尿素流量計的原理以及構成故障檢查和步驟

摘要：本文描述了尿素流量計的原理以及構成，詳細講解了尿素流量計整機裝配的關(guān)鍵環(huán)節，分析了尿素流量計各種故障現象，并具體的講解了檢查方法和步驟，并總結了尿素流量計維護的經(jīng)驗，為用戶(hù)提供了很好的指導方案。
尿素流量計（以下簡(jiǎn)稱(chēng)EMF）是利用法拉第電磁感應定律制成的一種測量導電液體體積流量的儀表。50年代初尿素流量計實(shí)現了工業(yè)化應用，近年來(lái)世界范圍尿素流量計產(chǎn)量約占工業(yè)流量?jì)x表臺數的5%～6.5%。
1、尿素流量計的原理
1.1 尿素流量計的工作原理
尿素流量計的基本原理是法拉第電磁感應定律，即導體在磁場(chǎng)中切割磁力線(xiàn)運動(dòng)時(shí)，在導體兩端會(huì )感應一個(gè)與磁場(chǎng)方向和導體運動(dòng)方向相互垂直的感應電動(dòng)勢。感應電動(dòng)勢的大小與感應強度和運動(dòng)速度成正比。導電性液體在垂直于磁場(chǎng)的非磁性測量管內流動(dòng)，與流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生與流量成比例的感應電勢，其值如下式：
E=K×B×D×V
式中 E---感應電動(dòng)勢，即流量信號，V。
K---傳感器的修正系數。
B---磁感應強度，T。
C---電極間距及測量管內徑，m。
D---導電介質(zhì)的平均流速，m/s。

感應電動(dòng)勢“E”是通過(guò)裝在內管道壁上的兩個(gè)電極來(lái)檢測的，并通過(guò)連接在電極上的引線(xiàn)將感應到的“E”信號傳至轉換器的信號處理單元，將信號進(jìn)行放大，通過(guò)單片機進(jìn)行處理，實(shí)現流量、流速的顯示，并轉換為統一的、標準的電流信號、頻率信號以及所需要的各種報警信號輸出，隨著(zhù)通訊技術(shù)的發(fā)展，尿素流量計也正在從單機儀表逐步走向網(wǎng)絡(luò )化儀表的過(guò)渡，可方便的實(shí)現遠程調試，監測及工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化處理。
1.2 尿素流量計的組成
尿素流量計主要由電磁流量傳感器和電磁流量轉換器組成，連接方式分為一體型和分體型。傳感器安裝在所測介質(zhì)的管道上，將導電介質(zhì)的流速（流量）線(xiàn)性的變換成感應電勢“E”信號。轉換器向傳感器提供工作磁場(chǎng)的勵磁電流，并接受感應電勢信號，并將信號進(jìn)行一系列的處理，轉換成電流、頻率信號輸出。
1.2.1 電磁流量傳感器
電磁流量傳感器的形式主要由勵磁方式?jīng)Q定，一般由4部分組成。
1）測量管：被測介質(zhì)流過(guò)的通道。一般由內襯絕緣襯里的非導磁材料、非導磁性金屬管子（通常使用不銹鋼）構成。
2）工作磁場(chǎng)：由勵磁線(xiàn)圈通電產(chǎn)生。勵磁系統主要由勵磁線(xiàn)圈、極靴板、磁軛等構成；勵磁線(xiàn)圈通電后產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)，其直接安裝在導管上，并與電極軸線(xiàn)垂直，磁場(chǎng)的分布將會(huì )影響到電磁流量的線(xiàn)性和重復性。磁軛是使磁力線(xiàn)均勻的分布到電極軸線(xiàn)的垂直面上，以提高傳感器的測量精度和測量穩定性。
3）信號檢測部分：包括電極、電極引出線(xiàn)、電極屏蔽罩和接線(xiàn)端子盒等；電極直接與被測介質(zhì)接觸，感應電壓信號通過(guò)電極輸出到轉換器的信號處理單元。
4）殼體：起磁路與外界隔離、保護作用。
1.2.2 電磁流量轉換器
傳感器產(chǎn)生的電極信號或測得的電壓，其數值(或信號)極其微弱，通常為μV到mV，并且干擾成分相當復雜，信號幅度直接受到磁場(chǎng)變動(dòng)的影響，故感應信號不能直接用于流量的顯示。而轉換器的任務(wù)是將傳感器測得的信號進(jìn)行濾波、整形、放大，提取真正反應流速大小的電壓信號，這個(gè)信號通過(guò)A/D轉換成計算機可以直接處理的數字信號。轉換器一般由低頻矩形波（雙頻、高頻）恒流源勵磁電路、差動(dòng)前置放大器、主放大器、同步采樣和保持電路、模擬電流輸出和頻率輸出及流量積算的變換電路、CPU 與外圍存儲器、鍵盤(pán)顯示驅動(dòng)和數字通訊電路、輔助功能如勵磁報警、空管報警電路、電源電路等。轉換器的一般輸出類(lèi)型有4mA～20mA輸出、頻率/脈沖輸出及上下限和異常報警輸出等。它還可以通過(guò)相應的數字接口如：RS485、HART通訊、PROFIBUS-PA（現場(chǎng)總線(xiàn)）傳遞數字信號，直接用于過(guò)程系統當中。轉換器的類(lèi)型從勵磁方法上可分為恒流源勵磁和磁場(chǎng)變動(dòng)補償方式，一般常用的是恒流源勵磁，它為勵磁線(xiàn)圈提供一個(gè)恒定的電流?，F在的尿素流量計通常采用直流脈沖方波勵磁，以保證尿素流量計的低功耗。
1.3 尿素流量計的特點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：
結構簡(jiǎn)單，尿素流量計的測量通道是一段無(wú)阻流檢測件的光滑直管，因不易阻塞適用于測量含有固體顆?；蚶w維的液固二相流體，如紙漿、煤水漿、礦漿、泥漿和污水等。
尿素流量計因其沒(méi)有節流件，被測介質(zhì)在傳感器測量管道內流動(dòng)時(shí)，不產(chǎn)生因檢測流量所形成的壓力損失，僅消耗10W～20W的電功率，節能效果顯著(zhù)，對于要求低阻力損失的大管徑供水管道最為適合。
尿素流量計所測得的體積流量，實(shí)際上不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導率（只要在某閾值以上）變化明顯的影響。
尿素流量計測量范圍度大，無(wú)起始流量的限制，可以測量接近于零的及小流量，對于同一口徑的傳感器，滿(mǎn)量程流速在15m/s以下任意設定，可選流量范圍寬。
尿素流量計的口徑范圍比其他品種流量?jì)x表寬，從幾毫米到3m?？蓽y正反雙向流量，儀表輸出本質(zhì)上是線(xiàn)性的，在保證直管段的前提下具有相同的測量精度。
耐腐蝕性能好，易于選擇與流體接觸件的材料品種，可應用于腐蝕性流體。
缺點(diǎn)：
尿素流量計不能測量電導率很低的液體，一般電導率在5μS/cm以下的介質(zhì)，如石油制品和有機溶劑等。不能測量氣體、蒸汽和含有較多較大氣泡的液體。
通用型尿素流量計由于襯里材料和電氣絕緣材料限制，不能用于較高溫度的液體；有些型號儀表用于過(guò)低于室溫的液體，因測量管外凝露（或霜）而破壞絕緣。
2、尿素流量計的應用
尿素流量計應用領(lǐng)域廣泛，大口徑儀表較多應用于給排水工程。中小口徑常用于難測流體或高要求場(chǎng)所，如：測量造紙工業(yè)紙漿液和黑液、有色冶金業(yè)的礦漿、選煤廠(chǎng)的煤漿、化學(xué)工業(yè)的強腐蝕液等。小口徑、微小口徑常用于醫藥工業(yè)、食品工業(yè)、生物工程等有衛生要求的場(chǎng)所。
3、尿素流量計的整機裝配與檢測
3.1 電磁流量轉換器的檢測
檢查購進(jìn)的電磁流量轉換器的整體性能和技術(shù)指標是否符合設計標準，所使用的儀器：臺式電流表、頻率計、萬(wàn)用表、尿素流量計模擬信號器。按照企業(yè)標準和外購轉換器的技術(shù)協(xié)議，對轉換器進(jìn)行復檢，檢驗的內容如下。
3.1.1 對于RPmag60系列及智能型尿素流量計轉換器需查
---外觀(guān)檢查
裝配合理，電路板焊接符合標準，液晶顯示板無(wú)較明顯的劃痕。
---功能性檢查
首先輸入用戶(hù)密碼，檢查儀表是否能設置和調整。主要檢查項目如下：測量管道口徑、儀表量程設置、測量阻尼時(shí)間、測量方向設定、流量零點(diǎn)修正、小信號切除點(diǎn)、流量積算顯示、電流輸出類(lèi)型、脈沖輸出方式、脈沖單位當量、頻率輸出范圍、空管報警允許、空管報警閾值、上、下限報警允許、上、下限報警數值、傳感器系數值、勵磁方式選擇、流量標定系數、儀表計算系數、電流零點(diǎn)修正、電流滿(mǎn)度修正、出廠(chǎng)標定系數。
---技術(shù)指標檢查
用頻率計和萬(wàn)用表觀(guān)察輸出頻率和輸出電流是否與模擬信號器輸入的流速信號一致，并與轉換器的原始記錄一致。
以上各項合格之后，將轉換器接上模擬信號源，通電進(jìn)行老化，時(shí)間為168h。
3.1.2 對于西門(mén)子尿素流量計轉換器（SITRANSFM系列轉換器）需查
---外觀(guān)檢查
記下轉換器的類(lèi)型（MLFB編號），轉換器的系列號。
---計量性能檢查
轉換器接收信號端與模擬流量信號發(fā)生器相連，接收勵磁信號的兩個(gè)接收端與模擬流量信號發(fā)生器對應端相連，模擬流量信號發(fā)生器一般使用1.55m/s，內部程序寫(xiě)入為DN50；轉換器的流量顯示值是否和模擬流量信號發(fā)生器設置的流量一致。
---轉換器的標識檢查
接通電源，查看轉換器MLFB編碼是否與轉換器外部提供的編碼相一致，查看無(wú)誤后，裝袋入庫。
3.2 整機裝配與檢測在尿素流量計計量標定完成后，需進(jìn)行整機裝配工作，整機裝配之前，轉換器和傳感器要一一對應。下面以西門(mén)子尿素流量計整機裝配為例，具體步驟如下。
3.2.1 西門(mén)子尿素流量計一體型整機裝配和檢測
---在傳感器的SMART-PLUG信號傳輸小板上插入寫(xiě)好的PIC12C509A芯片，打開(kāi)轉換器液晶顯示板，拔下用于勵磁傳輸的端子，將接在傳感器上的勵磁端子插入。
---接電源：此時(shí)要注意轉換器是220V電源還是24V電源，若接錯電源將會(huì )燒壞轉換器電源保險。
---開(kāi)機時(shí)查看傳感器序列號（如99900102）能否出現，初步判斷轉換器和傳感器通訊傳輸是否正常，隨后查看出現的轉換器出廠(chǎng)編號是否與轉換器銘牌上的編號一致。
---查看轉換器上的菜單
為避免寫(xiě)PIC12C509A程序時(shí)出錯，要驗證6.7.2、6.7.3、6.7.4、5.2.6.1是否與標定值或實(shí)際的傳感器要求一致。
＊6.7.2 CFH值（1m/s液壓參比工作條件下的水標定值）
＊6.7.3 ZPH值（液壓零點(diǎn)的水標定值）
＊6.7.4 勵磁頻率（勵磁頻率取決于傳感器和電源，一般DN2~DN100為12Hz，DN125~DN600為6Hz，DN700~DN3000為3Hz）
＊6.5.1 勵磁電壓（勵磁電壓的控制值，一般在23000~30000）
＊5.2.6.1 通徑（傳感器的內部通經(jīng)，及兩個(gè)電極之間的距離，從SMART-PLUG中讀?。?br /> ---查看各項參數值正確之后，在傳感器上用于傳輸信號的扁平電纜的接口處用熱溶膠密封，以免在裝配或使用中扁平電纜脫落或松動(dòng)，待熱溶膠固化后，將轉換器和傳感器用配套螺絲上緊，由于在緊固螺絲時(shí)，有時(shí)會(huì )壓到勵磁線(xiàn)，使勵磁線(xiàn)和管道相連，造成勵磁電壓為零，故需再查一遍菜單6.5.1勵磁電壓一項。
---以上工序完成之后，將事先打好的標簽分別貼到轉換器和傳感器上，裝接地釘。
3.2.2 西門(mén)子尿素流量計分體型整機裝配和檢測
在進(jìn)行西門(mén)子尿素流量計分體型整機裝配和檢測之前，以及在水標定之前，將傳感器和轉換器分別接上接線(xiàn)盒和端子板。具體裝配和檢測如下：
---打開(kāi)接在傳感器接線(xiàn)盒上的端子板，將事先寫(xiě)好的PIC12C509A芯片插入SMART-PLUG小板上，后連接好傳輸扁平電纜。
---將轉換器接好電源，注意事項同一體型。
---將用于檢測傳輸是否正確的三芯勵磁電纜線(xiàn)和五芯信號電纜線(xiàn)按如下表格1連接：切記轉換器和傳感器上的電纜線(xiàn)連接一定要一一對應。

---接好電纜線(xiàn)后，打開(kāi)電源，檢查尿素流量計各項參數是否正確，方法同一體型。
---插下各端子板上的電纜線(xiàn)，在傳感器上與SMART小板相連的扁平電纜接口處密封熱溶膠，待熱溶膠固化后，將端子板固定在接線(xiàn)盒上，此時(shí)要注意勵磁線(xiàn)不能被壓在端子板和鋁環(huán)之間，否則勵磁線(xiàn)短路，將燒壞勵磁保險，接好端子板后，使用萬(wàn)用表歐姆檔測量5、6、7端子之間的絕緣性能，5、6端子為勵磁線(xiàn)，阻值為16Ω左右，5、7和6、7阻值為無(wú)窮大。
---分體型尿素流量計防護等級分IP67和IP68，IP67型防護等級為防塵、防浸水級，IP68為防塵防潛水級。若防護等級為IP68型，則需要接西門(mén)子防水電纜線(xiàn)。在傳感器接好防水電纜后需灌封膠，目的是防止水進(jìn)入傳感器內部。
以上工序完成之后，將標簽分別貼到轉換器和傳感器上，裝接地釘。
4 尿素流量計的常見(jiàn)故障檢查和分析
尿素流量計運行中產(chǎn)生故障的第一類(lèi)為儀表本身故障，即儀表結構件或元器件損壞引起的故障；第二類(lèi)為外界原因引起的故障，如：安裝不妥，管道內有沉積和污垢等。尿素流量計常見(jiàn)故障現象有：無(wú)流量信號、輸出晃動(dòng)、零點(diǎn)不穩、流量測量值與應用參比值不符（測量值與用戶(hù)的工藝參數不相符）、輸出信號超滿(mǎn)度值等。通常檢查整個(gè)測量系統和判斷故障的程序如圖2所示。檢查環(huán)節包括尿素流量計本身的傳感器和轉換器以及連接兩者的電纜，尿素流量計上位的工藝管道，下位顯示儀表和連接電纜。

通常采用的檢查方法及檢查內容如下：
---電阻法：
＊保險絲的通斷
＊傳輸信號電纜和勵磁電纜的通斷
＊勵磁線(xiàn)圈的通斷
＊電極對稱(chēng)性測量
＊電極對地的絕緣電阻
＊勵磁線(xiàn)圈對地的絕緣電阻
---電流法：
＊測量勵磁電流
＊測量輸出電流
---電壓法：判別工作電源（包括供電和轉換器本身電源）是否正確。
---波形法：在熟悉線(xiàn)路基礎上測量關(guān)鍵點(diǎn)波形，判別故障所在。
---替代法：利用轉換器和傳感器間以及轉換器內各線(xiàn)路板部件間的互換性，以替代法判別故障所在位置。
---信號跟蹤法：用流量模擬信號發(fā)生器替代傳感器，在介質(zhì)未流動(dòng)的情況下提供流量信號，以測試電磁流量轉換器。
4、結束語(yǔ)
國內的尿素流量計工業(yè)應用從20世紀60年代開(kāi)始，隨著(zhù)工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，尿素流量計已應用于化工、醫藥、食品、電力、污水處理等多行業(yè)。因此，尿素流量計有很大的市場(chǎng)發(fā)展前景，對于其所具有的獨特性，生產(chǎn)廠(chǎng)家必須對每一道工序嚴格把關(guān)，并不斷提高自身產(chǎn)品的優(yōu)越性。

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