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電磁流量計接地問題的研究與設定方案

來源│▩:作者│▩:發表時間│▩:2022-03-16 08:16:32

               摘要│▩:電磁流量計區別於其他流量計▩│↟☁,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迴圈水管線·☁•、新鮮水管線·☁•、含鹽汙水管線流量測量;烷基化裝置中濃硫酸·☁•、稀硫酸·☁•、中間酸等介質管線流量測量;硫磺裝置中鹼液·☁•、急冷水等管線流量測量◕╃▩▩✘。由於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▩│↟☁,有助於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
              電磁流量計是基於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▩│↟☁,透過切割磁力線產生感應電勢◕╃▩▩✘。電磁流量計的感測器透過位於導體兩端的正負電極來獲取電勢訊號▩│↟☁,再透過訊號線傳遞給轉換器▩│↟☁,經過訊號放大·☁•、轉換後傳輸到控制室◕╃▩▩✘。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為係數▩│↟☁,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後法蘭間(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▩│↟☁,還應透過可靠的接地來保持零電位;同時▩│↟☁,由於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▩│↟☁,需透過接地將感測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於其他流量計的根本原因◕╃▩▩✘。
 
2.2與熱電偶訊號的不同
              電磁流量計工作時▩│↟☁,電極間產生的訊號為毫伏級▩│↟☁,如2.1節所述▩│↟☁,這是其現場儀表需可靠接地的原因之一▩│↟☁,但並非所有的毫伏級訊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訊號的熱電偶▩│↟☁,其現場儀表工作時不需要採取單獨的接地措施◕╃▩▩✘。究其原因▩│↟☁,是因為熱電偶的毫伏級訊號產生於熱端和冷端▩│↟☁,兩種不同材質的電極由於熱電效應▩│↟☁,在熱端構成了正負極▩│↟☁,並透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並保持同一負電位▩│↟☁,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訊號時▩│↟☁,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◕╃▩▩✘。由於電勢差以流體本身作為零電位▩│↟☁,所以電磁流量計感測器輸出訊號的接地點應與被測介質電氣連線▩│↟☁,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於零電位且導通▩│↟☁,這樣才能構成對稱的輸入迴路◕╃▩▩✘。但在工程實施過程中▩│↟☁,針對不同的工況場合▩│↟☁,仍需採用不同的接地方案◕╃▩▩✘。
 
3.1安裝於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於無襯裡金屬管道時▩│↟☁,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透過金屬墊片·☁•、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採用不鏽鋼材質或碳鋼加非金屬襯裡▩│↟☁,前面所述的不需要單獨接地的電磁流量計▩│↟☁,是針對本體為不鏽鋼及其他非導磁金屬材質而言;對於碳鋼加非金屬襯裡的▩│↟☁,如果不帶非金屬法蘭翻邊▩│↟☁,當採用金屬墊片時▩│↟☁,不需單獨接地▩│↟☁,但對於帶有非金屬法蘭翻邊的電磁流量計▩│↟☁,如果連線螺栓的電阻值大於0.03Ω(注│▩:資料來自於GB/T20801.4—2006《壓力管道規範工業管道第4部分│▩:製作與安裝》10.12.1條▩│↟☁,經驗數值是數量少於5個)▩│↟☁,應採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安裝於非金屬管道的接地方案
     當電磁流量計安裝在非金屬管道▩│↟☁,如塑膠管道或有絕緣塗料·☁•、絕緣襯裡的金屬管道上▩│↟☁,則管道內介質無法透過金屬管道與大地連通◕╃▩▩✘。該工況下▩│↟☁,感測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▩│↟☁,當智慧電磁流量計安裝在帶非金屬襯裡的金屬管道上時▩│↟☁,其接地方案與安裝於非金屬管道的接地方案相同▩│↟☁,也應採用圖3所示接地方案◕╃▩▩✘。
 
     由於接地環不改變智慧電磁流量計的形式▩│↟☁,工作時與介質直接接觸▩│↟☁,所以大多數情況下是shou選方案▩│↟☁,但其並不是工程設計中很好的選擇◕╃▩▩✘。特別是對於材質特殊的接地環或者口徑較大的接地環▩│↟☁,鑑於其費用較高▩│↟☁,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安裝於帶陰極保護管道的接地方案
     對於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▩│↟☁,需強制或推鍵設定陰極保護◕╃▩▩✘。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後對大地均為負電位◕╃▩▩✘。對於該工況下管道上安裝的智慧電磁流量計▩│↟☁,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線▩│↟☁,防止陰極保護的電流透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採用良好的絕緣措施◕╃▩▩✘。
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
     智慧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▩│↟☁,對於外界磁場干擾▩│↟☁,人們並沒有較好的主動防護措施▩│↟☁,一般是在設計過程中要求訊號線應採用對絞遮蔽電纜▩│↟☁,透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)◕╃▩▩✘。對於分體式的電磁流量計▩│↟☁,轉換器與感測器間的訊號線·☁•、勵磁線應使用廠家專用電纜並分別穿管敷設◕╃▩▩✘。對於電場的干擾▩│↟☁,除做好現場儀表的工作接地外▩│↟☁,還應按照規範要求完善轉換器至控制室電纜的遮蔽接地◕╃▩▩✘。智慧電磁流量計電訊號迴路連線與接地如圖5所示◕╃▩▩✘。
電磁流量計電訊號迴路連線與接地示意
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執行來講至關重要▩│↟☁,但在工程實施時▩│↟☁,應認清“正確接地”並不代表一定要單獨設定接地▩│↟☁,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▩│↟☁,對於插入式電磁流量計▩│↟☁,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線法蘭對應▩│↟☁,參考採用上文中提到的接地方案◕╃▩▩✘。
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