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電磁流量計綜述
0 引 言
隨著國民經濟的發展和現代生產過程自動化程度的不斷提高,流量作為主要的過程參數之一,已成為判斷生產過程的效率.工作狀況及經濟性能的重要指標.因此測量流體流量 的流量計的地位日趨突出。下面主要對電磁流量計的發展史及其技術動向進行綜述.
1 發展史
電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律用來測量導電性液體體積流量的儀表.它可在層流、紊流、脈動流量以及產生流線振動等情況下對流體進行流量測量.由于其測量管光滑,壓力損失小,測量范圍寬,反應靈敏,能獲得與流量成比例的信號,加之其測量管直通無死角,便于清洗和滅菌消毒,因此它在用于特殊衛生要求的醫藥和食品工業中得到了廣泛的應用.特別是大口徑電磁流量計在給排水工程、港口疏流和廢水處理系統中更是大顯身手.
自法拉第1831年發現電磁感應定律后,1832年他便期望利用地球的地磁場來測量英國泰晤士河水的潮汐和流量,但試驗進行三天便失敗了[6].這也是世界上最早的一次電磁流量計的試驗.
1932年,生物學家A.Kolin第一個成功地完成了圓形管道的電磁流量計,可用來測量和記錄瞬時動脈血液流量.
1954年,Foxbor公司推出了世界上第一個電磁流量計產品.1955年,日本也制成了電 磁流量計,幾乎同時前蘇聯、英國、前西德也相繼試制成功.我國在1957年才開始研制電磁流量計.
經過幾十年的發展,國內外生產電磁流量計廠家如雨后春筍般迅速發展起來.目前國外主要廠家有:日本橫河公司(YEWMAG,ADMAG型),日立公司(FMP251型),美國Brooks公司(Maglite,May7500系列),Foxbor公司(M800型),德國KROHNK公司(KXBO,K180,K280,以及K480型等),Endress+Hauser(Mastermag型等)等著名廠家.目前我國也約有20家電磁流量計制造廠.
據1994年7月《計裝》雜志報導,美國1989年的實際流量儀表市場為7.25億美元,電磁流量計占9.7%;日本1992年的實際流量儀表市場為591億日元,其中電磁流量計占16.5%,僅次于差壓式流量計位于第二,足見電磁流量計在流量計量工業中的重要地位。
2 技術焦點
自50年代電磁流量計在工業上應用以來,已得到了迅速發展,電磁流量計的性能也大為提高.目前,變送器的口徑達2.5mm～3m;精度等級±0.5%;能設計最高耐溫180℃,最大耐壓320Pa;范圍度可達100∶1;滿量程的流速0.3～10m??s;可測電導率低于0.05 Λs??cm的液體;襯里材料有硬、軟及聚氨脂橡膠、聚四氟乙烯、陶瓷等;電極材料有耐酸不銹鋼ICr18Ni19Ti、哈氏合金B??C、 鉑、鈦、鉑2銥合金、業乃爾合金等.但長期以來,大口徑電磁流量計的標定、零點漂移、激磁功率等問題仍是影響電磁流量計發展的主要因素.
2.1 標定技術
長期以來,國內外電磁流量計只能用實流標定.隨著電磁流量計產品的精度、流程范圍及規格提高(達0.2級精度,1000∶1流程范圍,3m以上口徑),生產、使用和計量管理時標定它的技術設備費用也越來越高.上海光華美而特儀器有限公司引進一套2m口徑的實流標定技術設備費用近400萬馬克,標定用的水塔高達36m,大口徑標定設備的使用代價也 很驚人,1m口徑的流量計在1m??s流速標定時,就需要2827m3??h的水流量[3] .目前國內的計量管理結構和企業就很難對電磁流量計進行必需的校驗標定.因此實現電磁流量計的非實流標定就具有相當的意義.下面介紹一種首創的用靜止的電解質溶液內的離子電流等效實際流量的離子電流的標定方法.
(1)設計思想
向靜止的電解質溶液加入可控電流I,使溶液內離子沿傳感器管道有可控速度V,于垂直磁場B的作用下在傳感器內兩個信號電極軸向產生電場E.可得出在傳感器信號電極兩端的電動勢就是液體內離子流速V在磁場和邊界條件(即傳感器的電極與管道空間關系決定的權重函數)下的解;利用電解質標準溶液淌度作流量基準,便可得出標定用電解質液體的離子速度,則對應離子電流就可具體等效于實際流體的流量值[3].
(2)理論依據
對于寬度為Wm,厚度為Hm,霍爾系數為Rm3??C的矩形截面的霍爾效應中,在離子電流I和磁場B下有霍爾電勢U∶U=(RIB)??H.改寫為U=[(R??I)??(WH)]BW,當設V=(R??I)??(WH)時,V的量綱就是m??s,即V就是導電離子的截面平均流速,則有霍爾電勢為U=VBW,這即為矩形截面管道電磁流量計傳感器電極所得的電勢形式[4].因此圓管道電磁流量計就是基本方程在磁場、電極與管道空間關系決定權重函數條件下的電極電勢解.
離子電流標定法能實現對各種口徑電磁流量計的標定,特別是對大口徑、高精度、寬量程的電磁流量計標定更具有非凡的意義。
2.2 零點穩定性
勵磁頻率是影響電磁流量計的動態響應速度和零點穩定性的主要性能指標.勵磁頻率低,零點穩定性高,但儀表抗低頻干擾能力減弱,響應速度慢;勵磁頻率高,儀表抗干擾能力強,響應速度快,但零點穩定性差.很長一段時期,勵磁技術制約著電磁流量計的發展.
(1)雙頻勵磁
1988年,日本橫河公司推出了雙頻勵磁技術,由低頻(6.25Hz)矩形波和高頻(75Hz)矩形波疊加構成勵磁電流的波形,對兩種頻率采樣,得到高頻和低頻兩種流量信號,這樣可達到零點穩定性好、響應速度快(可達0.1s)、抗低頻干擾能力強的要求.在流量較穩定的情況下,該方法能取得滿意的效果,但當流量連續波動時,保證疊加后的線性度的技術難度高.
(2)零點動態相關互補法
通過兩個采樣保持器,在一個正向(或負向)激磁下動態消除信號的零點漂動值,與勵磁頻率無關.這樣,可使用較高的勵磁頻率,并同時獲得穩定的零點,也易消除流動噪聲.但必須使相關互補達到較理想時才能有較好的綜合性能指標.
2.3 勵磁功率
勵磁功率對電磁流量計的防爆性能和傳感器的靈敏度及感應信號的信噪比有著重要影響.勵磁電流直接影響勵磁功率.勵磁電流小,則勵磁功率小,電磁流量計防爆性能好,但傳感器靈敏度減小,感應信號的信噪比下降,量程變小,精度降低.
通過零點自動動態辨識與反饋補償,可獲得較好的效果.即首先對信號進行零點漂移的動態辨識(判斷出零點漂動值以及是否是流體流速在變化),再將漂動值反饋到前級放大器,使放大器在消除零點后對信號進行高增益放大.這樣,即使對較小的勵磁電流,也能獲得響應速度快、量程范圍大、精度高等性能指標.為電磁流量計在防爆要求高的化學工業中的應用開辟了很好的前景.
2.4 其他
近20年來,電磁流量計在轉換器微機化與智能化、傳感器與轉換器一體化、小型輕量化以及襯里材料、電極形狀與材料、電極表面臟物消除等方面也取得了重大進展,使電磁流量計的精確度、線性度和穩定性顯著提高,并出現了無電極電磁流量計,對被測液體導電率的要求大大降低。
3 結束語
近年來,電磁流量計技術飛速發展,在化學、食品與制藥、造紙業、市政工程、礦產、建筑等行業也得到了極為廣泛的應用.隨著技術的日新月異,相信電磁流量計的前景將更為燦爛。