本质安全型防爆电磁流量计

摘要：电磁流量计广泛应用于舰船、化工、石油、水泥、医药等领域, 其具有结构简单、测量范围大、度高等优点, 然而其使用场所环境恶劣, 为了保证其防爆性能以及降低能耗, 本文介绍了电磁流量计设计基本原理、防爆电路设计和舰船外壳盐雾试验及防护方法, 并对励磁线圈仿真, 该仿真可以作为励磁系统研究的模型, 提高电磁流量计设计效率。

  流量计是测量流体在一段时间内流过的体积或者质量的仪器, 对于生产过程非常关键。随着技术快速发展, 流量计种类越来越多, 比如电磁流量计、超声流量计、热式流量计以及震动流量计等, 电磁流量计以其简单的结构、可靠性高、精度高等优点, 在生产和生活中应用比例占60%以上。然而, 由于在舰船中其经常处于潮湿、腐蚀的使用环境, 为此电磁流量计的防爆性能设计和降低流量计电池耗能研究成为热点。

  电磁流量计是通过利用法拉第电磁感应定律设计, 图1为电磁流量计结构示意图, 管内为导电性流体, 励磁线圈为闭合回路, 依据麦克斯韦电磁场理论, 产生工作磁场。

  对于直导体, 在磁场中产生的感应电动势E

式中, B—磁感应强度;D—导体长度;V—运动速度。

图2为流体流动方向、磁场方向和感应电动势方向, 符合右手规律, 感应电动势大小见式 (1) , 对于管道内流体流量Q大小见式 (2)

将式 (2) 中V求出, 带入式 (1) 可得

由式 (3) 可知, 管道尺寸确定, 感应电动势E与流量Q成正比。

图1 电磁流量计结构示意图

图2 磁场示意图

  依据释放源存在部位、释放数量、扩散情况和通风情况等条件, 爆炸场所可分为0区、1区和2区, 对于矿用产品, 可以用于0区的产品防爆类型只有本质安全性, 对于用于0区的防爆电磁流量计, 防爆性能至关重要。

  本质安全型电气设备是指在正常运行和规定的故障条件下, 所产生的火花或者热效应均不能点燃爆炸性气体混合物的电气设备[2], 本安电路设计时要从两方面考虑, 一是对本安和非本安部件进行隔离;二是能量限制。

  GB 3836.4—2010中要求的隔离包括爬电距离、电气间隙和接地等要求, 比如在GB 3836.4—2010表5中, 依据电压值来设计电气间隙、爬电距离以及选择合适的CTI值绝缘材料。能量限制主要涉及到元件额定值选择, 依据GB 3836.4—2010, 电路分为电阻性电路、电感性电路和电容性电路, 如图3所示。电磁流量计传感器电气部分由连个线圈组成, 包括电阻和电感, 依据GB3836.4—2010图A1中, 根据电磁流量计防爆类型和电源电压, 确定***小点燃电流, 比如设计工作电压为18V的IIC类本安电路, 点燃电流为0.66A, 此外, 要是电路考虑安全系数, 若是安全系数为1.5, 则***大电流应小于0.44A。根据GB 3836.4—2010图A6, 依据电压和电流, 选择合适电感值, 对于18V、0.44A的电感电路, 电感设计应在0.8mH以下。

图3 电磁流量计电气部分[1]

为了无论电路在正常工作状态还是故障状态, 使本安端有定压和定流输出特性, 如图4所示。选择合适二极管安全栅或者齐纳安全栅, 若励磁信号是周期性双向电流, 可以选择TVS管。

图4 电磁流量计电气部分[1]

利用COMSOL仿真软件, 对弯圆形、弯菱形和马鞍型线圈进行仿真, 采用相同线圈材料材质和相同用料量, 并在相同励磁电流、励磁频率条件下, 比较励磁线圈产生的工作磁场强度分布情况。

首先建立仿真几何模型, 如图5所示, 为弯圆形励磁线圈模型, 进行电特性、磁特性和边界条件设置, 进行网格分析划分等步骤, ***后仿真可得磁场分布情况, 图6为磁力线分布, 图7为磁感应强度分布。对于弯菱形和马鞍型线圈采用相同步骤进行仿真模拟, 如图8所示, 为马鞍型励磁线圈。

图5 弯圆形励磁线圈几何模型

图6 X-Y面磁力线分布

图8 马鞍型励磁线圈几何模型

通过模拟结果可以直观得出相应空间点和面的磁场大小、磁场对称情况, 为了更好比较不同几何形态的磁场沿管中轴线方向、管轴线方向和整个区域内的均匀度情况, 设定ε1、ε2、ε33个均匀度参数, 表达式如下

  仿真结果表明, 三种形状励磁线圈磁感应强度大小关系为:马鞍形***小、弯圆形***大。均匀度分析表明, ε1:马鞍形***小, 弯菱形***大;ε2:马鞍形***小, 弯菱形***大;ε3:马鞍形***小, 弯菱形***大。因此, 磁感应强度越大, 电极收到的信号越大, 所以弯圆形效果***好;由于磁场均匀度越小, 表明越均匀, 涡电流损耗和磁场边缘效应越小, 为此, 马鞍型励磁线圈效果***好。

  舰船用电磁流量计外壳材质一般为铸铁、铸钢和不锈钢, 海洋中盐雾浓度高、海水飞沫多造成设备腐蚀严重, 盐雾是由于氯化物的微小液滴悬浮于空气中形成的, 盐雾直接影响到设备的使用周期和可靠性, 因此, 流量计外壳应进行盐雾试验, 试验方法主要有户外暴露试验和实验室盐雾箱模拟两种, 使用标准有GB/T 2423.17—2008《电工电子产品基本环境试验规程试验Ka:盐雾试验方法》和GB/T 2423.18—2000《电工电子产品环境试验第2部分:试验试验Kb:盐雾, 交变 (氯化钠溶液) 》。

  电磁流量计由于其使用环境特殊, 因此其防爆性能和励磁系统研究至关重要, 本文对电磁流量计基本原理和防爆电路设计进行详细阐述, 并对不同形状线圈感应磁场进行了仿真模拟。