電磁流量計從40年代后期開始在滬工業上應用以來,經過較長一段時期的實踐和推廣,已為廣大用戶認識其優越性能,例如無阻流元件和幾乎沒有阻力損失,流場影響小和直管段要求低等。尤其在測量含有固體順粒或纖維的液體時,解決了許多過去傳統流量儀表無法測量的問題。經過幾代產品的改進,電磁流量計的性能日臻完善,近10年銷告量迅速增加,其銷售金額名次在8大類流量儀表〔差壓式、浮(轉)子式、容積式、電磁式、渦輪式、質量式、旋渦式,超聲波式1中已屬于第三、四位。
一、生產和應用概況
工業發達國家由于社會上有較多的需要量,因此都有一定數量(近10~20、30家)的工廠生產電磁流量計。1983(1984)年間日本、美國、西歐電磁流量計銷售金額已分別占流量儀表銷售總額的16.3%、12.5%、13.5%,其年產量估計為4~5.5萬臺。伯75年日本電隴流量計社會擁有量3.5萬臺,到1983年為10萬臺,8年間擁有量年平均增長14%,按此推算1983年年產量為1.2萬臺。從這些數據可以看到國外電磁流量計的生產和應用已有較大規模。
二、新型儀表發展動態
工業上通用的電磁流量計國外發展到現在呈現二種發展趨勢。一種趨勢是向普及化方向發展,即性能適中,傳感器小型輕量并與轉換器連在一起,使用簡便,價格相對便宜的普及型儀表,國外有人聲稱其綜合價格能與傳統差壓式流量儀表挑戰(包括引壓連接管等安裝費);另一種趨勢是向精度高多功能方向發展的高性能儀表。
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,現在已很少有市電交流激磁的電磁流量計商品。矩形波激磁克服了市電交流激磁的缺點,使儀表不存在液體中隨機性潤電硫干擾電勢。低頻矩形波激磁的儀表零點穩定,為提高儀表精度打下基礎。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)的場所極易帶來零點和指示值變化,用低頻矩形波激磁儀表后可大為改善。
2.高精確度化。在測量范圍內基本誤差國外從滿量程的l%(即l%F.S)提高到側量值的1%(即l%R),也有按測量范圍分段提高到0.5%R,更甚者提高到0.1%R+0.1%F.S。
過去流量儀表的瞬時流量(或稱流量率)的基本誤差一般以滿量程的百分比計算,在低流量時如按實際流量百分比計算誤差,其值就要大得多。如圖1所示,線A就是過去通常采用l%F.S,轉化到按實際流量計算的最大允許誤差曲線時,如指示流量在50%F.S時,則最大容許誤差為2%R,在功%.FS時則高達10%。線B是流量在10%~100%FS時,誤差為1%R和流量<10%F·S時誤差為0.1%F·S時的最大允許誤’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時誤差為0.5%R,流量<50%時誤差為0.25%F.5。從圖l中可以看到與過去儀表相比,低流量時測量精度顯著提高。這是由于采用低頻矩形波磁零點穩定性大為改善所致。
表2所列是滿量程流量的流速李lm/s時,國外若干制造廠目前實現的基本誤差指標。但在與外國制造廠商技術座談談到精度問題時,有人說雖然某些制造廠樣本發表了第5項基本誤差計算方法〔土(0.1%R+0.1%F·S)〕,但實際上還碰到一些麻煩。
3.功能增加。為滿足用戶不同需要,各制造廠在電磁流量計上增加了許多功能。尤其在轉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)量程設定、多量程外部切換和內部自動切換國外新穎的電磁流量計都能夠不實流標定而改變量程。當電磁流量傳感器在流量實流標定裝置上以某一流量(髻如說在lm/s流速時的流量)標定后,求得該傳感器的儀表常數,轉換器即以此常數設定就可使用。如要改變流量范圍,可通過調整轉換部分中童程電位器就可以。高性能儀表通常用3~4位十進制數字電位器設定,也有用分頻方法改變流量范圍,如Korhc1[公司T900F型轉換器用4位數字輪改變電路的分孩系數,在規定的范圍內作任意值設定。其優點是可克服由電位器的非線性帶來的誤差,提高擴大或編小流,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倍數改變流量范圍。高性能型儀表因此也可以由用戶自己設定不同容積單位,如立方來、升、加侖等,流量單位如立方米/時、升/分、加侖/分等。
流量大幅度變化的使用場所,如能按照所側流t大小改變流量范圍(滿量程流量),可以提高側t精確度。在許多高性能儀表中設有量程切換功能。有利用外部觸點信號來切換量程的,最多能切換四個流量范圍;內部自動切換有雙量程和三量程。圖2所示是雙量程切換例,設流量范圍0~100m3/h,雙量程所設定低量程為30 m3/h,高量程為100m3/h。當流量開始從零漸漸增加,先沿低量程線上升,當增加到97%(約29m3/h時,自動切換到高量程線。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,自動切換到低量程線輸出80%的地方。
如以表2第3種計算流量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,以雙量程自動切換則降低到0.12 m3/h。如流量在15 m3/h時,則最大允許誤差從0.25 m3/h降低到0.075 m3/h。
(2)正向/反向流自動切換高性能儀表中常設有能測量正向/反向雙向流的流量測量線路,以適應計量有雙向流動的使用場所。流量一輻出如圖3所示,正方向流量設定在較高量程,反方向流量設定在較低量程,切換流量以零流量為中心。為防止切換時產生振蕩現象(即切換頻繁),可設百分之幾的滯遲區,例如圖3所示為愉出信號的-1.5%,當流量下降到反方向的1.5%時才向反方向切換。積算方式如圖4所示,有正方向流量和反方向流量分開積算方式和差流量積算方式兩種。
(3)輸出信號多樣化高性能儀表信號摘出多樣:有模擬量翰出,電流4~20mA、電壓l~5V.DC;有頻率可設定的脈沖愉出,頗率從小于l到1000PPS,有上下限報警愉出;有上文所述正反流量方向接點和自動多量程接點輸出等。有些儀表除了轉換器摘出信號功能外,還直接設有4~6位數字顯示瞬時流量和積算總量。
(4)自診斷功能電磁流量計裝上μP后還可監測儀表工作狀態,診斷出現的異常狀態,如愉入信號異常(測量管中空無液體,輸入信號過大),信號線或激磁線圈短路或斷線,誤設定參數, μP工作異常等。
(5)按不同使用對象適用不同激磁方式電導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(正一零一負丫零)激磁方式,以獲得較好零點穩定性。但是在測量導電率較低(10-4s/cm以下)的液體時,電極的電化學電位定期變動,產生l/f噪聲(f為頻率),因此要適當提高頻率,以改善信噪比(S/v)。另外,在測量含有固體顆粒或纖維的漿液時,固相擦過電極表面,使電極面的接觸電位突然變化,物出信號出現尖峰狀噪聲。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,,但還是要適當提高激磁頻率以改善性能。低電導率液體和漿液的矩形波激磁頻率有采用市電頻率的1/2,當然這樣要犧牲一些零點穩定性。因此用戶可以按照不同介質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。一傳統電磁流量計通常由傳感器和轉換器二部分組成。傳感器體型和重量隨著原理上和設計結構上的改進,一代比一代小巧。近10年傳感器兩連接法蘭間長度縮短了l/2~1/3,不帶法蘭的結構,甚至縮短到1/10。以25mm口徑傳感器為例,連接法蘭間長度從最早450mm縮短到170mm,發展到現在無法蘭結構兩端面間長度僅80~90mm,甚至只有50余mm;重量從30~40kg下降到18~20kg,而無法蘭結構僅5~6比。無法蘭結構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,長度也從前不久已縮短到400mm再縮短到無法蘭結構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的進步。因此對可檢測出的最小流量信號的幅值要求降低,流速每秒米產生的流量信號從早期l~1.5mV減小到0.4mv,甚至到0.2mv。這樣設計磁系統時就可成倍降低磁通密度,從而減小了磁系統尺寸和激磁線圈,同時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題,大大簡化了磁路結構設計,有些磁路結構就直接利用傳感器鐵磁性外殼,不另行設置磁扼回路。
電子技術的高度集成化,使轉換器的外形也大幅度縮小,同時有可能使轉換器和傳感器裝在一起,即為一體型創造了條件。省卻了分率型傳感器和轉換器之間的連線,簡化了安裝,方便了用戶。
以上這些使電磁流量計有可能向輕小簡廉的方向發展,降低成本而成為一種普及型儀表。
5.傳感器型式與應用多樣。前述功能增加是儀表整體的功能增加,均由轉換器部分來完成。、然而電班流量傳感器結構型式也隨著不同應用場所的需要而多樣化。傳統管道連接式傳感器除了上文提到向輕小方向發展的無法蘭結構型外,還有用于監測高爐風口冷卻水泄漏的雙管型傳感器,食品工業用易清洗耐經常通蒸汽消毒要求的衛生型傳感器。衛生型傳感器的測墾通道中應無漪留空隙,嚴格控制側量介質的附著和殘留,因此電極采用內插式;此外為便于拆卸清洗,連接法蘭采用只需板動一次就能卸下的lD(F國際乳農聯合會)標準央緊器。
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,側量管道中局部流量來推算整體流量,雖然在測且精度上要有所下降,但投資費用有較大的減省。插入式傳感器中還有一種平面形電磁流量監控器””,,它不是連續愉出流量信號而是設定在流速0.5~sm/s中任一流速值,流速超過或低于此值,即發出開關信號。
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。電磁流量計雖適用于漿液和廢污水,然而電極上沉積過多污物或結垢還是要影響使用。采用將傳感器拆下管道清洗,對用戶來說是很不方便。為此發展帶有定期手動或電機帶動刮板的電極,以清除電極表面沉積物或結垢層,裝有超聲波換能器的電極,以擊碎電極表面的結垢層;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用上的障礙,以擴大使用場所。
7.性能優異的陶瓷襯里。過去聚四氟乙烯塑料是傳感器襯里材料中耐腐蝕性最為優異的品種,然而附磨性不好,而且由于是貼附在測量管內壁,不能用于負壓管道,此外在電極引出處易產生液體外漏故障。現在國外普遍采用可注塑改性氟塑料,在側量管上開雞尾形槽等以增強注塑附著性,有些工廠還在注塑層中嵌進金屬網成有孔金屬薄板進一步增加強度。但它們的耐磨性較差,不適宜用于礦漿液。國內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腐劑的礦漿液。近年國外開發出一種具有耐磨性和耐腐蝕性都非常優異的三氧化二鋁陶瓷襯里,白金電極燒結在陶瓷襯里內,密封性可靠。這是目前電班流量傳感器中能耐最嚴酷條件(腐蝕性、磨耗性)的襯里材料。
三、應用多樣化
現在電磁流量計除了管道連接式傳感器外,已發展了插入式和潛水式傳感器,應用領域已不再局限于封閉管道而有所擴大,如敞開非滿管管道和明渠等。
1.側下水道排水流量。1985年4月我國公布了《水污染防治法熟規定污水排放單位要申報排污物的種類,數量和濃度,這樣就需要測量污水排放墾。卜水道排水是利用管道坡度的自然流,不能以通常工業用封閉管道電磁流量傳感器安裝方式應用于卜水道。可以采用小于下水道管徑,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。陰井置有三室,傳感器裝在中間一室,位置低于下水道。排水從進水管了進入,水位積聚到其標高超過出水口標高時,水就排放出去,儀表就能測量其流量。當遇到暴雨時,水流來不及按箭頭A`所示方向經傳感器排放,進口室水位上開,便按箭頭6所示方向經泄洪管排出。
2.測明渠流最。用電磁流量計測明渠流量有兩種方式,一種是在明渠適當位置裝插入式傳感器,測得流過傳感器的局部流量(折算成流速),再用液位計測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,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,摧流通過傳感器便可測得流量。兩種方法相比,前者的優點是不會抬高明渠水位,但要與液位云十配合運算比較復雜,后者的優點是比較簡單的,但要抬高擋板前明渠液位0.2~0.5m。
四、新技術動態
導電管壁電磁流量計傳統電磁流量傳感器側量管內壁應該是非導電的,防止所產生的感應電勢即流量信號短路,所以金屬測量管內壁都襯以絕緣層。
通過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電位幾乎一致。這樣,流體與管壁交界處就無電流通過,從而使物出信號與普通流量計的情況相同。
圖6(a)所示是無襯里電磁流量計研究模型的流量檢側部分;圖6(b)是測量原理和電路方框圖。液體在磁場B下流過,在信號電極產生電壓VI,伺服放大器對應于v、通過電流電極在側量管內流過電流,在管壁內形成VZ,其值由電位電極檢測出來。為使V、和VZ平衡,組成伺服系統,測出信號電極間電壓即流量信號。模型儀表采用低頻(50/16Hz)等幅矩形波電流來激勵磁場,其余電路和常規低頻激磁電磁流量計的電路幾乎相等,包括差分放大器,采樣定時直流恒流電源等。?
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