液氮流量計的工作原理特點及故障現(xiàn)象和采取措施
點擊次數(shù)：2750 發(fā)布時間：2020-11-06 02:07:18
摘要：闡述液氮流量計在實際應(yīng)用中出現(xiàn)的故障檢查、分析以及采取的措施。
1 工作原理
液氮流量計是應(yīng)用電磁感應(yīng)定律，即：導(dǎo)電體在磁場中運動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，而感應(yīng)電動勢又和流量大小成正比，通過測電動勢來反映管道流量的原理而制成的，用來測量導(dǎo)電流體的體積流量（見圖1）。工業(yè)上多用以測量水、礦漿、各種酸、堿、鹽等腐蝕液體等介質(zhì)的流量。
2 液氮流量計的特點
（1）液氮流量計的變送器結(jié)構(gòu)簡單，沒有可動部件，也沒有任何阻礙流體流動的節(jié)流部件，所以當(dāng)流體通過時不會引起任何附加的壓力損失，同時也不會引起諸如磨損，堵塞等問題。特別適用于測量帶有固體顆粒的礦漿，污水等液固兩相流體，以及各種粘性較大的漿液等。同樣，由于其結(jié)構(gòu)上無運動部件，故可通過附上耐腐蝕絕緣襯里和選擇耐腐材料制成電極，起到很好的耐腐蝕性能，使之可用于各種腐蝕性介質(zhì)的測量。
（2）液氮流量計是一種體積流量測量儀表，在測量過程中，它不受被測介質(zhì)的溫度、粘度、密度以及電導(dǎo)率（在一定范圍內(nèi)）的影響。
（3）液氮流量計的量程范圍極寬，同一臺液氮流量計的量程比可達(dá)1:100。此外，液氮流量計只與被測介質(zhì)的平均流速成正比，而與軸對稱分布下的流動狀態(tài)（層流或紊流）無關(guān)。
（4）液氮流量計無機械慣性、反應(yīng)靈敏，可以測量瞬時脈動流量，而且線性好。因此，可將測量信號直接用轉(zhuǎn)換器線性地轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，可就地指示，也可遠(yuǎn)距離傳送。
3 故障類型
液氮流量計運行中產(chǎn)生故障的*一類為儀表本身故障，即儀表結(jié)構(gòu)件或元器件損壞引起的故障；*二類為外界原因引起的故障，如安裝不妥流動畸變，沉積和結(jié)垢等。
液氮流量計按照故障發(fā)生時期分類，可分為：調(diào)試期故障和運行期故障。調(diào)試期故障出現(xiàn)在新裝用后調(diào)試初期，主要原因是儀表選用或設(shè)定不當(dāng)，安裝不妥等。運行期故障是在運行一段時期后出現(xiàn)，主要原因有流體中雜質(zhì)附著電極襯里，環(huán)境條件變化出現(xiàn)新干擾源等。
液氮流量計按故障外界源頭分析來自3個方面：
（1）管道系統(tǒng)和安裝等方面引起的；
（2）環(huán)境方面引起的；
（3）流體方面引起的。來源（1）主要在調(diào)試期表現(xiàn)出來；來源（2）和
（3）則在調(diào)試期和運行期均會出現(xiàn)。
4 調(diào)試期故障
本類故障在液氮流量計初始裝用調(diào)試時就出現(xiàn)，但一經(jīng)改進(jìn)排除故障，以后在相同條件下一般就不會再度出現(xiàn)。常見調(diào)試期故障主要有安裝不妥、環(huán)境干擾、流體特性影響3方面原因。
4.1 管道系統(tǒng)和安裝等
通常是電磁流量傳感器安裝位置不正確引起的故障，常見的是將流量傳感器安裝在易積聚儲留氣體的管網(wǎng)高點；流量傳感器后無背壓，液體經(jīng)過直排進(jìn)入大氣，形成其測量管內(nèi)非滿管；裝在自上向下流的垂直管道上，可能出現(xiàn)排空等。
4.2 環(huán)境方面
主要是管道雜散電流干擾，空間電磁波干擾，大電機磁場干擾等。管道雜散電流干擾通常采取良好單獨接地保護可獲得滿意測量，但如遇管道有強雜散電流亦不一定能克服，須采取流量傳感器與管道絕緣的措施?？臻g電磁波干擾一般經(jīng)信號電纜引入，通常采用單層或多層屏蔽予以保護。
4.3 流體方面
（1）液體含有均勻分布細(xì)小氣泡
通常不影響正常測量，所測得體積流量是液體和氣體兩者之和；氣泡增大會使輸出信號波動，若氣泡大到流過電極遮蓋整個電極表面，使電極信號回路瞬時斷開，輸出信號將產(chǎn)生更大波動。
（2）電極材質(zhì)與被測介質(zhì)選配不善
選配不善，產(chǎn)生鈍化或氧化等化學(xué)作用，電極表面形成絕緣膜，以及電化學(xué)和極化現(xiàn)象等，均會妨礙正常測量。
5 運行期故障
經(jīng)初期調(diào)試并正常運行一段時期后在運行期間出現(xiàn)的故障，常見故障原因有：流量傳感器內(nèi)壁附著層，雷電擊，環(huán)境條件變化。
5.1 內(nèi)壁附著層
由于液氮流量計測量含有懸浮固相或污臟體的機會遠(yuǎn)比其他流量儀表多，出現(xiàn)內(nèi)壁附著層產(chǎn)生的故障概率也就相對較高。若附著層電導(dǎo)率與液體電導(dǎo)率相近，儀表還能正常輸出信號，只是改變流通面積，形成測量誤差的隱性故障；若是高電導(dǎo)率附著層，電極間電動勢將被短路；若是絕緣性附著層，電極表面被絕緣而斷開測量電路。后兩種現(xiàn)象均會使儀表無法工作。
5.2 雷電擊
雷電擊在線路中感應(yīng)瞬時高電壓和浪涌電流，進(jìn)入儀表就會損壞儀表。雷電擊損儀表有3條引入途徑：電源線、傳感器與轉(zhuǎn)換器間的流量信號線和激磁線。然而從雷電故障中損壞零部件的分析，引起故障的感應(yīng)高電壓和浪涌電流大部分是從控制室電源線路引入的，其他兩條途徑較少。還從發(fā)生雷擊事故現(xiàn)場了解到，不僅液氮流量計出現(xiàn)故障，控制室中其他儀表也常常同時出現(xiàn)雷擊事故。
5.3 環(huán)境條件變化
主要原因是干擾源不在調(diào)試期出現(xiàn)而在運行期間再介入的。例如一臺接地保護并不理想的液氮流量計，調(diào)試期因無干擾源，儀表運行正常，然而在運行期出現(xiàn)新干擾源（如測量點附近管道或較遠(yuǎn)處實施管道電焊）干擾儀表正常運行，出現(xiàn)輸出信號大幅度波動。
6 故障現(xiàn)象和采取措施
6.1 液氮流量計常見故障現(xiàn)象有：
（1）無流量信號；
（2）輸出晃動；
（3）零點不穩(wěn)；
（4）流量測量值與實際值不符；
（5）輸出信號超滿度值。
6.2 無流量信號輸出檢查和采取措施
（1）故障原因
無流量信號輸出大體上可歸納為5個方面故障原因：
1）電源未通等電源方面故障；
2）連接電纜（激磁回路，信號回路）系統(tǒng)方面故障；
3）液體流動狀況方面故障；
4）傳感器零部件損壞或測量內(nèi)壁附著層引起等方面的故障；
5）轉(zhuǎn)換器元器件損壞方面的故障。
（2）檢查程序
先按全面考慮作初步凋查和判斷，然后再逐項細(xì)致檢查和試排除故障。檢查順序的先后原則為：
1）可經(jīng)觀察或詢問了解毋須較大操作的在前，即先易后難；
2）按過去現(xiàn)場檢修經(jīng)驗出現(xiàn)的故障頻度或售后可能出現(xiàn)的故障；
3）檢查本身的先后要求較高者在前。若經(jīng)初步調(diào)查確認(rèn)是后幾項故障原因，亦可提前作細(xì)致檢查。
（3）故障檢查和采取措施
1）查電源方面故障
*先確認(rèn)己接入電源，再檢查電源各部分。查主電源和激磁電流熔絲，若接入符合規(guī)定電流值時，新熔絲再通電而又熔斷，必須找出故障所在點。查電源線路板輸出各路電壓是否正常，或嘗試置換整個電源線路板。
2）檢查連接電纜系統(tǒng)方面故障
分別查連接激磁系統(tǒng)和信號系統(tǒng)的電纜是否接通，連接是否較好。
3）檢查液體流動方向和管內(nèi)液體充滿性
液體流動方向必須與傳感器殼體上箭頭方向一致。對于能正反向測量的液氮流量計，若方向不一致雖仍可測量，但設(shè)定的顯示流動正反方向不符，必須改正之。若拆傳感器工作量大，也可改變傳感器上箭頭方向和重新設(shè)定顯示儀表符號。管道未充滿液體主要是管網(wǎng)工程設(shè)計或傳感器安裝位置不妥，使傳感器測量管內(nèi)不能充滿液體。應(yīng)采取措施，避免安裝如圖2所示a，e位置和以虛線管排放時b位置，改裝到c，d位置。
4）檢查傳感器完好性和測量管內(nèi)壁狀況
主要檢查各接線端子和激磁線圈完好性，以及測量管內(nèi)壁狀況。
激磁線圈及其系統(tǒng)出現(xiàn)的故障常有：
①線圈斷開；
②線圈或其端子絕緣下降；
③匝間短路。
三類故障中以絕緣下降出現(xiàn)的頻度相對較高。線圈斷開和絕緣下降可用萬用表和兆歐表檢查。
傳感器激磁線圈回路絕緣下降的故障出現(xiàn)頻度相對較高的原因是，電氣外殼防護等級IP65（GB4203-93）的傳感器常被短時間浸水（如傳感器裝在較低位置時周圍出事故浸水），按IP65僅是防塵防噴水，很易浸入水或潮氣。即使是IP67（防塵防短時間浸水）或IP68（防塵防連續(xù)浸水）級，也常發(fā)生在接線完成后，引入電纜密封圈或端子盒蓋密封墊片未達(dá)到密封要求而形成事故。因操作疏忽密封圈墊部位進(jìn)水造成的故障是屢見不鮮的。
接線端子受潮引起的絕緣下降，通?？刹捎脽岽碉L(fēng)吹干噪之后恢復(fù)絕緣。線圈受潮對于兩半合攏保護外殼的傳感器，可拆卸外殼蓋置于烘箱，以適當(dāng)溫度烘干；對于氣密型（即焊接結(jié)構(gòu)的防護外殼）傳感器磁圈雖然結(jié)構(gòu)上保證不會受潮，但也有從電纜與密封膠交界面滲入。
測量管內(nèi)壁狀況附著絕緣層或?qū)щ妼拥?可靠檢查判斷是卸下傳感器離線直接觀察，但工作量較大；亦可用在線間接檢查方法，即測量電極接觸電阻和電極極化電壓估計附著層狀況。
5）查轉(zhuǎn)換器的故障
液氮流量計轉(zhuǎn)換器檢查方法常采用以線路板備件和替代法試排除故障
6.2 輸出晃動故障原因和采取措施
輸出晃動大體上可歸納為5方面故障原因：
（1）流動本身是波動或脈動的，實質(zhì)上不是液氮流量計的故障，僅如實反映流動狀況；措施：在流量計前加裝緩沖罐。
（2）管道末充滿液體或液體中含有氣泡；措施：流量計安裝在低點，并有一定長度的直管段。
（3）外界雜散電流等電、磁干擾；措施：液氮流量計良好接地。
（4）液體物性方面（如液體電導(dǎo)率不均勻或含有較多顆粒／纖維的漿液等）的原因。
（5）電極材料與液體匹配不妥；措施：更換電極材料。
7 結(jié)束語
液氮流量計的測量還有一些問題亟待解決，在開發(fā)新的測量技術(shù)的同時，更應(yīng)注重運用現(xiàn)代科學(xué)手段，進(jìn)行應(yīng)用技術(shù)深層次的開發(fā)，切實有效地解決一些實際問題。
1 工作原理
液氮流量計是應(yīng)用電磁感應(yīng)定律，即：導(dǎo)電體在磁場中運動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，而感應(yīng)電動勢又和流量大小成正比，通過測電動勢來反映管道流量的原理而制成的，用來測量導(dǎo)電流體的體積流量（見圖1）。工業(yè)上多用以測量水、礦漿、各種酸、堿、鹽等腐蝕液體等介質(zhì)的流量。
2 液氮流量計的特點
（1）液氮流量計的變送器結(jié)構(gòu)簡單，沒有可動部件，也沒有任何阻礙流體流動的節(jié)流部件，所以當(dāng)流體通過時不會引起任何附加的壓力損失，同時也不會引起諸如磨損，堵塞等問題。特別適用于測量帶有固體顆粒的礦漿，污水等液固兩相流體，以及各種粘性較大的漿液等。同樣，由于其結(jié)構(gòu)上無運動部件，故可通過附上耐腐蝕絕緣襯里和選擇耐腐材料制成電極，起到很好的耐腐蝕性能，使之可用于各種腐蝕性介質(zhì)的測量。
（2）液氮流量計是一種體積流量測量儀表，在測量過程中，它不受被測介質(zhì)的溫度、粘度、密度以及電導(dǎo)率（在一定范圍內(nèi)）的影響。
（3）液氮流量計的量程范圍極寬，同一臺液氮流量計的量程比可達(dá)1:100。此外，液氮流量計只與被測介質(zhì)的平均流速成正比，而與軸對稱分布下的流動狀態(tài)（層流或紊流）無關(guān)。
（4）液氮流量計無機械慣性、反應(yīng)靈敏，可以測量瞬時脈動流量，而且線性好。因此，可將測量信號直接用轉(zhuǎn)換器線性地轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，可就地指示，也可遠(yuǎn)距離傳送。
3 故障類型
液氮流量計運行中產(chǎn)生故障的*一類為儀表本身故障，即儀表結(jié)構(gòu)件或元器件損壞引起的故障；*二類為外界原因引起的故障，如安裝不妥流動畸變，沉積和結(jié)垢等。
液氮流量計按照故障發(fā)生時期分類，可分為：調(diào)試期故障和運行期故障。調(diào)試期故障出現(xiàn)在新裝用后調(diào)試初期，主要原因是儀表選用或設(shè)定不當(dāng)，安裝不妥等。運行期故障是在運行一段時期后出現(xiàn)，主要原因有流體中雜質(zhì)附著電極襯里，環(huán)境條件變化出現(xiàn)新干擾源等。
液氮流量計按故障外界源頭分析來自3個方面：
（1）管道系統(tǒng)和安裝等方面引起的；
（2）環(huán)境方面引起的；
（3）流體方面引起的。來源（1）主要在調(diào)試期表現(xiàn)出來；來源（2）和
（3）則在調(diào)試期和運行期均會出現(xiàn)。
4 調(diào)試期故障
本類故障在液氮流量計初始裝用調(diào)試時就出現(xiàn)，但一經(jīng)改進(jìn)排除故障，以后在相同條件下一般就不會再度出現(xiàn)。常見調(diào)試期故障主要有安裝不妥、環(huán)境干擾、流體特性影響3方面原因。
4.1 管道系統(tǒng)和安裝等
通常是電磁流量傳感器安裝位置不正確引起的故障，常見的是將流量傳感器安裝在易積聚儲留氣體的管網(wǎng)高點；流量傳感器后無背壓，液體經(jīng)過直排進(jìn)入大氣，形成其測量管內(nèi)非滿管；裝在自上向下流的垂直管道上，可能出現(xiàn)排空等。
4.2 環(huán)境方面
主要是管道雜散電流干擾，空間電磁波干擾，大電機磁場干擾等。管道雜散電流干擾通常采取良好單獨接地保護可獲得滿意測量，但如遇管道有強雜散電流亦不一定能克服，須采取流量傳感器與管道絕緣的措施?？臻g電磁波干擾一般經(jīng)信號電纜引入，通常采用單層或多層屏蔽予以保護。
4.3 流體方面
（1）液體含有均勻分布細(xì)小氣泡
通常不影響正常測量，所測得體積流量是液體和氣體兩者之和；氣泡增大會使輸出信號波動，若氣泡大到流過電極遮蓋整個電極表面，使電極信號回路瞬時斷開，輸出信號將產(chǎn)生更大波動。
（2）電極材質(zhì)與被測介質(zhì)選配不善
選配不善，產(chǎn)生鈍化或氧化等化學(xué)作用，電極表面形成絕緣膜，以及電化學(xué)和極化現(xiàn)象等，均會妨礙正常測量。
5 運行期故障
經(jīng)初期調(diào)試并正常運行一段時期后在運行期間出現(xiàn)的故障，常見故障原因有：流量傳感器內(nèi)壁附著層，雷電擊，環(huán)境條件變化。
5.1 內(nèi)壁附著層
由于液氮流量計測量含有懸浮固相或污臟體的機會遠(yuǎn)比其他流量儀表多，出現(xiàn)內(nèi)壁附著層產(chǎn)生的故障概率也就相對較高。若附著層電導(dǎo)率與液體電導(dǎo)率相近，儀表還能正常輸出信號，只是改變流通面積，形成測量誤差的隱性故障；若是高電導(dǎo)率附著層，電極間電動勢將被短路；若是絕緣性附著層，電極表面被絕緣而斷開測量電路。后兩種現(xiàn)象均會使儀表無法工作。
5.2 雷電擊
雷電擊在線路中感應(yīng)瞬時高電壓和浪涌電流，進(jìn)入儀表就會損壞儀表。雷電擊損儀表有3條引入途徑：電源線、傳感器與轉(zhuǎn)換器間的流量信號線和激磁線。然而從雷電故障中損壞零部件的分析，引起故障的感應(yīng)高電壓和浪涌電流大部分是從控制室電源線路引入的，其他兩條途徑較少。還從發(fā)生雷擊事故現(xiàn)場了解到，不僅液氮流量計出現(xiàn)故障，控制室中其他儀表也常常同時出現(xiàn)雷擊事故。
5.3 環(huán)境條件變化
主要原因是干擾源不在調(diào)試期出現(xiàn)而在運行期間再介入的。例如一臺接地保護并不理想的液氮流量計，調(diào)試期因無干擾源，儀表運行正常，然而在運行期出現(xiàn)新干擾源（如測量點附近管道或較遠(yuǎn)處實施管道電焊）干擾儀表正常運行，出現(xiàn)輸出信號大幅度波動。
6 故障現(xiàn)象和采取措施
6.1 液氮流量計常見故障現(xiàn)象有：
（1）無流量信號；
（2）輸出晃動；
（3）零點不穩(wěn)；
（4）流量測量值與實際值不符；
（5）輸出信號超滿度值。
6.2 無流量信號輸出檢查和采取措施
（1）故障原因
無流量信號輸出大體上可歸納為5個方面故障原因：
1）電源未通等電源方面故障；
2）連接電纜（激磁回路，信號回路）系統(tǒng)方面故障；
3）液體流動狀況方面故障；
4）傳感器零部件損壞或測量內(nèi)壁附著層引起等方面的故障；
5）轉(zhuǎn)換器元器件損壞方面的故障。
（2）檢查程序
先按全面考慮作初步凋查和判斷，然后再逐項細(xì)致檢查和試排除故障。檢查順序的先后原則為：
1）可經(jīng)觀察或詢問了解毋須較大操作的在前，即先易后難；
2）按過去現(xiàn)場檢修經(jīng)驗出現(xiàn)的故障頻度或售后可能出現(xiàn)的故障；
3）檢查本身的先后要求較高者在前。若經(jīng)初步調(diào)查確認(rèn)是后幾項故障原因，亦可提前作細(xì)致檢查。
（3）故障檢查和采取措施
1）查電源方面故障
*先確認(rèn)己接入電源，再檢查電源各部分。查主電源和激磁電流熔絲，若接入符合規(guī)定電流值時，新熔絲再通電而又熔斷，必須找出故障所在點。查電源線路板輸出各路電壓是否正常，或嘗試置換整個電源線路板。
2）檢查連接電纜系統(tǒng)方面故障
分別查連接激磁系統(tǒng)和信號系統(tǒng)的電纜是否接通，連接是否較好。
3）檢查液體流動方向和管內(nèi)液體充滿性
液體流動方向必須與傳感器殼體上箭頭方向一致。對于能正反向測量的液氮流量計，若方向不一致雖仍可測量，但設(shè)定的顯示流動正反方向不符，必須改正之。若拆傳感器工作量大，也可改變傳感器上箭頭方向和重新設(shè)定顯示儀表符號。管道未充滿液體主要是管網(wǎng)工程設(shè)計或傳感器安裝位置不妥，使傳感器測量管內(nèi)不能充滿液體。應(yīng)采取措施，避免安裝如圖2所示a，e位置和以虛線管排放時b位置，改裝到c，d位置。
4）檢查傳感器完好性和測量管內(nèi)壁狀況
主要檢查各接線端子和激磁線圈完好性，以及測量管內(nèi)壁狀況。
激磁線圈及其系統(tǒng)出現(xiàn)的故障常有：
①線圈斷開；
②線圈或其端子絕緣下降；
③匝間短路。
三類故障中以絕緣下降出現(xiàn)的頻度相對較高。線圈斷開和絕緣下降可用萬用表和兆歐表檢查。
傳感器激磁線圈回路絕緣下降的故障出現(xiàn)頻度相對較高的原因是，電氣外殼防護等級IP65（GB4203-93）的傳感器常被短時間浸水（如傳感器裝在較低位置時周圍出事故浸水），按IP65僅是防塵防噴水，很易浸入水或潮氣。即使是IP67（防塵防短時間浸水）或IP68（防塵防連續(xù)浸水）級，也常發(fā)生在接線完成后，引入電纜密封圈或端子盒蓋密封墊片未達(dá)到密封要求而形成事故。因操作疏忽密封圈墊部位進(jìn)水造成的故障是屢見不鮮的。
接線端子受潮引起的絕緣下降，通?？刹捎脽岽碉L(fēng)吹干噪之后恢復(fù)絕緣。線圈受潮對于兩半合攏保護外殼的傳感器，可拆卸外殼蓋置于烘箱，以適當(dāng)溫度烘干；對于氣密型（即焊接結(jié)構(gòu)的防護外殼）傳感器磁圈雖然結(jié)構(gòu)上保證不會受潮，但也有從電纜與密封膠交界面滲入。
測量管內(nèi)壁狀況附著絕緣層或?qū)щ妼拥?可靠檢查判斷是卸下傳感器離線直接觀察，但工作量較大；亦可用在線間接檢查方法，即測量電極接觸電阻和電極極化電壓估計附著層狀況。
5）查轉(zhuǎn)換器的故障
液氮流量計轉(zhuǎn)換器檢查方法常采用以線路板備件和替代法試排除故障
6.2 輸出晃動故障原因和采取措施
輸出晃動大體上可歸納為5方面故障原因：
（1）流動本身是波動或脈動的，實質(zhì)上不是液氮流量計的故障，僅如實反映流動狀況；措施：在流量計前加裝緩沖罐。
（2）管道末充滿液體或液體中含有氣泡；措施：流量計安裝在低點，并有一定長度的直管段。
（3）外界雜散電流等電、磁干擾；措施：液氮流量計良好接地。
（4）液體物性方面（如液體電導(dǎo)率不均勻或含有較多顆粒／纖維的漿液等）的原因。
（5）電極材料與液體匹配不妥；措施：更換電極材料。
7 結(jié)束語
液氮流量計的測量還有一些問題亟待解決，在開發(fā)新的測量技術(shù)的同時，更應(yīng)注重運用現(xiàn)代科學(xué)手段，進(jìn)行應(yīng)用技術(shù)深層次的開發(fā)，切實有效地解決一些實際問題。