電磁流量計分類

    市場上通用型產品和特殊型儀表從不同角度作如下分類。按激磁電流方式劃分,有直流激磁、交流(工頻或其他頻率)激磁、低頻矩形波激磁和雙頻矩形波激磁。幾種激磁方式的波形見圖 8 . 30

電磁流量計

按輸出信號連線和激磁(或電源)連線的制式分類,有四線制和二線制。按轉換器與傳感器組裝方式分類,有分離型和一體型。

按流量傳感器與管道連接方法分類,有法蘭連接、法蘭夾裝連接、衛生型連接和螺紋連接。

按流量傳感器電極是否與被測液體接觸分類,有接觸型和非接觸型。

按流量傳感器結構分類有短管型和插人型。

按用途分類,有通用型、防爆型、衛生型、防浸水型和用于明渠流量測量的潛水型。

1 .按激磁電流方式分類防浸水型和用于明渠流量測量的潛水型

( l )直流激磁電磁流量計

直流激磁電磁流量計用于測量液態金屬流量,如常溫下汞和高溫下液態鈉、鋰、鉀等。在快中子增殖核反應堆一次回路中用于測量攝氏 500 余度的熔融鈉流量,見到過有應用于 DN300mm 管道儀表的報道。文獻中還闡述探索用干法校驗流量值,與濕法(實流)校驗相比,精度可達 3% 。除由電磁鐵直流激磁產生磁場外,也有用磁鐵磁場的較小口徑傳感器,上海光華儀表廠曾開發過該類產品。本類儀表在我國一般流程工業中應用還屬于探索階段。

( 2 )交流激磁電磁流量計

早期 EMF 用 50Hz 工頻市電激磁;采用交流激磁的理由是為了避免像用直流激磁時電極表面產生極化現象,但是由于易受市電所引起的與流量信號同相位各種感應噪聲的重疊,形成零點漂移等,現在已漸被低頻矩形波激磁所代替。這些疊加的感應噪聲是由以下一些原因產生的。

l )液體中渦電流產生與流量信號同相位噪聲,電極污染形成的噪聲和零點漂移。

2 )磁回路中鐵損偏移了激磁電流與磁場間相位,使原來在信號回路中變壓器效應所形成的正交( 9 0 ° )噪聲相移,產生同相噪聲;

3 )激磁線圈與信號線間以及激磁線圈與流體間的靜電感應噪聲。

但是交流激磁流量傳感器的磁感應強度通常設計得較高,有較大信號電動勢(約為 lmV 每 1m/s ,,矩形波激磁僅 0 . 2 一 0 . 3mV )和較高信噪比的優點。此外,在測量固液雙相的礦漿等流體時,低頻矩形波激磁方式在固體擦過電極表面產生尖峰的漿液噪聲,會使輸出信號波動,工頻交流激磁的 EMF 則不存在這一缺點。因此外還有一些儀表制造廠繼續提供工頻或其他頻率交流激磁 FMF ,

( 3 )低頻矩形波激磁

自 1975 年低頻矩形波激磁方式發表以來,以其功耗小,零點穩定,電極污染影響小等優點,得到很快發展,成為迄今主要激磁方式。低頻矩形波激磁波形有“正一負”二值者,有“正一零一負一零”三值者,分別如圖 8 . 3 ( b )、( c )所示。三值激磁用無激磁期間的信號改善零點穩定性。流量信號在信號電壓基本恒定的區間采樣取得。激磁頻率為市電的 1/32~1/2 ,常用 1/8~1/4 之間。小口徑儀表用較高頻率,大口徑儀表用較低頻率,由制造廠按所用傳感器口徑來設定。國外也有可由用戶設定頻率的儀表,例如商業名為“可編程鍵控儲存電磁流量計” 。

矩形波激磁的 EMF 在磁場變化所產生的感應磁通微分噪聲,可在激磁周期后期噪聲衰減區間采樣,清除渦電流磁通微分噪聲成分的變化。疊加到信號電壓的工頻感應噪聲,通過采樣時間取整數倍工頻周期的方法消除之。

然而矩形波交變激磁雖不受慢的極化電壓變化影響,但由于穩定磁場短期間直流采樣相對急劇變化的極化電壓,還會產生急劇的輸出變化。此外流體中固體顆粒撞擊電極,其表面氧化膜破損,表面電位變化形成尖峰狀噪聲,輸出呈現大幅晃動。這一現象稱作漿液噪聲,發生于高濃度漿液或含土砂粒的液體,影響了低頻矩形波 EMF 的應用。

頻率較高的工頻激磁比低頻矩形波激磁抗漿液噪聲性能優越的原因,還可以用漿液噪聲頻率特性說明之。圖 8 . 4 是紙漿漿液噪聲頻譜一例,低頻段噪聲電平大,高頻段噪聲小,即所謂 1 / f 特性。因此較高頻率激磁噪聲電平低,可獲得較高的 S / N 比的信號。

電磁流量計

( 4 )雙頻激磁

雙頻激磁是在低頻矩形波上疊加高頻矩形波,如圖 8 . 5 所示用二種頻率采樣和低通、高通濾波器,得到高頻和低頻二種信號,合成后得流量信號,克服了低頻矩形波激磁存在的漿液噪聲和流動噪聲,提高儀表的穩定性和響應性??燜儐煊π鑰煞從稱德矢嘰?1Hz 的柱塞泵的流動狀況。

2 .按輸出信號連線和激磁(或電源)連線制式分類

( l )四線制

傳統 EMF 的輸出信號線和電源線(或流量傳感器和傳感器間的激磁電流線)分別由 2 組各 2 根導線的四線制組成,仍是當前的主要制式 6

( 2 )二線制

當前溫度、壓力/差壓、流量和物位等參量現場儀表趨向于輸出信號和電源共用導線的二線制儀表發展。二線制儀表毋須市電電源,而 EMF 常裝在無市電供給的偏僻場所,采用二線制可節省市電布線工程費用。

二線制 EMF 電源供給的設計思路上又分為零信號輸出電流(即 4mA )供給、大于零信號輸出供給和電池(或太陽電池)供給。

干電池供電 EMF 和電磁式水表適應配置于遠離城市配水池或郊外污水處理后排放點等市電引入困難的場所。有些型號儀表干電池使用壽命一年,有些則長達 8 一 10 年。

1993 年日本修訂計量法規定 DN350mm 以下貿易證明用水管儀表的適用品種從傳統旋翼式水表擴展到電磁式水表。今后用作水表的 EMF 要符合水表標準的要求,測量精度只需 2 %一 5 % ,但 EMF 本體必須要帶積算顯示和設有外接電源。例如愛知時計電機的 SU 系列電磁式水表消耗功率僅 2mW ,內藏電池可用 8 年以上。

3 .按傳感器和轉換器組裝方式分類

( 1 )分離型

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分離型是 EMF 普遍應用的形式,如圖 8 . 6 所示。傳感器接人管道,轉換器裝在儀表室或人們易于接近的傳感器附近,相距數十到數百米。為防止外界噪聲侵人,信號電纜通常采用雙層屏蔽。測量電導率較低液體而相距超過 30m 時,為防止電纜分布電容造成信號衰減,內層屏蔽也有要求接上與芯線同電位低阻抗源的屏蔽驅動。分離型轉換器可遠離現場惡劣環境,電子部件檢查、調整和參數設定就比較方便。

( 2 )一體型

傳感器和轉換器組裝在一起直接輸出直流電流(或頻率)標準信號,實際上成為電磁流量變送器。一體型縮短了二者之間信號線和激磁線的連接長度,并使之勿外接,隱蔽在儀表內部,從而減少信號衰減和空間電磁波噪聲侵人

電磁流量計

(參見圖 8 . 7 )。同樣測量電路與分離型相比可測較低電導率的液體。取消了信號線和激磁線的布線,簡化電氣連接,儀表價格和安裝費用均相對便宜,較多采用于小管徑儀表。隨著二線制儀表的商品化發展,一體型儀表將會有較快發展。但如果由于管道布置限制,安裝在不易接近的場所,則維護不便。此外,轉換器電子部件裝于管道上,將受到流體溫度和管部振動的較大限制。

4 .按流量傳感器與管道連接方式分類

( 1 )法蘭連接

法蘭連接是傳統的連接方式,參見圖 8 . 6 。傳感器兩端有連接法蘭,與管道法蘭間用螺栓固定之,可單向安裝。大口徑傳感器都采用本連接方式。體積和重量都比夾裝連接方式大。 DN15 一 600 mm EMF 的兩法蘭面間長度,國際標準化組織已制定標準( ISO13359 : 1998 )予以統一。

( 2 )夾裝連接

夾裝連接是近年發展的連接方式,參見圖 8 . 7 。傳感器本身無法蘭,以較長的螺栓夾持在管道兩法蘭之間接人管系。本方式傳感器體積小重量輕,對于不同壓力規范和標準管系法蘭孔距適應性強;但只適用于較小管徑( 100mm 或 200mm 以下),承受液體工作壓力較低。

( 3 )衛生型連接

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圖 8 . 8 所示是衛生型連接一例,與國際制酪聯合會 IDF 夾持件相連接,實現快速拆卸和安裝,便于日常頻繁的清洗。

( 4 )螺紋連接

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圖 8 . 9 是小口徑儀表螺紋連接方式例。該類儀表較多應用于醫藥、食品等工業和藥液配比注人等場所。螺紋連接還有較多應用于石油、地質勘探等 16 一 25MPa 以上高壓注水或泥漿液流量測量,螺紋形狀為梯形。

5 .按流量傳感器電極是否與被測液體接觸分類

( l )接觸型電極與液體接觸的電極是 EMF 的傳統結構,通常為一對電極,大口徑儀表也有用兩對電極。非滿管型 EMF 也有用 3 對電極或條形電極。

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( 2 )非接觸型電面積電極緊貼襯里(或絕緣測量管)外表面,以電容耦合方式檢測流量信號,可測量比接觸型電極 EMF 電導率閾值低 2 一 3 個數量級(≥ 10 -8 s / c m 的液體,如純水、甘油、乙二醇等。采用非接觸電極的電容檢測方動 EMF 簡稱電容式 EMF ,其原理見圖 8 . 10 。前置放大器置于傳感器內緊靠電極,激磁頻率比通常 EMF 高,為 50/2Hz ,也有超過 100Hz 者。本類儀表不會產生電極鈍化、氧化和觸媒作用等電極表面效應噪聲,也幾乎不存在流動噪聲和漿液噪聲。襯里內表面覆蓋油脂等非導電層或薄絕緣結垢層也不會影響測量;但覆蓋層若為導電膜則儀表將無指示。國外有些儀表制造廠稱這類儀表為無電極 EMF 。

6 .按流量傳感器結構分類

( l )短管型 短管型結構即如傳統 EMF 的結構,即圖 8 . 2 所示,流量傳感器帶有測量短管連接到管道系統中。

( 2 )插人型 插人型流量傳感器實質上是電磁流速傳感器,激磁線圈和電極組裝成桿狀,從待測管道上開孔中插人,測得的流速與轉換器預置的管道面積等系數相乘演算求取流量。除單點的“點流速”外,還有測多點“徑流速”者。 , 本型儀表適用于大型管道,因為是測量局部流速推算整體流量,測量精度遠低于短管型,通常僅用于過程控制,不適宜應用于貿易核算計量,但是價格相對便宜。

7 .按用途分類

( l )通用型

在冶金、石化、造紙、印染、紡織、給水、污水處理等工業一般較多采用分離型中大口徑法蘭連接方式;醫藥、生物、精細化工等工業常用微小口徑、小口徑儀表,一體型夾裝連接方式或螺紋連接方式適用場所較多。

( 2 )防爆型、

防爆型 EMF 應用于有易爆易燃氣氛的場所。由于大部分 EMF 的激磁電流能量較大,通常設計成隔爆型、充砂型、澆封型和氣密型等。但是現在有些 EMF 激磁功率大幅度降低,也有了本質安全型即以前所稱安全火花型,流量傳感部分和轉換部分有條件組成一體,裝在危險區域內。

3 )衛生型

乳酪、食品、醫藥 · 生物化學等工業要求定時通蒸汽滅菌,傳感器要便于拆卸清洗,與管道連接部位要求用快速裝卸的衛生型規定的結構,與液體接觸的材質應是無毒無害的

( 4 )耐浸水型

本型傳感器應用于安裝在地面下的窖井,可承受短時間水浸沒,相當于外殼防護等級 IP67 或 NEMA6 ;還有相當于防護等級 IP68 者,則可承受長期潛水。

( 5 )潛水型

本型儀表用于測量明渠或非滿管暗渠自由水面自然流下的水路流量,如工業排水和下水等。傳感器裝在明渠截流擋板下部,長期浸在水下。用于大流量時可安裝多臺與傳感相同的分流模型,以擴大流量,應用特點可參見明渠流量計。

 

非滿管電磁流量計

非滿管電磁流量計

   非滿管道電磁流量計;管道式電磁流量計通常應用于封閉管道的液體滿管流。對于流量變化很大,液體有時充滿管道,有時充不滿管道的情形,管道式電磁流量計不能適用。如果使用測量明渠流量的堰 槽或潛水型電磁流量計,滿管時的水頭損失太大,影響出流;流量太小時,流體進不到堰 槽或潛水型電磁流量傳感器中,無法測量。非滿管電磁流量傳感器可以與安裝管徑一致,在很大的流量范圍內工作,能夠用于封閉管道滿管流和非封閉管道或敞開管道的自由表面流測量,且不產生水頭損失,如市政排水 廢水處理 農用灌溉 流體靠自然流下的流量測量。

    電磁流量計是以傳感器截面面積恒定,測量平均流速得到流量。非滿管內的流體截面面積是變化的,流量測量不僅要測量流過傳感器的平均流速,而且還要測量流過傳感器的流體截面積。這就是說,非滿管電磁流量計的流量測量需要求的至少是流速和液位兩個變量。

    由權重函數理論可知,電極上感應的信號電壓是電極斷面內所有質點電位的集合。在非滿管傳感器內,不論過水截面如何改變,流體流動的質點總會有感應電勢,這些電勢要處于電極的集合范圍內。電極不能暴露在空氣中,否則電極不會得到感應的流量信號。于是,非滿管傳感器結構中有下圖所示的 (a) 管中心偏向底部的大面積電極 ;(b) 所示的多電極;( c )所示的安裝在傳感器底部的液位檢測點電極等結構。

    在非滿管道傳感器中,流速分布由管道的水力坡度所決定,測量的平均流速要對不同的流速分布進行修正。當滿足 W × B= 常數時,測量不受流速分布改變的影響,并且 W 與電極面積和質點的幾何位置有關。在非滿管道傳感器中,不同的流體截面,改變質點電勢的幾何位置和電極面積,也就是改變權重函數 W 。有些類型的非滿管傳感器可以通過特殊的勵磁形式,改變磁感應強度 B ,感應不同的電動勢,以求取水位。

    在非滿管道電磁流量計中,測量液位的方法有多種,它們大多不附加液位傳感器,而是由流量測量電極或在測量管襯里內設置液位檢測電極完成液位測量。常見測量液位方法如下:

    應用權重函數與幾何位置有關的原理,用兩種勵磁線圈不同接法,改變磁場所產生電勢的比值,建立液位的函數關系,通過單片機計算來求取液位。

    應用電容法的液位測量。電容法測量基于測量管襯里內設置的兩金屬極板間的電容與流體截面積成正比,來測量不同液位。

    非滿管電磁流量計的流量測量需要對測量的電動勢及勵磁做復雜的計算和控制,很明顯它的發展離不開單片機和計算技術的發展。

    為了擴展低水位流量的測量,非滿管電磁流量傳感器可制成如圖所示的具有喉部槽的形狀。將電極安裝在喉部的測板上,以提高測量分辨率。

電磁流量計

 

電磁流量計測量濃度較高的鹽酸溶液

     某化工廠用哈氏合金B電極 電磁流量計 測量濃度較高的鹽酸溶液,出現輸出信號不穩的晃動現象。現場檢查確認儀表正常,同時也排除了會產生輸出晃動的其他干擾原因,但是多數其他用戶用哈氏合金B電極 電磁流量計 測量鹽酸時運行良好。經過對鹽酸濃度的實流試驗。鹽酸濃度在逐步增加,低濃度時儀表輸出穩定,當濃度增加到15%~20%時,儀表輸出開始晃動,濃度達到25%時,輸出晃動量高達20%。改用鉭電極 電磁流量計 后運行正常。

     更多技術參數,可參閱迪泰爾儀表網站 //www.zwxxt.com/ (中文網址:迪泰爾.cn) 或者 //www.detair.com/

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