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电磁流量计励磁频率对测量的影响

发布时间:2017-11-10
 

摘要:电磁流量计具有高精度的特点。但是电磁流量计的励磁频率对液固两相介质的测量具有非常严重的影响,只有选择合适的励磁方式和励磁频率,仪表才能得到满意的测量结果。本文通过对电磁流量计的组成、测量原理、励磁方式进行分析,结合我公司生产的KF20型电磁流量计系统分析了励磁频率对测量精度的影响。
电磁流量计是根据法拉弟电磁感应定律为原理进行流量测量的仪表。电磁流量计只有管道衬里和测量电极与被测介质接触,只要选择合适的衬里和电极材料,几乎可以测量一切导电流体的流量;由于传感器内没有任何活动部件和阻流部件,尤其适合测量污水、泥浆等含杂质、颗粒和液固二相物质的介质。因此,电磁流量计可应用于石油、化工、污水处理、水力、电力等各领域的流量测量。本文仅对电磁流量计的测量原理和励磁频率对测量的影响进行分析、探讨,并结合实例阐述选择合适测量频率的重要性。
1、电磁流量计的组成和测量原理
1.1电磁流量计的组成
电磁流量计由电磁流量传感器和电磁流量转换器两部分组成,如图所示,电磁流量传感器安装在工艺管道上,用来将介质的流量变换成感应电压信号。电磁流量转换器向传感器提供产生磁场的励磁电流,接受感应电压信号,将流量信号放大,处理并转换成统一的、标准的电信号(电流、电压、频率)以及数字信号,液晶显示瞬时流量和累积流量。

2.2电磁流量计的工作原理    
电磁流量计是根据法拉弟电磁感应定律的原理制造的,即导体在磁场中做切割磁力线运动,导体两端产生感生电动势,感生电动势的大小与磁场的磁感
应强度成正比,与导体的长度成正比,与导体的运动速度成正比。
E=klvB    (1)
式中:E:感生电动势;k:比例系数;L:导体的长度;v:导体的运动速度;B:磁场的磁感应强度;
见图2-2

1.电磁流量转换器 2.感应信号传输线 3.励磁信号传输线 4.传感器衬里 5.平衡电极 6.励磁线圈 7.信号电极 8.传感器测量管 9.安装法兰
对于圆形测量管,流过的体积流量为:

根据式(1)和(2),则流过圆形测量管的体积流量为:

当测量管几何形状一定、磁场的磁感应强度一定时:
D=1t

qv=KE    (4)
即:电磁流量计的体积流量与感应电动势成正比。
3、励磁方式分析
电磁流量计的励磁方式决定着电磁流量计的抗干扰能力大小和零点稳定性能的好坏。电磁流量计的励磁方式大致可分为:直流励磁、交流励磁、低频矩形波励磁等。
3.1直流励磁
直流励磁,即由永磁铁或恒定直流电流励磁产生的磁场。
这种磁场产生的流量信号是直流电压信号,几乎没有电磁感应的干扰产生,直流信号电压容易使流过测量管的导电介质极化,在测量电极上产生极化电压,造成测量的不稳定。
3.2交流励磁
交流励磁通常是指使用50Hz(或)60Hz)正弦波的工频市电励磁的传感器。这种励磁方式能降低电解质液体对电极的极化作用。因而大大地降低了漂移的直流干扰对测量的影响。交流励磁最大的缺点是由于电磁感应造成的正交干扰和同相干扰。
它们影响流量计测量线性度和零点的稳定性。
3.3低频矩形波励磁
低频矩形波励磁是指使用频率为工频的整数倍分之一的矩形波作为励磁频率的传感器。励磁频率通常为工频的1/8~1/32。
低频矩形波励磁具有能够克服直流励磁存在极化电压大的优点,又有避免交流励磁存在电磁感应干扰引起正交干扰和同相干扰的优点,是兼顾直流励磁和交流励磁两者优点的一种励磁方式
但当用低频矩形渡励磁流量计测量浆液流体时,会产生“浆液噪声”或“尖状干扰”。这种干扰会使测量信号输出有较大的波动,严重影响测量。
当流体中的固体颗粒或纤维磨擦电极会形成一种波形呈尖状的干扰,习惯
称作“尖状干扰”,图3一l可以说明这种干扰的形成。金属在电解质中腐蚀的现象告诉我们,电极为了抗拒电解质的腐蚀,往往在与流体开始接触时,其表面先形成一种薄的氧化膜。在形成氧化膜的过程中,金属与电解质之间产生极高的极化电压。如果两电极的材质和表面状态完全相同,金属与电解质之间的极化电压成为极性相同、幅度相等的共模干扰电压。当流体中的固体颗粒或纤维摩擦或撞击电极表面,把电极表面薄层氧化膜拉破或生成划痕,伤破的氧化膜需要重新形成。在重新形成氧化膜的过程中,电极对液体问的极化电压将发生突变。如果两个电极材质、结构、表面状态存在差异,所产生的极化共模干扰变为差模干扰,于是就出现了流量计测量输出的大幅度波动(摆动)。

以上分析说明,固液两相流测量时对“浆液噪声”问题,需要从励磁频率的选择上去解决。
针对低频矩形波励磁电磁流量计的这一缺点,我公司在设计KF20系列电磁流量计时,利用现代先进的单片机技术,设计了一种可控频率的智能化电磁流量转换器。我公司在设计电磁流量转换器时通过程序设计了键盘控制的三种不同的励磁频率,励磁频率分别为6.25Hz、12.5Hz和25.0Hz。在实际应用中可根据不同的介质情况,设置不同的励磁频率。
KF20型电磁流量传感器的原理框图如上:
此设计在实际应用中取得了非常明显的效果。
4、实例
(1)山东滨州石化有限公司选用我公司生产的KF20型电磁流量计,口径为DN80,测量介质为石灰浆,量程为100m3/h,出厂使用的励磁频率为6.25Hz(当时励磁频率还不可通过键盘设置)。安装后用水调试时,仪表运行正常,当测量工艺介质石灰浆时,仪表输出跳动非常严重,从80m3/h到120m3/h,仪表无法使用。
在现场详细了解了介质工艺情况后,得知介质中含有大量的颗粒,为典型的液固两相介质,在仔细分析仪表本身运行情况后确认仪表工作正常,经过研究认为仪表输出波动应为两相介质中的固态颗粒引起,为了解决这一问题,对转换器的单片机软件进行了修改,增加了12.5Hz和25Hz两个频率,同时增加了励磁频率的键盘控制,现场采用25Hz的励磁频率,对仪表重新标定后,仪表运行相当稳定,问题得到了圆满解决。
(2)吕梁东辉焦化煤气有限公司选用我公司生产的KF20电磁流量计,口径从DN25一DN200,其中DN200用于测量有较多固体物质的水煤灰浆液。在测量时同样出现输出波动现象,出厂时公司设置的励磁频率默认值为6.25Hz,用户通过电话反映了具体现象后,我公司建议用户现场通过键盘将励磁频度设置为12.5Hz,更改设置后,仪表输出稳定,运行正常。
5、小结
通过以上对电磁流量计励磁频率的分析和实例分析可以看出,电磁流量计的励磁频率对液固两相介质的测量具有非常严重的影响,只有选择合适的励磁方式和励磁频率,仪表才能得到满意的测量结果。现在出现了所谓的三值励磁技术和双频励磁技术,但每种励磁方式都有各自的优缺点,我们相信随着现代单片机技术和仪表智能化技术的发展,一定会有更完善、更先进的励磁方式出现,让我们拭目以待。