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電磁流量計接地問題的產生根源與不同的接地方案設置

來源:作者:發表時間:2021-01-18 09:39:57

 摘要:電磁流量計區別于其他流量計,在設計選型、安裝投用、使用維護過程中均有具體的要求。尤其接地問題對電磁流量計至關重要,從電磁流量計的原理出發,提出可靠的接地是電磁流量計正常工作的前置必要條件,同時結合電磁流量計不同的安裝場合,給出相對應的接地方案。

 
     在工業領域,電磁流量計應用廣泛,例如煉油廠工藝裝置中的循環水管線、新鮮水管線、含鹽污水管線流量測量;烷基化裝置中濃硫酸、稀硫酸、中間酸等介質管線流量測量;硫磺裝置中堿液、急冷水等管線流量測量。由于電磁流量計測量原理的特殊性,其接地問題直接影響到儀表正常投用和測量精度,所以,正確理解電磁流量計的接地原因,熟悉電磁流量計在不同使用場合下的接地方案,有助于電磁流量計的合理選型、安裝投用、故障排查。
 
1、電磁流量計的工作原理
     電磁流量計是基于電磁感應定律工作原理的流量檢測儀表。根據法拉第電磁感應定律,導體在磁場中運動時,通過切割磁力線產生感應電勢。電磁流量計的傳感器通過位于導體兩端的正負電極來獲取電勢信號,再通過信號線傳遞給轉換器,經過信號放大、轉換后傳輸到控制室。典型的電磁流量計工作原理如圖1所示,其中,Ex表示感應電動勢,k為系數,B表示磁感應強度,d表示兩電極間距離(測量管內徑),v表示介質流速。
電磁流量計工作原理示意
2、電磁流量計的接地問題
2.1接地問題產生的根源
     從圖1可以看出,感應電動勢Ex是由流經電磁流量計前后法蘭間(a端至b端)的導體(被測介質)切割磁力線產生,所以Ex的負端參考電位必須和流量計兩法蘭間的被測介質電位一致,為了嚴格保證兩者的一致性,除保證流量計電極與介質接觸外,還應通過可靠的接地來保持零電位;同時,由于Ex數值較小,滿量程時僅2.5~8.0mV,當流量很小時,只有幾微伏,所以為了避免外界干擾(主要是靜電干擾)帶來的Ex數值漂移,需通過接地將傳感器電極測量到的微弱電動勢Ex完整、無損地傳遞給轉換器。以上是電磁流量計正常工作的兩個關鍵點,也是電磁流量計在接地要求方面區別于其他流量計的根本原因。
 
2.2與熱電偶信號的不同
     電磁流量計工作時,電極間產生的信號為毫伏級,如2.1節所述,這是其現場儀表需可靠接地的原因之一,但并非所有的毫伏級信號儀表在工作時都需要接地。為了更好地理解電磁流量計接地的必要性,避免陷入認知的誤區,該處可類比同為毫伏級信號的熱電偶,其現場儀表工作時不需要采取單獨的接地措施。究其原因,是因為熱電偶的毫伏級信號產生于熱端和冷端,兩種不同材質的電極由于熱電效應,在熱端構成了正負極,并通過補償導線延伸到冷端,負極不需要與被測介質電位相同。而電磁流量計工作電極與介質接觸并保持同一負電位,是其工作的前置必要條件。
 
3電磁流量計的接地方案
     如圖1所示,當流體切割磁力線產生流量信號時,一個電極上產生正電勢,另一個電極上產生負電勢,為了避免極化反應,兩者交替變化。由于電勢差以流體本身作為零電位,所以電磁流量計傳感器輸出信號的接地點應與被測介質電氣連接,這是電磁流量計工作的必要條件,如不滿足該條件,電磁流量計就不能正常工作。因此,電磁流量計轉換器輸入端中點必須與流體共處于零電位且導通,這樣才能構成對稱的輸入回路。但在工程實施過程中,針對不同的工況場合,仍需采用不同的接地方案。
 
3.1安裝于金屬管道的接地方案
     電磁流量計所測量的介質必須是導電的,所以當電磁流量計安裝于無襯里金屬管道時,如果確認金屬管道已進行了可靠接地,則電磁流量計不再需要單獨接地。原因是因為電磁流量計通過金屬墊片、螺栓和管道已構成了一個整體,電位為0。此處應注意兩個細節:為了避免導磁,電磁流量計本體一般采用不銹鋼材質或碳鋼加非金屬襯里,前面所述的不需要單獨接地的電磁流量計,是針對本體為不銹鋼及其他非導磁金屬材質而言;對于碳鋼加非金屬襯里的,如果不帶非金屬法蘭翻邊,當采用金屬墊片時,不需單獨接地,但對于帶有非金屬法蘭翻邊的電磁流量計,如果連接螺栓的電阻值大于0.03Ω(注:數據來自于GB/T20801.4—2006《壓力管道規范工業管道第4部分:制作與安裝》10.12.1條,經驗數值是數量少于5個),應采用和非金屬管道相同的接地方案。金屬管道電磁流量計接地方案如圖2所示。
金屬管道電磁流量計接地方案示意
3.2安裝于非金屬管道的接地方案
     當電磁流量計安裝在非金屬管道,如塑料管道或有絕緣涂料、絕緣襯里的金屬管道上,則管道內介質無法通過金屬管道與大地連通。該工況下,傳感器的兩端面應要求配帶接地環,使管內流動的被測介質良好接地,具有零電位,否則電磁流量計無法正常工作。非金屬管道電磁流量計接地方案如圖3所示。
非金屬管道電磁流量計接地方案示意
     如3.1節中分析,當電磁流量計安裝在帶非金屬襯里的金屬管道上時,其接地方案與安裝于非金屬管道的接地方案相同,也應采用圖3所示接地方案。
 
     由于接地環不改變電磁流量計的形式,工作時與介質直接接觸,所以大多數情況下是首選方案,但其并不是工程設計中很好的選擇。特別是對于材質特殊的接地環或者口徑較大的接地環,鑒于其費用較高,此類工況可考慮改用增加接地電極即“三電極”的方案來實現工作接地。
 
3.3安裝于帶陰極保護管道的接地方案
     對于埋地敷設且距離較長的金屬管線,為了防止電化學腐蝕,根據不同種類的介質,需強制或推薦設置陰極保護。無論是犧牲陽極的陰保方案還是強制電流的方案,金屬管道在實施陰極保護措施后對大地均為負電位。對于該工況下管道上安裝的電磁流量計,需要將現場儀表作為一個獨立的整體進行接地,不能與金屬管道有任何的導電性電路連接,防止陰極保護的電流通過儀表直接流入大地,嚴重破壞陰極保護的效果。同時為了維持金屬管道陰極保護的整體性,還需要增加導線跨接管道上的法蘭。帶陰極保護管道電磁流量計接地方案如圖4所示。圖4中,接地環與陰極保護的金屬管道絕緣,螺栓與墊片也要與金屬管道之間采用良好的絕緣措施。
非金屬管道電磁流量計接地方案示意
4、電磁流量計的抗干擾措施
     電磁流量計現場儀表正確接地僅為其正常工作的必要條件之一。從干擾源的角度來看,外界磁場、電場均會對電磁流量計產生干擾,對于外界磁場干擾,人們并沒有較好的主動防護措施,一般是在設計過程中要求信號線應采用對絞屏蔽電纜,通過感應平衡來降低磁場干擾。同時在選擇電磁流量計的安裝地點時,應遠離一切電磁干擾源(比如大功率電機、變壓器等)。對于分體式的電磁流量計,轉換器與傳感器間的信號線、勵磁線應使用廠家專用電纜并分別穿管敷設。對于電場的干擾,除做好現場儀表的工作接地外,還應按照規范要求完善轉換器至控制室電纜的屏蔽接地。電磁流量計電信號回路連接與接地如圖5所示。
電磁流量計電信號回路連接與接地示意
5、結束語
     電磁流量計的正確接地,對電磁流量計的正常投用和長期運行來講至關重要,但在工程實施時,應認清“正確接地”并不代表一定要單獨設置接地,比如上文中提到金屬管道有良好接地措施時,即可不需要單獨儀表接地。另外,本文重點討論研究的是管道式電磁流量計,對于插入式電磁流量計,可將管道式兩個法蘭視為一個整體,與插入式電磁流量計單個連接法蘭對應,參考采用上文中提到的接地方案。
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