電磁流量計(jì)從40年代后期開(kāi)始在滬工業(yè)上應(yīng)用以來(lái),經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)一段時(shí)期的實(shí)踐和推廣,已為廣大用戶(hù)認(rèn)識(shí)其優(yōu)越性能,例如無(wú)阻流元件和幾乎沒(méi)有阻力損失,流場(chǎng)影響小和直管段要求低等。尤其在測(cè)量含有固體順�；蚶w維的液體時(shí),解決了許多過(guò)去傳統(tǒng)流量?jī)x表無(wú)法測(cè)量的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)幾代產(chǎn)品的改進(jìn),電磁流量計(jì)的性能日臻完善,近10年銷(xiāo)告量迅速增加,其銷(xiāo)售金額名次在8大類(lèi)流量?jī)x表〔差壓式、浮(轉(zhuǎn))子式、容積式、電磁式、渦輪式、質(zhì)量式、旋渦式,超聲波式1中已屬于第三、四位。
一、生產(chǎn)和應(yīng)用概況
工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家由于社會(huì)上有較多的需要量,因此都有一定數(shù)量(近10~20、30家)的工廠生產(chǎn)電磁流量計(jì)。1983(1984)年間日本、美國(guó)、西歐電磁流量計(jì)銷(xiāo)售金額已分別占流量?jī)x表銷(xiāo)售總額的16.3%、12.5%、13.5%,其年產(chǎn)量估計(jì)為4~5.5萬(wàn)臺(tái)。伯75年日本電隴流量計(jì)社會(huì)擁有量3.5萬(wàn)臺(tái),到1983年為10萬(wàn)臺(tái),8年間擁有量年平均增長(zhǎng)14%,按此推算1983年年產(chǎn)量為1.2萬(wàn)臺(tái)。從這些數(shù)據(jù)可以看到國(guó)外電磁流量計(jì)的生產(chǎn)和應(yīng)用已有較大規(guī)模。
二、新型儀表發(fā)展動(dòng)態(tài)
工業(yè)上通用的電磁流量計(jì)國(guó)外發(fā)展到現(xiàn)在呈現(xiàn)二種發(fā)展趨勢(shì)。一種趨勢(shì)是向普及化方向發(fā)展,即性能適中,傳感器小型輕量并與轉(zhuǎn)換器連在一起,使用簡(jiǎn)便,價(jià)格相對(duì)便宜的普及型儀表,國(guó)外有人聲稱(chēng)其綜合價(jià)格能與傳統(tǒng)差壓式流量?jī)x表挑戰(zhàn)(包括引壓連接管等安裝費(fèi));另一種趨勢(shì)是向精度高多功能方向發(fā)展的高性能儀表。
1.普遍采用低頻矩形波激磁。70年代后期國(guó)外各制造廠紛紛以低頗(50H,的1/2~1/32)矩形波激磁方式代替使用近30年的市電交流激磁方式,現(xiàn)在已很少有市電交流激磁的電磁流量計(jì)商品。矩形波激磁克服了市電交流激磁的缺點(diǎn),使儀表不存在液體中隨機(jī)性潤(rùn)電硫干擾電勢(shì)。低頻矩形波激磁的儀表零點(diǎn)穩(wěn)定,為提高儀表精度打下基礎(chǔ)。交流激磁的儀表安裝在電極易附著異物或污染(如排放污水、紙漿液等)的場(chǎng)所極易帶來(lái)零點(diǎn)和指示值變化,用低頻矩形波激磁儀表后可大為改善。
2.高精確度化。在測(cè)量范圍內(nèi)基本誤差國(guó)外從滿(mǎn)量程的l%(即l%F.S)提高到側(cè)量值的1%(即l%R),也有按測(cè)量范圍分段提高到0.5%R,更甚者提高到0.1%R+0.1%F.S。
過(guò)去流量?jī)x表的瞬時(shí)流量(或稱(chēng)流量率)的基本誤差一般以滿(mǎn)量程的百分比計(jì)算,在低流量時(shí)如按實(shí)際流量百分比計(jì)算誤差,其值就要大得多。如圖1所示,線A就是過(guò)去通常采用l%F.S,轉(zhuǎn)化到按實(shí)際流量計(jì)算的最大允許誤差曲線時(shí),如指示流量在50%F.S時(shí),則最大容許誤差為2%R,在功%.FS時(shí)則高達(dá)10%。線B是流量在10%~100%FS時(shí),誤差為1%R和流量<10%F·S時(shí)誤差為0.1%F·S時(shí)的最大允許誤’差曲線。線C是目前采用得較為普追的誤差曲線,流量在50%~100%F·S時(shí)誤差為0.5%R,流量<50%時(shí)誤差為0.25%F.5。從圖l中可以看到與過(guò)去儀表相比,低流量時(shí)測(cè)量精度顯著提高。這是由于采用低頻矩形波磁零點(diǎn)穩(wěn)定性大為改善所致。
表2所列是滿(mǎn)量程流量的流速李lm/s時(shí),國(guó)外若干制造廠目前實(shí)現(xiàn)的基本誤差指標(biāo)。但在與外國(guó)制造廠商技術(shù)座談?wù)劦骄葐?wèn)題時(shí),有人說(shuō)雖然某些制造廠樣本發(fā)表了第5項(xiàng)基本誤差計(jì)算方法〔土(0.1%R+0.1%F·S)〕,但實(shí)際上還碰到一些麻煩。
3.功能增加。為滿(mǎn)足用戶(hù)不同需要,各制造廠在電磁流量計(jì)上增加了許多功能。尤其在轉(zhuǎn)拳部分的電路中普遍采用微處理器(拼p)后,在高性能儀表中則增添了更多功能。
(1)量程設(shè)定、多量程外部切換和內(nèi)部自動(dòng)切換國(guó)外新穎的電磁流量計(jì)都能夠不實(shí)流標(biāo)定而改變量程。當(dāng)電磁流量傳感器在流量實(shí)流標(biāo)定裝置上以某一流量(髻如說(shuō)在lm/s流速時(shí)的流量)標(biāo)定后,求得該傳感器的儀表常數(shù),轉(zhuǎn)換器即以此常數(shù)設(shè)定就可使用。如要改變流量范圍,可通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)換部分中童程電位器就可以。高性能儀表通常用3~4位十進(jìn)制數(shù)字電位器設(shè)定,也有用分頻方法改變流量范圍,如Korhc1[公司T900F型轉(zhuǎn)換器用4位數(shù)字輪改變電路的分孩系數(shù),在規(guī)定的范圍內(nèi)作任意值設(shè)定。其優(yōu)點(diǎn)是可克服由電位器的非線性帶來(lái)的誤差,提高擴(kuò)大或編小流,范圍的精確度。普及型儀表也有用改變端子接線的方法,以x2、x4和x8倍數(shù)改變流量范圍。高性能型儀表因此也可以由用戶(hù)自己設(shè)定不同容積單位,如立方來(lái)、升、加侖等,流量單位如立方米/時(shí)、升/分、加侖/分等。
流量大幅度變化的使用場(chǎng)所,如能按照所側(cè)流t大小改變流量范圍(滿(mǎn)量程流量),可以提高側(cè)t精確度。在許多高性能儀表中設(shè)有量程切換功能。有利用外部觸點(diǎn)信號(hào)來(lái)切換量程的,最多能切換四個(gè)流量范圍;內(nèi)部自動(dòng)切換有雙量程和三量程。圖2所示是雙量程切換例,設(shè)流量范圍0~100m3/h,雙量程所設(shè)定低量程為30 m3/h,高量程為100m3/h。當(dāng)流量開(kāi)始從零漸漸增加,先沿低量程線上升,當(dāng)增加到97%(約29m3/h時(shí),自動(dòng)切換到高量程線。相反流量從100 m3/h沿高量程線減小到約24 m3/h (商量程輸出的24%)時(shí),自動(dòng)切換到低量程線輸出80%的地方。
如以表2第3種計(jì)算流量24 m3/h的最大允許誤差,以單一量程方式(即與高量程線,相同)為0.25 m3/h,以雙量程自動(dòng)切換則降低到0.12 m3/h。如流量在15 m3/h時(shí),則最大允許誤差從0.25 m3/h降低到0.075 m3/h。
(2)正向/反向流自動(dòng)切換高性能儀表中常設(shè)有能測(cè)量正向/反向雙向流的流量測(cè)量線路,以適應(yīng)計(jì)量有雙向流動(dòng)的使用場(chǎng)所。流量一輻出如圖3所示,正方向流量設(shè)定在較高量程,反方向流量設(shè)定在較低量程,切換流量以零流量為中心。為防止切換時(shí)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象(即切換頻繁),可設(shè)百分之幾的滯遲區(qū),例如圖3所示為愉出信號(hào)的-1.5%,當(dāng)流量下降到反方向的1.5%時(shí)才向反方向切換。積算方式如圖4所示,有正方向流量和反方向流量分開(kāi)積算方式和差流量積算方式兩種。
(3)輸出信號(hào)多樣化高性能儀表信號(hào)摘出多樣:有模擬量翰出,電流4~20mA、電壓l~5V.DC;有頻率可設(shè)定的脈沖愉出,頗率從小于l到1000PPS,有上下限報(bào)警愉出;有上文所述正反流量方向接點(diǎn)和自動(dòng)多量程接點(diǎn)輸出等。有些儀表除了轉(zhuǎn)換器摘出信號(hào)功能外,還直接設(shè)有4~6位數(shù)字顯示瞬時(shí)流量和積算總量。
(4)自診斷功能電磁流量計(jì)裝上μP后還可監(jiān)測(cè)儀表工作狀態(tài),診斷出現(xiàn)的異常狀態(tài),如愉入信號(hào)異常(測(cè)量管中空無(wú)液體,輸入信號(hào)過(guò)大),信號(hào)線或激磁線圈短路或斷線,誤設(shè)定參數(shù), μP工作異常等。
(5)按不同使用對(duì)象適用不同激磁方式電導(dǎo)率較高的純液相液體一般采用較低頻率(市電的l/8~l/32)矩形波激磁電流且是三值(正一零一負(fù)丫零)激磁方式,以獲得較好零點(diǎn)穩(wěn)定性。但是在測(cè)量導(dǎo)電率較低(10-4s/cm以下)的液體時(shí),電極的電化學(xué)電位定期變動(dòng),產(chǎn)生l/f噪聲(f為頻率),因此要適當(dāng)提高頻率,以改善信噪比(S/v)。另外,在測(cè)量含有固體顆粒或纖維的漿液時(shí),固相擦過(guò)電極表面,使電極面的接觸電位突然變化,物出信號(hào)出現(xiàn)尖峰狀噪聲。這種異常尖峰噪聲雖有采用流量值與平均值比較棄舍的流量率限制(Ratelim!t)方法處理之`日,,但還是要適當(dāng)提高激磁頻率以改善性能。低電導(dǎo)率液體和漿液的矩形波激磁頻率有采用市電頻率的1/2,當(dāng)然這樣要犧牲一些零點(diǎn)穩(wěn)定性。因此用戶(hù)可以按照不同介質(zhì)條件選用適宜的激磁方式和頻率的儀表。
4.小型、輕量和一體型。一傳統(tǒng)電磁流量計(jì)通常由傳感器和轉(zhuǎn)換器二部分組成。傳感器體型和重量隨著原理上和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上的改進(jìn),一代比一代小巧。近10年傳感器兩連接法蘭間長(zhǎng)度縮短了l/2~1/3,不帶法蘭的結(jié)構(gòu),甚至縮短到1/10。以25mm口徑傳感器為例,連接法蘭間長(zhǎng)度從最早450mm縮短到170mm,發(fā)展到現(xiàn)在無(wú)法蘭結(jié)構(gòu)兩端面間長(zhǎng)度僅80~90mm,甚至只有50余mm;重量從30~40kg下降到18~20kg,而無(wú)法蘭結(jié)構(gòu)僅5~6比。無(wú)法蘭結(jié)構(gòu)適用于小口徑傳感器,它利用管道法蘭直接夾持住。再看中型口徑150mm傳感器,長(zhǎng)度也從前不久已縮短到400mm再縮短到無(wú)法蘭結(jié)構(gòu)160~200mm,重量也從35~40kg減輕到15~20kg。
傳感器大幅度縮小體型和減輕重量的主要原因是采用了低頻矩形波激磁后抗干擾性能提高以及電子技術(shù)的進(jìn)步。因此對(duì)可檢測(cè)出的最小流量信號(hào)的幅值要求降低,流速每秒米產(chǎn)生的流量信號(hào)從早期l~1.5mV減小到0.4mv,甚至到0.2mv。這樣設(shè)計(jì)磁系統(tǒng)時(shí)就可成倍降低磁通密度,從而減小了磁系統(tǒng)尺寸和激磁線圈,同時(shí)也降低了電功率消耗。又由于采用低頻矩形波激磁,不存在原市電交流激磁存在的磁路鐵磁件的渦流問(wèn)題,大大簡(jiǎn)化了磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),有些磁路結(jié)構(gòu)就直接利用傳感器鐵磁性外殼,不另行設(shè)置磁扼回路。
電子技術(shù)的高度集成化,使轉(zhuǎn)換器的外形也大幅度縮小,同時(shí)有可能使轉(zhuǎn)換器和傳感器裝在一起,即為一體型創(chuàng)造了條件。省卻了分率型傳感器和轉(zhuǎn)換器之間的連線,簡(jiǎn)化了安裝,方便了用戶(hù)。
以上這些使電磁流量計(jì)有可能向輕小簡(jiǎn)廉的方向發(fā)展,降低成本而成為一種普及型儀表。
5.傳感器型式與應(yīng)用多樣。前述功能增加是儀表整體的功能增加,均由轉(zhuǎn)換器部分來(lái)完成。、然而電班流量傳感器結(jié)構(gòu)型式也隨著不同應(yīng)用場(chǎng)所的需要而多樣化。傳統(tǒng)管道連接式傳感器除了上文提到向輕小方向發(fā)展的無(wú)法蘭結(jié)構(gòu)型外,還有用于監(jiān)測(cè)高爐風(fēng)口冷卻水泄漏的雙管型傳感器,食品工業(yè)用易清洗耐經(jīng)常通蒸汽消毒要求的衛(wèi)生型傳感器。衛(wèi)生型傳感器的測(cè)墾通道中應(yīng)無(wú)漪留空隙,嚴(yán)格控制側(cè)量介質(zhì)的附著和殘留,因此電極采用內(nèi)插式;此外為便于拆卸清洗,連接法蘭采用只需板動(dòng)一次就能卸下的lD(F國(guó)際乳農(nóng)聯(lián)合會(huì))標(biāo)準(zhǔn)央緊器。
除管道連接傳感器外、還有大管徑用插入式傳感器,從較小口徑(50~250mm)圓筒型傳感器抽入大管道中,側(cè)量管道中局部流量來(lái)推算整體流量,雖然在測(cè)且精度上要有所下降,但投資費(fèi)用有較大的減省。插入式傳感器中還有一種平面形電磁流量監(jiān)控器””,,它不是連續(xù)愉出流量信號(hào)而是設(shè)定在流速0.5~sm/s中任一流速值,流速超過(guò)或低于此值,即發(fā)出開(kāi)關(guān)信號(hào)。
還有適合于廢污水排放的明渠用潛水式電磁流量傳感器。
6.多種電極表面異物消除裝置。電磁流量計(jì)雖適用于漿液和廢污水,然而電極上沉積過(guò)多污物或結(jié)垢還是要影響使用。采用將傳感器拆下管道清洗,對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)是很不方便。為此發(fā)展帶有定期手動(dòng)或電機(jī)帶動(dòng)刮板的電極,以清除電極表面沉積物或結(jié)垢層,裝有超聲波換能器的電極,以擊碎電極表面的結(jié)垢層;有用兩電極間通低電壓大電流以焚燒積聚于電極表面的油脂;有不停流外插式可換電極等。以上這些措施都是為了克服應(yīng)用上的障礙,以擴(kuò)大使用場(chǎng)所。
7.性能優(yōu)異的陶瓷襯里。過(guò)去聚四氟乙烯塑料是傳感器襯里材料中耐腐蝕性最為優(yōu)異的品種,然而附磨性不好,而且由于是貼附在測(cè)量管內(nèi)壁,不能用于負(fù)壓管道,此外在電極引出處易產(chǎn)生液體外漏故障�，F(xiàn)在國(guó)外普遍采用可注塑改性氟塑料,在側(cè)量管上開(kāi)雞尾形槽等以增強(qiáng)注塑附著性,有些工廠還在注塑層中嵌進(jìn)金屬網(wǎng)成有孔金屬薄板進(jìn)一步增加強(qiáng)度。但它們的耐磨性較差,不適宜用于礦漿液。國(guó)內(nèi)外用得較普追的聚氨酣橡膠有極好的耐磨性,然而耐腳蝕性較差,不適用于濕法冶煉中帶強(qiáng)腐劑的礦漿液。近年國(guó)外開(kāi)發(fā)出一種具有耐磨性和耐腐蝕性都非常優(yōu)異的三氧化二鋁陶瓷襯里,白金電極燒結(jié)在陶瓷襯里內(nèi),密封性可靠。這是目前電班流量傳感器中能耐最嚴(yán)酷條件(腐蝕性、磨耗性)的襯里材料。
三、應(yīng)用多樣化
現(xiàn)在電磁流量計(jì)除了管道連接式傳感器外,已發(fā)展了插入式和潛水式傳感器,應(yīng)用領(lǐng)域已不再局限于封閉管道而有所擴(kuò)大,如敞開(kāi)非滿(mǎn)管管道和明渠等。
1.側(cè)下水道排水流量。1985年4月我國(guó)公布了《水污染防治法熟規(guī)定污水排放單位要申報(bào)排污物的種類(lèi),數(shù)量和濃度,這樣就需要測(cè)量污水排放墾。卜水道排水是利用管道坡度的自然流,不能以通常工業(yè)用封閉管道電磁流量傳感器安裝方式應(yīng)用于卜水道�？梢圆捎眯∮谙滤拦軓�,按正常最大排水量選定合適口徑的傳感器,如圖5所示安裝在陰井內(nèi)。陰井置有三室,傳感器裝在中間一室,位置低于下水道。排水從進(jìn)水管了進(jìn)入,水位積聚到其標(biāo)高超過(guò)出水口標(biāo)高時(shí),水就排放出去,儀表就能測(cè)量其流量。當(dāng)遇到暴雨時(shí),水流來(lái)不及按箭頭A`所示方向經(jīng)傳感器排放,進(jìn)口室水位上開(kāi),便按箭頭6所示方向經(jīng)泄洪管排出。
2.測(cè)明渠流最。用電磁流量計(jì)測(cè)明渠流量有兩種方式,一種是在明渠適當(dāng)位置裝插入式傳感器,測(cè)得流過(guò)傳感器的局部流量(折算成流速),再用液位計(jì)測(cè)得隨著流量大小而變的液位高度,求得流通面積,流速乘以面積和一定的系數(shù),即可得明渠的流量;另一種是以擋板等在明渠中間截流,在擋板上裝潛水式傳感器,摧流通過(guò)傳感器便可測(cè)得流量。兩種方法相比,前者的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)抬高明渠水位,但要與液位云十配合運(yùn)算比較復(fù)雜,后者的優(yōu)點(diǎn)是比較簡(jiǎn)單的,但要抬高擋板前明渠液位0.2~0.5m。
四、新技術(shù)動(dòng)態(tài)
導(dǎo)電管壁電磁流量計(jì)傳統(tǒng)電磁流量傳感器側(cè)量管內(nèi)壁應(yīng)該是非導(dǎo)電的,防止所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)即流量信號(hào)短路,所以金屬測(cè)量管內(nèi)壁都襯以絕緣層。
通過(guò)加上與液體流速成正比的電流形成一種管壁電位分布,且使管壁電位分布與流體中的流量感應(yīng)電位幾乎一致。這樣,流體與管壁交界處就無(wú)電流通過(guò),從而使物出信號(hào)與普通流量計(jì)的情況相同。
圖6(a)所示是無(wú)襯里電磁流量計(jì)研究模型的流量檢側(cè)部分;圖6(b)是測(cè)量原理和電路方框圖。液體在磁場(chǎng)B下流過(guò),在信號(hào)電極產(chǎn)生電壓VI,伺服放大器對(duì)應(yīng)于v、通過(guò)電流電極在側(cè)量管內(nèi)流過(guò)電流,在管壁內(nèi)形成VZ,其值由電位電極檢測(cè)出來(lái)。為使V、和VZ平衡,組成伺服系統(tǒng),測(cè)出信號(hào)電極間電壓即流量信號(hào)。模型儀表采用低頻(50/16Hz)等幅矩形波電流來(lái)激勵(lì)磁場(chǎng),其余電路和常規(guī)低頻激磁電磁流量計(jì)的電路幾乎相等,包括差分放大器,采樣定時(shí)直流恒流電源等。?
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