導(dǎo)液體，盡可能選定較低流速（小於0.51m/s），因流速提高流動雜訊會增加，而出現(xiàn)輸出晃動現(xiàn)象。(3)電磁流量計的範(fàn)圍度是比較大的，通常不低於20，帶有量程自動切換功能的儀錶，可超過50100。國內(nèi)可以提供的定型產(chǎn)品的口徑從10

13、mm到3000mm，隨然實際應(yīng)用還是以中小口徑居多，但與大部分其他原理流量儀表（如容積式、渦輪式、渦街式或寇里奧利品質(zhì)式等）相比，大口徑儀錶佔有較大比重。某企業(yè)近萬臺儀錶中，50mm以下小口徑、65250mm中口徑、300900mm大口徑、1000mm以上超大口徑分別占37%、45%、15%和3%。3.液體電導(dǎo)率使用電磁流量計的前提是被測液體必須是導(dǎo)電的，不能低於閾值（即下限值）。(1)電導(dǎo)率低於閾值會產(chǎn)生測量誤差直至不能使用，超過閾值即使變化也可以測量，示值誤差變化不大，通用型電磁流量計的閾值在10-4（5×10-6）S/cm 之間，視型號而異。使用時還取決於感測器和轉(zhuǎn)換器間流量信

14、號線長度及其分佈電容，製造廠使用說明書中通常規(guī)定電導(dǎo)率相對應(yīng)的信號線長度。(2)非接觸電容耦合大面積電極的儀錶則可測電導(dǎo)率低至5×10-8S/cm 的液體。(3)工業(yè)用水及其水溶液的電導(dǎo)率大於10-4S/cm，酸、堿、鹽液的電導(dǎo)率在10-410-1S/cm之間，使用不存在問題，低度蒸餾水為10-5S/cm也不存在問題。(4)石油製品和有機(jī)溶劑電導(dǎo)率過低就不能使用。(5)有些純液或水溶液電導(dǎo)率較低，認(rèn)為不能使用，然而實際工作中會遇到因含有雜質(zhì)而能使用的實例，這類雜質(zhì)對增加電導(dǎo)率有利。對於水溶液，電導(dǎo)率是用純水配比在實驗室測得的，實際使用的水溶液可能用工業(yè)用水配比，電導(dǎo)率將比查得的要高，

15、也有利於流量測量。根據(jù)使用經(jīng)驗，實際應(yīng)用的液體電導(dǎo)率最好要比儀錶製造廠規(guī)定的閾值至少大一個數(shù)量級。因為製造廠儀錶規(guī)範(fàn)規(guī)定的下限值是在各種使用條件較好狀態(tài)下可測量的最低值。是受到一些使用條件限制，如電導(dǎo)率均勻性、連接信號線、外界雜訊等，否則會出現(xiàn)輸出晃動現(xiàn)象等。我們就多次遇到測量低度蒸餾水或去離子水，其電導(dǎo)率接近閾值5×10-6S/cm，使用時出現(xiàn)輸出晃動。4.液體中含有混入物混入成泡狀流的微小氣泡仍可正常工作，但測得的是含氣泡體積的混合體積流量；如氣體含量增加到形成彈（塊）狀流，因電極可能被氣體蓋住使電路暫態(tài)斷開，出現(xiàn)輸出晃動甚至不能正常工作。含有非鐵磁性顆粒或纖維的固液雙相流體同樣

16、可測得二相的體積流量。固體含量較高的流體，如鑽井泥漿、鑽探固井水泥漿、紙漿等實際上已屬非牛頓流體。由於固體在載體液中一起流動，兩者之間有滑動，速度上有差別，單相液體校驗的儀錶用於固液雙相流體會產(chǎn)生附加誤差。雖然還未見到電磁流量計應(yīng)用於固液雙相流體中固形物影響的系統(tǒng)實驗報告，但國外有報告稱固形物含量有14%時誤差在3%範(fàn)圍以內(nèi)；黃河水利委員會水利科學(xué)研究所的實驗報告稱，測量高沙含量水的流量，含沙量體積比17%40%（沙中值粒徑0.35mm），儀錶測量誤差小於3%。在漿液內(nèi)有較大顆粒擦過電極表面，在頻率較低的矩形激磁的EMF 中會產(chǎn)生尖峰狀漿液雜訊，使流量信號不穩(wěn)，就要選用較高頻率的儀錶或有較強抑

17、制漿液雜訊能力的儀錶，也可選用市電交流激磁的儀錶或雙頻激磁的儀錶。含有鐵磁性物質(zhì)的流體對通常的EMF，因測量管內(nèi)磁導(dǎo)率受鐵磁體的不同含量而變化，會產(chǎn)生測量誤差。但在磁路中置有磁通檢測線圈補償?shù)碾姶帕髁坑?，可減小混入鐵磁體的影響。XX光華儀錶廠在交流激磁儀錶的實驗報告中稱，水中含有液固重量比約4：1，顆粒度0.15mm鐵精礦石的礦漿，以80mm口徑儀錶作清水和漿液對比流量試驗，通常的儀表示值變化7%10%，裝有磁通檢測線圈的儀錶，示值誤差在±2%FS以內(nèi)。對含有礦石顆粒的礦漿應(yīng)用，應(yīng)注意對感測器襯裡的磨損程度，測量管內(nèi)徑擴(kuò)大會產(chǎn)生附加誤差。這種場合應(yīng)選用耐磨性較好的陶瓷襯裡或聚氨酯橡膠

18、襯裡，同時建議感測器安裝在垂直管道上，使管道磨損均勻，消除水準(zhǔn)安裝下半部局部磨損嚴(yán)重的缺點。也可以在感測器進(jìn)口端加裝噴嘴形護(hù)套，相對延長使用期。5.附著和沉澱測量易在管壁附著和沉澱物質(zhì)的流體時，若附著的是比液體電導(dǎo)率高的導(dǎo)電物質(zhì)，信號電勢將被短路而不能工作，若是非導(dǎo)電層則首先應(yīng)注意電極的污染，譬如選用不易附著尖形或半球形突出電極、可更換式電極、刮刀式清垢電極等。刮刀式電極可在感測器外定期手動刮出沉垢。國外產(chǎn)品曾有電極上裝超聲波換能器，以清除表面垢層，但現(xiàn)已少見。也有暫時斷開測量電路，在電極簡短時間內(nèi)流過低壓大電流，焚燒清除附著油脂類附著層。易產(chǎn)生附著的場所可提高流速以達(dá)到自清掃的目的，還可以採

19、取較方便的易清洗的管道連接，可不拆卸清洗感測器。非接觸型電極電磁流量計附著非導(dǎo)電膜層，儀錶仍能工作，但若為高導(dǎo)電層則同樣不能工作。6.內(nèi)襯材料選擇內(nèi)襯材料名稱符號性能最高工作溫度適用流體適用口徑橡膠氯丁橡膠CR(NE)耐磨性中等、耐一般低濃度的酸鹼鹽腐蝕80自來水、工業(yè)用水、海水DN50-3200聚氯脂橡膠PU極好的耐磨性能、耐酸鹼性能較差60紙漿、礦漿等漿液DN25-500氟塑料聚四氯乙烯F4或PTFE化學(xué)性能很穩(wěn)定、耐沸騰的鹽酸、硫酸、王水、濃鹼的腐蝕180腐蝕性強的酸鹼鹽液體DN25-1200四氯乙烯及六氟丙烯(鐵氟龍)F46或FEP化學(xué)性能等同F(xiàn)4120腐蝕性酸鹼鹽液體DN15-200

20、四氯乙烯及乙烯F40或ETFE化學(xué)性能等同F(xiàn)4120腐蝕性酸鹼鹽液體DN25-2200塑膠聚乙烯PO耐稀酸、鹼、鹽的腐蝕60腐蝕性酸鹼鹽液體DN50-2200聚苯硫醚PPS耐稀酸、鹼、鹽的腐蝕100腐蝕性強的酸鹼鹽液體DN50-2200(五)安裝使用注意事項111.使用時應(yīng)注意的一般事項液體應(yīng)具有測量所需的電導(dǎo)率，並要求電導(dǎo)率分佈大體上均勻。因此流量感測器安裝要避開容易產(chǎn)生電導(dǎo)率不均勻場所，例如其上游附近加入藥液，加液點最好設(shè)於感測器下游。使用時感測器測量管必須充滿液體（非滿管型例外）。有混合時，其分佈應(yīng)大體均勻。液體應(yīng)與地同電位，必須接地。如工藝管道用塑膠等絕緣材料時，輸送液體產(chǎn)生摩檫靜電等

21、原因，造成液體與地間有電位差。2.流量感測器安裝(1)安裝場所通常電磁流量感測器外殼防護(hù)等極為IP65（GB 4208 規(guī)定的防塵防噴水級），對安裝場所有以下要求。A. 測量混合相流體時，選擇不會引起相分離的場所；測量雙組分液體時，避免裝在混合尚未均勻的下游；測量化學(xué)反應(yīng)管道時，要裝在反應(yīng)充分完成段的下游；B. 盡可能避免測量管內(nèi)變成負(fù)壓；C. 選擇震動小的場所，特別對一體型儀錶；D. 避免附近有大電機(jī)、大變壓器等，以免引起電磁場干擾；E. 易於實現(xiàn)感測器單獨接地的場所；F. 盡可能避開周圍環(huán)境有高濃度腐蝕性氣體；G. 環(huán)境溫度在25/1050/600範(fàn)圍內(nèi)，一體形結(jié)構(gòu)溫度還受制於電子元器件，

22、範(fàn)圍要窄些；H. 環(huán)境相對濕度在10%90%範(fàn)圍內(nèi)；I. 盡可能避免受陽光直照；J. 避免雨水浸淋，不會被水浸沒。如果防護(hù)等級是IP67（防塵防浸水級）或IP68 （防塵防潛水級），則無需H、J兩項要求。(2)直管段長度要求為獲得正常測量精確度，電磁流量感測器上游也要有一定長度直管段，但其長度與大部分其它流量儀錶相比要求較低。90o 彎頭、T 形管、同心異徑管、全開閘閥後通常認(rèn)為只要離電極中心線（不是感測器進(jìn)口端連接面）5 倍直徑（5D）長度的直管段，不同開度的閥則需10D；下游直管段為（23）D 或無要求；但要防止蝶閥閥片伸入到感測器測量管內(nèi)。各標(biāo)準(zhǔn)或檢定規(guī)程所提出上下游直管段長度亦不一致。

23、0.5 級精度儀錶的要求比較高。(3)安裝位置和流動方向感測器安裝方向水平、垂直或傾斜均可，不受限制。但測量固液兩相流體最好垂直安裝，自下而上流動。這能避免水準(zhǔn)安裝時襯裡下半部局部磨損嚴(yán)重，低流速時固相沉澱等缺點。水準(zhǔn)安裝時要使電極軸線平行於地平線，不要處於垂直於地平線，因為處於地步的電極易被沉積物覆蓋，頂部電極易被液體中偶存氣泡擦過遮住電極表面，使輸出信號波動。圖4所示管系中，c、d為適宜位置；a、b、e為不宜位置，b處可能液體不充滿，a、e處易積聚氣體，且e 處感測器後管段短也有可能不充滿。對於固液兩相流c處亦是不宜位置。圖4 傳感器安裝位置(4)旁路管、便於清洗連接和預(yù)置入孔為便於在工藝

24、管道繼續(xù)流動和感測器停止流動時檢查和調(diào)整零點，應(yīng)裝旁路管。但大管徑管系因投資和位置空間限制，往往不易辦到。根據(jù)電極污染程度來校正測量值，或確定一個不影響測量值的污染程度判斷基準(zhǔn)是困難的。除前文所述，採用非接觸電極或帶刮刀清除裝置電極的儀錶，可解決一些問題外，有時還需要清除內(nèi)壁附著物。對於管徑大於1.51.6m 的管系在EMF 附近管道上，預(yù)置入孔，以便管系停止運行時清洗感測器測量管內(nèi)壁。(5)負(fù)壓管系的安裝氟塑料襯裡感測器須謹(jǐn)慎地應(yīng)用于負(fù)壓管系；正壓管系應(yīng)防止產(chǎn)生負(fù)壓，例如液體溫度高於室溫的管系，關(guān)閉感測器上下游截止閥停止運行後，流體冷卻收縮會形成負(fù)壓，應(yīng)在感測器附近裝負(fù)壓防止閥。有製造廠規(guī)定PTFE 和PFA 塑膠襯裡應(yīng)用于負(fù)壓管系的壓力可在200C、1000C、1300C時使用的絕對壓力必須分別大於27、40、50KPa四、心得