排水口流量計的基本原理與接地的重要性
點擊次數(shù)：2602 發(fā)布時間：2021-09-06 07:35:11
排水口流量計的對于準確，可靠的測量性能至關(guān)重要。流經(jīng)流體或儀器的雜散交流或直流電流會產(chǎn)生噪聲信號，這些噪聲信號又可能會干擾當今現(xiàn)代脈沖直流磁力計產(chǎn)生的相對較低的流量信號。制造商提供了各種元素（接地帶，接地電極，接地環(huán)，襯里保護器）和排水口流量計標準接地說明。
存在某些過程條件，用戶無法或不應該使用與相鄰管道和地面的傳統(tǒng)接地連接。這些流量測量應用在電解過程和陰極保護應用中經(jīng)常遇到。
在這種情況下，流過磁力計傳感器的流體可能處于比地面大得多或更低的電勢，并且與地面的連接可能會損害磁力計的性能甚至可靠性。
這些應用通常會通過使用不導電或帶襯里的管道而變得更加復雜，并且可能會出現(xiàn)酸或腐蝕性流，這可能需要使用昂貴的濕式電極和接地材料（例如鈦，鉑或鉭）。有關(guān)這些特殊安裝要求的完整詳細信息，請參閱標題為“特殊應用”的部分。
磁力儀工作原理
排水口流量計的工作原理基于法拉*電磁感應定律，該定律指出在通過磁場的導體中會感應出電壓。
法拉*定律：E = kBDV
感應電壓E的大小與導體V的速度，導體寬度D和磁場B的強度成正比。
次級（或發(fā)射器）將受控電流提供給線圈以產(chǎn)生磁場，并對信號進行放大，濾波并將其轉(zhuǎn)換為用戶輸出，例如4 - 20 mA，頻率或數(shù)字通信信息（HART，F(xiàn)OUNDATION現(xiàn)場總線，Profibus）。
在現(xiàn)代的脈沖直流磁力計中，生??成的信號實際上很小：通常為每秒每英尺100 uV的流速（每秒每米300 uV的流速）。由于該信號非常小，因此排水口流量計的設(shè)計者和用戶必須采取措施將噪聲降至*低并*大化噪聲抑制。這些步驟之一是正確接地系統(tǒng)。
接地/安全接地
為避免對操作人員造成危害，必須始終按照當?shù)氐碾姎夥ㄒ?guī)安裝電氣設(shè)備并進行布線。對于交流供電設(shè)備，通常采取將設(shè)備外殼連接到地面的形式
通常是通過將接地的綠線連接到排水口流量計變送器接線區(qū)域中的接地片上來完成的。如果變送器一體安裝在傳感器上，則傳感器也會自動連接到地面。
通常，磁力計的相鄰管道會提供與地面的連接。通常也通過電源連接在變送器上接地。
重要的是，如果兩個接地都建立了，那么它們之間的阻抗必須非常低。如果這些接地連接之間的阻抗很高，則可能導致通過線圈屏蔽線的電流較大。
基本過程接地
建立過程區(qū)域是*重要的安裝細節(jié)之一。正確的過程接地可確保傳感器和流體的電位相同，從而僅測量感應的流量信號。為什么這是必要的？為了回答這個問題，讓我們看一下排水口流量計傳感器和變送器如何電氣連接。
在典型的脈沖直流磁力計中，流量信號連接到差分放大器，該差分放大器與變送器外殼電氣隔離。接地過程為該差分放大器提供了穩(wěn)定的參考。
在大多數(shù)應用中，*佳和*穩(wěn)定的參考是接地本身。通過將磁力計傳感器，流體和放大器的基準連接到穩(wěn)定的無噪聲基準點，可以確保用戶從其排水口流量計中獲得*佳性能。
圖1.傳感器和變送器之間的基本電氣連接
的接地裝置主要由在其上安裝了排水口流量計管的類型來確定。
導電無襯管，導電襯管和非導電管的推薦接地布置如圖2 -圖4所示。
接地環(huán)與接地電極
如前圖所示，當靠近排水口流量計的管道不能提供良好的流體電連接時，需要接地環(huán)或接地電極。也就是說，管道內(nèi)襯或由非導電材料制成。
接地環(huán)或接地電極可提供與過程流體所需的電連接。接地電極是傳感器不可或缺的一部分，因此安裝更容易且成本更低，特別是在需要“外來”材料時。
接地環(huán)提供了更大的表面積與過程流體的連接，并限制了相鄰管道的電導率的影響，這對于晶圓式傳感器而言非常重要。因此，在以下情況下，建議在接地電極上使用接地環(huán)：
流體電導率小于100uS / cm
晶圓型傳感器安裝在非導電管道或襯里管道中
可能導致管道底部出現(xiàn)涂層或堆積的應用
電解過程或陰極保護應用
特殊應用
電解工藝應用
在典型的電解過程中，磁力儀用于測量進料流體進入電解槽的流量。將大的直流電流（1000安培或更高）饋入電解槽以驅(qū)動電解過程。產(chǎn)生的液體和氣體也可以通過其他流量計進行監(jiān)控。
電解過程可能發(fā)生在一個反應??器或非常多的電池中。在后一種情況下，每個單元都可以具有自己的排水口流量計，用于進料流量測量。
無論采用哪種布置，存在的大電壓和電流都可能導致電流以意想不到的方式流動。這里感興趣的電流一般分為兩種：
電流流過磁力計
電流流經(jīng)接地組件
兩種類型的電流都可能出現(xiàn)在這些類型的典型應用中。在*一種情況下，流過傳感器的流體中的電流會產(chǎn)生噪聲，該噪聲可能會干擾低電平流量信號。測試表明，該噪聲隨電流水平變化，并且具有容易干擾流量信號的成分。
結(jié)果通常不是流量測量不準確，而是流量測量不穩(wěn)定，可能使控制變得困難或不可能。在這種情況下，接地環(huán)提供了一條路徑，可將排水口流量計中流體周圍的電流分流。
如果發(fā)生以下情況，則可能會流過接地組件：
一個系統(tǒng)中使用多個磁力儀；
他們有不同的潛力；
3.多個排水口流量計的接地組件綁在一個公共點上。*常見的公共點可能是通過接地的綠線。諸如此類的情況導致接地部件的高度腐蝕，甚至導致接地電極周圍的密封性喪失，甚至包括喪失密封性。此外，流經(jīng)接地組件的電流會產(chǎn)生噪聲，從而導致不穩(wěn)定的排水口流量計輸出。
電解工藝應用建議
1.與地面隔離：在這種情況下，排水口流量計應僅與過程電氣連接。由于排水口流量計未接地，因此應使用隔離的直流電源（約24 VDC），以避免安全問題。如果沒有隔離的直流電源，則必須將變送器從傳感器遠程安裝。始終遵守所有適用的**和地方安全法規(guī)。
2.使用接地環(huán)或襯里保護器，而不要使用接地電極：接地環(huán)使過程暴露更多的表面；如果電流流動，將產(chǎn)生較少的噪聲，從而為放大器提供更穩(wěn)定的參考。使用兩個接地環(huán)將提供一條路徑，以使排水口流量計中的流體周圍的電流分流。
3.具體的連接：接地環(huán)或襯里保護器應如圖5所示進行連接。將兩個接地環(huán)都連接到傳感器外殼上以使流過電極附近的過程流體的電流*小化非常重要。
4.選擇37 Hz線圈驅(qū)動頻率：這些應用中產(chǎn)生的噪聲通常具有1 / f特性；即，噪聲的幅度隨著頻率的增加而減小。由于該特性，在較高的線圈驅(qū)動頻率下噪聲較小，并且輸出更加穩(wěn)定。
陰極保護應用
陰極保護是一種通過使金屬表面成為電化學電池中的陰極來限制金屬表面腐蝕的技術(shù)。另一塊更容易腐蝕的金屬成為電化學電池中的陽極。在長管道中，大的直流電流流過過程流體以驅(qū)動陰極保護。
在這些應用中，只有陽極與大地接地非常重要。如果存在另一個接地點，它也可以為陰極保護系統(tǒng)提供陽極材料。因此，所有管道和儀器（包括排水口流量計）必須與地面隔離。
陰極保護應用建議
1.與地面隔離：在這種情況下，排水口流量計應僅與過程電氣連接。由于排水口流量計未接地，因此應使用隔離的直流電源（約24 VDC），以避免安全問題。如果沒有隔離的直流電源，則必須將變送器從傳感器遠程安裝。始終遵守所有適用的**和地方安全法規(guī)。
2.使用接地環(huán)或襯里保護器，而不要使用接地電極：接地環(huán)使過程暴露更多的表面；如果電流流動，將產(chǎn)生較少的噪聲，從而為放大器提供更穩(wěn)定的參考。使用兩個接地環(huán)將提供一條路徑，以使排水口流量計中的流體周圍的電流分流。
3.具體的連接：接地環(huán)或襯里保護器應如圖5所示進行連接。將兩個接地環(huán)都連接到傳感器外殼上以使流過電極附近的過程流體的電流*小化非常重要。
4.特殊差分放大器：在某些安裝中，即使管道中有流量，變送器的輸出也可能被驅(qū)動為0。這是由于陰極保護系統(tǒng)的DC電壓干擾了變送器電極信號電路中標準差分放大器的工作而引起的。如果發(fā)生這種情況，則應安裝具有特殊選件的新變送器，或?qū)⑵涮鎿Q為現(xiàn)有變送器。
結(jié)論：
排水口流量計的正確接地是*重要的安裝細節(jié)之一。已經(jīng)討論了典型應用的接地布置，包括使用接地電極和接地環(huán)的建議。
在電解過程和陰極保護應用中安裝排水口流量計時，需要使用不同的接地布置，而傳統(tǒng)的接地方法實際上會造成問題。
盡管本文為這些應用程序提供了一般性建議，但每個應用程序都是不同的。電解過程和陰極保護應用可能會為所有設(shè)備（不僅是排水口流量計）帶來特殊的安全注意事項
存在某些過程條件，用戶無法或不應該使用與相鄰管道和地面的傳統(tǒng)接地連接。這些流量測量應用在電解過程和陰極保護應用中經(jīng)常遇到。
在這種情況下，流過磁力計傳感器的流體可能處于比地面大得多或更低的電勢，并且與地面的連接可能會損害磁力計的性能甚至可靠性。
這些應用通常會通過使用不導電或帶襯里的管道而變得更加復雜，并且可能會出現(xiàn)酸或腐蝕性流，這可能需要使用昂貴的濕式電極和接地材料（例如鈦，鉑或鉭）。有關(guān)這些特殊安裝要求的完整詳細信息，請參閱標題為“特殊應用”的部分。
磁力儀工作原理
排水口流量計的工作原理基于法拉*電磁感應定律，該定律指出在通過磁場的導體中會感應出電壓。
法拉*定律：E = kBDV
感應電壓E的大小與導體V的速度，導體寬度D和磁場B的強度成正比。
次級（或發(fā)射器）將受控電流提供給線圈以產(chǎn)生磁場，并對信號進行放大，濾波并將其轉(zhuǎn)換為用戶輸出，例如4 - 20 mA，頻率或數(shù)字通信信息（HART，F(xiàn)OUNDATION現(xiàn)場總線，Profibus）。
在現(xiàn)代的脈沖直流磁力計中，生??成的信號實際上很小：通常為每秒每英尺100 uV的流速（每秒每米300 uV的流速）。由于該信號非常小，因此排水口流量計的設(shè)計者和用戶必須采取措施將噪聲降至*低并*大化噪聲抑制。這些步驟之一是正確接地系統(tǒng)。
接地/安全接地
為避免對操作人員造成危害，必須始終按照當?shù)氐碾姎夥ㄒ?guī)安裝電氣設(shè)備并進行布線。對于交流供電設(shè)備，通常采取將設(shè)備外殼連接到地面的形式
通常是通過將接地的綠線連接到排水口流量計變送器接線區(qū)域中的接地片上來完成的。如果變送器一體安裝在傳感器上，則傳感器也會自動連接到地面。
通常，磁力計的相鄰管道會提供與地面的連接。通常也通過電源連接在變送器上接地。
重要的是，如果兩個接地都建立了，那么它們之間的阻抗必須非常低。如果這些接地連接之間的阻抗很高，則可能導致通過線圈屏蔽線的電流較大。
基本過程接地
建立過程區(qū)域是*重要的安裝細節(jié)之一。正確的過程接地可確保傳感器和流體的電位相同，從而僅測量感應的流量信號。為什么這是必要的？為了回答這個問題，讓我們看一下排水口流量計傳感器和變送器如何電氣連接。
在典型的脈沖直流磁力計中，流量信號連接到差分放大器，該差分放大器與變送器外殼電氣隔離。接地過程為該差分放大器提供了穩(wěn)定的參考。
在大多數(shù)應用中，*佳和*穩(wěn)定的參考是接地本身。通過將磁力計傳感器，流體和放大器的基準連接到穩(wěn)定的無噪聲基準點，可以確保用戶從其排水口流量計中獲得*佳性能。
圖1.傳感器和變送器之間的基本電氣連接
的接地裝置主要由在其上安裝了排水口流量計管的類型來確定。
導電無襯管，導電襯管和非導電管的推薦接地布置如圖2 -圖4所示。
接地環(huán)與接地電極
如前圖所示，當靠近排水口流量計的管道不能提供良好的流體電連接時，需要接地環(huán)或接地電極。也就是說，管道內(nèi)襯或由非導電材料制成。
接地環(huán)或接地電極可提供與過程流體所需的電連接。接地電極是傳感器不可或缺的一部分，因此安裝更容易且成本更低，特別是在需要“外來”材料時。
接地環(huán)提供了更大的表面積與過程流體的連接，并限制了相鄰管道的電導率的影響，這對于晶圓式傳感器而言非常重要。因此，在以下情況下，建議在接地電極上使用接地環(huán)：
流體電導率小于100uS / cm
晶圓型傳感器安裝在非導電管道或襯里管道中
可能導致管道底部出現(xiàn)涂層或堆積的應用
電解過程或陰極保護應用
特殊應用
電解工藝應用
在典型的電解過程中，磁力儀用于測量進料流體進入電解槽的流量。將大的直流電流（1000安培或更高）饋入電解槽以驅(qū)動電解過程。產(chǎn)生的液體和氣體也可以通過其他流量計進行監(jiān)控。
電解過程可能發(fā)生在一個反應??器或非常多的電池中。在后一種情況下，每個單元都可以具有自己的排水口流量計，用于進料流量測量。
無論采用哪種布置，存在的大電壓和電流都可能導致電流以意想不到的方式流動。這里感興趣的電流一般分為兩種：
電流流過磁力計
電流流經(jīng)接地組件
兩種類型的電流都可能出現(xiàn)在這些類型的典型應用中。在*一種情況下，流過傳感器的流體中的電流會產(chǎn)生噪聲，該噪聲可能會干擾低電平流量信號。測試表明，該噪聲隨電流水平變化，并且具有容易干擾流量信號的成分。
結(jié)果通常不是流量測量不準確，而是流量測量不穩(wěn)定，可能使控制變得困難或不可能。在這種情況下，接地環(huán)提供了一條路徑，可將排水口流量計中流體周圍的電流分流。
如果發(fā)生以下情況，則可能會流過接地組件：
一個系統(tǒng)中使用多個磁力儀；
他們有不同的潛力；
3.多個排水口流量計的接地組件綁在一個公共點上。*常見的公共點可能是通過接地的綠線。諸如此類的情況導致接地部件的高度腐蝕，甚至導致接地電極周圍的密封性喪失，甚至包括喪失密封性。此外，流經(jīng)接地組件的電流會產(chǎn)生噪聲，從而導致不穩(wěn)定的排水口流量計輸出。
電解工藝應用建議
1.與地面隔離：在這種情況下，排水口流量計應僅與過程電氣連接。由于排水口流量計未接地，因此應使用隔離的直流電源（約24 VDC），以避免安全問題。如果沒有隔離的直流電源，則必須將變送器從傳感器遠程安裝。始終遵守所有適用的**和地方安全法規(guī)。
2.使用接地環(huán)或襯里保護器，而不要使用接地電極：接地環(huán)使過程暴露更多的表面；如果電流流動，將產(chǎn)生較少的噪聲，從而為放大器提供更穩(wěn)定的參考。使用兩個接地環(huán)將提供一條路徑，以使排水口流量計中的流體周圍的電流分流。
3.具體的連接：接地環(huán)或襯里保護器應如圖5所示進行連接。將兩個接地環(huán)都連接到傳感器外殼上以使流過電極附近的過程流體的電流*小化非常重要。
4.選擇37 Hz線圈驅(qū)動頻率：這些應用中產(chǎn)生的噪聲通常具有1 / f特性；即，噪聲的幅度隨著頻率的增加而減小。由于該特性，在較高的線圈驅(qū)動頻率下噪聲較小，并且輸出更加穩(wěn)定。
陰極保護應用
陰極保護是一種通過使金屬表面成為電化學電池中的陰極來限制金屬表面腐蝕的技術(shù)。另一塊更容易腐蝕的金屬成為電化學電池中的陽極。在長管道中，大的直流電流流過過程流體以驅(qū)動陰極保護。
在這些應用中，只有陽極與大地接地非常重要。如果存在另一個接地點，它也可以為陰極保護系統(tǒng)提供陽極材料。因此，所有管道和儀器（包括排水口流量計）必須與地面隔離。
陰極保護應用建議
1.與地面隔離：在這種情況下，排水口流量計應僅與過程電氣連接。由于排水口流量計未接地，因此應使用隔離的直流電源（約24 VDC），以避免安全問題。如果沒有隔離的直流電源，則必須將變送器從傳感器遠程安裝。始終遵守所有適用的**和地方安全法規(guī)。
2.使用接地環(huán)或襯里保護器，而不要使用接地電極：接地環(huán)使過程暴露更多的表面；如果電流流動，將產(chǎn)生較少的噪聲，從而為放大器提供更穩(wěn)定的參考。使用兩個接地環(huán)將提供一條路徑，以使排水口流量計中的流體周圍的電流分流。
3.具體的連接：接地環(huán)或襯里保護器應如圖5所示進行連接。將兩個接地環(huán)都連接到傳感器外殼上以使流過電極附近的過程流體的電流*小化非常重要。
4.特殊差分放大器：在某些安裝中，即使管道中有流量，變送器的輸出也可能被驅(qū)動為0。這是由于陰極保護系統(tǒng)的DC電壓干擾了變送器電極信號電路中標準差分放大器的工作而引起的。如果發(fā)生這種情況，則應安裝具有特殊選件的新變送器，或?qū)⑵涮鎿Q為現(xiàn)有變送器。
結(jié)論：
排水口流量計的正確接地是*重要的安裝細節(jié)之一。已經(jīng)討論了典型應用的接地布置，包括使用接地電極和接地環(huán)的建議。
在電解過程和陰極保護應用中安裝排水口流量計時，需要使用不同的接地布置，而傳統(tǒng)的接地方法實際上會造成問題。
盡管本文為這些應用程序提供了一般性建議，但每個應用程序都是不同的。電解過程和陰極保護應用可能會為所有設(shè)備（不僅是排水口流量計）帶來特殊的安全注意事項