一、概述:
電磁流量計是60年代起發展起來的.應用法拉第電磁感應原理制成的,測量導電介質體積流量的新型感應式流量測量儀表.由傳感器(變送器)和轉換器兩部分組成。
(一)電磁流量計具有以下特點
1、它的傳感器結構簡單、可靠.無可動部件和節流部件,因而,當流體通過時不會引起任何附加的壓力損失.無磨損、堵塞等現象.由于它結構.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,故不受被測介質的溫度、粘度、密度以及一-定范圍內電導率的影響。
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的平均流速成正比。而與軸對稱分布下的流動狀態(層流或紊流)無關。
5、電磁流量計反應靈敏、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、調節系統和程控系統。)
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電性的液體。
2、它要求被測介質具有一定范圍的電導率，10-1~10-5s/cm之間.相當于蒸餾水的電導率。
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
在磁感應強度為B的均勻磁場中.垂直于磁場方向放一個內徑為D的不導磁管道.當導電液體在管道中以流速V流動時.導電流體.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,只要管道內流速分布為軸對稱.則兩電極之間將產生感生電動勢e.根據法拉第電磁感應原理。
兩式中:
e一感應 電動勢伏特
B一磁感應強度韋伯/米“
D一管道內徑米
`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.電導率均勻且各
向同性。
(三)電磁流量計系統
1、基本系統:由傳感器和轉換器組成.僅完成流量的檢測.顯示如圖a:
2、擴展系統:基本系統加流量積算器組成,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,以修正系統停電時被漏計的排放流量,加圖b;
3、智能型系統:由基本系統和流量計算機組成.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、通訊和聯網.如圖c:
二、基本系統簡介
(一)轉換器
1、轉換器工作原理
傳感器輸出一個毫伏級的微弱信號,經轉換器將信號放大,變成標準的信號輸出(傳感器等效一高內阻的信號源)。
轉換器原理框圖如圖1所示.它接受來自傳感器的信號,經中間級放大.剔除無關信號,檢出有用信號,再經整流放大,變成單流量成比例的電壓信號。最后將流量信號變成標準的信號形式。
轉換器中的信號發生器能產生工頻八分頻的方波.此信號激勵勵磁驅動器,向傳感器輸出同頻率的勵磁電流.信號發生器也產生抗干擾級的同步控制信號。
2、性能
電磁流量轉換器具有:
(l)穩定地進行線性放大。
(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)用于引導液流和測量的導管,也即測量管。
(2)由勵磁線圈和磁扼組成的勵磁系統,用來產生工作磁場。
(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管壁上.它的作用是把被測介質切割磁力線所產生的流量信號引出(其材料必須是非磁性導電材料)。
(4)干擾調整機構
干擾調整機構實際上是一個“變壓器調零”裝置,是為了抑制由于“變壓器效應”而產生正交干擾的一種方法。
(5)起隔離和保護傳感器內部結構作用.的外殼
2、三種形式
(1)管道式電磁流量計:為標準流量計,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,這種流量計結構簡單.以小巧的結構來測量大管道中的流量.經濟實用。可在管道不停供液流的情況下安裝與維修。
3、傳感器對被測介質的要求:
被測介質的電導率過高或過低都會影響流量測量的精度一般要求電導率域10-1~10-5Sc/m之間,即可得到滿意的測量結果。
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兩條原則選拔:一是儀表滿量程大于預計的最大流量值;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相同的口徑(但也可以利用異徑管,選擇小于管道系統的口徑),對管道有待設計的,根據流量范圍來選擇.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℃,經特殊處理的變送器允許被測介質溫度可達-40℃~130℃。
3、內襯材料與電極材料的選擇
應根據具體測量的介質.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)變送器應安裝在室內干燥通風處·避免安裝在環境溫度過高的地方,不應受強烈振動.盡量避開具有強烈磁場的設備.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省行的環境條件。
(2)為了保證變送器測量管內充滿被測介質,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管道的頂部、以防止空氣泡。
(3)變送器兩端應裝閥門和旁路。
(4)電磁流量變送器的電極所測出的幾毫伏交流電勢,是以變送器內液體電位為基礎的。為了使液體電位穩定并使變送器與流體保持等電位,以保證穩定地進行測量,變送器外殼與金屬管兩端應有良好的接地,轉換器外殼也應接地,接地電阻不能大于IOn,不能與其它電器設備的接地線共用,如果不能保證變送器外殼與金屬管道良好接觸,應用金屬導線將它們連接起來,再可靠接地。
(5)為了避免干擾信號,變送器和轉換器之間的信號必須用屏蔽導線傳輸,不允許把信號電纜和電源線平行放在同一電纜鋼管內,信號電纜長度一般不得超30m。
(6)轉換器安裝地點應避免交、直流強磁場和振動,環境溫度為-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,流量調節閥應設置在變送器下游.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于好幾倍直徑D的長度,所以對上游直管可以不做規定,但對口徑較大的流量計.一般上游應有SD以上的直管段.下游應有3D以上直管段要求。
(8)當管道與變送器的.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,只要管內流速為軸對稱分布,則電極上產生的感應電動勢e與流動狀態無關,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,由于每個流體質點相對于電極的幾何位置不同,愈靠近電極的質點對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是測量管內所有液體共同貢獻的結果。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,上游直管段應為SD以上.下游直段長度應在3D以上。
(二)電導率對測量誤差的影響
電磁流量計對被測介質的電導率有一定的要求范圍,一般為10-5~10-1sc/m,但目前,電磁流量計轉換器的輸入阻抗已有所提高.對于電導率的下限要求有所下降。
電磁流量計不適用電導率很低的介質的原因,在于傳感器與轉換器的阻抗匹配。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—轉換器輸入阻抗。
一般轉換器輸入阻抗RL為100~200Ω,由上可知,變送器(傳感器)的內阻r≤100~200kΩ。,由此,推導一下電導率的要求。
由理論分析可知,變送器的輸出阻抗決定了轉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的電導率和電極大小,所支配.其關系為:
此時,變換器的輸入阻抗應是100~400MΩ左右。
以上推異可知,電極直徑越小,轉換器的輸入阻抗RL越高,就越不易受變送器(傳感器)內阻r變化的影響,可測介質的電導率σ也可以降得越低,擴大了它的應用范圍。
需要說明是,被測介質的電導率太大也是不允許,從理論分析和實驗可知,當電導率超過10-1(s/cm)左右時,就會降低流量信號.改變指標值。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,使之產生方波勵磁電流,勵磁電流的極性轉換周期可選為工業交流電源周期的偶數倍,如此一來,即可消除工業頻率的噪聲影響,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系較復雜。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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