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电磁流量计导管衬里的发展和各种衬里材料性能的特点

电磁流量计导管衬里的发展和各种衬里材料性能的特点本文从电磁流量计导管衬里在流量测量中的作用分析着手,概括地介绍了导管衬里的发展和各种衬里材料性能的特点,本文希望对电磁流童计的用户在选型时能够起到参考作用。
  由测量原理和构造特征所决定,电磁流量计与其它流量计相比,具有传感器无活动部件,无压力损失,受管道的流速分布影响小,要求安装直管段小,能够较容易地解决诸如酸碱盐之类腐蚀性和浆液等液体的测量;测量的体积流量不受温度、压力、密度、粘度以及电导率变化的影响;测量范围广,直线性好,可靠性高等优点。因此,在众多流量计中,电磁流量计成为发展最快的流量计之一。其应用已遍及工农业、国防、科研各部门。可以预料,在今后工农业生产高度自动化、高度信息化的发展中,在迫切需要节能和保护环境的今后,电磁流量计将会有更大、更快地发展。
  在电磁流量计中,和被测流体相接触的除了电极就是测量导管的衬里。电磁流量计能否满足被测流体介质的物理化学特性,正确的完成测量任务,衬里有至关重要的作用。为适应电磁流量计的发展,对于衬里材料及其制造工艺的研究是电磁流量计制造厂家和使用者都十分关心、非常重视的问题。本文拟向读者介绍衬里的发展概况以期引起同行和用户的重视。作者根据自己的工作经验,提出发展国产电磁流量计,解决衬里材料和制造工艺的看法。
  二、衬里在电磁流量计流量测虽中的作用
  电磁流量计是依据法拉第电磁感应定律的原理而制作的。导电液体作为导体在磁场内作切割磁力线运动,垂直于流动方向和磁场方向并固定在流体测量导管上的一对电极上,产生正比于流速的电动势。由专用的测量仪表(转换器)测量感应电动势进而测得流量。
  然而,实际的电磁流量计测量导管必须是与被测流体呈电绝缘状态的。除电极接触被测流体外,刚性的金属导管内壁必须衬有绝缘衬里。也就是说,管壁处的法向电流为零,这是电磁流量计的基本条件之一。通俗地讲,绝缘衬里是避免电极感应的流量信号被金属导管所短路。可见绝缘衬里在电磁流量计的应用中有十分重要的作用。因此在电磁流量计的发展历史中,也伴随着衬里材料研究和衬里制造技术研究的成果。
  被测导电流体的种类非常之多,它们的物理化学特性也不尽相同。不可能用一种材料的绝缘衬里来解决所有应用电磁流量计测量流体介质物理化学特性的要求。尽管日本东京大学山崎弘郎教授等在本世纪80年代曾依据管壁处的法向电流为零,电磁流量计的这一基本要求原则,设想将金属导管与被测流体间保持等电位状态,这样就可以不要衬里J而且能够方便地解决测量流体诸如温度、压力、磨损、腐蚀等物理化学特性问题。然而,电磁流量计毫伏级(甚至微伏级)的流量信号是以流体为零位基准的,其上有远大于流量信号幅度的共模干扰。所以在金属导管上很难找出一个稳定的流体等电位参考电极。同时,要把流量信号电流放大后加到金属导管上来跟随流量信号电位,保持导管与流体间等电位状态,电磁流量计的耗能大,技术上很困难。这可能是到目前为止金属导管电磁流量计尚未商品化的原因吧。
  三、常见衬里材料及其特性
  自电磁流量计出现以来,人们曾经利用许多有机的、天然的材料来作测量导管衬里。从满足被测流体的温度、压力(包括负压)、腐蚀性和耐磨性考虑,目前,常见的电磁流量计导管衬里材料是橡胶、聚氨脂橡胶、氟塑料和工业陶瓷.
  下面就常见的几种衬里材料的特性分别作一介绍。
  1.橡胶:通常用作衬里的橡胶材料是氯丁橡胶。它具有耐碱及耐弱酸性的优越特点,并兼有一定的耐磨性,电绝缘性也很好。使用氯丁橡胶衬里的介质温度一般在80℃以下。这种衬里二般适用于测量水、污水、泥浆、矿浆流体介质。但不耐氧化性介质的腐蚀.
  另外一种耐酸橡胶(硬橡胶)可耐室温下的盐酸、草酸、氨水、磷酸及50%的硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾。但不耐强氧化剂。其使用温度可在一25一+90℃范围。
  橡胶衬里的制造工艺比较简单。它和不锈钢导管能够牢固的粘结在一起。因此,一般管道中的负压不会损坏衬里。电极处密封也较为可靠。其制造成本相对较低。所以,橡胶衬里在电磁流量计中应用最为普遍。
  2.聚氨脂橡胶:聚氨脂弹性体是一种介于橡胶和塑料之间的高分子聚合物。它既具有高强度,又具有高弹性。它的延伸率、硬度范围宽广,并且具有优良的耐油性、耐低温性、耐臭氧性。它的耐磨性更为突出(约为天然橡胶的10倍)。但是,聚氨脂橡胶的耐酸、碱性较差。所以,它主要用来测量有磨损的矿浆、煤浆、泥浆等。其一般最高使用温度可达80℃。
  电磁流量计测量导管聚氨脂橡胶衬里通常是采用浇铸型的制造工艺.可应用在不锈钢导管与芯模之间真空浇铸的工艺,也可使用离心浇铸的工艺。当然后者其设备复杂,成本较高.
  3.氟塑料:通常做电磁流量计衬里的氟塑料有三种:
  (l)聚四氟乙烯(英文缩写PTFE),它是塑料中化学性能最稳定的一种材料.能够工作在一80℃~+260℃介质温度条件下,耐沸腾的盐酸、硫酸、硝酸和王水,也能耐浓碱和各种有机溶剂。但是,聚四氟乙烯的耐磨性差:不容易和不锈钢相粘结;在有压情况下受温度影响,聚四氟乙烯有一种“冷流现象”,这种现象使得聚四氟乙烯用作衬里和垫圈时,第一次压紧后要在高温下定型保温数小时再压紧一次。所以,解决聚四氟乙烯用作电磁流量计导管衬里的热冲击变换和负压影响,是一个难度很大的技术问题。
  (2)聚全氟乙丙烯(英文缩写FEP,国内称F一46)这种氟塑料在力学、电性能和化学稳定性上与PTFE基本相同。但耐热性不如PTFE.不过,FEP能以熔融状态成型。所以可在不锈钢导管内壁加工槽纹将其熔融嵌人,以解决PTFE不能粘结的技术难点从而解决热冲击和负压影响伺题。
  (3)PFA,这种氟塑料是美国杜邦公司在PTFE出现22年后投放市场的一种新聚四氟乙烯材料。它在力学、电性能和化学稳定性上也与PTFE基本相同。由于它可以采用传递模塑制造法加工成复杂形状,能够嵌人导管内壁的燕尾槽、电极孔和注人导管两端法兰面。因此,它能够从根本上解决四氟乙烯电磁流量计的电极密封和耐负压、耐热冲击问题,增强了电磁流量计的可靠性。因为是金属模注塑,其表面很光滑,一些易附着物质在其上附着的可能性很小。这在电磁流量计的测量中有很大意义。
  从70年代末PFA衬里的电磁流量计进人市场以来,国外大的电磁流量计制造公司相继也推出PFA衬里的电磁流量计产品.但是,PFA材料的价格很高。加工设备是专用的,其造价也很高。对一个电磁流量计制造厂来说,一次性投资太大.这就使其推广困难。在日本,尽管横河电机、山武霍尼韦尔等公司有上万台的年产量,PFA衬里的电磁流量计导管仍都委托华尔卡公司制造,从而解决了这一困难。对我国来说,如有某些政府部门的协调、支持,解决这一困难将会更容易。
  4.工业陶瓷:这是采用高纯度的三氧化二铝(纯度在99.6%一99.9%)材料烧结成的非金属导管。成品的陶瓷衬里管硬度很大,机加工很难.为密封电极,早期研制者是把铂电极嵌人烧结前的陶瓷坯中,同时进行烧结.烧结温度达1800℃以上.由于铂电极和氧化铝的温度收缩率不同,它们的连接界面存在应力容易引起液体泄漏.烧结时,氧化铝收缩较大,电极向上突出会产生噪声,降低测量精度。后来的研制者采用铂粉和氧化铝粉混合与氧化铝导管一起烧结,解决了上述问题。
  陶瓷导管的耐磨性是聚氨脂橡胶的10倍以上;在高温高压下不变形,它几乎适用于各种腐蚀介质。但是,必须注意,氢氟酸磷酸、强碱对其有影响·另外申于铂不适于王水和馁盐,所以陶瓷导管也不能用来测量王水和馁盐.
  5.电容式电磁流量计:如果电磁流量计的电极不接触流体介质,将能避免电极的泄漏,大大地提高电磁流量计的使用可靠性。电容电极电磁流量计是用绝缘管将大面积电极与流体介质绝缘起来,使电极和流体之间形成电容。交变的流量信号通过电容藕合传递到电磁流量转换器,从而测量流量的.由于电极和流体之间形成的电容容量很小,信号的频率也很低,其容抗相当大.所以除要求电磁流量转换器的输人电阻非常大外,也要求绝缘管的绝缘电阻尽量大.在上述衬里材料中PTFE和工业陶瓷的绝缘电阻最大.工业陶瓷是刚性材料,受温度和压力变化的影响小,因此其容量稳定,不会由此产生噪声,信噪比大.作为电容式电磁流量计绝缘管工业陶瓷更合适。
  电磁流量计的导管衬里是电磁流量计生产工艺中最重要、难度也最大的技术关键,能够找到理想的衬里材料和合适的加工工艺,对于电磁流量计的制造和发展十分重要。
  从衬里发展情况看,橡胶、聚氨脂橡胶、PFA和工业陶瓷是当前电磁流量计衬里较理想的材料.目前我国的橡胶和聚氨脂橡胶两种材料衬里的加工尚能解决。但对PFA和工业陶瓷的工艺性研究还未能开展。其原因正如前面所述,一个电磁流量计制造厂很难承担这样的工艺性研究。作者希望有关部门能够组织、协调、支持这方面的研究工作,以提高我国电磁流量计的制造水平,满足市场的需要。
点击次数:  更新时间:2017-06-06 18:10:30  【打印此页】  【关闭