一、概述:
電磁流量計是60年代起發(fā)展起來的.應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)原理制成的,測量導(dǎo)電介質(zhì)體積流量的新型感應(yīng)式流量測量儀表.由傳感器(變送器)和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。
(一)電磁流量計具有以下特點
1、它的傳感器結(jié)構(gòu)簡單、可靠.無可動部件和節(jié)流部件,因而,當(dāng)流體通過時不會引起任何附加的壓力損失.無磨損、堵塞等現(xiàn)象.由于它結(jié)構(gòu).上無運動部件.故可通過附上耐腐蝕絕緣村里和選擇耐腐材料制成電極,具有很好的耐腐蝕性能.故而.工作壽命長。
2、它是一種體積流量測量儀表,故不受被測介質(zhì)的溫度、粘度、密度以及一-定范圍內(nèi)電導(dǎo)率的影響。
3、電磁流量計的量程范圍極寬,同一臺電磁流量計的量程比可達1 : 100。
4、電磁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)。
5、電磁流量計反應(yīng)靈敏、線性好.可以測量瞬時脈動流量可就地顯示或遠距離傳送.也可與單元組合儀表.計算機配套組成。(各種自動檢測、調(diào)節(jié)系統(tǒng)和程控系統(tǒng)。)
電磁流量計也有一些不足之處.主要是:
1、它只能測量具有一定導(dǎo)電性的液體。
2、它要求被測介質(zhì)具有一定范圍的電導(dǎo)率，10-1~10-5s/cm之間.相當(dāng)于蒸餾水的電導(dǎo)率。
3、不能測量高溫高壓流體(測量管的絕緣襯里材料受溫度的限制造成)。
4、 受流速分布影響.其前后須有一定的直管段。
5、易受外界電磁干擾。
(二)基本原理
在磁感應(yīng)強度為B的均勻磁場中.垂直于磁場方向放一個內(nèi)徑為D的不導(dǎo)磁管道.當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中以流速V流動時.導(dǎo)電流體.切割磁力線,若在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極,只要管道內(nèi)流速分布為軸對稱.則兩電極之間將產(chǎn)生感生電動勢e.根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理。
兩式中:
e一感應(yīng) 電動勢伏特
B一磁感應(yīng)強度韋伯/米“
D一管道內(nèi)徑米
`U一流體平均流速米/秒
Qr一流體體積流量立方米/小時
要使式2嚴格成立。必須使測量條件滿足
(1)磁場是均勻分布的恒定磁場
(2)被測流體的流速為軸對稱分布
(3)被測液體是非磁性.電導(dǎo)率均勻且各
向同性。
(三)電磁流量計系統(tǒng)
1、基本系統(tǒng):由傳感器和轉(zhuǎn)換器組成.僅完成流量的檢測.顯示如圖a:
2、擴展系統(tǒng):基本系統(tǒng)加流量積算器組成,除基本功能外,還具有累積流量的功能,并可配置停電計時器,以修正系統(tǒng)停電時被漏計的排放流量,加圖b;
3、智能型系統(tǒng):由基本系統(tǒng)和流量計算機組成.具有顯示瞬時流量累積流量,日期和時詢的功能.具有開方比例積算器和定值輸出等功能,并可完成打印、通訊和聯(lián)網(wǎng).如圖c:
二、基本系統(tǒng)簡介
(一)轉(zhuǎn)換器
1、轉(zhuǎn)換器工作原理
傳感器輸出一個毫伏級的微弱信號,經(jīng)轉(zhuǎn)換器將信號放大,變成標(biāo)準的信號輸出(傳感器等效一高內(nèi)阻的信號源)。
轉(zhuǎn)換器原理框圖如圖1所示.它接受來自傳感器的信號,經(jīng)中間級放大.剔除無關(guān)信號,檢出有用信號,再經(jīng)整流放大,變成單流量成比例的電壓信號。最后將流量信號變成標(biāo)準的信號形式。
轉(zhuǎn)換器中的信號發(fā)生器能產(chǎn)生工頻八分頻的方波.此信號激勵勵磁驅(qū)動器,向傳感器輸出同頻率的勵磁電流.信號發(fā)生器也產(chǎn)生抗干擾級的同步控制信號。
2、性能
電磁流量轉(zhuǎn)換器具有:
(l)穩(wěn)定地進行線性放大。
(2)能夠分辯和抑制各種干擾信號
(3)具有足夠高的輸入阻抗
(4)能夠消除電源電壓和頻率波動的影響
(二)傳感器
1、基本組成
電磁流量計的廣泛應(yīng)用,使傳感器派生出各種形式,目前常用的有:管道式、潛水式、播入式三種,傳感器也稱電磁流量變送器,傳感器通常包含以下四部分。
(l)用于引導(dǎo)液流和測量的導(dǎo)管,也即測量管。
(2)由勵磁線圈和磁扼組成的勵磁系統(tǒng),用來產(chǎn)生工作磁場。
(3)流量信號檢測部分,包括電極、信號引線、接線盒。
傳感器(變送器)的電極安裝在與磁場垂直的測量管的兩側(cè)管壁上.它的作用是把被測介質(zhì)切割磁力線所產(chǎn)生的流量信號引出(其材料必須是非磁性導(dǎo)電材料)。
(4)干擾調(diào)整機構(gòu)
干擾調(diào)整機構(gòu)實際上是一個“變壓器調(diào)零”裝置,是為了抑制由于“變壓器效應(yīng)”而產(chǎn)生正交干擾的一種方法。
(5)起隔離和保護傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)作用.的外殼
2、三種形式
(1)管道式電磁流量計:為標(biāo)準流量計,通過法蘭接入輸送液流的管道來測量液體流量。
(2)潛水式電磁流量計:是一種密封的電磁流量計,可潛入明渠或暗溝中,測量液體流量。
(3)插入式電磁流量計:是將流量計的勵磁部分電極小型化.取消傳感器外殼.通過管柱將敏感電極插入大型管道中.并支承在管道的管壁上,以此來測量管道中的體積流量,這種流量計結(jié)構(gòu)簡單.以小巧的結(jié)構(gòu)來測量大管道中的流量.經(jīng)濟實用。可在管道不停供液流的情況下安裝與維修。
3、傳感器對被測介質(zhì)的要求:
被測介質(zhì)的電導(dǎo)率過高或過低都會影響流量測量的精度一般要求電導(dǎo)率域10-1~10-5Sc/m之間,即可得到滿意的測量結(jié)果。
三、電磁流量計的選用型與安裝
(一)選用
電磁流量計的選用,主要是變送器(傳感器)的正確選用,而轉(zhuǎn)換器只需與之配套即可。
1、口徑與量程的選擇
變送器的量程可以根據(jù)兩條原則選拔:一是儀表滿量程大于預(yù)計的最大流量值;二是正常流量大于儀表滿量程的50%,以保證一定的測量精度。
口徑通常選用與管道系統(tǒng)相同的口徑(但也可以利用異徑管,選擇小于管道系統(tǒng)的口徑),對管道有待設(shè)計的,根據(jù)流量范圍來選擇.對電磁流量計,流體流速選在0.5~10m/S一般選在0.8~4ms/為宜·確定后,根據(jù)vQ=π/4D2`U場來確定變送器口徑。
2、溫度和壓力的選擇
電磁流量計對能測量的流體壓力與溫度有一定限制,一般情況下:
小于?50mm口徑時工作壓力為1.6MPa左右
?80~900mm口徑工作壓力為1MPa左右
大小?1000mm口徑工作壓力為.06MPa左右
對于特殊要求,可與廠家要求特殊處理。
工作溫度取決于襯里材料一般為5~70℃,經(jīng)特殊處理的變送器允許被測介質(zhì)溫度可達-40℃~130℃。
3、內(nèi)襯材料與電極材料的選擇
應(yīng)根據(jù)具體測量的介質(zhì).加以慎重地選擇。
(二)安裝的要求
要保證電磁流量計的測量精度,正確的安裝是很重要的。
(l)變送器應(yīng)安裝在室內(nèi)干燥通風(fēng)處·避免安裝在環(huán)境溫度過高的地方,不應(yīng)受強烈振動.盡量避開具有強烈磁場的設(shè)備.如大電機、變壓器等,避免安裝在有腐蝕性氣體的場合.安裝地點便于檢修.這是保證變送器正常i省行的環(huán)境條件。
(2)為了保證變送器測量管內(nèi)充滿被測介質(zhì),變送器最好垂直安裝,流向自下而上。尤其是對于液固兩相流,必須垂直安裝,一則可以防被測介質(zhì)相分離,二則使變送器測量管四周的襯里磨損比較均勻。若現(xiàn)場只允許水平安裝,則必須保證兩電極在同一水平面。在水平的管道上應(yīng)避免將變送器安裝在管道的底部以防止沉淀,或安裝在可能不能充滿介質(zhì)管道的頂部、以防止空氣泡。
(3)變送器兩端應(yīng)裝閥門和旁路。
(4)電磁流量變送器的電極所測出的幾毫伏交流電勢,是以變送器內(nèi)液體電位為基礎(chǔ)的。為了使液體電位穩(wěn)定并使變送器與流體保持等電位,以保證穩(wěn)定地進行測量,變送器外殼與金屬管兩端應(yīng)有良好的接地,轉(zhuǎn)換器外殼也應(yīng)接地,接地電阻不能大于IOn,不能與其它電器設(shè)備的接地線共用,如果不能保證變送器外殼與金屬管道良好接觸,應(yīng)用金屬導(dǎo)線將它們連接起來,再可靠接地。
(5)為了避免干擾信號,變送器和轉(zhuǎn)換器之間的信號必須用屏蔽導(dǎo)線傳輸,不允許把信號電纜和電源線平行放在同一電纜鋼管內(nèi),信號電纜長度一般不得超30m。
(6)轉(zhuǎn)換器安裝地點應(yīng)避免交、直流強磁場和振動,環(huán)境溫度為-20℃~50℃,不含有腐蝕氣體,相對濕度不大于80%。
(7)為了避免流速分布對測量的影響,流量調(diào)節(jié)閥應(yīng)設(shè)置在變送器下游.對于小口徑的變送器來說.因為從電極中心到流量計進口端的距離已相當(dāng)于好幾倍直徑D的長度,所以對上游直管可以不做規(guī)定,但對口徑較大的流量計.一般上游應(yīng)有SD以上的直管段.下游應(yīng)有3D以上直管段要求。
(8)當(dāng)管道與變送器的.口徑不一致時.通常在變送器兩端安裝三斬擴管和三斬縮管,然后與工藝管道連接.在一般情況下,變送器的口徑小于管道口徑,安裝的三斬縮管其圓園錐角不應(yīng)大于15度。
四、電磁流量計的主要誤差來源及
防范的初步分析
(一)非軸對稱流動引起的誤差。
對電磁流量計,只要管內(nèi)流速為軸對稱分布,則電極上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e與流動狀態(tài)無關(guān),僅與流體的平均流速成正比,流速的軸對稱分布,是滿足其正常工作的基本條件之一。一旦破壞了流體流速的軸對稱,由于每個流體質(zhì)點相對于電極的幾何位置不同,愈靠近電極的質(zhì)點對e的貢獻越大,靠近電極的流速越大.對e的貢獻也越大,而電極上得到的感生電動勢e是測量管內(nèi)所有液體共同貢獻的結(jié)果。所以.如果電極附近的流速非軸對稱的偏大,測得的信號就比實際流量值大;反之,電極附近的流速非軸對稱的偏小,測得的流量值也就偏小,由上分析,必須保持流速的軸對稱。
由于流速分布和渦流的影響,上游直管段應(yīng)有一定的長度,按附加誤差可影響流量精度(約0.5%)的原則,上游直管段應(yīng)為SD以上.下游直段長度應(yīng)在3D以上。
(二)電導(dǎo)率對測量誤差的影響
電磁流量計對被測介質(zhì)的電導(dǎo)率有一定的要求范圍,一般為10-5~10-1sc/m,但目前,電磁流量計轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗已有所提高.對于電導(dǎo)率的下限要求有所下降。
電磁流量計不適用電導(dǎo)率很低的介質(zhì)的原因,在于傳感器與轉(zhuǎn)換器的阻抗匹配。對于傳感器的輸出,用圖2的等效電路表示:e—流量電勢信號.R2—轉(zhuǎn)換器輸入阻抗。
一般轉(zhuǎn)換器輸入阻抗RL為100~200Ω,由上可知,變送器(傳感器)的內(nèi)阻r≤100~200kΩ。,由此,推導(dǎo)一下電導(dǎo)率的要求。
由理論分析可知,變送器的輸出阻抗決定了轉(zhuǎn)換器所需的輸入阻抗.而變送器的輸出阻抗可以認為由被測介質(zhì)的電導(dǎo)率和電極大小,所支配.其關(guān)系為:
此時,變換器的輸入阻抗應(yīng)是100~400MΩ左右。
以上推異可知,電極直徑越小,轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗RL越高,就越不易受變送器(傳感器)內(nèi)阻r變化的影響,可測介質(zhì)的電導(dǎo)率σ也可以降得越低,擴大了它的應(yīng)用范圍。
需要說明是,被測介質(zhì)的電導(dǎo)率太大也是不允許,從理論分析和實驗可知,當(dāng)電導(dǎo)率超過10-1(s/cm)左右時,就會降低流量信號.改變指標(biāo)值。即指示流量值小于實際流量值。
(三)傳感器勵磁方式的選擇
目前的傳感器大都采角了恒定電流的低頻方波勵磁方式,用開關(guān)回路把直流恒流回路的輸出電流周期性地交換其極性,使之產(chǎn)生方波勵磁電流,勵磁電流的極性轉(zhuǎn)換周期可選為工業(yè)交流電源周期的偶數(shù)倍,如此一來,即可消除工業(yè)頻率的噪聲影響,又排除了交流磁場的電渦流.直流磁場的極化干擾,使轉(zhuǎn)換器的精度達到0.5%以上。
(四)電極表面的污染.
在測量有附著沉淀物的流體時，電極表面將受到污染,常常易引起零點變動.零點變化和電極污染程度兩者之間的關(guān)系較復(fù)雜。但可以說.電極直徑越小,所受影響越小。這一點在使用中,值得注意。
(五)流速的影響
電磁流量計其測量結(jié)果與被測流體的平均流速成正比.它屬于速度式測量儀表。
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