电磁流量计从40年代后期开始在沪工业上应用以来,经过较长一段时期的实践和推广,已为广大用户认识其优越性能,例如无阻流元件和几乎没有阻力损失,流场影响小和直管段要求低等。尤其在测量含有固体顺粒或纤维的液体时,解决了许多过去传统流量仪表无法测量的问题。经过几代产品的改进,电磁流量计的性能日臻完善,近10年销告量迅速增加,其销售金额名次在8大类流量仪表〔差压式、浮(转)子式、容积式、电磁式、涡轮式、质量式、旋涡式,超声波式1中已属于第三、四位。
一、生产和应用概况
工业发达国家由于社会上有较多的需要量,因此都有一定数量(近10~20、30家)的工厂生产电磁流量计。1983(1984)年间日本、美国、西欧电磁流量计销售金额已分别占流量仪表销售总额的16.3%、12.5%、13.5%,其年产量估计为4~5.5万台。伯75年日本电陇流量计社会拥有量3.5万台,到1983年为10万台,8年间拥有量年平均增长14%,按此推算1983年年产量为1.2万台。从这些数据可以看到国外电磁流量计的生产和应用已有较大规模。
二、新型仪表发展动态
工业上通用的电磁流量计国外发展到现在呈现二种发展趋势。一种趋势是向普及化方向发展,即性能适中,传感器小型轻量并与转换器连在一起,使用简便,价格相对便宜的普及型仪表,国外有人声称其综合价格能与传统差压式流量仪表挑战(包括引压连接管等安装费);另一种趋势是向精度高多功能方向发展的高性能仪表。
1.普遍采用低频矩形波激磁。70年代后期国外各制造厂纷纷以低颇(50H,的1/2~1/32)矩形波激磁方式代替使用近30年的市电交流激磁方式,现在已很少有市电交流激磁的电磁流量计商品。矩形波激磁克服了市电交流激磁的缺点,使仪表不存在液体中随机性润电硫干扰电势。低频矩形波激磁的仪表零点稳定,为提高仪表精度打下基础。交流激磁的仪表安装在电极易附着异物或污染(如排放污水、纸浆液等)的场所极易带来零点和指示值变化,用低频矩形波激磁仪表后可大为改善。
2.高精确度化。在测量范围内基本误差国外从满量程的l%(即l%F.S)提高到侧量值的1%(即l%R),也有按测量范围分段提高到0.5%R,更甚者提高到0.1%R+0.1%F.S。
过去流量仪表的瞬时流量(或称流量率)的基本误差一般以满量程的百分比计算,在低流量时如按实际流量百分比计算误差,其值就要大得多。如图1所示,线A就是过去通常采用l%F.S,转化到按实际流量计算的最大允许误差曲线时,如指示流量在50%F.S时,则最大容许误差为2%R,在功%.FS时则高达10%。线B是流量在10%~100%FS时,误差为1%R和流量<10%F·S时误差为0.1%F·S时的最大允许误’差曲线。线C是目前采用得较为普追的误差曲线,流量在50%~100%F·S时误差为0.5%R,流量<50%时误差为0.25%F.5。从图l中可以看到与过去仪表相比,低流量时测量精度显著提高。这是由于采用低频矩形波磁零点稳定性大为改善所致。
表2所列是满量程流量的流速李lm/s时,国外若干制造厂目前实现的基本误差指标。但在与外国制造厂商技术座谈谈到精度问题时,有人说虽然某些制造厂样本发表了第5项基本误差计算方法〔土(0.1%R+0.1%F·S)〕,但实际上还碰到一些麻烦。
3.功能增加。为满足用户不同需要,各制造厂在电磁流量计上增加了许多功能。尤其在转拳部分的电路中普遍采用微处理器(拼p)后,在高性能仪表中则增添了更多功能。
(1)量程设定、多量程外部切换和内部自动切换国外新颖的电磁流量计都能够不实流标定而改变量程。当电磁流量传感器在流量实流标定装置上以某一流量(髻如说在lm/s流速时的流量)标定后,求得该传感器的仪表常数,转换器即以此常数设定就可使用。如要改变流量范围,可通过调整转换部分中童程电位器就可以。高性能仪表通常用3~4位十进制数字电位器设定,也有用分频方法改变流量范围,如Korhc1[公司T900F型转换器用4位数字轮改变电路的分孩系数,在规定的范围内作任意值设定。其优点是可克服由电位器的非线性带来的误差,提高扩大或编小流,范围的精确度。普及型仪表也有用改变端子接线的方法,以x2、x4和x8倍数改变流量范围。高性能型仪表因此也可以由用户自己设定不同容积单位,如立方来、升、加仑等,流量单位如立方米/时、升/分、加仑/分等。
流量大幅度变化的使用场所,如能按照所侧流t大小改变流量范围(满量程流量),可以提高侧t精确度。在许多高性能仪表中设有量程切换功能。有利用外部触点信号来切换量程的,最多能切换四个流量范围;内部自动切换有双量程和三量程。图2所示是双量程切换例,设流量范围0~100m3/h,双量程所设定低量程为30 m3/h,高量程为100m3/h。当流量开始从零渐渐增加,先沿低量程线上升,当增加到97%(约29m3/h时,自动切换到高量程线。相反流量从100 m3/h沿高量程线减小到约24 m3/h (商量程输出的24%)时,自动切换到低量程线输出80%的地方。
如以表2第3种计算流量24 m3/h的最大允许误差,以单一量程方式(即与高量程线,相同)为0.25 m3/h,以双量程自动切换则降低到0.12 m3/h。如流量在15 m3/h时,则最大允许误差从0.25 m3/h降低到0.075 m3/h。
(2)正向/反向流自动切换高性能仪表中常设有能测量正向/反向双向流的流量测量线路,以适应计量有双向流动的使用场所。流量一辐出如图3所示,正方向流量设定在较高量程,反方向流量设定在较低量程,切换流量以零流量为中心。为防止切换时产生振荡现象(即切换频繁),可设百分之几的滞迟区,例如图3所示为愉出信号的-1.5%,当流量下降到反方向的1.5%时才向反方向切换。积算方式如图4所示,有正方向流量和反方向流量分开积算方式和差流量积算方式两种。
(3)输出信号多样化高性能仪表信号摘出多样:有模拟量翰出,电流4~20mA、电压l~5V.DC;有频率可设定的脉冲愉出,颇率从小于l到1000PPS,有上下限报警愉出;有上文所述正反流量方向接点和自动多量程接点输出等。有些仪表除了转换器摘出信号功能外,还直接设有4~6位数字显示瞬时流量和积算总量。
(4)自诊断功能电磁流量计装上μP后还可监测仪表工作状态,诊断出现的异常状态,如愉入信号异常(测量管中空无液体,输入信号过大),信号线或激磁线圈短路或断线,误设定参数, μP工作异常等。
(5)按不同使用对象适用不同激磁方式电导率较高的纯液相液体一般采用较低频率(市电的l/8~l/32)矩形波激磁电流且是三值(正一零一负丫零)激磁方式,以获得较好零点稳定性。但是在测量导电率较低(10-4s/cm以下)的液体时,电极的电化学电位定期变动,产生l/f噪声(f为频率),因此要适当提高频率,以改善信噪比(S/v)。另外,在测量含有固体颗�；蛳宋慕菏�,固相擦过电极表面,使电极面的接触电位突然变化,物出信号出现尖峰状噪声。这种异常尖峰噪声虽有采用流量值与平均值比较弃舍的流量率限制(Ratelim!t)方法处理之`日,,但还是要适当提高激磁频率以改善性能。低电导率液体和浆液的矩形波激磁频率有采用市电频率的1/2,当然这样要牺牲一些零点稳定性。因此用户可以按照不同介质条件选用适宜的激磁方式和频率的仪表。
4.小型、轻量和一体型。一传统电磁流量计通常由传感器和转换器二部分组成。传感器体型和重量随着原理上和设计结构上的改进,一代比一代小巧。近10年传感器两连接法兰间长度缩短了l/2~1/3,不带法兰的结构,甚至缩短到1/10。以25mm口径传感器为例,连接法兰间长度从最早450mm缩短到170mm,发展到现在无法兰结构两端面间长度仅80~90mm,甚至只有50余mm;重量从30~40kg下降到18~20kg,而无法兰结构仅5~6比。无法兰结构适用于小口径传感器,它利用管道法兰直接夹持住。再看中型口径150mm传感器,长度也从前不久已缩短到400mm再缩短到无法兰结构160~200mm,重量也从35~40kg减轻到15~20kg。
传感器大幅度缩小体型和减轻重量的主要原因是采用了低频矩形波激磁后抗干扰性能提高以及电子技术的进步。因此对可检测出的最小流量信号的幅值要求降低,流速每秒米产生的流量信号从早期l~1.5mV减小到0.4mv,甚至到0.2mv。这样设计磁系统时就可成倍降低磁通密度,从而减小了磁系统尺寸和激磁线圈,同时也降低了电功率消耗。又由于采用低频矩形波激磁,不存在原市电交流激磁存在的磁路铁磁件的涡流问题,大大简化了磁路结构设计,有些磁路结构就直接利用传感器铁磁性外壳,不另行设置磁扼回路。
电子技术的高度集成化,使转换器的外形也大幅度缩小,同时有可能使转换器和传感器装在一起,即为一体型创造了条件。省却了分率型传感器和转换器之间的连线,简化了安装,方便了用户。
以上这些使电磁流量计有可能向轻小简廉的方向发展,降低成本而成为一种普及型仪表。
5.传感器型式与应用多样。前述功能增加是仪表整体的功能增加,均由转换器部分来完成。、然而电班流量传感器结构型式也随着不同应用场所的需要而多样化。传统管道连接式传感器除了上文提到向轻小方向发展的无法兰结构型外,还有用于监测高炉风口冷却水泄漏的双管型传感器,食品工业用易清洗耐经常通蒸汽消毒要求的卫生型传感器。卫生型传感器的测垦通道中应无漪留空隙,严格控制侧量介质的附着和残留,因此电极采用内插式;此外为便于拆卸清洗,连接法兰采用只需板动一次就能卸下的lD(F国际乳农联合会)标准央紧器。
除管道连接传感器外、还有大管径用插入式传感器,从较小口径(50~250mm)圆筒型传感器抽入大管道中,侧量管道中局部流量来推算整体流量,虽然在测且精度上要有所下降,但投资费用有较大的减省。插入式传感器中还有一种平面形电磁流量监控器””,,它不是连续愉出流量信号而是设定在流速0.5~sm/s中任一流速值,流速超过或低于此值,即发出开关信号。
还有适合于废污水排放的明渠用潜水式电磁流量传感器。
6.多种电极表面异物消除装置。电磁流量计虽适用于浆液和废污水,然而电极上沉积过多污物或结垢还是要影响使用。采用将传感器拆下管道清洗,对用户来说是很不方便。为此发展带有定期手动或电机带动刮板的电极,以清除电极表面沉积物或结垢层,装有超声波换能器的电极,以击碎电极表面的结垢层;有用两电极间通低电压大电流以焚烧积聚于电极表面的油脂;有不停流外插式可换电极等。以上这些措施都是为了克服应用上的障碍,以扩大使用场所。
7.性能优异的陶瓷衬里。过去聚四氟乙烯塑料是传感器衬里材料中耐腐蚀性最为优异的品种,然而附磨性不好,而且由于是贴附在测量管内壁,不能用于负压管道,此外在电极引出处易产生液体外漏故障。现在国外普遍采用可注塑改性氟塑料,在侧量管上开鸡尾形槽等以增强注塑附着性,有些工厂还在注塑层中嵌进金属网成有孔金属薄板进一步增加强度。但它们的耐磨性较差,不适宜用于矿浆液。国内外用得较普追的聚氨酣橡胶有极好的耐磨性,然而耐脚蚀性较差,不适用于湿法冶炼中带强腐剂的矿浆液。近年国外开发出一种具有耐磨性和耐腐蚀性都非常优异的三氧化二铝陶瓷衬里,白金电极烧结在陶瓷衬里内,密封性可靠。这是目前电班流量传感器中能耐最严酷条件(腐蚀性、磨耗性)的衬里材料。
三、应用多样化
现在电磁流量计除了管道连接式传感器外,已发展了插入式和潜水式传感器,应用领域已不再局限于封闭管道而有所扩大,如敞开非满管管道和明渠等。
1.侧下水道排水流量。1985年4月我国公布了《水污染防治法熟规定污水排放单位要申报排污物的种类,数量和浓度,这样就需要测量污水排放垦。卜水道排水是利用管道坡度的自然流,不能以通常工业用封闭管道电磁流量传感器安装方式应用于卜水道。可以采用小于下水道管径,按正常最大排水量选定合适口径的传感器,如图5所示安装在阴井内。阴井置有三室,传感器装在中间一室,位置低于下水道。排水从进水管了进入,水位积聚到其标高超过出水口标高时,水就排放出去,仪表就能测量其流量。当遇到暴雨时,水流来不及按箭头A`所示方向经传感器排放,进口室水位上开,便按箭头6所示方向经泄洪管排出。
2.测明渠流最。用电磁流量计测明渠流量有两种方式,一种是在明渠适当位置装插入式传感器,测得流过传感器的局部流量(折算成流速),再用液位计测得随着流量大小而变的液位高度,求得流通面积,流速乘以面积和一定的系数,即可得明渠的流量;另一种是以挡板等在明渠中间截流,在挡板上装潜水式传感器,摧流通过传感器便可测得流量。两种方法相比,前者的优点是不会抬高明渠水位,但要与液位云十配合运算比较复杂,后者的优点是比较简单的,但要抬高挡板前明渠液位0.2~0.5m。
四、新技术动态
导电管壁电磁流量计传统电磁流量传感器侧量管内壁应该是非导电的,防止所产生的感应电势即流量信号短路,所以金属测量管内壁都衬以绝缘层。
通过加上与液体流速成正比的电流形成一种管壁电位分布,且使管壁电位分布与流体中的流量感应电位几乎一致。这样,流体与管壁交界处就无电流通过,从而使物出信号与普通流量计的情况相同。
图6(a)所示是无衬里电磁流量计研究模型的流量检侧部分;图6(b)是测量原理和电路方框图。液体在磁场B下流过,在信号电极产生电压VI,伺服放大器对应于v、通过电流电极在侧量管内流过电流,在管壁内形成VZ,其值由电位电极检测出来。为使V、和VZ平衡,组成伺服系统,测出信号电极间电压即流量信号。模型仪表采用低频(50/16Hz)等幅矩形波电流来激励磁场,其余电路和常规低频激磁电磁流量计的电路几乎相等,包括差分放大器,采样定时直流恒流电源等。?
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