摘要:電磁流量計(jì)是重要的流量計(jì)量?jī)x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(duì)電磁流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述，分別介紹轉(zhuǎn)換器、勵(lì)磁線圈、傳感器等重要部件的防爆保護(hù)實(shí)現(xiàn)方法。最后從產(chǎn)品合格評(píng)定角度,簡(jiǎn)述防爆電磁流量計(jì)在型式試驗(yàn)過(guò)程中所涉及的測(cè)試項(xiàng)目。
1前言
電磁流量計(jì)是一種用于測(cè)量導(dǎo)電液體流量的儀表。作為流程工業(yè)的重要測(cè)量手段之一，它的特點(diǎn)包括不受液體的溫度、壓力、密度或黏度影響,能夠檢測(cè)含有污染物的液體或固液兩相流體,測(cè)量過(guò)程無(wú)壓力損失、無(wú)可動(dòng)部件、可靠性高等。這使得電磁流量計(jì)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(chǎng)景。
2電磁流量計(jì)的工作原理及常規(guī)結(jié)構(gòu)
電磁流量計(jì)的工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律。當(dāng)導(dǎo)電液體在磁場(chǎng)中流動(dòng)時(shí)，液體的運(yùn)動(dòng)會(huì)切割磁力線,從而在液體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。常規(guī)的電磁流量計(jì)內(nèi)部有一對(duì)電磁線圈(勵(lì)磁線圈)產(chǎn)生恒定磁場(chǎng),另有一對(duì)電極檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在管道直徑已確定，且磁場(chǎng)強(qiáng)度不變的條件下,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與液體的流速成正比,通過(guò)引出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并進(jìn)行放大計(jì)算,就能得到液體的流量,如圖1所示。
電磁流量計(jì)根據(jù)其原理,主要由轉(zhuǎn)換器、勵(lì)磁線圈、測(cè)量導(dǎo)管、電極(傳感器)及外殼組成。根據(jù)其轉(zhuǎn)換器及測(cè)量導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)，可分為轉(zhuǎn)換器與測(cè)量導(dǎo)管通過(guò)金屬支架硬連接的一體式電磁流量計(jì),如圖2(a)所示，以及轉(zhuǎn)換器與測(cè)量導(dǎo)管分別固定并通過(guò)電纜連接的分體式電磁流量計(jì)，如圖2(b)所示帶有就地顯示功能。
電磁流量計(jì)各部分的主要功能與結(jié)構(gòu)如下。
(1)轉(zhuǎn)換器:為激勵(lì)線圈提供激勵(lì)信號(hào),將電極采集到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),同時(shí)抑制干擾信號(hào)。轉(zhuǎn)換器由外殼、信號(hào)放大及轉(zhuǎn)換電路、激勵(lì)電路等組成,并通過(guò)接線端子與外電路連接,輸出經(jīng)轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。大部分轉(zhuǎn)換器還帶有就地顯示功能。
(2)勵(lì)磁線圈:接受轉(zhuǎn)換器傳輸來(lái)的直流或交流激勵(lì)信號(hào),產(chǎn)生均勻的直流或交流磁場(chǎng)。勵(lì)磁線圈通常由導(dǎo)電材料(如銅線)繞制的線圈本體、磁軛、絕緣材料等組成。
(3)測(cè)量導(dǎo)管:允許被測(cè)導(dǎo)電液體通過(guò),一般由非磁性、低導(dǎo)電率、低導(dǎo)熱率且具有一定機(jī)械強(qiáng)度的材料組成。基于法拉第電磁感應(yīng)原理,測(cè)量導(dǎo)管一般需要一定長(zhǎng)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(cè)量導(dǎo)管的耐腐蝕性，并防止感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)被金屬測(cè)量導(dǎo)管壁短路。此外勵(lì)磁線圈及測(cè)量導(dǎo)管外還有一個(gè)接地的金屬材料外殼,用于保護(hù)上述結(jié)構(gòu),并隔離外部磁場(chǎng)干擾。
(4)電極:用于測(cè)量及引出導(dǎo)電液體在磁場(chǎng)作用下流過(guò)測(cè)量導(dǎo)管時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。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(cè)量導(dǎo)管內(nèi)壁并與絕緣襯里平齊。
3防爆電磁流量計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法
現(xiàn)行fangbo保護(hù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所涉及的點(diǎn)燃源共有13種2。根據(jù)電磁fangbao流量計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),無(wú)須考慮機(jī)械火花、火焰和熱氣體等導(dǎo)致的點(diǎn)燃危險(xiǎn),僅需考慮熱表面、電氣設(shè)備及靜電等點(diǎn)燃源引起的點(diǎn)燃危險(xiǎn)。根據(jù)電磁流量計(jì)不同部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),單一電氣防爆保護(hù)型式很難使其達(dá)到相應(yīng)的保護(hù)等級(jí)要求。故分別采用不同防爆保護(hù)型式對(duì)其轉(zhuǎn)換器、勵(lì)磁線圈及電極進(jìn)行保護(hù)。本文將就其中應(yīng)用最為廣泛的一種進(jìn)行介紹。
3.1防爆電磁流量計(jì)的整體防爆設(shè)計(jì)
一體式電磁流量計(jì)和分體式電磁流量計(jì)不同部分結(jié)構(gòu)大致相同,僅測(cè)量導(dǎo)管與轉(zhuǎn)換器的連接方式有所區(qū)別。故對(duì)兩者而言,整體防爆設(shè)計(jì)基本一致。
對(duì)于一體式電磁流量計(jì),其轉(zhuǎn)換器部分一般采用隔爆外殼型(Exd,以下簡(jiǎn)稱隔爆型)防爆保護(hù)型式;勵(lì)磁線圈及測(cè)量導(dǎo)管外殼采用增安型(Exe)防爆保護(hù)型式;電極部分則采用本質(zhì)安全型(Exi,以下簡(jiǎn)稱本安型)保護(hù)型式間。需注意的是,由于電極部分采用本質(zhì)安全型保護(hù)型式,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量導(dǎo)管間的金屬支架中，如圖3所示。一體式電磁流量計(jì)的防爆標(biāo)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(duì)于分體式電磁流量計(jì),一般在上述結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,將轉(zhuǎn)換器與測(cè)量導(dǎo)管部分分離,獨(dú)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(cè)量導(dǎo)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(biāo)志一般為ExdbIICT6Gb,分體式電磁流量傳感器防爆標(biāo)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(hù)型式,并被設(shè)計(jì)為2個(gè)相互隔離的隔爆腔體,即主腔與接線腔。由于隔爆型保護(hù)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?jī)?chǔ)能元件以及開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)元件的電路模塊。單獨(dú)設(shè)置接線腔,既可使安全接線簡(jiǎn)單明了,又可避免與開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)元件位于同一隔爆腔體內(nèi)而違反相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)回的要求。另外,這一結(jié)構(gòu)還可避免單一隔爆腔體長(zhǎng)寬比過(guò)大、內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)復(fù)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(hù)級(jí)別(equipmentprotectionlevel,EPL)對(duì)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(rèn)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(cè)量導(dǎo)管連接腔蓋與主殼體間(僅適用于分體式電磁流量計(jì))、電纜引人裝置連接口。其螺紋規(guī)格、嚙合長(zhǎng)度、配合精度等須符合GB/T3836.2-2021標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)第5.2條要求,且采用符合GB/T3836.2--2021標(biāo)準(zhǔn)附錄F的特殊緊固件進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)第6.1條要求。
3.3增安型激勵(lì)線圈
激勵(lì)線圈一般采用增安型設(shè)計(jì)。激勵(lì)線圈安裝在測(cè)量導(dǎo)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(hù)等級(jí)不低于IP54要求。根據(jù)測(cè)量導(dǎo)管的口徑不同,激勵(lì)線圈所采用的導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)4.3、4.4.4.7.4.8要求。激勵(lì)線圈引出線與轉(zhuǎn)換器激勵(lì)電路間的連接還應(yīng)符合GB/T3836.3--2021標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)勢(shì)信號(hào)通常很小,在10mV以下,且電極本身為無(wú)源器件,能滿足本安型保護(hù)型式的要求。但由于所采集信號(hào)需傳輸至轉(zhuǎn)換器進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換，當(dāng)后續(xù)電路產(chǎn)生故障時(shí),危險(xiǎn)能量可能反向傳導(dǎo)至電極,并在電極與流體介質(zhì)間形成放電,進(jìn)而導(dǎo)致點(diǎn)燃危險(xiǎn)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(dú)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(biāo)準(zhǔn)附錄A進(jìn)行火花點(diǎn)燃符合性評(píng)定。電路板應(yīng)符合GB/T3836.4--2021標(biāo)準(zhǔn)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(gè)獨(dú)立的接地線路通過(guò)外殼接地。在齊納二極管選型時(shí),還應(yīng)注意選取齊納電壓較高(如V,=14.98V)的器件。這是因?yàn)槿邕x用齊納電壓較低的器件,其較大的漏電流可能會(huì)影響電磁流量計(jì)測(cè)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(xiǎn)場(chǎng)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(jì))或隔爆型接線盒(分體式電磁流量計(jì))內(nèi),且其本安輸出端導(dǎo)體與其余非本安電路導(dǎo)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(jì)的傳感器部分由一個(gè)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(jì),結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,內(nèi)部容積較小，故一般不會(huì)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(dòng)勢(shì)信號(hào)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(zhǎng)度、配合精度等需符合GB/T3836.2--2021標(biāo)準(zhǔn)5.3要求。此外第一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)5.2要求，且采用符合GB/T3836.2-2021標(biāo)準(zhǔn)附錄F的特殊緊固件進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)6.1要求。
4防爆電磁流量計(jì)的型式試驗(yàn)項(xiàng)目
由于防爆電磁流量計(jì)采用多種防爆保護(hù)型式復(fù)合而成,故其型式試驗(yàn)應(yīng)根據(jù)不同部分的防爆特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),電磁流量計(jì)所涉及的型式試驗(yàn)項(xiàng)目主要如下:
(1)GB/T3836.1-2021標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)試驗(yàn)。①溫度測(cè)定試驗(yàn);②耐熱試驗(yàn)、耐寒試驗(yàn);③抗沖擊試驗(yàn);④外殼防護(hù)等級(jí)試驗(yàn);⑤熱劇變?cè)囼?yàn)。
(2)GB/T3836.2--2021標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)試驗(yàn)。①外殼耐壓試驗(yàn);②內(nèi)部點(diǎn)燃的不傳爆試驗(yàn)。
(3)GB/T3836.3-2021標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)試驗(yàn)。絕緣介電強(qiáng)度試驗(yàn)。
(4)GB/T3836.4--2021標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)試驗(yàn)。①火花點(diǎn)燃試驗(yàn)(曲線評(píng)定);②規(guī)定不嚴(yán)密的元件參數(shù)的測(cè)定(安全柵電路齊納二極管);③機(jī)械試驗(yàn)。
上述試驗(yàn)中,溫度測(cè)定試驗(yàn)的條件較為復(fù)雜。對(duì)于不同防爆保護(hù)形式,溫度試驗(yàn)測(cè)試條件差異較大。對(duì)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(cè)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(lì)線圈需在最大激勵(lì)電流條件下,采用電阻法測(cè)得其線圈溫升;而對(duì)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(jì)算其最大溫升。此外,還應(yīng)考慮被測(cè)液體的最高介質(zhì)溫度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。
其他各項(xiàng)試驗(yàn)的具體條件在各標(biāo)準(zhǔn)中均有詳細(xì)描述,這里不再列舉。
5結(jié)語(yǔ)
目前電磁流量計(jì)已被廣泛地應(yīng)用在各個(gè)涉及導(dǎo)電性流體測(cè)量的領(lǐng)域中。本文對(duì)常規(guī)電磁流量計(jì)的防爆保護(hù)實(shí)現(xiàn)方法及相關(guān)型式試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行歸納與概述。隨著測(cè)量技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展,電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)也在不斷推陳出新。
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