工業中的流量計 電磁流量計

2023-09-14 16:14:13 字數 4475 閱讀 5589

電磁流量計是最成功的流量計型別之一。根據法拉第電磁感應定律,導電流體穿過磁場產生正比於流速的電勢的基本概念自上世紀初就已為人所知。然而,直到 1950 年代,工業應用才成為現實。一些最早的應用涉及測量血液的流速,kolin(1960)。kolin, a. (1960) circulatory system; methods; blood flow determination by the electromagnetic method. in: glasser, o. (ed). medical physics, 3: 141. chicago i11: year book medical publishers.

2023年,krohne(科隆)首款工業應用的電磁流量計誕生。(來自科隆官網)。幾十年間,電磁流量計技術從最早的交流勵磁,到後來的脈衝方波直流勵磁,再到橫河(yokogawa)創新的混合勵磁;從早期的電磁流量計需要強大的磁場來產生足夠強的訊號,因而功耗巨大-300 w;到現在可以以 10 w 至 15 w 的功率執行;甚至兩線制迴路供電的儀表也已經能夠做大8inch的口徑,可以看到電磁流量計這個領域的技術進步。

# 電磁流量計的原理及構成 #

電磁流量計的基本原理:

法拉第電磁感應定律:e=k*b*d*v

其中,e : 感應電動勢 k : 儀表常數 b : 磁感應強度。

d : 測量管直徑 v : 平均流速。

通過原理可以看到:

1、電磁流量計只能測量導電介質,一般要求電導率б≥ 1-5us/cm(水》20us/cm)

2、電磁流量計實際測量值為流體流速。

3、磁場穩定性是測量穩定性的關鍵。

電磁流量計的結構:

測量導管

導管必須是非導磁材料(保證磁場穿過導管),如不鏽鋼、陶瓷、塑料等。導管是介質的流通途徑;導管承受額定的工作壓力。

電極

電極用於從介質中取訊號,由於直接和介質接觸,因此,它的耐腐蝕特性應和介質相匹配。

電極的配置上,很多廠家會提供差異性的選項:比如刮刀電極、可更換電極,以及電極清洗等。

襯裡

襯裡直接與介質接觸,必須選擇與介質相適應的襯裡材料。要綜合考慮介質的溫度、壓力、腐蝕性、研磨性等做出合理的選擇。

# 電磁流量計的勵磁方式及應用場景 #

回到法拉第電磁感應定律,磁場穩定性是測量穩定性的關鍵;在電磁流量計發展的早期,直接採用交流供電系統(交流正弦波勵磁)給勵磁線圈供電,這種技術的優點在於市電勵磁磁場強 (高磁通量「b」),但缺點也特別明顯:相位變化時有零漂,介質靜止不動時也需要不斷手動調零點。

非正弦波交流勵磁,是採用低於工業頻率的方波或三角波勵磁的方式,可以認為產生恆定直流,周期性地改變極性的方式,因這種勵磁電源穩定,故不必為除去磁場強度的變動而進行運算。

交流勵磁方式的主要問題是感應雜訊嚴重。

直流勵磁方式,則是在電極上的極化電位成了重要障礙。故一定值的直流勵磁方式僅適用於非電解質(如液態金屬)液體的測量。

勵磁頻率降低,零點穩定性可以提高,但儀表抗低頻干擾能力減弱,響應速度慢,如果勵磁頻率高,則抗低頻干擾的能力增強,但儀表的零點穩定性降低。這一問題到二十世紀七十年代研究出了低頻矩形波(50hz的1/2~1/32),解決了長期困擾電磁流量計的工頻干擾,提高了零點穩定性和測量度;二十世紀八十年代又出現了三值低頻矩形波勵磁技術(有50hz的1/8為週期,採用正弦規律變化的勵磁電流),具有更好的零點穩定性,解決了干擾電勢的影響,但降低了響應速度,並且在測量泥漿、紙漿等含固體顆粒和纖維流體及低導電率流體測量時,會產生電雜訊(因流體摩擦電極,使電極表面氧化膜剝離後又形成所致),使輸出訊號擺動不穩;二十世紀八十年代末又針對這些問題推出了雙頻矩形波勵磁方式。

脈衝直流勵磁(pdc)

這是一種被廣泛採用的勵磁方式,相對**較低,適用於大多數的工況,如:

均勻介質,紙漿,泥漿,水泥漿 ( 含細微顆粒 )

在低流量時需要保持高精度及長期穩定性。

當現場不具備校準零點條件。

當供電電源受一定限制。

當脈衝流脈動頻率 < 2hz

當罐裝週期 > 3 sec

脈衝交流勵磁(pac)

交流勵磁方式的勵磁頻率比直流脈衝勵磁方式快 ,因此低頻率的雜訊訊號很容易被消除。

由於其響應速度快,因此適用於快速罐裝。

適用於測量含大量固體顆粒的液體。

適用於由於物理或電化學反應產生雜訊的液體,例如:二相流(礦漿、泥 漿),鹽水(電導率 0.1-20us/cm)

適用於多種液體的混合物。

適用於脈衝流。

適用於電導率變化快的液體。

雙頻矩形波勵磁(yokogawa獨有)

其勵磁波形由低頻(6.25hz)矩形波和高頻(75hz)矩形波疊加構成,分別取樣與之相對應的流量訊號,得到低頻和高頻特徵的兩種訊號經過處理後可再現實際流量的訊號值。因此這種技術既具有低頻矩形波勵磁技術優良的零點穩定性,又具有高頻矩形波勵磁技術對流體雜訊較強的抑制能力。

# 特殊電磁流量計 #

兩線制電磁流量計。

兩線制技術的基本概念是,使用它的裝置由環路中的相同兩根線供電並與之通訊。

兩線制技術第乙個優點是減少了所需的佈線和導管以及人工的費用;其次可以降低能源和運營成本,許多四線制科氏力質量流量計和電磁流量計的額定功耗高達15 w,而兩線制變送器只需要0.1 w。與四線制流量計相比,使用兩線制流量計可降低96.4%的能耗。兩線制儀表的低功耗,也使得他更容易應用在本質安全的環境中。

目前yokogawa,e+h,krohne都有相關產品,但最大的口徑只能到dn200。

支援poe的電磁流量計

poe(power over ethernet),被稱為乙太網供電。簡單來說它可以通過一根網線為支援poe 的受電裝置 (powered device,縮略為 pd) 同時提供電量和資料傳輸。

乙太網技術可以更大程度的發揮智慧型儀表的資料潛力,同時通訊速度也大幅提高。比如abb宣稱器推出的支援poe的電磁,通訊速度高達100 mbits/sec。

電容式電磁流量計

電容式電磁流量計與傳統的電磁流量計在電極的布置上存在巨大差異,比如橫河的相關產品是把電極布置在陶瓷測量管的外部,通過測量流體與電極間產生的靜電電容來測量電動勢。

這種非接觸式的電極結構,不存在電極被腐蝕、粘汙、磨損或洩漏等問題,適用于強腐蝕性或含有大量固體顆粒的流體以及測量具有粘附性的流體。可測量電導率低至0.01µs/cm的超低電導率流體。

但這種型別的流量計勵磁電路等變得比較複雜,商品化的電磁流量計產品品牌少、口徑範圍也普遍不大。

不過這種電極結構,確為流量計的小型化提供了更多可能性,目前市面是有很多基於此結構的精巧電磁流量計-全貫通、無可動部件、無電極;

電池供電型電磁流量計/電磁水表

這種型別的電磁流量計,可以選擇電池供電,電池壽命長達15年(根據廠家宣傳手冊),也可以選擇市電或者再生能源供電(太陽能/風能)供電;可選gsm/sms的通訊方式。非常適合於市政管網,城市自來水公司等水司使用者的使用。

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