防腐型電磁流量計的結構原理及在濕法磷酸裝置中的應用實例
點擊次數：3137 發布時間：2021-01-01 13:30:05
摘要：濕法磷酸生產過程中產生大量的高腐蝕性、成分復雜的酸液，對流量計的耐腐蝕性要求較高。防腐型電磁流量計具有耐腐蝕、精度高、易于維護、節約成本等優點，已在磷酸生產中大規模使用。以某濕法磷酸裝置為例，介紹了防腐型電磁流量計的測量原理，電極、測量管內襯材質及接地方式的選擇。
1 概述
隨著幾十年的工業發展，我國磷化工行業日趨壯大，目前磷酸產量位列***一。國內磷酸生產工藝絕大部分以濕法磷酸為主。濕法磷酸生產過程中除了含有磷酸外，還混有一定的硫酸、氫氟酸、氟硅酸等強腐蝕性介質。測量這些酸液的流量儀表需要具有很好的耐腐蝕性。選擇合適的材質、增加儀表的壽命、提高信號傳輸的穩定性是濕法磷酸工藝中流量測量的關鍵之處。防腐型電磁流量計適用范圍廣、精度高、耐腐蝕、易于維護、成本較低，適用于磷化工生產中的流體計量。國內某 300 kt/a 磷酸裝置中大規模使用防腐型電磁流量計，并取得了良好的工作效果。
2 防腐型電磁流量計簡介
2．1 工作原理
防腐型電磁流量計的測量原理如圖 1 所示。根據法拉*電磁感應定律，導電液體在磁場中流動會產生電動勢 E，它與磁感應強度 B、導電液體平均流速 v 成一定比例關系:
E=KBDv
式中:E---導電流體在磁場中產生的電動勢，V;
K---比例系數，在管道內徑 D 和磁感應強度
B 不變的情況下，K 為常數，1;
B---磁感應強度，T;
D---測量管內徑，m;
v---導電液體平均流速，m/s。
防腐型電磁流量計利用上述函數關系推導出 v = E/(KBD)，實際測得的是液體流速 v，再通過被測介質的體積流量 Q V = πD 2 v/4，計算導電流體介質的流量。
2．2 計量系統組成
防腐型電磁流量計主要由兩部分組成:流量傳感器和信號變送器，如圖 2 所示。傳感器上的勵磁線圈接受變送器傳輸來的勵磁電流產生磁場，輸出感應電動勢信號;信號變送器則將感應電動勢信號轉換為流量信號或模擬量信號送至控制系統。防腐型電磁流量計按組成方式分為一體式和分體式。防腐型電磁流量計穩定工作另外一個重要條件是接地。當流體流動穿過磁場時，以導電流體本身作為參考電位，在測量管一側電極產生正電勢，另一側產生負電勢，形成電勢差。但此電動勢信號一般只有幾毫伏，易受外界干擾。為防止干擾，將參考電位接入大地作為零電位，保證傳感器輸出精確穩定的信號。傳感器和轉換器的接地端必須與被測介質同電位，才能構成對稱的輸入輸出回路。
2．3 系統特性
防腐型電磁流量計的主要特點如下:①不同于差壓式、容積式流量計，防腐型電磁流量計測量管內無阻流部件，壓損很小，適用于大口徑管道;②不受測量介質的溫度、壓力、密度、黏度參數變化影響，不需要進行修正和補償，僅僅要求測量介質的電導率 σ＞5 μS/cm;③量程比寬，輸出信號和流量成線性關系;④測量精度高，可達到±(0．1% ～0．5%);⑤安裝要求低，前后直管段要求低，一般滿足前直管段管徑 D 前 ≥5D，后直管段管徑 D 后 ≥2D 即可;⑥性價比較高，使用范圍廣，合理選用襯里材料和電極材質可以測量各種腐蝕性介質的流量。
需要注意的是，防腐型電磁流量計不能測量非導電介質的流量，也不適用于測量含有氣體的介質，這樣會引起測量數據的大幅波動。
3 在濕法磷酸裝置中的應用實例
國內某 300 kt/a 磷酸裝置中，含有不同溫度、不同壓力、不同濃度的多種酸液，包括:稀磷酸、濃硫酸、磷酸料漿、絮凝劑、P 2 O 5 溶液、H 2 SiF 6 溶液、渣酸、洗滌水、酸性循環水、工藝水等。如此復雜的工藝介質對流量計的選型要求很高，酸液的配比、濃度、溫度、雜質、溶解氣體以及流速等都會影響接液材質的耐腐蝕性。
防腐型電磁流量計主要的接液部分是電極和測量管襯里，要根據每一種腐蝕介質的特性以及現場實際工況選擇合適的電極和襯里材質，必要時可對擬選材料進行耐腐蝕試驗，從而延長流量計的壽命，加強測量的可靠性。
3．1 電極材質的選擇
防腐型電磁流量計電極的選擇至關重要。電極應滿足被測介質腐蝕特性，同時不能產生電化學反應干擾。常用電極材質主要有:不銹鋼 316L、哈氏合金 C、鈦、鉭、鉑、鉑-銥合金等。本裝置中防腐型電磁流量計電極材質的選擇見表 1。
從表 1 可以總結出:對于有襯里管道，電極材質一般選擇鉑-銥合金，該材料耐用于大部分腐蝕性酸液;對于金屬管道，電極一般選擇比管道高一等級的材料，以 316L 和哈氏合金為主。特殊情況下，若測量易結晶、結疤、易沾污電極的介質，還可選擇刮刀式電極，防止長時間流體沖刷，在電極上產生污垢。
3．2 測量管襯里材質的選擇
防腐型電磁流量計要根據被測流體的溫度、壓力、速度以及含固顆粒的硬度、含量和粒徑大小來決定測量管內襯的材質。該濕法磷酸裝置中，防腐型電磁流量計測量管襯里材質的種類見表 2。
從表 2 中可以看出，本項目中測量磷酸、硫酸、含氟酸和含酸洗滌水等流量時，防腐型電磁流量計采用PFA 內襯，這種氟內襯幾乎耐用于各種強腐蝕性介質，同時測量管內附有不銹鋼絲網，增強了襯里和金屬管道的結合，具有耐負壓性;PTFE 與 PFA 性能相差無幾，但摩擦系數較低，對于絮凝劑這種具有一定的吸附性的介質優先選用 PTFE 內襯;磷酸料漿含有一些懸浮顆粒物，長時間流體會破環樹脂或者塑料類的襯里，此處選用陶瓷內襯，延長流量計工作壽命。普通工藝用水等介質選用經濟實用橡膠類襯里即可。
3．3 接地方式
根據上述防腐型電磁流量計的安裝要求知，防腐型電磁流量計需進行液體接地才能正常工作。流量計可通過使用無內襯導電的管道法蘭、接地環或接地電極實現接地。本磷酸裝置中，輸送腐蝕性介質流體多以碳鋼襯里管道為主，少數輕度酸性液體管道采用不銹鋼或碳鋼管道。對于不同材質的管道，防腐型電磁流量計的接地方式也不一樣。
3．3．1 安裝在金屬管道上
防腐型電磁流量計安裝在金屬管道上，安裝時將金屬管道與防腐型電磁流量計相連接，接地線再接入接地網，如圖 3 所示。
3．3．2 安裝在非金屬管道上
襯里管道的接地方式主要有以下三種。
1．采用接地環
在有襯里的測量管兩端法蘭上，加裝接地環(或稱“接液環”)，如圖 4 所示。裝接地環是為了可靠地、穩定地將導電液體作為差動電勢信號的基準點與轉換器的信號連接起來，與液體之間形成相近或大致相等的電位。接地環材質一般和電極材質一致或相仿，保證耐腐蝕性。
接地環形式多樣，主要類型有三種，如圖 5 所示，普通接地環類似一個帶柄的孔板;保護型接地環固定在法蘭上，保護法蘭面襯里不受損傷;若介質磨損性較強，應選用帶頸保護環保護襯里。
2．采用接地電極(三電極)
從表 2 中可以看出，本裝置中防腐型電磁流量計的電極材質主要使用鉑 － 銥合金，若在其他場合或被測流體介質下，電極材質還可以選擇鉭、鈦、鉑金等貴重金屬。若使用接地環方式接地，由于一般要求接地環材質和電極的相同，因此從成本上來說很不經濟。為了節省費用，本項目中濕法磷酸裝置中防腐型電磁流量計接地采用三電極方式，即在傳感器測量管與測量電極成垂直的*低點，另外加一個電極(和測量電極材質、大小均相同)，以起到接地效果。
3．虛擬接地
隨著技術的發展，近些年一種新的接地技術---虛擬接地被應用到防腐型電磁流量計上。通過提供流量轉換器輸入放大器和電路中的光電耦合器的隔離，使測量電路在液體的電勢浮動，只有當流經流量傳感器時，導電液體的流速產生感應電壓。這種轉換器信號的特殊處理允許流量計傳感器接地即可滿足其正常工作，減少了安裝，也免去了額外增加接地環或*三電極的成本。
4 結束語
只要選擇合適的電極材質和測量管襯里材質，防腐型電磁流量計就可以適應各種腐蝕性介質。磷化工生產中大部分是能導電的酸性介質，使用防腐型電磁流量計進行流量測量是計量儀的*選。目前各防腐型電磁流量計廠商都會提供自家產品對應的耐腐蝕材質選擇表，在設計選型中，除了根據介質特性先行選擇對應的電極和襯里材質外，也需要根據各家防腐型電磁流量計的特點確定其方案。同時安裝時要根據實際情況采取不同的接地方式，以保證防腐型電磁流量計穩定地工作。
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隨著幾十年的工業發展，我國磷化工行業日趨壯大，目前磷酸產量位列***一。國內磷酸生產工藝絕大部分以濕法磷酸為主。濕法磷酸生產過程中除了含有磷酸外，還混有一定的硫酸、氫氟酸、氟硅酸等強腐蝕性介質。測量這些酸液的流量儀表需要具有很好的耐腐蝕性。選擇合適的材質、增加儀表的壽命、提高信號傳輸的穩定性是濕法磷酸工藝中流量測量的關鍵之處。防腐型電磁流量計適用范圍廣、精度高、耐腐蝕、易于維護、成本較低，適用于磷化工生產中的流體計量。國內某 300 kt/a 磷酸裝置中大規模使用防腐型電磁流量計，并取得了良好的工作效果。
2 防腐型電磁流量計簡介
2．1 工作原理
防腐型電磁流量計的測量原理如圖 1 所示。根據法拉*電磁感應定律，導電液體在磁場中流動會產生電動勢 E，它與磁感應強度 B、導電液體平均流速 v 成一定比例關系:
E=KBDv
式中:E---導電流體在磁場中產生的電動勢，V;
K---比例系數，在管道內徑 D 和磁感應強度
B 不變的情況下，K 為常數，1;
B---磁感應強度，T;
D---測量管內徑，m;
v---導電液體平均流速，m/s。
防腐型電磁流量計利用上述函數關系推導出 v = E/(KBD)，實際測得的是液體流速 v，再通過被測介質的體積流量 Q V = πD 2 v/4，計算導電流體介質的流量。
2．2 計量系統組成
防腐型電磁流量計主要由兩部分組成:流量傳感器和信號變送器，如圖 2 所示。傳感器上的勵磁線圈接受變送器傳輸來的勵磁電流產生磁場，輸出感應電動勢信號;信號變送器則將感應電動勢信號轉換為流量信號或模擬量信號送至控制系統。防腐型電磁流量計按組成方式分為一體式和分體式。防腐型電磁流量計穩定工作另外一個重要條件是接地。當流體流動穿過磁場時，以導電流體本身作為參考電位，在測量管一側電極產生正電勢，另一側產生負電勢，形成電勢差。但此電動勢信號一般只有幾毫伏，易受外界干擾。為防止干擾，將參考電位接入大地作為零電位，保證傳感器輸出精確穩定的信號。傳感器和轉換器的接地端必須與被測介質同電位，才能構成對稱的輸入輸出回路。
2．3 系統特性
防腐型電磁流量計的主要特點如下:①不同于差壓式、容積式流量計，防腐型電磁流量計測量管內無阻流部件，壓損很小，適用于大口徑管道;②不受測量介質的溫度、壓力、密度、黏度參數變化影響，不需要進行修正和補償，僅僅要求測量介質的電導率 σ＞5 μS/cm;③量程比寬，輸出信號和流量成線性關系;④測量精度高，可達到±(0．1% ～0．5%);⑤安裝要求低，前后直管段要求低，一般滿足前直管段管徑 D 前 ≥5D，后直管段管徑 D 后 ≥2D 即可;⑥性價比較高，使用范圍廣，合理選用襯里材料和電極材質可以測量各種腐蝕性介質的流量。
需要注意的是，防腐型電磁流量計不能測量非導電介質的流量，也不適用于測量含有氣體的介質，這樣會引起測量數據的大幅波動。
3 在濕法磷酸裝置中的應用實例
國內某 300 kt/a 磷酸裝置中，含有不同溫度、不同壓力、不同濃度的多種酸液，包括:稀磷酸、濃硫酸、磷酸料漿、絮凝劑、P 2 O 5 溶液、H 2 SiF 6 溶液、渣酸、洗滌水、酸性循環水、工藝水等。如此復雜的工藝介質對流量計的選型要求很高，酸液的配比、濃度、溫度、雜質、溶解氣體以及流速等都會影響接液材質的耐腐蝕性。
防腐型電磁流量計主要的接液部分是電極和測量管襯里，要根據每一種腐蝕介質的特性以及現場實際工況選擇合適的電極和襯里材質，必要時可對擬選材料進行耐腐蝕試驗，從而延長流量計的壽命，加強測量的可靠性。
3．1 電極材質的選擇
防腐型電磁流量計電極的選擇至關重要。電極應滿足被測介質腐蝕特性，同時不能產生電化學反應干擾。常用電極材質主要有:不銹鋼 316L、哈氏合金 C、鈦、鉭、鉑、鉑-銥合金等。本裝置中防腐型電磁流量計電極材質的選擇見表 1。
從表 1 可以總結出:對于有襯里管道，電極材質一般選擇鉑-銥合金，該材料耐用于大部分腐蝕性酸液;對于金屬管道，電極一般選擇比管道高一等級的材料，以 316L 和哈氏合金為主。特殊情況下，若測量易結晶、結疤、易沾污電極的介質，還可選擇刮刀式電極，防止長時間流體沖刷，在電極上產生污垢。
3．2 測量管襯里材質的選擇
防腐型電磁流量計要根據被測流體的溫度、壓力、速度以及含固顆粒的硬度、含量和粒徑大小來決定測量管內襯的材質。該濕法磷酸裝置中，防腐型電磁流量計測量管襯里材質的種類見表 2。
從表 2 中可以看出，本項目中測量磷酸、硫酸、含氟酸和含酸洗滌水等流量時，防腐型電磁流量計采用PFA 內襯，這種氟內襯幾乎耐用于各種強腐蝕性介質，同時測量管內附有不銹鋼絲網，增強了襯里和金屬管道的結合，具有耐負壓性;PTFE 與 PFA 性能相差無幾，但摩擦系數較低，對于絮凝劑這種具有一定的吸附性的介質優先選用 PTFE 內襯;磷酸料漿含有一些懸浮顆粒物，長時間流體會破環樹脂或者塑料類的襯里，此處選用陶瓷內襯，延長流量計工作壽命。普通工藝用水等介質選用經濟實用橡膠類襯里即可。
3．3 接地方式
根據上述防腐型電磁流量計的安裝要求知，防腐型電磁流量計需進行液體接地才能正常工作。流量計可通過使用無內襯導電的管道法蘭、接地環或接地電極實現接地。本磷酸裝置中，輸送腐蝕性介質流體多以碳鋼襯里管道為主，少數輕度酸性液體管道采用不銹鋼或碳鋼管道。對于不同材質的管道，防腐型電磁流量計的接地方式也不一樣。
3．3．1 安裝在金屬管道上
防腐型電磁流量計安裝在金屬管道上，安裝時將金屬管道與防腐型電磁流量計相連接，接地線再接入接地網，如圖 3 所示。
3．3．2 安裝在非金屬管道上
襯里管道的接地方式主要有以下三種。
1．采用接地環
在有襯里的測量管兩端法蘭上，加裝接地環(或稱“接液環”)，如圖 4 所示。裝接地環是為了可靠地、穩定地將導電液體作為差動電勢信號的基準點與轉換器的信號連接起來，與液體之間形成相近或大致相等的電位。接地環材質一般和電極材質一致或相仿，保證耐腐蝕性。
接地環形式多樣，主要類型有三種，如圖 5 所示，普通接地環類似一個帶柄的孔板;保護型接地環固定在法蘭上，保護法蘭面襯里不受損傷;若介質磨損性較強，應選用帶頸保護環保護襯里。
2．采用接地電極(三電極)
從表 2 中可以看出，本裝置中防腐型電磁流量計的電極材質主要使用鉑 － 銥合金，若在其他場合或被測流體介質下，電極材質還可以選擇鉭、鈦、鉑金等貴重金屬。若使用接地環方式接地，由于一般要求接地環材質和電極的相同，因此從成本上來說很不經濟。為了節省費用，本項目中濕法磷酸裝置中防腐型電磁流量計接地采用三電極方式，即在傳感器測量管與測量電極成垂直的*低點，另外加一個電極(和測量電極材質、大小均相同)，以起到接地效果。
3．虛擬接地
隨著技術的發展，近些年一種新的接地技術---虛擬接地被應用到防腐型電磁流量計上。通過提供流量轉換器輸入放大器和電路中的光電耦合器的隔離，使測量電路在液體的電勢浮動，只有當流經流量傳感器時，導電液體的流速產生感應電壓。這種轉換器信號的特殊處理允許流量計傳感器接地即可滿足其正常工作，減少了安裝，也免去了額外增加接地環或*三電極的成本。
4 結束語
只要選擇合適的電極材質和測量管襯里材質，防腐型電磁流量計就可以適應各種腐蝕性介質。磷化工生產中大部分是能導電的酸性介質，使用防腐型電磁流量計進行流量測量是計量儀的*選。目前各防腐型電磁流量計廠商都會提供自家產品對應的耐腐蝕材質選擇表，在設計選型中，除了根據介質特性先行選擇對應的電極和襯里材質外，也需要根據各家防腐型電磁流量計的特點確定其方案。同時安裝時要根據實際情況采取不同的接地方式，以保證防腐型電磁流量計穩定地工作。