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有色金屬電磁流量計的選型與應用


文章日期:2018-12-19|閱讀數:

  摘 要:有色金屬行業廣泛應用電磁流量計,使儀表性能得到提高,有效提高了測量的準確性,為此對電磁流量計轉換器的前置放大電路部分進行探討,研究在對放大電路設計期間所需的結構,并對此放大電路的電壓增益、輸入失調等方面進行有效的計算,如果能夠保證接地效果沒有問題,可以表明此電路能夠平穩的運行。
有色金屬電磁流量計的選型與應用
 
  利用電磁感應定律所制造的測試導電液體流量的儀器,就叫做電磁流量計,其他流量計無法完成的測量工作,運用電磁流量計都能夠完成。因為電磁流量計所形成的信號并不大,若想測試出準確的流量信號,那么就一定要具有高性能的放大器。
 
  1、有色金屬企業用放大器的要求:
 
  對前置級的設計非常的重要。采用電磁流量轉換器里的前置放大電路,是為把傳感器所傳送的流量信號的弱小電壓部分進行增大。通過對流量信號的研究,總結出了前置級需要符合的條件。
 
 ?。?)高輸入阻抗,通常通過檢測所獲取的流量信號并不平穩,要降低信號源內阻所造成的干擾,那么就一定要加強輸入阻抗。
 
 ?。?)低噪聲和低溫漂,根據上面所介紹的內容進行分析能夠了解到,前置級可以使用差動輸入,其可以增加差模信號,抑制共模信號等功能。
 
  2、放大電路分析:
 
  此放大電路主要是運算放大器所構成的,在輸入電流的時候是雙端模式,而在輸出的時候是單端模式。而級主要是A1、A2、R1、R2以及RG所構成的,電路主要運用的是電壓跟隨器,通常情況下為兩個,利用RG把電壓跟隨器進行銜接,這樣一來就能夠形成大的輸入電阻,并把雙端輸入轉換成為單端輸入。把V11和V12用下列公式表示:V12=Vic+1/2VidV11=Vic-1/2Vid
 
  導致運算放大器在傳送信號的過程中,出現失調電壓的是VIO1VIO2、VIO3;和A2形成的失調電壓以及電流是V10,以及I10;同時,V10=VI01-VI02。
 
  2.1、閉環差模電壓增益Avf:
 
  在對Avf采取研究的過程中發現,如果VIC=0,而且電路全部平衡,A1和A2之間相符合;V10以及I10都是0;R1=R2,R3=R4,R5=R6。通過理想集成運算放大器的特性,能夠得出V+=V-,那么就能夠確立下面的關系:
 
  VO=-R5/R3(VO1-VO2);VO1-VO2=ip(R1+RG+R2);ip=1/RG[1/2VId-(-1/2VId)
 
  在對上面的公式進行運算后,就能夠獲取閉環差模電壓增益Avf是:
 
  Avf=VO/V11-VI2=VO/VId=-R5/R3(1+2R1/RG);
 
  A1與A2構成的放大電路電壓增益Avfi是:Avf1=VO1-VO2/VId=1+2R1/RG
 
  A3與R3、R4、R5、R6所構成的放大電路電壓增益是:
 
  Avf2=VO/VO1-VO2=-R5/R3
 
  由此能夠看出,更改RG就能夠對Avf進行調整。一樣的道理,由于RG位于A1與A2的反向輸入端,更改RG的情況下,不能夠對電路的對稱性造成破壞,也就是共模抑制特征不會下降。
 
  2.2、閉環差模輸入電阻Rif:
 
  差模信號零點位點屬于RG的中心點,利用A1、A2來運算閉環差模輸入電阻Rif=[Rid1(1+AOd1F1)//Ric1]+[Rid2(1+AOd2F2)//Ric2],其中A1、A2差模輸入電阻的電壓增益依次為Rid1、Rid2。/Ric1屬于A1A2的工模輸入電阻;F1F2代表的則是電壓反饋系數。
 
  F1=F2=1/2RG/R1+1/2RG=RG2R1+RG
 
  通常情況下,運放具備相當不錯的差模輸入阻抗,***好選用合適的運放芯片,這樣的話,Rif就能夠具有1G以上。
 
  2.3、輸入失調特性和溫漂:
 
  若想讓計算變得簡單,可以設置Vic=0,并且讓Vid形成獨立,然后設置Vio3=0。A1與A2的輸入偏流IIB1IIB2與放大器的輸入偏流IIB、失調電流Iio為:IIB1=IIB+1/2IIOIIB2=IIB-1/2IIO
 
  同時也可以寫成:
 
  ip=VId-VIO1+VIO2RG=VId-VIO/RG
 
  VO1-VO2=(ip+IIB+1/2IIO)R1+[ip-(IIB-1/2IIO)
 
  在R3=R4=R5=R6條件下:
 
  VO=-(VO1-VO2)=-(1+2R1/RG)(VId-VIO)-IIOR2
 
  上面的公式能夠表明,對差模輸入信號(Vid-v10)的電壓增益為Avf=-(1+2R1/RG)
 
  等效輸入失調電壓溫漂是:
 
  aVO/aT/Avf=-aVIO/aT-aIIO/aT·R2/Avf
 
  如果Avf=1的情況下,那么R2越大,輸入失調溫漂就會變大,所以***好采用小一些的R1、R2值。
 
  2.4、共模抑制特性:
 
  共模抑制比主要的作用是檢測共模信號會被放大器所抑制的具體效果,差模電壓增益如果較大的話,那么就表明共模抑制的水平會更好,放大電路的性能也會越好,共模抑制比的值還是***好大一些。若想讓所研究的結論更有說服力,那么可以設定Vid=0,并且只有A1、A2的共模抑制特性不是無窮大,其余的全都要設置成為規定的指標。
 
  其中A3組當中的共模電壓是VIc3=1/2(VO1+VO2),而共模輸出電壓VoB是
 
  VO3=|Avf2|·1(KCMR)R+1KCMR]VIc3
 
  其中KCMR代表的是共模抑制比。
 
  第二級輸入端的共模輸入誤差電壓是:
 
  VIcε3=VIc3[1/(KCMR)R+1/KCMR]
 
  根據定義能夠獲取第二級共模抑制比:
 
  KCMR0=VIc3/VIcε3=1/1/(KCMR)R+1/KCMR在這組關系式里,A3是KCMR3=∞中的一個重要部分,那么只是分析電阻R3、R4、R5、R6的失配的共模抑制比,就能夠得出(KCMR)R≈1+|Avf2|δ3+δ4+δ5+δ6通過上面的關系式能夠了解到,如果KCMR3≥10(KCMR)R的情況下,那么電阻失配偏差就會成為制約第二級放大器共模抑制比的重要原因。

電磁流量計選型:
  電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律進行流量測量的流量計。電磁流量計的優點是壓損極小,可測流量范圍大。***大流量與***小流量的比值一般為20:1以上,適用的工業管徑范圍寬,***大可達3m,輸出信號和被測流量成線性,度較高,可測量電導率≥1μs/cm的酸、堿、鹽溶液、水、污水、腐蝕性液體以及泥漿、礦漿的流體流量。但它不能測量氣體、蒸汽以及純凈水的流量。電磁流量計廣泛應用于污水、氟化工、生產用水、自來水行業以及醫藥,鋼鐵等等諸多方面。
  由于原理決定了它只能測導電液體。雖說它在可靠性和穩定性方面都比其它種類的流量計要好許多,但客戶在實際使用過程中,還是會發生一些問題,下面我就電磁流量計在選型和安裝上詳細說一下:和其它流量計一樣,雖然電磁流量計它的測量范圍比是30:1,比渦街流量計和差壓式流量計都要高,但也是有限制的,許多客戶定表時,常常把它和水表相比較,以為可以測量很低的流速,一般情況下,它只能測0.1m/s。低于此流速電磁流量計就很難正確測量。所以定貨初期對流量范圍比要搞清楚。定貨時不能按原先管道口徑來定貨,***好按你實際流量來定儀表口徑。和其它流量計一樣,電磁流量計對安裝前后直管道也有要求,只不過比其它類流量計要求更低,但***關健一點要滿足:就是滿管,再滿管。不滿管的情況下容易引起流量計亂跳。
 
測量原理:
 
        當導體在磁場中作切割磁力線運動時,在導體中會產生感應電勢,感應電勢的大小與導體在磁場中的中效長度及導體在磁場中作垂直于磁場方向運動的速度成正比。同理,導電流體在磁場中作垂直方向流動而切割磁感應力線時,也會在管道兩邊的電極上產生感應電勢。感應電勢的方向由右手定則判定,感應電勢的大小由下式確定:
        Ex=BDv -----------------式(1)
        式中Ex—感應電勢,V B—磁感應強度,T D—管道內徑,m v—液體的平均流速,m/s然而體積流量q v 等于流體的流速v 與管道截面積(πD2)/4的乘積,將式(1)代入該式得:
Qv=(πD/4B)* Ex ---------式(2)
        由上式可知,在管道直徑D己定且保持3 電磁流量計的結構電磁流量計的結構主要由磁路系統、測量導管、電極、外殼、襯里和轉換器等部分組成如圖1所示:
        磁感應強度B不變時,被測體積流量與感應電勢呈線性關系。若在管道兩側各插入一根電極,就可引入感應電勢Ex,測量此電勢的大小,就可求得體積流量。
 
        (1)磁路系統:其作用是產生均勻的直流或交流磁場。直流磁路用磁鐵來實現,其優點是結構比較簡單,受交流磁場的干擾較小,但它易使通過測量導管內的電解質液體極化,使正電極被負離子包圍,負電極被正離子包圍,即電極的極化現象,并導致兩電極之產蝗內阻增大,因而嚴重影響儀表正常工作。當管道直徑較大時,磁鐵相應也很大,笨重且不經濟,所以電磁流量計一般采用交變磁場,且是50HZ工頻電源激勵產生的。
 
        (2)測量導管:其作用是讓被測導電性液體通過。為了使磁力線通過測量導管時磁通量被分流或短路,測量導管必須采用不導磁、低導電率、低導熱率和具有一定機械強度的材料制成,可選用不導磁的不銹鋼、玻璃鋼、高強度塑料、鋁等。
 
        (3)電極:其作用是引出和被測量成正比的感應電勢信號。電極一般用非導磁的不銹鋼制成,且被要求與襯里齊平,以便流體通過時不受阻礙。它的安裝位置宜在管道的垂直方向,以防止沉淀物堆積在其上面而影響測量精度。
 
        (4)外殼:應用鐵磁材料制成,是分配制度勵磁線圈的外罩,并隔離外磁場的干擾。
 
        (5)襯里:在測量導管的內側及法蘭密封面上,有一層完整的電絕緣襯里。它直接接觸被測液體,其作用是增加測量導管的耐腐蝕性,防止感應電勢被金屬測量導管管壁短路。襯里材料多為耐腐蝕、耐高溫、耐磨的聚四氟乙烯塑料、陶瓷等。
 
        (6)轉換器:由液體流動產生的感應電勢信號十分微弱,受各種干擾因素的影響很大,轉換器的作用就是將感應電勢信號放大并轉換成統一的標準信號并抑制主要的干擾信號。其任務是把電極檢測到的感應電勢信號Ex經放大轉換成統一的標準直流信號。
 
電磁流量計安裝工程:
 
工程通則 :
 
        電磁流量計的使用壽命應該是在10-20年以上,所以我們在設計時就充分考慮廠到這一點, *4 *4 從傳感器到轉換器的每一個細節我們都非常仔細,從設計,選材,工藝,生產,測試等每一個環節我們都非常 *4 *4 講究,自行設計定制國內目前***先進的專用與電磁流量計的生產流水線, *4 *4 切實保證產品的長期質量。插入式電磁流量計由插入式電磁流量傳感器(簡稱傳感器)和電磁流量轉換器(簡稱轉換器)配套組成(簡稱流量計)。是用來測量管道內各種導電液體體積流量的儀表。
 
        插入式電磁流量計用來測量自來水、鋼鐵、石油、化工、電力、工業、水利等部門的導電流體流量,亦可測量酸、堿、鹽等腐蝕性導電液體,如圖2所示:
插入式電磁流量計結構圖
        電磁流量計的合理選用及正確安裝對提高流量計的測量精度和延長儀表壽命,都是極其重要的。其選用原則有以下四點:被測流體必須是導電液體,它不能測量氣體、蒸汽、石油制品、甘油、酒精等物質,也不能測量純凈水;口徑與量程的選擇。流量計口徑比管道內徑小,流量計的量程根據不低于預計的***大流量值的原則選擇滿量程刻度,常用流量***好超過滿量程的50%,這樣可獲得較高的測量精度。常用流速為2-4m/s ***合適;壓力的選擇:使用壓力必須低于電磁流量計額定工作壓力,一般不超過16×105Pa;溫度的選擇:被測介質溫度不能超過襯里材料的容許使用溫度一般≤200℃。
 
安裝工程要點:
        (1)測量管必須保持滿管,安裝的位置***好選在低點。***理想的位置(如圖1所示),流體由低往高流,或者(如圖3所示)安裝。
測量管滿管安裝
        (2)若水平放置時,流量計的兩個電極必須保持在同一個水平面上(如圖3所示),為了防止沉淀物或在管頂的空氣令它絕緣。
        (3)如有需要,可以讓管放空,內置的空管檢測線路,會停止累計和流量的信號輸出(圖4)。
放空接地安裝
        (4)在有陽極保護的管道里流動的流體,安裝電磁流量計時,要遵循下面幾點:為了讓流體能夠良好接地,我們要使用地環;傳感器跟管道連起來時,法蘭之間要有絕緣墊,螺桿上也要用上絕緣套;管道兩邊的法蘭必須要用6mm²芯的銅電纜連在一起,防止電流流經傳感器。
 
        (5)電磁流量變送器應安裝在室內干燥通風處,避免安裝在環境溫度過高的地方,不應受強烈振動,盡量避開具有強烈磁場的設備,如大電機,變壓器等,避免安裝在有腐蝕性氣體的場合,安裝地點便于檢修,這是保證變送器正常運行的環境條件。
        (6)為了保證電磁流量變送器測量管內充滿被測介質,變迭器***好垂直安裝,流向自下而上,尤其是對于液固兩相流,必須垂直安裝。若現場只允許水平安裝,則必須保證兩電極在同一水平面。
 
        (7)電磁流量變送器兩端應裝閥門和旁路。
 
        (8)電磁流量變送器的電極所測出的幾毫伏交流電勢,是以變送器內液體電位為基礎的。為了使液體電位穩定并位變送器與流體保持等電位,以保證穩定地進行測量,變送器外殼與金屬管兩端應有良好的接地,轉換器外殼也應接地,接地電阻不能大于10,不能與其它電器設備的接地線共用。如果不能保證變送器外殼與金屬管道良好接觸,應用金屬導線將它們連接起來,再可靠接地。
 
        (9)為了避免干擾信號,變送器和轉換器之間的信號必須用屏蔽導線傳輸,不允許把信號電纜和電源線平行放在同一電纜鋼管內,信號電纜長度一般不得超過30m。
 
        (10)轉換器安裝地點應避免交、直流強磁場和振動,環境溫度為—20-50℃,不含有腐蝕性氣體,相對濕度不大于80%。
 
        (11)為了避免流速分相對測量的影響,流量調節閥應設置在變送器下游,對于小口徑的變送器來說,因為從電極中心到流量計進口端的距離已相當于好幾倍直徑D的長度,所以對上游直管可以不做規定,但對口徑較大的流量計,一般上游應有5D以上的直管段,下游一般不做直管段要求。
 
        (12)安裝位置。電磁流量計可以垂直、水平安裝,但垂直安裝,且被測流體是自下而上流動。也可以水平安裝,但要使兩電極在同一水平面上。水平安裝時要保證在何時測量導管都充滿液體。在主管線是垂直管線時,一般情況下,要求水流是自下而上,盡量不要自上而下。后者容易引起流量波動比較大。安裝除了滿管以外,這點也是很重要的,其次就是前后直管道的距離了。選擇便于維修,活動方便的地方。流量計應安裝在水泵后端,決不能在抽吸側安裝;閥門應安裝在流量下游側。
 
        (13)電磁流量計信號比較弱,滿量程時只有幾毫伏,且流量很小時,只有幾微伏,外界稍有干擾就會影響到測量精度。因此,流量計的外殼、屏蔽線、測量導管都要接地。要求單獨設置接地點,千萬不要連接在電機或上、下管道上。
 
        (14)流量計的安裝地點要遠離一切磁源(如大功率電機、變壓器等)。
 
        (15)電磁流量計是速度式流量計。當流線頒布不符合設定條件時,將產生測量誤差。因此,在電磁流量計前必須有10D左右的直管段,以消除各種局部阻力對流線分布對稱性的影響。
 
        (16)和其它流量計一樣,電磁流量計也有防護等級,一般一體式的防護等級為IP65,分體式的為IP68(針對傳感器而言),如果客戶對儀表安裝環境有要求,安裝地點在地下陰井或其它一些潮濕的地方,建議客戶選用分體式的。以免選錯對儀表造成損害。
 
        (17)電磁流量計可以測腐蝕性液體,但定貨初期客戶要正確提供其它測量介質屬性,以免選型時對電極選型上的錯誤,導致傳感器在后期使用過程中報廢,給客戶帶來不便和經濟上的損失。
 
        (18)電磁流量計雖說可靠性比較好,一般情況下不會損壞,但由于其原理決定,傳感器電極表面一直和液體接觸,時間久了,電極表面比較容易受污染。所以電磁流量計一般情況下,客戶有條件拆的情況下,建議一年到一年半之間拆出來清洗一次電極以保證流量計整機的測量精度。任何儀器儀表都是需要“保養”的,電磁流量計也不例外。
 
        電磁流量計測量范圍度大,通常為20:1~50:1,可選流量范圍寬;電磁流量計的口徑范圍比其它品種流量儀表寬,從幾毫米到3米;可測量正反雙向流量,也可測脈動流量,只要脈動頻率低于激磁頻率很多;儀表輸出本質上是線性的;易于選擇與流體接觸件的材料品種,可應用于腐蝕性流體等優點。由于電磁流量計測量含有懸浮固體或污臟體的機會遠比其他流量儀表多,出現內壁附著層產生的故障概率也就相對較高。若附著層電導率與液體電導率相近,儀表還能正常輸出信號,只是改變流通面積,形成測量誤差的隱性故障;若是高電導率附著層,電極間電動勢將被短路;若是絕緣性附著層,電極表面被絕緣而斷開測量電路。后兩種現象均會使儀表無法工作。電磁流量計不能被測量電磁流量計,能夠測量液,電子和計算機技術在未來的發展和應用的一部分的應用范圍的擴大,在過去,孔板流量計以提高測量精度為了彌補各種錯誤,檢測異常轉換電路,設置意外,異常的一部分,為了實現通過計算機終端或空中交通控制,超限報警,自診斷,遠程通信為了改變衰減的變化,調整電磁流量計的零范圍。近年來,為了適應流體測量的各種性能,制造商已經推出了各種形式的電磁流量計。使用多電極電磁流量計和陶瓷襯里,如電極、電磁流量計。
 
  3、結語:
 
  在流量計當中,電磁流量計是非常重要的構成部分,放大電路所產生的輸入阻抗非常高,極有可能出現信號被干擾的情況,而線路被干擾的信號會大于被測信號,同時電路設計能夠滿足電磁流量計中對于信號調整的需求。此電路的輸入阻抗要大于1G,共模抑制比要大于80dB,在兩個月的運行后,充分表明電路設計的方式是正確的。哪怕受到強干擾,管道只要能夠有效的接地,那么就能夠得到正常的運行。


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