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電磁流量計綜述

0 引  言
    隨著(zhù)國民經(jīng)濟的發(fā)展和現代生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度的不斷提高,流量作為主要的過(guò)程參數之一,已成為判斷生產(chǎn)過(guò)程的效率.工作狀況及經(jīng)濟性能的重要指標.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(dòng)向進(jìn)行綜述.
1 發(fā)展史
    電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律用來(lái)測量導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(xiàn)振動(dòng)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,反應靈敏,能獲得與流量成比例的信號,加之其測量管直通無(wú)死角,便于清洗和滅菌消毒,因此它在用于特殊衛生要求的醫藥和食品工業(yè)中得到了廣泛的應用.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中更是大顯身手.
    自法拉第1831年發(fā)現電磁感應定律后,1832年他便期望利用地球的地磁場(chǎng)來(lái)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(gè)成功地完成了圓形管道的電磁流量計,可用來(lái)測量和記錄瞬時(shí)動(dòng)脈血液流量.
    1954年,Foxbor公司推出了世界上第一個(gè)電磁流量計產(chǎn)品.1955年,日本也制成了電 磁流量計,幾乎同時(shí)前蘇聯(lián)、英國、前西德也相繼試制成功.我國在1957年才開(kāi)始研制電磁流量計.
    經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,國內外生產(chǎn)電磁流量計廠(chǎng)家如雨后春筍般迅速發(fā)展起來(lái).目前國外主要廠(chǎng)家有:日本橫河公司(YEWMAG,ADMAG型),日立公司(FMP251型),美國B(niǎo)rooks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(zhù)名廠(chǎng)家.目前我國也約有20家電磁流量計制造廠(chǎng).
    據1994年7月《計裝》雜志報導,美國1989年的實(shí)際流量?jì)x表市場(chǎng)為7.25億美元,電磁流量計占9.7%;日本1992年的實(shí)際流量?jì)x表市場(chǎng)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(jiàn)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(diǎn)
    自50年代電磁流量計在工業(yè)上應用以來(lái),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2.5mm~3m;精度等級±0.5%;能設計最高耐溫180℃,最大耐壓320Pa;范圍度可達100∶1;滿(mǎn)量程的流速0.3~10m??s;可測電導率低于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??C、 鉑、鈦、鉑2銥合金、業(yè)乃爾合金等.但長(cháng)期以來(lái),大口徑電磁流量計的標定、零點(diǎn)漂移、激磁功率等問(wèn)題仍是影響電磁流量計發(fā)展的主要因素.
2.1 標定技術(shù)
    長(cháng)期以來(lái),國內外電磁流量計只能用實(shí)流標定.隨著(zhù)電磁流量計產(chǎn)品的精度、流程范圍及規格提高(達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(shí)標定它的技術(shù)設備費用也越來(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)流標定技術(shù)設備費用近400萬(wàn)馬克,標定用的水塔高達36m,大口徑標定設備的使用代價(jià)也 很驚人,1m口徑的流量計在1m??s流速標定時(shí),就需要2827m3??h的水流量[3] .目前國內的計量管理結構和企業(yè)就很難對電磁流量計進(jìn)行必需的校驗標定.因此實(shí)現電磁流量計的非實(shí)流標定就具有相當的意義.下面介紹一種首創(chuàng )的用靜止的電解質(zhì)溶液內的離子電流等效實(shí)際流量的離子電流的標定方法.
(1)設計思想
    向靜止的電解質(zhì)溶液加入可控電流I,使溶液內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兩個(gè)信號電極軸向產(chǎn)生電場(chǎng)E.可得出在傳感器信號電極兩端的電動(dòng)勢就是液體內離子流速V在磁場(chǎng)和邊界條件(即傳感器的電極與管道空間關(guān)系決定的權重函數)下的解;利用電解質(zhì)標準溶液淌度作流量基準,便可得出標定用電解質(zhì)液體的離子速度,則對應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
    對于寬度為Wm,厚度為Hm,霍爾系數為Rm3??C的矩形截面的霍爾效應中,在離子電流I和磁場(chǎng)B下有霍爾電勢U∶U=(RIB)??H.改寫(xiě)為U=[(R??I)??(WH)]BW,當設V=(R??I)??(WH)時(shí),V的量綱就是m??s,即V就是導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(chǎng)、電極與管道空間關(guān)系決定權重函數條件下的電極電勢解.
離子電流標定法能實(shí)現對各種口徑電磁流量計的標定,特別是對大口徑、高精度、寬量程的電磁流量計標定更具有非凡的意義。
2.2 零點(diǎn)穩定性
    勵磁頻率是影響電磁流量計的動(dòng)態(tài)響應速度和零點(diǎn)穩定性的主要性能指標.勵磁頻率低,零點(diǎn)穩定性高,但儀表抗低頻干擾能力減弱,響應速度慢;勵磁頻率高,儀表抗干擾能力強,響應速度快,但零點(diǎn)穩定性差.很長(cháng)一段時(shí)期,勵磁技術(shù)制約著(zhù)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,這樣可達到零點(diǎn)穩定性好、響應速度快(可達0.1s)、抗低頻干擾能力強的要求.在流量較穩定的情況下,該方法能取得滿(mǎn)意的效果,但當流量連續波動(dòng)時(shí),保證疊加后的線(xiàn)性度的技術(shù)難度高.
(2)零點(diǎn)動(dòng)態(tài)相關(guān)互補法
    通過(guò)兩個(gè)采樣保持器,在一個(gè)正向(或負向)激磁下動(dòng)態(tài)消除信號的零點(diǎn)漂動(dòng)值,與勵磁頻率無(wú)關(guān).這樣,可使用較高的勵磁頻率,并同時(shí)獲得穩定的零點(diǎn),也易消除流動(dòng)噪聲.但必須使相關(guān)互補達到較理想時(shí)才能有較好的綜合性能指標.
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信號的信噪比有著(zhù)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,感應信號的信噪比下降,量程變小,精度降低.
通過(guò)零點(diǎn)自動(dòng)動(dòng)態(tài)辨識與反饋補償,可獲得較好的效果.即首先對信號進(jìn)行零點(diǎn)漂移的動(dòng)態(tài)辨識(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)值反饋到前級放大器,使放大器在消除零點(diǎn)后對信號進(jìn)行高增益放大.這樣,即使對較小的勵磁電流,也能獲得響應速度快、量程范圍大、精度高等性能指標.為電磁流量計在防爆要求高的化學(xué)工業(yè)中的應用開(kāi)辟了很好的前景.
2.4 其他
    近20年來(lái),電磁流量計在轉換器微機化與智能化、傳感器與轉換器一體化、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(xiàn)性度和穩定性顯著(zhù)提高,并出現了無(wú)電極電磁流量計,對被測液體導電率的要求大大降低。
3 結束語(yǔ)
    近年來(lái),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用.隨著(zhù)技術(shù)的日新月異,相信電磁流量計的前景將更為燦爛。


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