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電磁流量計綜述
0 引 言
隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和現(xiàn)代生產(chǎn)過程自動化程度的不斷提高,流量作為主要的過程參數(shù)之一,已成為判斷生產(chǎn)過程的效率.工作狀況及經(jīng)濟(jì)性能的重要指標(biāo).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(fā)展史及其技術(shù)動向進(jìn)行綜述.
1 發(fā)展史
電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律用來測量導(dǎo)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(chǎn)生流線振動等情況下對流體進(jìn)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(yīng)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(wèi)生要求的醫(yī)藥和食品工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)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(tǒng)中更是大顯身手.
自法拉第1831年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)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(jìn)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(xué)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(chǎn)品.1955年,日本也制成了電 磁流量計,幾乎同時前蘇聯(lián)、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(jīng)過幾十年的發(fā)展,國內(nèi)外生產(chǎn)電磁流量計廠家如雨后春筍般迅速發(fā)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(jù)1994年7月《計裝》雜志報導(dǎo),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(yè)中的重要地位。
2 技術(shù)焦點
自50年代電磁流量計在工業(yè)上應(yīng)用以來,已得到了迅速發(fā)展,電磁流量計的性能也大為提高.目前,變送器的口徑達(dá)2.5mm～3m;精度等級±0.5%;能設(shè)計最高耐溫180℃,最大耐壓320Pa;范圍度可達(dá)100∶1;滿量程的流速0.3～10m??s;可測電導(dǎo)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(yǎng)??C、 鉑、鈦、鉑2銥合金、業(yè)乃爾合金等.但長期以來,大口徑電磁流量計的標(biāo)定、零點漂移、激磁功率等問題仍是影響電磁流量計發(fā)展的主要因素.
2.1 標(biāo)定技術(shù)
長期以來,國內(nèi)外電磁流量計只能用實流標(biāo)定.隨著電磁流量計產(chǎn)品的精度、流程范圍及規(guī)格提高(達(dá)0.2級精度,1000∶1流程范圍,3m以上口徑),生產(chǎn)、使用和計量管理時標(biāo)定它的技術(shù)設(shè)備費用也越來越高.上海光華美而特儀器有限公司引進(jìn)一套2m口徑的實流標(biāo)定技術(shù)設(shè)備費用近400萬馬克,標(biāo)定用的水塔高達(dá)36m,大口徑標(biāo)定設(shè)備的使用代價也 很驚人,1m口徑的流量計在1m??s流速標(biāo)定時,就需要2827m3??h的水流量[3] .目前國內(nèi)的計量管理結(jié)構(gòu)和企業(yè)就很難對電磁流量計進(jìn)行必需的校驗標(biāo)定.因此實現(xiàn)電磁流量計的非實流標(biāo)定就具有相當(dāng)?shù)囊饬x.下面介紹一種首創(chuàng)的用靜止的電解質(zhì)溶液內(nèi)的離子電流等效實際流量的離子電流的標(biāo)定方法.
(1)設(shè)計思想
向靜止的電解質(zhì)溶液加入可控電流I,使溶液內(nèi)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(nèi)兩個信號電極軸向產(chǎn)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(nèi)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(guān)系決定的權(quán)重函數(shù))下的解;利用電解質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)溶液淌度作流量基準(zhǔn),便可得出標(biāo)定用電解質(zhì)液體的離子速度,則對應(yīng)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(jù)
對于寬度為Wm,厚度為Hm,霍爾系數(shù)為Rm3??C的矩形截面的霍爾效應(yīng)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(dāng)設(shè)V=(R??I)??(WH)時,V的量綱就是m??s,即V就是導(dǎo)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(guān)系決定權(quán)重函數(shù)條件下的電極電勢解.
離子電流標(biāo)定法能實現(xiàn)對各種口徑電磁流量計的標(biāo)定,特別是對大口徑、高精度、寬量程的電磁流量計標(biāo)定更具有非凡的意義。
2.2 零點穩(wěn)定性
勵磁頻率是影響電磁流量計的動態(tài)響應(yīng)速度和零點穩(wěn)定性的主要性能指標(biāo).勵磁頻率低,零點穩(wěn)定性高,但儀表抗低頻干擾能力減弱,響應(yīng)速度慢;勵磁頻率高,儀表抗干擾能力強(qiáng),響應(yīng)速度快,但零點穩(wěn)定性差.很長一段時期,勵磁技術(shù)制約著電磁流量計的發(fā)展.
(1)雙頻勵磁
1988年,日本橫河公司推出了雙頻勵磁技術(shù),由低頻(6.25Hz)矩形波和高頻(75Hz)矩形波疊加構(gòu)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(dá)到零點穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快(可達(dá)0.1s)、抗低頻干擾能力強(qiáng)的要求.在流量較穩(wěn)定的情況下,該方法能取得滿意的效果,但當(dāng)流量連續(xù)波動時,保證疊加后的線性度的技術(shù)難度高.
(2)零點動態(tài)相關(guān)互補(bǔ)法
通過兩個采樣保持器,在一個正向(或負(fù)向)激磁下動態(tài)消除信號的零點漂動值,與勵磁頻率無關(guān).這樣,可使用較高的勵磁頻率,并同時獲得穩(wěn)定的零點,也易消除流動噪聲.但必須使相關(guān)互補(bǔ)達(dá)到較理想時才能有較好的綜合性能指標(biāo).
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(yīng)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(yīng)信號的信噪比下降,量程變小,精度降低.
通過零點自動動態(tài)辨識與反饋補(bǔ)償,可獲得較好的效果.即首先對信號進(jìn)行零點漂移的動態(tài)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(jìn)行高增益放大.這樣,即使對較小的勵磁電流,也能獲得響應(yīng)速度快、量程范圍大、精度高等性能指標(biāo).為電磁流量計在防爆要求高的化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用開辟了很好的前景.
2.4 其他
近20年來,電磁流量計在轉(zhuǎn)換器微機(jī)化與智能化、傳感器與轉(zhuǎn)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(jìn)展,使電磁流量計的精確度、線性度和穩(wěn)定性顯著提高,并出現(xiàn)了無電極電磁流量計,對被測液體導(dǎo)電率的要求大大降低。
3 結(jié)束語
近年來,電磁流量計技術(shù)飛速發(fā)展,在化學(xué)、食品與制藥、造紙業(yè)、市政工程、礦產(chǎn)、建筑等行業(yè)也得到了極為廣泛的應(yīng)用.隨著技術(shù)的日新月異,相信電磁流量計的前景將更為燦爛。