電磁流量計是根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律為原理進行流量測量的儀表。電磁流量計只有管道村里和測量電極與被測介質(zhì)接觸,只要選擇合適的村里和電極材料,幾乎可以測量一切導(dǎo)電流體的流量,由于傳感器內(nèi)沒有任何活動部件和阻流部件,尤其適合測量污水、泥漿等含雜質(zhì),顆粒和液固二相物質(zhì)的介質(zhì)。因此,電磁流量計可應(yīng)用于石油、化工、污水處理、水力、電力等各領(lǐng)域的流量測量。本文僅對電磁流量計的測量原理和勵磁頻率對測量的影響進行分析、探討,并結(jié)合實例述選擇合適測量頻率的重要性。
1、電磁流量計的組成和測量原理
1.1電磁流量計的組成
電磁流量計由電磁流量傳感器和電磁流量轉(zhuǎn)換器兩部分組成,如圖所示,電磁流量傳感器安裝在工藝管道上,用來將介質(zhì)的流量變換成感應(yīng)電壓信號。電磁流量轉(zhuǎn)換器向傳感器提供產(chǎn)生磁場的勵磁電流,接受感應(yīng)電壓信號,將流量信號放大,處理井轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的、標準的電信號(電流,電壓、頻率)以及數(shù)字信號,液晶顯示瞬時流量和累積流量
2、電磁流量計的工作原理
電磁流量計是根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律的原理制造的,即導(dǎo)體在磁場中做切割磁力線運動,導(dǎo)體兩端產(chǎn)生感生電動勢,感生電動勢的大小與磁場的磁感應(yīng)強度成正比,與導(dǎo)體的長度成正比,與導(dǎo)體的運動速度成正比。
E=klub (1)
式中:E:感生電動勢k:比例系數(shù)l:導(dǎo)體的長度;u:導(dǎo)體的運動速度,B:磁場的磁感應(yīng)強度。
1.電磁流量轉(zhuǎn)換器2.感應(yīng)信號傳輸線3.勵磁信號傳輸線4.傳感器村里5.平衡電極6.勵磁線圈7.信號電極8.傳感器測量管9.安裝法蘭對于圓形測量管,流過的體積流量為:
qv=π/4D2u (2)
根據(jù)式(1)和(2),則流過圓形測量管的體積流量為:
qv=π/4D2?/klB (3)
當(dāng)測量管幾何形狀一定、磁場的磁感應(yīng)強度一定時:
D=1;
令K*π/4D /kB=則:
Qv=KE (4)
即:電磁流量計的體積流量與感應(yīng)電動勢成正比。
3、勵磁方式分析
電磁流量計的勵磁方式?jīng)Q定著電磁流量計的抗干擾能力大小和零點穩(wěn)定性能的好壞。電磁流量計的勵磁方式大致可分為:直流勵磁、交流勵磁、低頻矩形波勵磁等。
3.1直流勵磁
直流勵磁,即由水磁鐵或恒定直流電流勵磁產(chǎn)生的磁場這種磁場產(chǎn)生的流量信號是直流電壓信號,幾乎沒有電磁感應(yīng)的干擾產(chǎn)生,直流信號電壓容易使流過測量管的導(dǎo)電介質(zhì)極化,在測量電極上產(chǎn)生極化電壓,造成量的不穩(wěn)定。
3.2交流助磁
交流勵磁通常是指使用50H或)60Hz)正弦波的工頻市電勵磁的傳感器這種勵磁方式能降低電解質(zhì)液體對電極的極化作用,因而大大地降低了漂移直流干擾對測量的影響。交流勵磁ZUI大的缺點是由于電磁感應(yīng)造成的正交干擾和同相干擾它們影響流量計測量線性度和零點的穩(wěn)定性。
3.3任頻矩形波磁
低頻矩形波勵磁是指使用頻率為工頻的整數(shù)倍分之一的矩形波作為勵磁頻率的傳感器。勵磁頻率通常為工頻的1/8-1/32。
低頻矩形波勵磁具有能夠克服直流勵磁存在極化電壓大的優(yōu)點,又有避免交流勵磁存在電磁感應(yīng)干擾引起正交干擾和間相干擾的優(yōu)點,是兼顧直流勵磁和交流勵磁兩者優(yōu)點的一種勵磁方式但當(dāng)用低頻矩形波勵磁流量計測量漿液流體時,會產(chǎn)生“漿液噪聲”或“尖狀干擾”。這種干擾會使測量信號輸出有較大的波動,嚴重影響測量。
當(dāng)流體中的固體顆粒或纖維磨擦電極會形成一種波形呈尖狀的干抗,習(xí)慣稱作“尖狀干擾”,圖3-1可以說明這種干擾的形成,金屬在電解質(zhì)中腐蝕的現(xiàn)象告訴我們,電極為了抗拒電解質(zhì)的腐蝕,往往在與流體開始接觸時,其表面先形成一種博的氧化膜。在形成氧化膜的過程中,金屬與電解質(zhì)之間產(chǎn)生極高的極化電壓,如果兩電極的材質(zhì)和表面狀態(tài)完全相同,金屬與電解質(zhì)之間的極化電壓成為極性相同,幅度相等的共模干擾電壓。當(dāng)流體中的固體顆粒或纖維摩擦或撞擊電極表面,把電極表面薄層氧化膜拉破或生成劃痕,傷破的氧化膜需要重新形成在重新形成氧化膜的過程中,電極對液體間的極化電壓將發(fā)生突變。如果兩個電極材質(zhì),結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)存在差異,所產(chǎn)生的極化共模干擾變?yōu)椴钅８蓴_,于是就出現(xiàn)了流量計測量輸出的大幅度波動(擺動)。
以上分析說明,固液兩相流測量時對“漿液噪聲”問題,需要從勵磁頻率的選擇上去解決針對低頻矩形波勵磁電磁流量計的這一缺點,電磁流量計利用現(xiàn)代先進的單片機技術(shù),設(shè)計了一種可控頻率的智能化電磁流量轉(zhuǎn)換器。電磁流量轉(zhuǎn)換器時通過程序設(shè)計了鍵盤控制的三種不同的勵磁頻率,勵磁頻率分別6.25Hz、12.5Hz和25.0Hz。在實際應(yīng)用中可根據(jù)不同的介質(zhì)情況,設(shè)置不同的勵磁頻率。
電磁流量傳感器的原理框圖如上:此設(shè)計在實際應(yīng)用中取得了非常明顯的效果。
4、實例
(1)口徑為DN80電磁流量計,測量介質(zhì)為石灰漿,量程100m3/h,出廠使用的勵磁頻率為6.25HZ。
(當(dāng)時勵磁頻率還不可通過鍵盤設(shè)置),安裝后用水調(diào)試時,僅表運行正常,當(dāng)測量工藝介質(zhì)石灰漿時,儀表輸出跳動非常嚴重,從80m3h到120m3/h,儀表無法使用。
在現(xiàn)場詳細了解了介質(zhì)工藝情況后,得知介質(zhì)中含有大量的顆粒,為典型的液固兩相介質(zhì),在仔細分析儀表本身運行情況后確認儀表工作正常,經(jīng)過研究認為儀表輸出波動應(yīng)為兩相介質(zhì)中的固態(tài)顆粒引起,為了解決這一問題,對轉(zhuǎn)換器的單片機軟件進行了修改,增加了12.5Hz和25Hz兩個頻率,同時增加了勵磁頻率的鍵盤控制,現(xiàn)場采用25Hz的勵磁頻率,對儀表重新標定后,儀表運行相當(dāng)穩(wěn)定,問題得到了解決。
(2)口徑從DN25-DN200電磁流量計,其中DN200用于測量有較多固體物質(zhì)的水煤灰漿液,在測量時同樣出現(xiàn)輸出波動現(xiàn)象,出庫時設(shè)置的勵磁頻率默認值為6.25Hz,用戶通過電話反映了具體現(xiàn)象后,建議用戶現(xiàn)場通過鍵盤將勵磁頻度設(shè)置為12.5Hz,更改設(shè)置后,儀表輸出穩(wěn)定,運行正常。
5、小結(jié)
通過以上對電磁流量計勵磁頻率的分析和實例分析可以看出,電磁流量計的勵磁頻率對液固兩相介質(zhì)的測量具有非常嚴重的影響,只有選擇合適的勵磁方式和勵磁頻率,儀表才能得到滿意的測量結(jié)果,現(xiàn)在出現(xiàn)了所謂的三值勵磁技術(shù)和雙頻勵磁技術(shù),但每種勵磁方式都有各自的優(yōu)缺點,我們相信隨著現(xiàn)代單片機技術(shù)和儀表智能化技術(shù)的發(fā)展,一定會有更完善、先進的勵磁方式出現(xiàn)。
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