1、前言

       在纸浆造纸生产过程中，纸浆流量的测量起着非常重要的作用。高浓度的纸浆在封闭的管道内连续运行，使测量过程中的干扰大大增加。因此，造纸行业对流量测量仪表也提出了更高的要求。

 

       制浆造纸生产中所用的大量液体，其电导率都大于20μS/cm，这种情况就符合电磁流量计的基本测量要求。电磁流量计没有使管道公称直径缩小或者可能被纤维所堵塞的部件，这一特点在测量纸浆流量时显得极为重要。因此，近年来利用电磁流量计测量纸浆流量的方法得到广泛的应用。

 

2、电磁流量计的测量原理

       电磁流量计是测量各类具有一定电导率的液体、浆液流量的流量计。法拉第电磁感应定律是电磁流量计的基础，当导体作切割磁力线运动时，导体中就会产生感应电动势。本原理适用于导电流体流过垂直于磁场方向的测量管，如图1所示[1]。

式中：信号电压UE正比于磁感应强度B、电极间距D和平均流速v。

 

       由于磁感应强度B和电极间距D是常数，则信号电压UE与平均流速v之间呈正比关系。计算体积流量公式是UE～qv。信号电压UE与流量呈线性正比关系。如图1所示，流体中的感应电动势由位于径向彼此相对的2个电极测出。

 

       由式(1)可知，被测流体介质的温度、密度、压力、电导率、液固两相流体介质的液固成分比等参数不会影响测量结果。被测介质只要符合轴对称流动(如层流或者紊流)就不会影响测量结果。

 

       因此，电磁流量计是一种真正的体积流量计。电磁流量计只要用普通的水实际标定后就可以测量其他任何导电流体介质的体积流量，而不需要任何修正。

 

3、电磁流量计的特点［2］

（1）测量管为光滑直管段，无可动及阻流部件，压力损失小，对于大口径管道来说，节能效果显著；

（2）流量计输出与流量呈线性关系，测量口径范围广，可包含DN3~DN3400;

（3）测量范围宽，选择不同的衬里可以测量各类高温、腐蚀性介质；

（4）安装要求低，根据使用经验，前置直管段为5D，后置直管段为3D（D为管道公称直径）就可满足精度要求；

（5）测量精度高，常规可达0.3%~0.5%；（6）对于被测介质必须是导电性液体，导电率一般≥20μS/cm。被测介质中不能含有大量铁磁性物质或气泡，不能用于气体、蒸汽或非导电介质的测量。

 

4、造纸行业背景

       造纸业作为重要的基础原材料产业，在国民经济中占据重要地位。造纸业关系到国嘉的经济、文化、生产、国防各个方面，其产品用于文化、教育、科技和国民经济的众多领域。

 

       我国是传统造纸大国，改革开放以来，伴随国民经济的持续快速发展，中国造纸行业也逐步经历着从早期的产能分散、工艺粗放式生产向集约型发展模式的过渡。通过引进技术装备与国内自主创新相结合，中国造纸行业部分优秀企业已完成由传统造纸业向现代造纸业的转变，步入世界先进造纸企业行列。同时，中国也成为全球纸品产销大国，造纸总产量和消费量已经跃居世界shou位。

 

5、造纸流程中的工艺特性及问题

5.1造纸过程工艺

       现代造纸工艺主要由2个工艺环节组成：制浆段和造纸段。

 

       制浆是由植物纤维原料分离出纤维制得纸浆的过程。制浆方法主要分为机械法、化学法和化学机械法，分别制得机械纸浆、化学纸浆和化学机械纸浆。

造纸段主要是将各种浆料按比例混合后经网部脱水，压榨成形并烘干后成为原纸，经后段涂布、压光后出成纸。

 

5.2、测量面临的问题

（1）高温高压

一般经过机械打浆后的浆料温度高达80℃以上。黑液的提取与循环过程，也是一个高温高压的环境。

（2）内衬磨损

高浓度纸浆、废纸液、蒸煮喷浆线会对电磁流量计的内衬产生严重的磨损。

（3）浆液噪声干扰

高浓度纸浆、纤维在流过电磁流量计的时候，容易与电磁流量计的电极产生摩擦，从而产生尖峰噪声干扰。

（4）电极结垢

在测量燃料、化学药剂、易结晶液体时，电磁流量计的电极会被绝缘附着物覆盖，从而影响测量。

 

6、电磁流量计在造纸行业的应用选型

       针对造纸过程的特殊性以及面临的问题，对于电磁流量计在造纸行业的应用选型做如下分析。

 

6.1、衬里的选择

       造纸过程中的被测介质具有高温高压的特点，且有大量的化学药品，具有腐蚀性。因此，电磁流量计都采用耐高温的PTFE衬里，且整机采用分体形式。PTFE衬里虽然耐高温但是不耐负压，在某些特殊环境下，如中浓立管出口，不但介质浓度高、温度高且不定时会出现真空现象，在这种情况下就需要选择具有不锈钢衬网的PFA衬里，以防止PT⁃FE发生鼓包现象。

 

       经过多年实践,电磁流量计衬里在造纸领域普遍选用PTFE、PFA或F46。此外，电磁流量计在安装时加装带颈接地环，可大大提高衬里的耐磨损性。

 

6.2、电极的选择

       造纸行业的电磁流量计电极的选择主要考虑2方面：一是耐腐蚀；二是防结垢。

 

       造纸过程会加入大量的化学药品，如NaOH、Na2SiO3、浓H2SO4、H2O2等。对于不同的化学药品需要选择不同的电极，如强酸性介质电极需选用钽电极，对于碱性介质一般选用钛电极，而对于常规水的测量则316L不锈钢电极即可。电极的选型不当会造成电极腐蚀，从而导致电极进水。在电极防结垢的设计上，对于结垢程度一般，以纤维状物质为主的介质可选择球面电极。球面电极与被测介质接触面积大，且不易被纤维状物质覆盖，如图2所示[1]。

       如果被测介质黏性高，易结垢程度严重则需选择尖头电极，如图3所示。尖头电极在介质接触部位的中心位置具有同一轴线的凸起部，此凸起部为导电体。被测介质经过电极时会被凸起部分割，使得介质与电极接触部位以及凸起部不易结垢[1,6]。

6.3、励磁方式的选择

6.3.1励磁方式介绍

       电磁流量计能否具有良好的抗干扰能力与较好的零点稳定性，很大程度上由励磁方式的类型决定。励磁技术的不断改进推动着电磁流量计的发展，主要形成了直流励磁(含永磁励磁)、交流励磁、低频矩形波励磁、低频三值矩形波励磁、高频矩形波励磁和可编程脉宽矩形波励磁、双频矩形波励磁6类[4]。

 

       目前在造纸行业使用较多的是低频矩形波励磁、高频矩形波励磁和可编程脉宽矩形波励磁、双频矩形波励磁。

（1）低频矩形波励磁

       这种励磁方式是目前电磁流量计的主流励磁方式。该励磁方式不会产生交流励磁中的涡流效应，也不会产生直流励磁中的极化现象。因此，应用也最宽泛，如图4所示。

（2）高频矩形波励磁和可编程脉宽矩形波励磁［3］

       依托微电子技术的不断发展，励磁技术也在不断进步，利用单片机的可编程特性、存储和运算功能，励磁方式可以做到脉冲宽度可编程。高频励磁是相对于低频而言的，高频一般在25~100Hz，这2种励磁方式的优点是能够对浆液状流体进行流量测量，具有快速响应性。缺点是高频矩形波励磁方式对磁性材料要求高，增加了工艺上的难度。

（3）双频矩形波励磁

       传感器采用双频励磁，在电磁流量计测量管道内形成一个具有高频和低频2个频率分量的电磁场。高频频率选用75Hz，能有效抑制介质噪声，大幅度降低了液体对检测电极的极化作用；低频频率选用6.25Hz，有利于抑制零点的漂移。采用双频励磁方式的电磁流量计能够在工况恶劣的条件下工作，具有良好的零点稳定性，同时还具有较强的浆液噪声抑制的能力，如图5所示。

6.3.2不同励磁方式在实际应用中的选择

       在造纸行业中，电磁流量计励磁方式的选择主要根据浆液浓度来选择。对于常规1%~3%或以下的浆料，一般的低频励磁方式就可测量，如12.5Hz或6.25Hz低频励磁。

 

       当纸浆浓度为3%~15%时，浆料中液体的不均匀以及浆料摩擦电极引起的高频噪声，容易使得电磁流量计波动，因此,需选择励磁频率≥25Hz的高频励磁。根据我公司高频电磁流量计的使用经验，高频励磁可降低40%~50%的流量波动幅度，如图6所示。

       当纸浆浓度大于15%时，推键使用双频励磁电磁流量计。双频励磁电磁流量计在具有较强的浆液噪声抑制能力的同时，还可有效抑制零点漂移。

 

7、电磁流量计使用注意事项

电磁流量计在造纸行业液体测量中占据着主导地位。在实际使用中应注意以下问题：

（1）电磁流量计安装时需满足前置直管段为5D，后置直管段为3D（D为管道公称直径）；

（2）电磁流量计安装时必须保证满管，避免将其安装在管道的最高处；

（3）如电磁流量计安装在绝缘管道上，必须配接地环或接地电极；

（4）当测量2种电导率不同的介质，电磁流量计应安装在介质的上游或者介质充分混合均匀的位置；

（5）测量易黏附、沉积、结垢的流体，电磁流量计实际流速应不低于2m/s，很好3~4m/s或以上；

（6）测量磨损性强的流体，电磁流量计常用流速应低于2~3m/s；

（7）安装位置避免附近有变频、大功率电机、大变压器、动力电缆等设备。

 

8、应用案例

       造纸行中，需要流量测量的介质主要分为浆液（纸浆、竹浆）和黑液。广西某著名造纸厂在2016年联系到我公司，希望对于他们公司黑液的测量提供解决方案。其公司的黑液主要包括2个工艺段：一是蒸发工艺段的黑液，介质温度120℃，介质浓度＜3%；二是蒸煮工艺段的黑液，介质温度170℃，介质浓度＜3%。用户要求流量测量稳定准确，与液位计量吻合，测量值显示波动＜2%，且使用寿命＞3a。对于蒸发工艺段的黑液，我公司推键XE系列电磁流量计，分体形式，PTFE衬里，316L不锈钢电极。对于蒸煮工艺段的黑液，针对其高温的特性，我公司为其定制加厚PTFE衬里，且对传感器内部的励磁线圈以及磁路系统做隔热、散热处理；电极方面，采用球面形式的316L电极，为了防止衬里受热膨胀后引起的电极绝缘不佳，采用特制的电极锁紧结构。用户在听取我公司方案后随即采购，目前运行时间已超过4a，其运行稳定，计量准确。现场应用环境如图7、图8和图9所示。

9、结语

       造纸浆料的测量是对所有流量计的挑战。整个过程中的被测介质包括高密度流体、纸浆纤维甚至黏土、淤泥、沙子、砾石等，这些都对测量带来了巨大的难度。电磁流量计由于结构上全通径、无可动部件的优势，以及日益完善的抗干扰、耐磨损技术，相信会在造纸行业得到越来越广泛的应用。