摘要:電磁流量計是重要的流量計量儀表,廣泛應(yīng)用于化工、石油、水處理、食品加工等領(lǐng)域。本文對電磁流量計的基本結(jié)構(gòu)進行闡述，分別介紹轉(zhuǎn)換器、勵磁線圈、傳感器等重要部件的防爆保護實現(xiàn)方法。最后從產(chǎn)品合格評定角度,簡述防爆電磁流量計在型式試驗過程中所涉及的測試項目。
1前言
電磁流量計是一種用于測量導電液體流量的儀表。作為流程工業(yè)的重要測量手段之一，它的特點包括不受液體的溫度、壓力、密度或黏度影響,能夠檢測含有污染物的液體或固液兩相流體,測量過程無壓力損失、無可動部件、可靠性高等。這使得電磁流量計在石油、化工、給排水工程、鋼鐵制造、食品醫(yī)藥加工等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用場景。
2電磁流量計的工作原理及常規(guī)結(jié)構(gòu)
電磁流量計的工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律。當導電液體在磁場中流動時，液體的運動會切割磁力線,從而在液體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。常規(guī)的電磁流量計內(nèi)部有一對電磁線圈(勵磁線圈)產(chǎn)生恒定磁場,另有一對電極檢測感應(yīng)電動勢。在管道直徑已確定，且磁場強度不變的條件下,感應(yīng)電動勢大小與液體的流速成正比,通過引出感應(yīng)電動勢并進行放大計算,就能得到液體的流量,如圖1所示。
電磁流量計根據(jù)其原理,主要由轉(zhuǎn)換器、勵磁線圈、測量導管、電極(傳感器)及外殼組成。根據(jù)其轉(zhuǎn)換器及測量導管的結(jié)構(gòu)，可分為轉(zhuǎn)換器與測量導管通過金屬支架硬連接的一體式電磁流量計,如圖2(a)所示，以及轉(zhuǎn)換器與測量導管分別固定并通過電纜連接的分體式電磁流量計，如圖2(b)所示帶有就地顯示功能。
電磁流量計各部分的主要功能與結(jié)構(gòu)如下。
(1)轉(zhuǎn)換器:為激勵線圈提供激勵信號,將電極采集到的感應(yīng)電動勢信號放大并轉(zhuǎn)換為標準信號,同時抑制干擾信號。轉(zhuǎn)換器由外殼、信號放大及轉(zhuǎn)換電路、激勵電路等組成,并通過接線端子與外電路連接,輸出經(jīng)轉(zhuǎn)換的標準信號。大部分轉(zhuǎn)換器還帶有就地顯示功能。
(2)勵磁線圈:接受轉(zhuǎn)換器傳輸來的直流或交流激勵信號,產(chǎn)生均勻的直流或交流磁場。勵磁線圈通常由導電材料(如銅線)繞制的線圈本體、磁軛、絕緣材料等組成。
(3)測量導管:允許被測導電液體通過,一般由非磁性、低導電率、低導熱率且具有一定機械強度的材料組成。基于法拉第電磁感應(yīng)原理,測量導管一般需要一定長度的直管段,且其內(nèi)側(cè),及連接法蘭的密封面上需涂覆--層均勻完整的絕緣襯里,襯里材料可為PTFE或陶瓷等,以增加測量導管的耐腐蝕性，并防止感應(yīng)電動勢被金屬測量導管壁短路。此外勵磁線圈及測量導管外還有一個接地的金屬材料外殼,用于保護上述結(jié)構(gòu),并隔離外部磁場干擾。
(4)電極:用于測量及引出導電液體在磁場作用下流過測量導管時所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢。一般由非磁性的不銹鋼、鈦金屬、鉑銥合金等制成,一般安裝在測量導管內(nèi)壁并與絕緣襯里平齊。
3防爆電磁流量計的實現(xiàn)方法
現(xiàn)行fangbo保護相關(guān)標準所涉及的點燃源共有13種2。根據(jù)電磁fangbao流量計的結(jié)構(gòu)特點,無須考慮機械火花、火焰和熱氣體等導致的點燃危險,僅需考慮熱表面、電氣設(shè)備及靜電等點燃源引起的點燃危險。根據(jù)電磁流量計不同部分的結(jié)構(gòu)特點,單一電氣防爆保護型式很難使其達到相應(yīng)的保護等級要求。故分別采用不同防爆保護型式對其轉(zhuǎn)換器、勵磁線圈及電極進行保護。本文將就其中應(yīng)用最為廣泛的一種進行介紹。
3.1防爆電磁流量計的整體防爆設(shè)計
一體式電磁流量計和分體式電磁流量計不同部分結(jié)構(gòu)大致相同,僅測量導管與轉(zhuǎn)換器的連接方式有所區(qū)別。故對兩者而言,整體防爆設(shè)計基本一致。
對于一體式電磁流量計,其轉(zhuǎn)換器部分一般采用隔爆外殼型(Exd,以下簡稱隔爆型)防爆保護型式;勵磁線圈及測量導管外殼采用增安型(Exe)防爆保護型式;電極部分則采用本質(zhì)安全型(Exi,以下簡稱本安型)保護型式間。需注意的是,由于電極部分采用本質(zhì)安全型保護型式,根據(jù)標準要求”,還需在電極與放大、轉(zhuǎn)換電路間設(shè)置安全柵電路,而這一部分一般位于隔爆型轉(zhuǎn)換器殼體內(nèi),或澆封在轉(zhuǎn)換器與測量導管間的金屬支架中，如圖3所示。一體式電磁流量計的防爆標志一般為ExdbebiaIICT*Gb,其溫度組別T*主要由自身發(fā)熱、使用環(huán)境溫度_上限及最高介質(zhì)溫度決定。
對于分體式電磁流量計,一般在上述結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,將轉(zhuǎn)換器與測量導管部分分離,獨立為分體式電磁流量轉(zhuǎn)換器;另采用隔爆型接線盒經(jīng)金屬支架與測量導管連接組成分體式電磁流量傳感器。轉(zhuǎn)換器與傳感器間則采用阻燃填料電纜連接,電極的安全柵電路位于傳感器隔爆型接線盒內(nèi),如圖4所示，分體式電磁流量轉(zhuǎn)換器防爆標志一般為ExdbIICT6Gb,分體式電磁流量傳感器防爆標志-.般為ExdbebiaIICT*Gb,其溫度組別T*同樣由.自身發(fā)熱、使用環(huán)境溫度上限及最高介質(zhì)溫度決定。
3.2隔爆型轉(zhuǎn)換器
如上所述,轉(zhuǎn)換器部分一般采用隔爆型防爆保護型式,并被設(shè)計為2個相互隔離的隔爆腔體,即主腔與接線腔。由于隔爆型保護型式的特性,其主腔內(nèi)部可容納下主板、傳感器板、顯示模塊等帶有大量儲能元件以及開關(guān)觸點元件的電路模塊。單獨設(shè)置接線腔,既可使安全接線簡單明了,又可避免與開關(guān)觸點元件位于同一隔爆腔體內(nèi)而違反相關(guān)標準回的要求。另外,這一結(jié)構(gòu)還可避免單一隔爆腔體長寬比過大、內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)復雜而引起的壓力重疊現(xiàn)象”。外殼材質(zhì)需滿足相應(yīng)設(shè)備保護級別(equipmentprotectionlevel,EPL)對輕金屬含量的限制要求;外殼如有噴漆,其厚度還需滿足相應(yīng)氣體組別的限制要求。接線腔外電路連接端子一般選用已取得認證的產(chǎn)品。
隔爆型轉(zhuǎn)換器主要涉及的隔爆接合面或火焰通路如下:
(1)螺紋接合面:接線腔蓋與主殼體間、視窗蓋(主腔蓋)與主殼體間、測量導管連接腔蓋與主殼體間(僅適用于分體式電磁流量計)、電纜引人裝置連接口。其螺紋規(guī)格、嚙合長度、配合精度等須符合GB/T3836.2-2021標準第5.3條要求。此外前效方法固定。
(2)非螺紋接合面:主殼體與支架間。該接合面一般為止口接合面,需符合GB/T3836.2-2021標準第5.2條要求,且采用符合GB/T3836.2--2021標準附錄F的特殊緊固件進行固定。
(3)黏結(jié)接合面:視窗玻璃與視窗蓋間、接線腔與主腔間、金屬支架內(nèi)。其黏結(jié)結(jié)構(gòu)、接合面寬度等需符合GB/T3836.2--2021標準第6.1條要求。
3.3增安型激勵線圈
激勵線圈一般采用增安型設(shè)計。激勵線圈安裝在測量導管與金屬外殼間形成的腔體內(nèi),腔體一般整體灌封,整體外殼防護等級不低于IP54要求。根據(jù)測量導管的口徑不同,激勵線圈所采用的導體線徑、繞制匝數(shù)等均有不同,但其結(jié)構(gòu)、電氣間隙與爬電距離、絕緣耐熱性能必須符合GB/T3836.3-2021標準4.3、4.4.4.7.4.8要求。激勵線圈引出線與轉(zhuǎn)換器激勵電路間的連接還應(yīng)符合GB/T3836.3--2021標準4.2.3要求。
3.4本安型電極及安全柵電路
電極采集的感應(yīng)電動勢信號通常很小,在10mV以下,且電極本身為無源器件,能滿足本安型保護型式的要求。但由于所采集信號需傳輸至轉(zhuǎn)換器進行放大、轉(zhuǎn)換，當后續(xù)電路產(chǎn)生故障時,危險能量可能反向傳導至電極,并在電極與流體介質(zhì)間形成放電,進而導致點燃危險事故,因此電極與后續(xù)電路間應(yīng)再設(shè)置安全柵電路作為安全屏障。
安全柵電路一般采用大阻值電阻與齊納二極管的組合,并單獨設(shè)置安全柵電路板。器件的參數(shù)選擇需考慮1.5倍安全裕度要求,并根據(jù)GB/T3836.4--2021標準附錄A進行火花點燃符合性評定。電路板應(yīng)符合GB/T3836.4--2021標準關(guān)于印制電路板(printedcircuitboard,PCB)的相關(guān)要求。需注意的是,由于一般采用齊納式安全柵結(jié)構(gòu),因此PCB.上必須保證有2個獨立的接地線路通過外殼接地。在齊納二極管選型時,還應(yīng)注意選取齊納電壓較高(如V,=14.98V)的器件。這是因為如選用齊納電壓較低的器件,其較大的漏電流可能會影響電磁流量計測量精度。
此外,由于安全柵電路本身不能直接應(yīng)用于爆炸性危險場所,因此,一般將其安裝于隔爆型轉(zhuǎn)換器(一體式電磁流量計)或隔爆型接線盒(分體式電磁流量計)內(nèi),且其本安輸出端導體與其余非本安電路導體間應(yīng)至少間隔50mm以上。
3.5隔爆型接線盒(僅適用于分體式電磁流量傳感器)
分體式電磁流量計的傳感器部分由一個隔爆型接線盒代替原本直接連接的隔爆型轉(zhuǎn)換器。隔爆型接線盒內(nèi)有用于與分體式轉(zhuǎn)換器連接的端子及安全柵電路板。該接線盒為單腔設(shè)計,結(jié)構(gòu)相對簡單,內(nèi)部容積較小，故一般不會產(chǎn)生爆炸壓力重疊現(xiàn)象。隔爆接線盒與轉(zhuǎn)換器間采用阻燃填料電纜連接,其中用于感應(yīng)電動勢信號傳輸?shù)木�纜應(yīng)帶有屏蔽層。
隔爆型接線盒涉及的隔爆接合面或火焰通路主要如下:
(1)螺紋接合面:接線腔蓋與殼體間、電纜引人裝置連接口。其螺紋規(guī)格、嚙合長度、配合精度等需符合GB/T3836.2--2021標準5.3要求。此外第一個螺紋接合面還應(yīng)采用內(nèi)六角緊定螺釘或其他等效方法固定。
(2)非螺紋接合面:殼體與金屬支架間。該接合面一般為止口接合面,需符合GB/T3836.2一2021標準5.2要求，且采用符合GB/T3836.2-2021標準附錄F的特殊緊固件進行固定。
(3)黏結(jié)接合面:金屬支架內(nèi)。其黏結(jié)結(jié)構(gòu)、接合面寬度等需符合GB/T3836.2--2021標準6.1要求。
4防爆電磁流量計的型式試驗項目
由于防爆電磁流量計采用多種防爆保護型式復合而成,故其型式試驗應(yīng)根據(jù)不同部分的防爆特性進行設(shè)計。根據(jù)相關(guān)標準,電磁流量計所涉及的型式試驗項目主要如下:
(1)GB/T3836.1-2021標準相關(guān)試驗。①溫度測定試驗;②耐熱試驗、耐寒試驗;③抗沖擊試驗;④外殼防護等級試驗;⑤熱劇變試驗。
(2)GB/T3836.2--2021標準相關(guān)試驗。①外殼耐壓試驗;②內(nèi)部點燃的不傳爆試驗。
(3)GB/T3836.3-2021標準相關(guān)試驗。絕緣介電強度試驗。
(4)GB/T3836.4--2021標準相關(guān)試驗。①火花點燃試驗(曲線評定);②規(guī)定不嚴密的元件參數(shù)的測定(安全柵電路齊納二極管);③機械試驗。
上述試驗中,溫度測定試驗的條件較為復雜。對于不同防爆保護形式,溫度試驗測試條件差異較大。對于隔爆型轉(zhuǎn)換器，需在額定輸人參數(shù)及110%額定輸入?yún)?shù)條件下測量其金屬殼體表面及非金屬部件處的工作溫度及最高表面溫度;增安型激勵線圈需在最大激勵電流條件下,采用電阻法測得其線圈溫升;而對于本質(zhì)安全電路,則需根據(jù)各器件的熱阻系數(shù)及最大耗散功率計算其最大溫升。此外,還應(yīng)考慮被測液體的最高介質(zhì)溫度對測試結(jié)果的影響。
其他各項試驗的具體條件在各標準中均有詳細描述,這里不再列舉。
5結(jié)語
目前電磁流量計已被廣泛地應(yīng)用在各個涉及導電性流體測量的領(lǐng)域中。本文對常規(guī)電磁流量計的防爆保護實現(xiàn)方法及相關(guān)型式試驗測試項目進行歸納與概述。隨著測量技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展,電磁流量計的結(jié)構(gòu)也在不斷推陳出新。
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