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EMF电磁流量计的应用近况

来源:作者:发表时间:2018-08-27 11:00:53

 摘要: 简要阐述国内外电磁流量计销售台数在流量仪表总市场中所占比重 ,以及社会装用保有量估计等应用状况。论述当前若干技术发展动向和应用技术研究,如应用领域从传统封闭满管流发展到非满管流以及河渠流量 ,流体物性 (电导率、粘度、温度 )对测量值的影响等。

 
电磁流量计 ( EM F)是利用法拉弟电磁感应定律制成的测量导电液体体积流量的仪表。生活、工业用水和各种酸碱盐溶液均能测量;特别对固液两相流的测量 ,与现有各种流量仪表相比 ,性能好 ,适用范围广。EMF测量流速范围在流量仪表中也属最宽的一种 ,满量程流量时流速通常为 0. 5~ 10m /s,国外有些产品满量程最小流速可低到 0. 3m /s。国内三畅仪表已生产EMF最大通径为2600mm。
 
1  应用概况
1. 1  国外概况
应用状况可从当前销售量和历年装用保有量两方面来考察。1990年日本、西欧、美国 3地区 EMF的销售量估计在 7万~ 9. 5万台 ,约占流量仪表总销售台数 (不包括家用水表和家用煤气表 )的 4. 5% ~ 6%。1985年前后有人调查英国 72家企业流量仪表装用情况 ,在1. 7万余台装用仪表中 , EM F占 4. 1% 近年世界范围 EM F装用保有量估计在 65万~ 95万台之间。
 
1. 2  国内概况
我国 1992年 EMF销售量估计 5 000~7 000台 ,约占流量仪表总销售量 (不包括家用水表、家用煤气表和玻璃管浮子流量计 )的3. 8%~ 4. 6% 。表 1所示某仪表厂近几年销售近5000台EMF的行业分析 ,间接用户系工程成套和商
业系统 ,无法得悉最终用户行业流向;直接用户前 4个行业为冶金、给排水、轻工食品和化工。前几年冶金工业中有较多 EMF用于高炉风口保护冷却水泄漏监测和连续铸造冷却水流量控制。在给水工程中通径 1m以上的仪表用于计量原水和出荷清水 ,近年装用了200余台。上海为改善居民用水的长江引入工程中原水计量和苏州河污水治理工程中污水排放 ,装用了 10余台通径 2m的 EMF。在食品工业中有一定数量的 EM F用于啤酒生产过程中的流量控制和计量。
 应用行业分析
2  技术发展动向
2. 1  精确度进一步提高
70年代以前 EMF的基本误差普遍以满量程 ( FS)的 百 分 率 表 示 ,在 (± 1. 5% ~± 2. 5% ) FS之间; 现在则大部分以测量值(R)的百分率表示 ,在 (± 0. 5%~ ± 1. 0% ) R之间 ,国外有些产品有高达± 0. 2% R 者。然而 ,要达到规定的精确度 ,必须在严格的参比条件 (如: 测试液体为水 ,规定较窄范围的电导率、介质温度、环境温度和电源电压、安装要求 )下测试。若实际使用条件偏离参比条件 ,误差有可能超过。对于基本误差为±0. 2% R者 ,还要求在流量传感器前后各装一段直管 ,作为整体一起实流校验 ,否则不能保证精确度。
 
若是测量固液两相浆液 ,由于固形物与载体液之间有滑差 ,与用水校验的流量值会有差别。国外有报告称 ,固形物含量 14%时误差为 3% ;我国的研究报告认为 ,测量高含沙量的水流量 ,沙的粒径为 0. 035mm,含量体积分数在 17% ~ 40%范围内 ,“含沙量多少对实际过流没有引起明显规律性地变化 ,在泥沙模型及管道输沙试验中可以按清水率定曲线来计算浑水流量”其流量误差不会超过3% 。所试验仪表的基本误差为± 2. 5% FS。
 
2. 2  激磁方式多样化
70年代中期发展起来的低频矩形波激磁方式具有零点稳定、功率消耗小等优点。到 80年代基本替代早期市电交流激磁方式。然而应用实践发现低频矩形波激磁抗流动噪声和抗浆液噪声的能力并不理想 ,针对这一缺点 ,出现以下几种改进的激磁方式。
 
①双频率激磁
激磁电流由低频矩形波和高频矩形波叠加或串行组成 ,采用两种频率采样 ,得到高频和低频两种流量信号。获得响应快、抗低频噪声能力强和零点稳定的 EMF。
 
②频率可调整矩形波激磁
德国 Turbo Messtechnik公司 1987年前后推出名为 PKS电磁流量计 ,具有可编程序控制逻辑的激磁控制回路 ,用户按使用条件在 3~ 125Hz之间设定适合的脉冲频率。低频用于大口径仪表 ,高频用于小口径仪表、小容量分装系统以及测量浆液。该仪表还有键控蓄能单元 ,蓄能过程不发生热损耗 ,功率损耗大大降低。
 
③脉冲交流激磁
1989年前后 Turbo Messtechnik公司又推出 名为 Transmag 的脉 冲交 流激磁 的EMF。流量信号幅值为通常矩形波激磁仪表的 10倍 ,具有较高的信噪比。用户可根据使用条件在 5. 5~ 16. 6Hz之间预置频率 ,适用于纸浆、矿浆、甚至含有磁性颗粒的浆液。
 
2. 3  实现本质安全防爆和采用干电池供电
若进一步提高测量灵敏度和降低激磁功率 ,就有可能实现本质安全防爆和干电池供电。EM F的灵敏度以单位流速产生感应电势值来表示 ,数值愈低灵敏度愈高。早期交流激磁方式灵敏度设计在 1~ 1. 5mV /( m s- 1) ,低 频 矩 形 波 激 磁 方 式 则 为 0. 2~ 0. 4mV /m s- 1,现在有些仪表进一步 提高到0. 02~ 0. 04mV /m s - 1 ,所需功率分别从数百瓦特和 10~ 20mW降低到几拾毫瓦特 ,从而有可能实现本质安全防爆和采用电池供电 ,以及实现二线制。
 
①本质安全防爆型
以前由于激磁功率大 ,只能采用隔爆型 ,即电磁流量传感器外壳设计得使其内部产生火花或发生爆炸不会传到外部 ,传感器结构笨重。现在激磁功率减小了 3~ 4个数量级 ,实现本质安全型 ,即在故障状态下传感器内部产生的温度和火花不会引起外部爆炸性混合物爆炸 ,使传感器外壳结构设计轻巧。
 
②采用电池供电
国外已有多家制造厂提供电池供电的EMF。例如 ,英国 ABB Kent-Tayler公司的VBC型和 Aguamag的仪表 ,后者采取瞬间供电运行 ,即每隔 15分钟给激磁线圈通电 6s,电池寿命超过 1a,也可由太阳能电池供电;日本爱知时计电机公司称 ,其 SW型 EMF内藏电池可连续使用 10a。
 
③二线制仪表
通常 EMF由流量传感器和转换器两部分组成 ,其间以激磁电缆和信号电缆连接 ,即四线制。由于所需激磁功率和测量电路功耗的降低 ,有可能用含源 4~ 20mA DC输出信号 ,即由 24V DC电源在零信号输出电流 (即4mA)时提供仪表全部功率。仪表只有两根输出信号线对外 ,故称二线制。
 
        随着微处理器的发展,电磁流量计也在朝着智能化方向发展。其智能化方向可分为信号处理智能化和控制智能化,两者共同作用构成了智能电磁流量计。其主要技术包括软件技术、自诊断功能、程控放大器技术、微处理器抗干扰技术等。
        软件技术是信号处理智能化的标志,即通过软件来控制电磁流量计的整个工作过程。数字滤波、非线性拟合、零点自校正是较常见的技术。数字滤波能够完成模拟滤波不能完成的滤波功能,例如:脉冲干扰剔除、数字电路毛刺干扰消除、A/D转换器的抗工频以及确保输人微处理器数字的可靠性。另外,数据在线分析与数据重构也是其研究方向之一,如利用小波变换分离浆液流体当中的流量信号、浆液信号和利用陷波滤波器组的信号处理方法等。
       电磁流量计是无阻扰测量,其测量电极与流体接触后容易发生磨损、腐蚀、结垢等现象,这些现象会极大地影响电磁流量计的测量精度。为了便于拆卸维护,电磁流量计增加了自诊断功能。其功能越来越多,相继添加了信号线性度、励磁电路的完整性和准确性(包括励磁线圈电阻和励磁电流)、监控和诊断流程和环境条件的变化(如液体电导率是否变化,流体中气泡和固体颗粒含量等。随后出现一种无需改变电磁流量计结构就能进行励磁电流异常的自诊断技术。
         程控放大器技术能够实现电磁流量计量程的自动转换,同时利用增益控制方法能有效削弱微分干扰峰值使放大器过载的问题,便于流量信号电势处理,提高抗微分干扰的能力。
        以往的抗干扰技术解决了输入与输出之间的各种干扰问题,但是当电磁流量计引入智能系统后,来自微处理器的各种干扰同样会影响测量结果的精度,甚至会导致整个流量测量系统跑飞或崩溃。目前,国内外常常使用软硬件结合的方式来提高微处理器的抗干扰能力。常用的软件抗干扰方法有:软件指令冗余措施、软件陷阱抗干扰方法、软件“看门狗”技术等。纯粹的软件抗干扰会浪费大量的CPU功率,所以先使用硬件来消除大部分干扰。常用的硬件抗干扰有:光电隔离器、接地技术、掉电保护技术等。
 
结束语
        近年来,电磁流量计随着需求的增加不断发展。在诸多的电磁流量计技术发展当中,作者认为未来的电磁流量计发展仍然以励磁优化、信号处理技术为主,同时电磁流量计将不断添加各种智能化的功能以应对更多、更复杂的测量环境。
 
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