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電磁流量計(jì)綜述
0 引 言
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度的不斷提高,流量作為主要的過(guò)程參數(shù)之一,已成為判斷生產(chǎn)過(guò)程的效率.工作狀況及經(jīng)濟(jì)性能的重要指標(biāo).因此測(cè)量流體流量 的流量計(jì)的地位日趨突出。下面主要對(duì)電磁流量計(jì)的發(fā)展史及其技術(shù)動(dòng)向進(jìn)行綜述.
1 發(fā)展史
電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律用來(lái)測(cè)量導(dǎo)電性液體體積流量的儀表.它可在層流、紊流、脈動(dòng)流量以及產(chǎn)生流線振動(dòng)等情況下對(duì)流體進(jìn)行流量測(cè)量.由于其測(cè)量管光滑,壓力損失小,測(cè)量范圍寬,反應(yīng)靈敏,能獲得與流量成比例的信號(hào),加之其測(cè)量管直通無(wú)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(jì)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(chǎng)來(lái)測(cè)量英國(guó)泰晤士河水的潮汐和流量,但試驗(yàn)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(jì)的試驗(yàn).
1932年,生物學(xué)家A.Kolin第一個(gè)成功地完成了圓形管道的電磁流量計(jì),可用來(lái)測(cè)量和記錄瞬時(shí)動(dòng)脈血液流量.
1954年,Foxbor公司推出了世界上第一個(gè)電磁流量計(jì)產(chǎn)品.1955年,日本也制成了電 磁流量計(jì),幾乎同時(shí)前蘇聯(lián)、英國(guó)、前西德也相繼試制成功.我國(guó)在1957年才開始研制電磁流量計(jì).
經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)電磁流量計(jì)廠家如雨后春筍般迅速發(fā)展起來(lái).目前國(guó)外主要廠家有:日本橫河公司(YEWMAG,ADMAG型),日立公司(FMP251型),美國(guó)Brooks公司(Maglite,May7500系列),Foxbor公司(M800型),德國(guó)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(guó)也約有20家電磁流量計(jì)制造廠.
據(jù)1994年7月《計(jì)裝》雜志報(bào)導(dǎo),美國(guó)1989年的實(shí)際流量?jī)x表市場(chǎng)為7.25億美元,電磁流量計(jì)占9.7%;日本1992年的實(shí)際流量?jī)x表市場(chǎng)為591億日元,其中電磁流量計(jì)占16.5%,僅次于差壓式流量計(jì)位于第二,足見電磁流量計(jì)在流量計(jì)量工業(yè)中的重要地位。
2 技術(shù)焦點(diǎn)
自50年代電磁流量計(jì)在工業(yè)上應(yīng)用以來(lái),已得到了迅速發(fā)展,電磁流量計(jì)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(jí)±0.5%;能設(shè)計(jì)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(cè)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(zhǎng)期以來(lái),大口徑電磁流量計(jì)的標(biāo)定、零點(diǎn)漂移、激磁功率等問(wèn)題仍是影響電磁流量計(jì)發(fā)展的主要因素.
2.1 標(biāo)定技術(shù)
長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)內(nèi)外電磁流量計(jì)只能用實(shí)流標(biāo)定.隨著電磁流量計(jì)產(chǎn)品的精度、流程范圍及規(guī)格提高(達(dá)0.2級(jí)精度,1000∶1流程范圍,3m以上口徑),生產(chǎn)、使用和計(jì)量管理時(shí)標(biāo)定它的技術(shù)設(shè)備費(fèi)用也越來(lái)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(shí)流標(biāo)定技術(shù)設(shè)備費(fèi)用近400萬(wàn)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(jià)也 很驚人,1m口徑的流量計(jì)在1m??s流速標(biāo)定時(shí),就需要2827m3??h的水流量[3] .目前國(guó)內(nèi)的計(jì)量管理結(jié)構(gòu)和企業(yè)就很難對(duì)電磁流量計(jì)進(jìn)行必需的校驗(yàn)標(biāo)定.因此實(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)的非實(shí)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(shí)際流量的離子電流的標(biāo)定方法.
(1)設(shè)計(jì)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(chǎng)B的作用下在傳感器內(nèi)兩個(gè)信號(hào)電極軸向產(chǎn)生電場(chǎng)E.可得出在傳感器信號(hào)電極兩端的電動(dòng)勢(shì)就是液體內(nèi)離子流速V在磁場(chǎng)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(duì)應(yīng)離子電流就可具體等效于實(shí)際流體的流量值[3].
(2)理論依據(jù)
對(duì)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(chǎng)B下有霍爾電勢(shì)U∶U=(RIB)??H.改寫為U=[(R??I)??(WH)]BW,當(dāng)設(shè)V=(R??I)??(WH)時(shí),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(shì)為U=VBW,這即為矩形截面管道電磁流量計(jì)傳感器電極所得的電勢(shì)形式[4].因此圓管道電磁流量計(jì)就是基本方程在磁場(chǎng)、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(shì)解.
離子電流標(biāo)定法能實(shí)現(xiàn)對(duì)各種口徑電磁流量計(jì)的標(biāo)定,特別是對(duì)大口徑、高精度、寬量程的電磁流量計(jì)標(biāo)定更具有非凡的意義。
2.2 零點(diǎn)穩(wěn)定性
勵(lì)磁頻率是影響電磁流量計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和零點(diǎn)穩(wěn)定性的主要性能指標(biāo).勵(lì)磁頻率低,零點(diǎn)穩(wěn)定性高,但儀表抗低頻干擾能力減弱,響應(yīng)速度慢;勵(lì)磁頻率高,儀表抗干擾能力強(qiáng),響應(yīng)速度快,但零點(diǎn)穩(wěn)定性差.很長(zhǎng)一段時(shí)期,勵(lì)磁技術(shù)制約著電磁流量計(jì)的發(fā)展.
(1)雙頻勵(lì)磁
1988年,日本橫河公司推出了雙頻勵(lì)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(lì)磁電流的波形,對(duì)兩種頻率采樣,得到高頻和低頻兩種流量信號(hào),這樣可達(dá)到零點(diǎn)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(dòng)時(shí),保證疊加后的線性度的技術(shù)難度高.
(2)零點(diǎn)動(dòng)態(tài)相關(guān)互補(bǔ)法
通過(guò)兩個(gè)采樣保持器,在一個(gè)正向(或負(fù)向)激磁下動(dòng)態(tài)消除信號(hào)的零點(diǎn)漂動(dòng)值,與勵(lì)磁頻率無(wú)關(guān).這樣,可使用較高的勵(lì)磁頻率,并同時(shí)獲得穩(wěn)定的零點(diǎn),也易消除流動(dòng)噪聲.但必須使相關(guān)互補(bǔ)達(dá)到較理想時(shí)才能有較好的綜合性能指標(biāo).
2.3 勵(lì)磁功率
勵(lì)磁功率對(duì)電磁流量計(jì)的防爆性能和傳感器的靈敏度及感應(yīng)信號(hào)的信噪比有著重要影響.勵(lì)磁電流直接影響勵(lì)磁功率.勵(lì)磁電流小,則勵(lì)磁功率小,電磁流量計(jì)防爆性能好,但傳感器靈敏度減小,感應(yīng)信號(hào)的信噪比下降,量程變小,精度降低.
通過(guò)零點(diǎn)自動(dòng)動(dòng)態(tài)辨識(shí)與反饋補(bǔ)償,可獲得較好的效果.即首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行零點(diǎn)漂移的動(dòng)態(tài)辨識(shí)(判斷出零點(diǎn)漂動(dòng)值以及是否是流體流速在變化),再將漂動(dòng)值反饋到前級(jí)放大器,使放大器在消除零點(diǎn)后對(duì)信號(hào)進(jìn)行高增益放大.這樣,即使對(duì)較小的勵(lì)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(jì)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(lái),電磁流量計(jì)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(jì)的精確度、線性度和穩(wěn)定性顯著提高,并出現(xiàn)了無(wú)電極電磁流量計(jì),對(duì)被測(cè)液體導(dǎo)電率的要求大大降低。
3 結(jié)束語(yǔ)
近年來(lái),電磁流量計(jì)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(jì)的前景將更為燦爛。