电磁流量计分类

    市场上通用型产品和特殊型仪表从不同角度作如下分类。按激磁电流方式划分,有直流激磁、交流(工频或其他频率)激磁、低频矩形波激磁和双频矩形波激磁。几种激磁方式的波形见图 8 . 30

电磁流量计

按输出信号连线和激磁(或电源)连线的制式分类,有四线制和二线制。按转换器与传感器组装方式分类,有分离型和一体型。

按流量传感器与管道连接方法分类,有法兰连接、法兰夹装连接、卫生型连接和螺纹连接。

按流量传感器电极是否与被测液体接触分类,有接触型和非接触型。

按流量传感器结构分类有短管型和插人型。

按用途分类,有通用型、防爆型、卫生型、防浸水型和用于明渠流量测量的潜水型。

1 .按激磁电流方式分类防浸水型和用于明渠流量测量的潜水型

( l )直流激磁电磁流量计

直流激磁电磁流量计用于测量液态金属流量,如常温下汞和高温下液态钠、锂、钾等。在快中子增殖核反应堆一次回路中用于测量摄氏 500 余度的熔融钠流量,见到过有应用于 DN300mm 管道仪表的报道。文献中还阐述探索用干法校验流量值,与湿法(实流)校验相比,精度可达 3% 。除由电磁铁直流激磁产生磁场外,也有用永久磁铁磁场的较小口径传感器,国内上海光华仪表厂曾开发过该类产品。本类仪表在我国一般流程工业中应用还属于探索阶段。

( 2 )交流激磁电磁流量计

早期 EMF 用 50Hz 工频市电激磁;采用交流激磁的理由是为了避免像用直流激磁时电极表面产生极化现象,但是由于易受市电所引起的与流量信号同相位各种感应噪声的重叠,形成零点漂移等,现在已渐被低频矩形波激磁所代替。这些叠加的感应噪声是由以下一些原因产生的。

l )液体中涡电流产生与流量信号同相位噪声,电极污染形成的噪声和零点漂移。

2 )磁回路中铁损偏移了激磁电流与磁场间相位,使原来在信号回路中变压器效应所形成的正交( 9 0 ° )噪声相移,产生同相噪声;

3 )激磁线圈与信号线间以及激磁线圈与流体间的静电感应噪声。

但是交流激磁流量传感器的磁感应强度通常设计得较高,有较大信号电动势(约为 lmV 每 1m/s ,,矩形波激磁仅 0 . 2 一 0 . 3mV )和较高信噪比的优点。此外,在测量固液双相的矿浆等流体时,低频矩形波激磁方式在固体擦过电极表面产生尖峰的浆液噪声,会使输出信号波动,工频交流激磁的 EMF 则不存在这一缺点。因此国内外还有一些仪表制造厂继续提供工频或其他频率交流激磁 FMF ,

( 3 )低频矩形波激磁

自 1975 年低频矩形波激磁方式发表以来,以其功耗小,零点稳定,电极污染影响小等优点,得到很快发展,成为迄今主要激磁方式。低频矩形波激磁波形有“正一负”二值者,有“正一零一负一零”三值者,分别如图 8 . 3 ( b )、( c )所示。三值激磁用无激磁期间的信号改善零点稳定性。流量信号在信号电压基本恒定的区间采样取得。激磁频率为市电的 1/32~1/2 ,常用 1/8~1/4 之间。小口径仪表用较高频率,大口径仪表用较低频率,由制造厂按所用传感器口径来设定。国外也有可由用户设定频率的仪表,例如商业名为“可编程键控储存电磁流量计” 。

矩形波激磁的 EMF 在磁场变化所产生的感应磁通微分噪声,可在激磁周期后期噪声衰减区间采样,清除涡电流磁通微分噪声成分的变化。叠加到信号电压的工频感应噪声,通过采样时间取整数倍工频周期的方法消除之。

然而矩形波交变激磁虽不受慢的极化电压变化影响,但由于稳定磁场短期间直流采样相对急剧变化的极化电压,还会产生急剧的输出变化。此外流体中固体颗粒撞击电极,其表面氧化膜破损,表面电位变化形成尖峰状噪声,输出呈现大幅晃动。这一现象称作浆液噪声,发生于高浓度浆液或含土砂粒的液体,影响了低频矩形波 EMF 的应用。

频率较高的工频激磁比低频矩形波激磁抗浆液噪声性能优越的原因,还可以用浆液噪声频率特性说明之。图 8 . 4 是纸浆浆液噪声频谱一例,低频段噪声电平大,高频段噪声小,即所谓 1 / f 特性。因此较高频率激磁噪声电平低,可获得较高的 S / N 比的信号。

电磁流量计

( 4 )双频激磁

双频激磁是在低频矩形波上叠加高频矩形波,如图 8 . 5 所示用二种频率采样和低通、高通滤波器,得到高频和低频二种信号,合成后得流量信号,克服了低频矩形波激磁存在的浆液噪声和流动噪声,提高仪表的稳定性和响应性。快速响应性可反映频率高达 1Hz 的柱塞泵的流动状况。

2 .按输出信号连线和激磁(或电源)连线制式分类

( l )四线制

传统 EMF 的输出信号线和电源线(或流量传感器和传感器间的激磁电流线)分别由 2 组各 2 根导线的四线制组成,仍是当前的主要制式 6

( 2 )二线制

当前温度、压力/差压、流量和物位等参量现场仪表趋向于输出信号和电源共用导线的二线制仪表发展。二线制仪表毋须市电电源,而 EMF 常装在无市电供给的偏僻场所,采用二线制可节省市电布线工程费用。

二线制 EMF 电源供给的设计思路上又分为零信号输出电流(即 4mA )供给、大于零信号输出供给和电池(或太阳电池)供给。

干电池供电 EMF 和电磁式水表适应配置于远离城市配水池或郊外污水处理后排放点等市电引入困难的场所。有些型号仪表干电池使用寿命一年,有些则长达 8 一 10 年。

1993 年日本修订计量法规定 DN350mm 以下贸易证明用水管仪表的适用品种从传统旋翼式水表扩展到电磁式水表。今后用作水表的 EMF 要符合水表标准的要求,测量精度只需 2 %一 5 % ,但 EMF 本体必须要带积算显示和设有外接电源。例如爱知时计电机的 SU 系列电磁式水表消耗功率仅 2mW ,内藏电池可用 8 年以上。

3 .按传感器和转换器组装方式分类

( 1 )分离型

电磁流量计

分离型是 EMF 最普遍应用的形式,如图 8 . 6 所示。传感器接人管道,转换器装在仪表室或人们易于接近的传感器附近,相距数十到数百米。为防止外界噪声侵人,信号电缆通常采用双层屏蔽。测量电导率较低液体而相距超过 30m 时,为防止电缆分布电容造成信号衰减,内层屏蔽也有要求接上与芯线同电位低阻抗源的屏蔽驱动。分离型转换器可远离现场恶劣环境,电子部件检查、调整和参数设定就比较方便。

( 2 )一体型

传感器和转换器组装在一起直接输出直流电流(或频率)标准信号,实际上成为电磁流量变送器。一体型缩短了二者之间信号线和激磁线的连接长度,并使之勿外接,隐蔽在仪表内部,从而减少信号衰减和空间电磁波噪声侵人

电磁流量计

(参见图 8 . 7 )。同样测量电路与分离型相比可测较低电导率的液体。取消了信号线和激磁线的布线,简化电气连接,仪表价格和安装费用均相对便宜,较多采用于小管径仪表。随着二线制仪表的商品化发展,一体型仪表将会有较快发展。但如果由于管道布置限制,安装在不易接近的场所,则维护不便。此外,转换器电子部件装于管道上,将受到流体温度和管部振动的较大限制。

4 .按流量传感器与管道连接方式分类

( 1 )法兰连接

法兰连接是传统的连接方式,参见图 8 . 6 。传感器两端有连接法兰,与管道法兰间用螺栓固定之,可单向安装。大口径传感器都采用本连接方式。体积和重量都比夹装连接方式大。 DN15 一 600 mm EMF 的两法兰面间长度,国际标准化组织已制定标准( ISO13359 : 1998 )予以统一。

( 2 )夹装连接

夹装连接是近年发展的连接方式,参见图 8 . 7 。传感器本身无法兰,以较长的螺栓夹持在管道两法兰之间接人管系。本方式传感器体积小重量轻,对于不同压力规范和标准管系法兰孔距适应性强;但只适用于较小管径( 100mm 或 200mm 以下),承受液体工作压力较低。

( 3 )卫生型连接

电磁流量计

图 8 . 8 所示是卫生型连接一例,与国际制酪联合会 IDF 夹持件相连接,实现快速拆卸和安装,便于日常频繁的清洗。

( 4 )螺纹连接

电磁流量计

图 8 . 9 是小口径仪表螺纹连接方式例。该类仪表较多应用于医药、食品等工业和药液配比注人等场所。螺纹连接还有较多应用于石油、地质勘探等 16 一 25MPa 以上高压注水或泥浆液流量测量,螺纹形状为梯形。

5 .按流量传感器电极是否与被测液体接触分类

( l )接触型电极与液体接触的电极是 EMF 的传统结构,通常为一对电极,大口径仪表也有用两对电极。非满管型 EMF 也有用 3 对电极或条形电极。

电磁流量计

( 2 )非接触型电极大面积电极紧贴衬里(或绝缘测量管)外表面,以电容耦合方式检测流量信号,可测量比接触型电极 EMF 电导率阈值低 2 一 3 个数量级(≥ 10 -8 s / c m 的液体,如纯水、甘油、乙二醇等。采用非接触电极的电容检测方动 EMF 简称电容式 EMF ,其原理见图 8 . 10 。前置放大器置于传感器内紧靠电极,激磁频率比通常 EMF 高,为 50/2Hz ,也有超过 100Hz 者。本类仪表不会产生电极钝化、氧化和触媒作用等电极表面效应噪声,也几乎不存在流动噪声和浆液噪声。衬里内表面覆盖油脂等非导电层或薄绝缘结垢层也不会影响测量;但覆盖层若为导电膜则仪表将无指示。国外有些仪表制造厂称这类仪表为无电极 EMF 。

6 .按流量传感器结构分类

( l )短管型 短管型结构即如传统 EMF 的结构,即图 8 . 2 所示,流量传感器带有测量短管连接到管道系统中。

( 2 )插人型 插人型流量传感器实质上是电磁流速传感器,激磁线圈和电极组装成杆状,从待测管道上开孔中插人,测得的流速与转换器预置的管道面积等系数相乘演算求取流量。除单点的“点流速”外,还有测多点“径流速”者。 , 本型仪表适用于大型管道,因为是测量局部流速推算整体流量,测量精度远低于短管型,通常仅用于过程控制,不适宜应用于贸易核算计量,但是价格相对便宜。

7 .按用途分类

( l )通用型

在冶金、石化、造纸、印染、纺织、给水、污水处理等工业一般较多采用分离型中大口径法兰连接方式;医药、生物、精细化工等工业常用微小口径、小口径仪表,一体型夹装连接方式或螺纹连接方式适用场所较多。

( 2 )防爆型、

防爆型 EMF 应用于有易爆易燃气氛的场所。由于大部分 EMF 的激磁电流能量较大,通常设计成隔爆型、充砂型、浇封型和气密型等。但是现在有些 EMF 激磁功率大幅度降低,也有了本质安全型即以前所称安全火花型,流量传感部分和转换部分有条件组成一体,全部装在危险区域内。

3 )卫生型

乳酪、食品、医药 · 生物化学等工业要求定时通蒸汽灭菌,传感器要便于拆卸清洗,与管道连接部位要求用快速装卸的卫生型规定的结构,与液体接触的材质应是无毒无害的

( 4 )耐浸水型

本型传感器应用于安装在地面下的窖井,可承受短时间水浸没,相当于外壳防护等级 IP67 或 NEMA6 ;还有相当于防护等级 IP68 者,则可承受长期潜水。

( 5 )潜水型

本型仪表用于测量明渠或非满管暗渠自由水面自然流下的水路流量,如工业排水和下水等。传感器装在明渠截流挡板下部,长期浸在水下。用于大流量时可安装多台与传感相同的分流模型,以扩大流量,应用特点可参见明渠流量计。

 

非满管电磁流量计

非满管电磁流量计

   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,液体有时充满管道,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 槽或潜水型电磁流量计,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 农用灌溉 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有下图所示的 (a) 管中心偏向底部的大面积电极 ;(b) 所示的多电极;( 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。

    在非满管道电磁流量计中,测量液位的方法有多种,它们大多不附加液位传感器,而是由流量测量电极或在测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:

    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。

    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所示的具有喉部槽的形状。将电极安装在喉部的测板上,以提高测量分辨率。

电磁流量计

 

电磁流量计测量浓度较高的盐酸溶液

     某化工厂用哈氏合金B电极 电磁流量计 测量浓度较高的盐酸溶液,出现输出信号不稳的晃动现象。现场检查确认仪表正常,同时也排除了会产生输出晃动的其他干扰原因,但是多数其他用户用哈氏合金B电极 电磁流量计 测量盐酸时运行良好。经过对盐酸浓度的实流试验。盐酸浓度在逐步增加,低浓度时仪表输出稳定,当浓度增加到15%~20%时,仪表输出开始晃动,浓度达到25%时,输出晃动量高达20%。改用钽电极 电磁流量计 后运行正常。

     更多技术参数,可参阅迪泰尔仪表网站 http://www.detair.cn/ (中文网址:迪泰尔.cn) 或者 http://www.detair.com/

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