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常用工业智能电磁流量计介绍

时间:2015-07-02 22:02来源:未知 作者:智能电磁流量计 点击:
随着智能电磁流量计测量技术的发展,为满足不同测量领域的需要,不断有新型的智能电磁流量计出现。目前,大致有以下这些新型的电磁流量计活跃在国内外市场上。 一、电容式电磁流量计 把电极埋入衬里内,使被测流体与电极不接触。这样,能从根本上解决电极腐蚀、污染

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文章摘要:常用工业智能电磁流量计介绍,哀嚎小面包吃力不讨,公允不辱使命勃然变色。

随着电磁流量计测量技术的发展,为满足不同测量领域的需要,不断有新型的电磁流量计出现。目前,大致有以下这些新型的电磁流量计活跃在国内外市场上。

一、电容式智能电磁流量计

把电极埋入衬里内,使被测流体与电极不接触。这样,能从根本上解决电极腐蚀、污染、液体泄漏问题。这样的传感器,其流量信号是通过电极与衬里形成的电容糯合传输到转换器。这就是电容式电磁流量计。

为了增大电容的容量,减少容抗上的信号损失,通常采用大面积电极或多电极结构形式。耦合电容的容量仅在几十个至上千个皮法范围。为保证信号能够大部分传输给放大器,转换器的输入电阻必须提高到1012Ω 以上。由此,电容式电磁流量计具有能够测量低电导率液体的优点。例如,

测量经脱去离子的净化水处理的纯水,其电导率可能在10-5S/m以下。用一般电磁流量计按本章第四节中的分析,可达5%以上测量误差。

耦合电容容量的变动将造成大的噪声,影响测量精确度与稳定性。为此,对作为电容电介质的衬里材料,应具有绝缘强度高、介质损耗系数小、温度系数小、刚性好等性能。新型衬里材料PFA(聚四氟乙烯)和高纯氧化铝工业陶瓷能够满足这些要求。

励磁线圈与电极间存在着分布电容和绝缘电阻。励磁电压通过励磁线圈与电极间分布电容和绝缘电阻与信号内阻抗分压,能在电极上形成大的共模干扰电压。电容型电磁流量计的信号内阻很高,分压的共模干扰可能更大。因此,庞博赌场_欧普斯赌场_四季赌场官网:提高仪表的共模抑制比,成为电容式电磁流量计的另一技术难点。电容式电磁流量计的共模抑制比要求在CMRR≥120dB。把前置放大器放在传感器内,采用图 2.23那样的自举阻抗转换和静电屏蔽措施,能有效地抑制大的共模干扰。

电容型电磁流量计在解决固液两相浆液型流体测量能够发挥出测量稳定的特点,能够真正有效地解决直流极化干扰带来的输出摆动的现象。电容变送型流量计能够高精确度测量低电导率流体的流量。但在使用时必须注意到前面所叙述的低电导率"流动噪声"问题。此时,流量计测量的流速范围应如图2.24所示,上限流速在可用范围内。

需要说明,尽管测量电极不接触被测流体,不存在电极腐蚀问题,然而为获得差分流量信号,安装时仍然需要有接液环、接液电极、接液短管等金属部件,被测流体对金属材料的腐蚀问题依然存在。

二、两线制智能电磁流量计

在工业生产过程控制中,常常使用具有统一输出电流信号的测量仪表。4~20mA直流信号串在直流供电的电源回路中,流量计只有两条传输电缆,这样就成了两线制仪表。两线制仪表可以减少电缆的敷设,统一电源,节约成本,更便于维护和管理。

两线制电磁流量计的技术难度在于解决仪表的低功耗问题。它要求仪表的工作电流不大于4mA。首先考虑减低传感器励磁电流,也就是降低磁场强度,减低感应的流量信号的幅度。两线制传感器感应信号流速在1m/s时感应信号幅度小于100μV。传感器结构上采用导磁率高、矫顽力小、新型的非晶态磁性材料作为铁心以减少漏磁,提高励磁效率和减小温度变化的影响。对于转换器,应选择低功耗器件和采用高增益、低噪声的电路器件。电路中应采用脉冲调制的隔离措施来为模拟电路及数字电路提供不同的供电电压,以提高其抗干扰性能。图2.25所示为典型的两线制电磁流量计原理框图。

三、智能电磁式水表

与大量使用的水表相比,电磁流量计元活动部件,许多场合下它可以更好地替代水表,完成水的计量任务。水表的特点是以检测累计总量为主,一般不用外部电源,要求仪表使用寿命在8年以上。电磁式水表也必须以这两点为基本设计思路,因此技术关键也在于低功耗。电磁式水表内装锂电池,使用寿命达8年,这意味着功耗不大于2mW。为此,可以使用如图2.26所示的尖脉冲电流,去激磁矩形磁滞回线的磁性材料产生磁场,将磁感应强度变换为矩形波磁场。因此,励磁消耗的电功耗很小,换取了高的磁感应强度。同样,电磁式水表必须使用微功耗微处理器、运算放大器芯片和LCD显示器。

四、插入式电磁流量计(智能电磁流速计)

与一般电磁流量计不同的是,插入式电磁流量计和电磁流速计的传感器是外侧形成外发射磁场。测量电极在传感器的端部或两侧,如图2.27所示电磁流速计传感器原理。值得注意的是,外发射磁场电磁流速传感器的感应信号受流场和磁场的边界层厚度影响,会降低测量的线性度。

对于较大的水路面积,流速计测量可以看成是点流速测量。较大管径内的流体流动速度分布规律,也多是紊流状态。如果流速是以管轴的中心为对称,可以用尼古拉茨方程的指数表达式(2.13)表示圆管内流速分布。

对于式(2.13)面积分,除以圆面积可得管道平均流速,结果得

结合式(2.13)和式(2.14)能得到平均流速点距离管壁的距离为(1—rp)。

若取n=7.0,可以计算,插入式电磁流量传感器深度大约在12%的管径处,即约在1/8管道直径处。

上面的式子是对光滑管道而言。对于粗糙管道的平均流速和轴线流速的关系可用下面式子表达

愈小,愈接近光滑管道的流速分布系数。由此看来,插入式电磁流量计比较适于大口径管道测量。

为了满足流速分布状态的要求,插入式电磁流量传感器安装管道上、下游应有足够长的直管段。并要求管道内流体无气体存在。

五、潜水智能电磁流量计

潜水电磁流量计是把电磁流量计的测量原理结合节流装置的工作原理,用于明渠流量测量的一种流量计。在渠道的断面中,设置一带孔闸板,将潜水电磁流量传感器安装在闸板孔内,让水全部从传感器流过,由流量的连续性原理,测量流过电磁流量传感器的流量,即是渠道流量。

与节流装置相似,水在自然流下时,渠道的平均流速比较低,带孔闸板将造成上、下游的水位差。按能量转换的规则,该水位差将明渠中低的流速转化为测量管内较高的平均流速。设上、下游水位差为h,重力加速度g,局部阻力系数F,测量管孔内平均流速为 ,则

这就是说,通过测量潜水电磁流量传感器的流量就可测量出渠道的流量。为了减小局部阻力,使进入传感器测量管的水能够满足以中心轴对称流速分布要求的前提条件,传感器测量管前后必须安装有喷嘴形式的导流管(导流喷嘴,俗称喇叭口)。图2.28所示为潜水电磁流量计的工作原理。

按照分析,流过导管的流速,仅与上、下游水头损失 h 有关,渠道上、下游的行近流速和远离流速对其影响很小。所以,在闸板上可安装与传感器几何尺寸相同的假传感器 (仿真传感器),这时流过仿真传感器导管内的平均流速与传感器测量的流速相同。这样,用潜水电磁流量计测得的流量乘以仿真传感器和潜水传感器的总个数,即能得到明渠的流量。图2.29所示为一只潜水电磁流量计加仿真传感器的示例。

潜水电磁流量计是明渠流量计中测量精确度较高的流量计,它不仅具有电磁流量计的所有特点,而且不受渠道下游潮沙和河水上涨的影响。但是应注意,流量较小时,水不能充满测量管,这时传感器下游需要加装堰板,以抬高水位;流量过大时水位差会使上游的水位抬得过高,造成上游漫溢,这时应加仿真传感器,加大流通面积,以降低水位。

六、非满管道电磁流量计

管道式电磁流量计通常应用于封闭管道的液体满管流。对于流量变化很大,流体有时充满管道,有时充不满管道的情形,管道式电磁流量计不能适用。如果使用测量明渠流量的堰、槽或潜水型电碰流量计,满管时的水头损失太大,影响出流;流量太小时,流体进不到堰、槽或潜水型电磁流量传感器中,无法测量。非满管电磁流量传感器可以与安装管径一致,在很大的流量范围内工作,能够用于封闭管道满管流和非封闭管道或敞开管道的自由表面流测量,且不产生水头损失,如市政排水、废水处理、农用灌慨,流体靠自然流下的流量测量。

电磁流量计是以传感器截面面积恒定,测量平均流速得到流量。非满管内的流体截面面积是变化的,流量测量不仅要测量流过传感器的平均流速,而且还要测量流过传感器的流体截面积。这就是说,非满管电磁流量计的流量测量需要求的至少是流速和液位两个变量。

由权重函数理论可知,电极上感应的信号电压是电极断面内所有质点电位的集合。在非满管传感器内,不论过水截面如何改变,流体流动的质点总会有感应电势,这些电势一定要处于电极的集合范围内。

电极不能暴露在空气中,否则电极不会得到感应的流量信号。于是,非满管传感器结构中可以有图2.30 (a) 所示的管中心偏向底部的大面积电极、图2.30(b) 所示的多电极和图2.30(c) 所示的安装在传感器底部的液位检测点电极等结构。

在非满管道传感器中,流速分布由管道的水力坡度所决定,测量的平均流速要对不同的流速分布进行修正。当满足 W×B = 常数时,测量不受流速分布改变的影响,并且 W 与电极面积和质点的几何位置有关。在非满管道传感器中,不同的流体截面,改变质点电势的几何位置和电极面积,也就是改变权重函数W。有些类型的非满管传感器可以通过特殊的励磁形式,改变磁感应强度B,感应不同的电动势,以求取水位。

非满管电磁流量计中,测量液位的方法有多种,它们大多不附加液位传感器,而由流量测量电极或在削量管衬里内设置液位检测电极完成液位测量。常见测量液位方法如下。

①应用权重函数与几何位置有关的原理,用两种励磁线圈不同接法,改变磁场所产生电势的比值,建立液位的函数关系,通过单片机计算来求取液位。

②应用电容法的液位测量。电容法测量基于测量管衬里内设置的两金属极板间的电容与流体截面积成正比,来测量不同液位。

非满管电磁流量计的流量测量需要对测量的电动势及励磁做复杂的计算和控制,很明显它的发展离不开单片机和计算技术的发展。

为了扩展低水位流量的测量,非满管电磁流量传感器可制成如图2.31所示具有喉部槽的形状。将电极安装在喉部的测板上,以提高测量分辨率。

七、由电磁流量计组成的几种流量测量系统

1.电磁流速-水位运算法明渠流量测量系统

对矩形、梯形等断面一定的渠道,利用水位测量可以求出水流的截面积。把一台或几台电磁流速计安装在水路中,预先测量出流速计得到的流速值和整个渠道的平均流速之间的流速分布修正系数,以及水深变化对流速的修正值,将渠宽、水深、平均流速修正值和流速计所测量的流速值送入计算机,做乘法运算即可求出流量。图2.32所示为电磁流速水位运算法测量的原理框图。

明渠大多是处于紊流流速分布状态,沿其铅垂线的速度分布情况和圆管道的紊流速度分布的一半基本是一样。按指数方程(2. 18)

( 2.18 )

在(0,h)范围内积分,除以渠深h,得到垂线平均流速,并求得垂线流速分布系数 k1。明渠端面水平的流速分布与圆管道相同。对式(2.17)在 范围内积分除以渠宽B,便得到水平线平均流速。同样可求得水平流速分布系数是 k2。k 是面流速分布系数。

明渠的 n 值大约在4~8,所以,k1、k2在0.8~0.88左右, k 在0.64~0.8左右。按式(2.18)也可求出平均流速点大约在0.6倍水深和0.2倍渠宽水平的坐标位置上,这说明本法与水力测流的明渠一点法一致。还必须考虑到,一般流速计是固定在渠道中的,由于渠道中水位的变化,流量测量必须对流速计所处的水深进行修正。

把电磁流速计测量的点流速信号和压阻式、超声式、电容式水位计测量的水位信号输入单片机,通过运算,可以求得流量值。本测量系统具有不存在水头损失,渠道修整容易,成本低的优点。但是其缺点是系数的验证和测试比较麻烦。

2、全渠宽线圈电磁流量测量系统

尽管当年法拉第测量河水流速的实验失败了,但却一直激发人们去研究用电磁法测量河水流速。总结失败主要原因,在于地磁场产生的直流电势引起的极化干扰大、输出阻抗高等问题。利用交流励磁和现代电子技术、计算机技术,这种设想已经成为现实。图2.33所示的全渠宽线圈电磁流量测量系统是英国人进行的明渠、暗渠或河道流量测量系统的研究方案。这种方法已被ISO国际标准(ISO 9213)认可。

全渠宽线圈电磁流量测量系统方法的工作原理是通过埋在河床中或跨越在明渠上方线圈产生一垂直磁场,用塑料薄膜将渠道中的水与渠底和两岸绝缘。水流动时,可测量出渠道两岸平行的电极板之间电位差,按权重理论的解释,电极板上的电位差是过水断面所有质点电位的集合。所以,测量的流速是断面的所有质点流速的平均值,即渠道中的平均流速。然后,再把平均流速乘以渠道断面积,即可得到渠道的流量。渠道的断面积是水位的函数,利用超声水位计、压力式水位计等仪表能随时计算出渠道断面积。

全渠宽线圈电磁流量测量系统与电磁流速——水位运算法、超声波流速明渠测量法相比,前者是直接得到面平均流速的,后者得到的是线平均流速和点平均流速。显然,比较起来,前者的测量精确度高。

3.泥水输送管道培塞预警系统

在河道疏泥水排放和矿浆/ 煤浆管道水力输送时,经常发生固相沉积堵塞管道的故障。山武·霍尼韦尔公司曾做过泥水输送管固体沉淀状况对电磁流量计测量值影响的研究,试图组成泥水输送管道堵塞预警系统[28]

在实验装置管系的水平和垂直两个位置上各装一台电磁流量计,垂直管道电磁流量计内泥水液流动固动相始终是处于均匀分布状态,而水平管道电磁流量计(电极轴平行于地平线)的流量信号感受到固相分布不均匀和沉积厚度影响,改变流量大小,获得不同沉淀高度下垂直安装仪表平均流量信号 。图2.34所示是名义口径150mm仪表的实验数据。

当沉淀高度超过规定值时,系统发出信号,随即提高泵的出力,增加流量,短时间加大流速冲刷沉积固相,排除堵塞。

本预警系统尚需进一步完善。

(流量计:智能电磁流量计)
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