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有色金属电磁流量计的选型与应用


文章日期:2018-12-19|阅读数:

  摘 要:有色金属行业广泛应用电磁流量计,使仪表性能得到提高,有效提高了测量的准确性,为此对电磁流量计转换器的前置放大电路部分进行探讨,研究在对放大电路设计期间所需的结构,并对此放大电路的电压增益、输入失调等方面进行有效的计算,如果能够保证接地效果没有问题,可以表明此电路能够平稳的运行。
有色金属电磁流量计的选型与应用
 
  利用电磁感应定律所制造的测试导电液体流量的仪器,就叫做电磁流量计,其他流量计无法完成的测量工作,运用电磁流量计都能够完成。因为电磁流量计所形成的信号并不大,若想测试出准确的流量信号,那么就一定要具有高性能的放大器。
 
  1、有色金属企业用放大器的要求:
 
  对前置级的设计非常的重要。采用电磁流量转换器里的前置放大电路,是为把传感器所传送的流量信号的弱小电压部分进行增大。通过对流量信号的研究,总结出了前置级需要符合的条件。
 
  (1)高输入阻抗,通常通过检测所获取的流量信号并不平稳,要降低信号源内阻所造成的干扰,那么就一定要加强输入阻抗。
 
  (2)低噪声和低温漂,根据上面所介绍的内容进行分析能够了解到,前置级可以使用差动输入,其可以增加差模信号,抑制共模信号等功能。
 
  2、放大电路分析:
 
  此放大电路主要是运算放大器所构成的,在输入电流的时候是双端模式,而在输出的时候是单端模式。而级主要是A1、A2、R1、R2以及RG所构成的,电路主要运用的是电压跟随器,通常情况下为两个,利用RG把电压跟随器进行衔接,这样一来就能够形成大的输入电阻,并把双端输入转换成为单端输入。把V11和V12用下列公式表示:V12=Vic+1/2VidV11=Vic-1/2Vid
 
  导致运算放大器在传送信号的过程中,出现失调电压的是VIO1VIO2、VIO3;和A2形成的失调电压以及电流是V10,以及I10;同时,V10=VI01-VI02。
 
  2.1、闭环差模电压增益Avf:
 
  在对Avf采取研究的过程中发现,如果VIC=0,而且电路全部平衡,A1和A2之间相符合;V10以及I10都是0;R1=R2,R3=R4,R5=R6。通过理想集成运算放大器的特性,能够得出V+=V-,那么就能够确立下面的关系:
 
  VO=-R5/R3(VO1-VO2);VO1-VO2=ip(R1+RG+R2);ip=1/RG[1/2VId-(-1/2VId)
 
  在对上面的公式进行运算后,就能够获取闭环差模电压增益Avf是:
 
  Avf=VO/V11-VI2=VO/VId=-R5/R3(1+2R1/RG);
 
  A1与A2构成的放大电路电压增益Avfi是:Avf1=VO1-VO2/VId=1+2R1/RG
 
  A3与R3、R4、R5、R6所构成的放大电路电压增益是:
 
  Avf2=VO/VO1-VO2=-R5/R3
 
  由此能够看出,更改RG就能够对Avf进行调整。一样的道理,由于RG位于A1与A2的反向输入端,更改RG的情况下,不能够对电路的对称性造成破坏,也就是共模抑制特征不会下降。
 
  2.2、闭环差模输入电阻Rif:
 
  差模信号零点位点属于RG的中心点,利用A1、A2来运算闭环差模输入电阻Rif=[Rid1(1+AOd1F1)//Ric1]+[Rid2(1+AOd2F2)//Ric2],其中A1、A2差模输入电阻的电压增益依次为Rid1、Rid2。/Ric1属于A1A2的工模输入电阻;F1F2代表的则是电压反馈系数。
 
  F1=F2=1/2RG/R1+1/2RG=RG2R1+RG
 
  通常情况下,运放具备相当不错的差模输入阻抗,***好选用合适的运放芯片,这样的话,Rif就能够具有1G以上。
 
  2.3、输入失调特性和温漂:
 
  若想让计算变得简单,可以设置Vic=0,并且让Vid形成独立,然后设置Vio3=0。A1与A2的输入偏流IIB1IIB2与放大器的输入偏流IIB、失调电流Iio为:IIB1=IIB+1/2IIOIIB2=IIB-1/2IIO
 
  同时也可以写成:
 
  ip=VId-VIO1+VIO2RG=VId-VIO/RG
 
  VO1-VO2=(ip+IIB+1/2IIO)R1+[ip-(IIB-1/2IIO)
 
  在R3=R4=R5=R6条件下:
 
  VO=-(VO1-VO2)=-(1+2R1/RG)(VId-VIO)-IIOR2
 
  上面的公式能够表明,对差模输入信号(Vid-v10)的电压增益为Avf=-(1+2R1/RG)
 
  等效输入失调电压温漂是:
 
  aVO/aT/Avf=-aVIO/aT-aIIO/aT·R2/Avf
 
  如果Avf=1的情况下,那么R2越大,输入失调温漂就会变大,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检测共模信号会被放大器所抑制的具体效果,差模电压增益如果较大的话,那么就表明共模抑制的水平会更好,放大电路的性能也会越好,共模抑制比的值还是***好大一些。若想让所研究的结论更有说服力,那么可以设定Vid=0,并且只有A1、A2的共模抑制特性不是无穷大,其余的全都要设置成为规定的指标。
 
  其中A3组当中的共模电压是VIc3=1/2(VO1+VO2),而共模输出电压VoB是
 
  VO3=|Avf2|·1(KCMR)R+1KCMR]VIc3
 
  其中KCMR代表的是共模抑制比。
 
  第二级输入端的共模输入误差电压是:
 
  VIcε3=VIc3[1/(KCMR)R+1/KCMR]
 
  根据定义能够获取第二级共模抑制比:
 
  KCMR0=VIc3/VIcε3=1/1/(KCMR)R+1/KCMR在这组关系式里,A3是KCMR3=∞中的一个重要部分,那么只是分析电阻R3、R4、R5、R6的失配的共模抑制比,就能够得出(KCMR)R≈1+|Avf2|δ3+δ4+δ5+δ6通过上面的关系式能够了解到,如果KCMR3≥10(KCMR)R的情况下,那么电阻失配偏差就会成为制约第二级放大器共模抑制比的重要原因。

电磁流量计选型:
  电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的流量计。电磁流量计的优点是压损极小,可测流量范围大。***大流量与***小流量的比值一般为20:1以上,适用的工业管径范围宽,***大可达3m,输出信号和被测流量成线性,度较高,可测量电导率≥1μs/cm的酸、碱、盐溶液、水、污水、腐蚀性液体以及泥浆、矿浆的流体流量。但它不能测量气体、蒸汽以及纯净水的流量。电磁流量计广泛应用于污水、氟化工、生产用水、自来水行业以及医药,钢铁等等诸多方面。
  由于原理决定了它只能测导电液体。虽说它在可靠性和稳定性方面都比其它种类的流量计要好许多,但客户在实际使用过程中,还是会发生一些问题,下面我就电磁流量计在选型和安装上详细说一下:和其它流量计一样,虽然电磁流量计它的测量范围比是30:1,比涡街流量计差压式流量计都要高,但也是有限制的,许多客户定表时,常常把它和水表相比较,以为可以测量很低的流速,一般情况下,它只能测0.1m/s。低于此流速电磁流量计就很难正确测量。所以定货初期对流量范围比要搞清楚。定货时不能按原先管道口径来定货,***好按你实际流量来定仪表口径。和其它流量计一样,电磁流量计对安装前后直管道也有要求,只不过比其它类流量计要求更低,但***关健一点要满足:就是满管,再满管。不满管的情况下容易引起流量计乱跳。
 
测量原理:
 
        当导体在磁场中作切割磁力线运动时,在导体中会产生感应电势,感应电势的大小与导体在磁场中的中效长度及导体在磁场中作垂直于磁场方向运动的速度成正比。同理,导电流体在磁场中作垂直方向流动而切割磁感应力线时,也会在管道两边的电极上产生感应电势。感应电势的方向由右手定则判定,感应电势的大小由下式确定:
        Ex=BDv -----------------式(1)
        式中Ex—感应电势,V B—磁感应强度,T D—管道内径,m v—液体的平均流速,m/s然而体积流量q v 等于流体的流速v 与管道截面积(πD2)/4的乘积,将式(1)代入该式得:
Qv=(πD/4B)* Ex ---------式(2)
        由上式可知,在管道直径D己定且保持3 电磁流量计的结构电磁流量计的结构主要由磁路系统、测量导管、电极、外壳、衬里和转换器等部分组成如图1所示:
        磁感应强度B不变时,被测体积流量与感应电势呈线性关系。若在管道两侧各插入一根电极,就可引入感应电势Ex,测量此电势的大小,就可求得体积流量。
 
        (1)磁路系统:其作用是产生均匀的直流或交流磁场。直流磁路用磁铁来实现,其优点是结构比较简单,受交流磁场的干扰较小,但它易使通过测量导管内的电解质液体极化,使正电极被负离子包围,负电极被正离子包围,即电极的极化现象,并导致两电极之产蝗内阻增大,因而严重影响仪表正常工作。当管道直径较大时,磁铁相应也很大,笨重且不经济,所以电磁流量计一般采用交变磁场,且是50HZ工频电源激励产生的。
 
        (2)测量导管:其作用是让被测导电性液体通过。为了使磁力线通过测量导管时磁通量被分流或短路,测量导管必须采用不导磁、低导电率、低导热率和具有一定机械强度的材料制成,可选用不导磁的不锈钢、玻璃钢、高强度塑料、铝等。
 
        (3)电极:其作用是引出和被测量成正比的感应电势信号。电极一般用非导磁的不锈钢制成,且被要求与衬里齐平,以便流体通过时不受阻碍。它的安装位置宜在管道的垂直方向,以防止沉淀物堆积在其上面而影响测量精度。
 
        (4)外壳:应用铁磁材料制成,是分配制度励磁线圈的外罩,并隔离外磁场的干扰。
 
        (5)衬里:在测量导管的内侧及法兰密封面上,有一层完整的电绝缘衬里。它直接接触被测液体,其作用是增加测量导管的耐腐蚀性,防止感应电势被金属测量导管管壁短路。衬里材料多为耐腐蚀、耐高温、耐磨的聚四氟乙烯塑料、陶瓷等。
 
        (6)转换器:由液体流动产生的感应电势信号十分微弱,受各种干扰因素的影响很大,转换器的作用就是将感应电势信号放大并转换成统一的标准信号并抑制主要的干扰信号。其任务是把电极检测到的感应电势信号Ex经放大转换成统一的标准直流信号。
 
电磁流量计安装工程:
 
工程通则 :
 
        电磁流量计的使用寿命应该是在10-20年以上,所以我们在设计时就充分考虑厂到这一点, *4 *4 从传感器到转换器的每一个细节我们都非常仔细,从设计,选材,工艺,生产,测试等每一个环节我们都非常 *4 *4 讲究,自行设计定制国内目前***先进的专用与电磁流量计的生产流水线, *4 *4 切实保证产品的长期质量。插入式电磁流量计由插入式电磁流量传感器(简称传感器)和电磁流量转换器(简称转换器)配套组成(简称流量计)。是用来测量管道内各种导电液体体积流量的仪表。
 
        插入式电磁流量计用来测量自来水、钢铁、石油、化工、电力、工业、水利等部门的导电流体流量,亦可测量酸、碱、盐等腐蚀性导电液体,如图2所示:
插入式电磁流量计结构图
        电磁流量计的合理选用及正确安装对提高流量计的测量精度和延长仪表寿命,都是极其重要的。其选用原则有以下四点:被测流体必须是导电液体,它不能测量气体、蒸汽、石油制品、甘油、酒精等物质,也不能测量纯净水;口径与量程的选择。流量计口径比管道内径小,流量计的量程根据不低于预计的***大流量值的原则选择满量程刻度,常用流量***好超过满量程的50%,这样可获得较高的测量精度。常用流速为2-4m/s ***合适;压力的选择:使用压力必须低于电磁流量计额定工作压力,一般不超过16×105Pa;温度的选择:被测介质温度不能超过衬里材料的容许使用温度一般≤200℃。
 
安装工程要点:
        (1)测量管必须保持满管,安装的位置***好选在低点。***理想的位置(如图1所示),流体由低往高流,或者(如图3所示)安装。
测量管满管安装
        (2)若水平放置时,流量计的两个电极必须保持在同一个水平面上(如图3所示),为了防止沉淀物或在管顶的空气令它绝缘。
        (3)如有需要,可以让管放空,内置的空管检测线路,会停止累计和流量的信号输出(图4)。
放空接地安装
        (4)在有阳极保护的管道里流动的流体,安装电磁流量计时,要遵循下面几点:为了让流体能够良好接地,我们要使用地环;传感器跟管道连起来时,法兰之间要有绝缘垫,螺杆上也要用上绝缘套;管道两边的法兰必须要用6mm²芯的铜电缆连在一起,防止电流流经传感器。
 
        (5)电磁流量变送器应安装在室内干燥通风处,避免安装在环境温度过高的地方,不应受强烈振动,尽量避开具有强烈磁场的设备,如大电机,变压器等,避免安装在有腐蚀性气体的场合,安装地点便于检修,这是保证变送器正常运行的环境条件。
        (6)为了保证电磁流量变送器测量管内充满被测介质,变迭器***好垂直安装,流向自下而上,尤其是对于液固两相流,必须垂直安装。若现场只允许水平安装,则必须保证两电极在同一水平面。
 
        (7)电磁流量变送器两端应装阀门和旁路。
 
        (8)电磁流量变送器的电极所测出的几毫伏交流电势,是以变送器内液体电位为基础的。为了使液体电位稳定并位变送器与流体保持等电位,以保证稳定地进行测量,变送器外壳与金属管两端应有良好的接地,转换器外壳也应接地,接地电阻不能大于10,不能与其它电器设备的接地线共用。如果不能保证变送器外壳与金属管道良好接触,应用金属导线将它们连接起来,再可靠接地。
 
        (9)为了避免干扰信号,变送器和转换器之间的信号必须用屏蔽导线传输,不允许把信号电缆和电源线平行放在同一电缆钢管内,信号电缆长度一般不得超过30m。
 
        (10)转换器安装地点应避免交、直流强磁场和振动,环境温度为—20-50℃,不含有腐蚀性气体,相对湿度不大于80%。
 
        (11)为了避免流速分相对测量的影响,流量调节阀应设置在变送器下游,对于小口径的变送器来说,因为从电极中心到流量计进口端的距离已相当于好几倍直径D的长度,所以对上游直管可以不做规定,但对口径较大的流量计,一般上游应有5D以上的直管段,下游一般不做直管段要求。
 
        (12)安装位置。电磁流量计可以垂直、水平安装,但垂直安装,且被测流体是自下而上流动。也可以水平安装,但要使两电极在同一水平面上。水平安装时要保证在何时测量导管都充满液体。在主管线是垂直管线时,一般情况下,要求水流是自下而上,尽量不要自上而下。后者容易引起流量波动比较大。安装除了满管以外,这点也是很重要的,其次就是前后直管道的距离了。选择便于维修,活动方便的地方。流量计应安装在水泵后端,决不能在抽吸侧安装;阀门应安装在流量下游侧。
 
        (13)电磁流量计信号比较弱,满量程时只有几毫伏,且流量很小时,只有几微伏,外界稍有干扰就会影响到测量精度。因此,流量计的外壳、屏蔽线、测量导管都要接地。要求单独设置接地点,千万不要连接在电机或上、下管道上。
 
        (14)流量计的安装地点要远离一切磁源(如大功率电机、变压器等)。
 
        (15)电磁流量计是速度式流量计。当流线颁布不符合设定条件时,将产生测量误差。因此,在电磁流量计前必须有10D左右的直管段,以消除各种局部阻力对流线分布对称性的影响。
 
        (16)和其它流量计一样,电磁流量计也有防护等级,一般一体式的防护等级为IP65,分体式的为IP68(针对传感器而言),如果客户对仪表安装环境有要求,安装地点在地下阴井或其它一些潮湿的地方,建议客户选用分体式的。以免选错对仪表造成损害。
 
        (17)电磁流量计可以测腐蚀性液体,但定货初期客户要正确提供其它测量介质属性,以免选型时对电极选型上的错误,导致传感器在后期使用过程中报废,给客户带来不便和经济上的损失。
 
        (18)电磁流量计虽说可靠性比较好,一般情况下不会损坏,但由于其原理决定,传感器电极表面一直和液体接触,时间久了,电极表面比较容易受污染。所以电磁流量计一般情况下,客户有条件拆的情况下,建议一年到一年半之间拆出来清洗一次电极以保证流量计整机的测量精度。任何仪器仪表都是需要“保养”的,电磁流量计也不例外。
 
        电磁流量计测量范围度大,通常为20:1~50:1,可选流量范围宽;电磁流量计的口径范围比其它品种流量仪表宽,从几毫米到3米;可测量正反双向流量,也可测脉动流量,只要脉动频率低于激磁频率很多;仪表输出本质上是线性的;易于选择与流体接触件的材料品种,可应用于腐蚀性流体等优点。由于电磁流量计测量含有悬浮固体或污脏体的机会远比其他流量仪表多,出现内壁附着层产生的故障概率也就相对较高。若附着层电导率与液体电导率相近,仪表还能正常输出信号,只是改变流通面积,形成测量误差的隐性故障;若是高电导率附着层,电极间电动势将被短路;若是绝缘性附着层,电极表面被绝缘而断开测量电路。后两种现象均会使仪表无法工作。电磁流量计不能被测量电磁流量计,能够测量液,电子和计算机技术在未来的发展和应用的一部分的应用范围的扩大,在过去,孔板流量计以提高测量精度为了弥补各种错误,检测异常转换电路,设置意外,异常的一部分,为了实现通过计算机终端或空中交通控制,超限报警,自诊断,远程通信为了改变衰减的变化,调整电磁流量计的零范围。近年来,为了适应流体测量的各种性能,制造商已经推出了各种形式的电磁流量计。使用多电极电磁流量计和陶瓷衬里,如电极、电磁流量计。
 
  3、结语:
 
  在流量计当中,电磁流量计是非常重要的构成部分,放大电路所产生的输入阻抗非常高,极有可能出现信号被干扰的情况,而线路被干扰的信号会大于被测信号,同时电路设计能够满足电磁流量计中对于信号调整的需求。此电路的输入阻抗要大于1G,共模抑制比要大于80dB,在两个月的运行后,充分表明电路设计的方式是正确的。哪怕受到强干扰,管道只要能够有效的接地,那么就能够得到正常的运行。