【摘要】介绍了新型电磁流量计的工作原理和系统组成。并结合污水处理工艺将电磁流量计与其他流量计进行分析比较,从理论和实践上阐述电磁流量计在工业污水处理环节流量测量的优势。
1电磁流量计工作原理和测量系统组成
1.1工作原理
电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。被测介质垂直于磁力线方向流动,因而在与介质流动和磁力线都垂直的方向上产生一感应电动势Ex,
Ex=BDv×10-4
式中:B为磁感应强度,T;D为两电极间的距离,mm;
v为被测介质的平均流速,m/s;Ex为电动势,V.
被测介质的流量Q与d和v有关
式中:Q为被测介质的流量,m3/s;v为被测介质的平均流速,m/s;d为流量计的通流截面直径,m;A为流量计的有效作用面积,m2.
由上式得:
Ex=BDQ×10-4/A
当磁场强度B与两极间距离D一定时,则:
Ex=K°Q
K=BD×10-4/A=常数
由此可见,感应电动势Ex与被测介质流量Q成正比。流量Q不受流体的温度、压力、密度、电导率变化的影响,具有很大的优越性。测量系统的变送器输出Ex是一个微弱的交变信号,其中包含各种干扰成分,且信号内阻变化高达几万欧姆,因此要求转换器是一个高输入阻抗,且能抑制各种干扰成分的交流毫伏转换器。将感应电动势转换成4～20mADC的统一信号。转换器有高输入阻抗差动放大器、主放大器、正交干扰抑制器、相敏检波器、直流放大器、霍尔乘法器等组成,最后输出电流为:
Io=K°Q(mA)
式中:K为仪表常数;Q为被测流量。
2.2测量系统的组成
电磁流量计经历了直流励磁、工频交流励磁、低频矩形波励磁等阶段。70、80年代国内使用较多的工频交流励磁因存在电磁感应、静电耦合等难以消除的工频干扰,零点稳定性差、可靠性差等缺点已较少采用。目前选型设计时采用低频干扰(1/4～1/32)矩形波励磁,它改变了工频干扰的形态特征,利用工频同步采样、动态校零等技术提高了抗干扰能力和零点稳定性。对于像工业污水一样电导率较低的对象,宜采用有双频矩形波(高频为75Hz的矩形波,外包络是1/8工频的矩形波)励磁技术的产品。
测量系统由测量管路、励磁线圈、测量电极、信号转换器等组成。它的励磁方式与传统的直流励磁方式和交流正弦波励磁方式均不同。流量计中的磁场是通过由信号转换器供给的正、负交替变化矩形波电流,送到励磁线圈产生的,它克服了直流励磁方式易在电极部分产生极化作用,和交流励磁由于电极、流体、电极形成的闭路及交变磁场的时间变动,引起正比的电磁感应电压。在两个检测电极之间,产生正负交替变化的流量信号电压,与矩形波励磁电流的频率相等。
对于由磁场强度变化产生的电磁干扰电压,采取把衰减时的电动势做采样处理方法取出对应流量信号。在磁场电流达到它的稳定值时,进行采样处理。因此,通常的干扰电压都能被消除。
在测量系统中还采用了智能化设计。信号转换器由5个功能块组成。功能块1由输入前置放大器、高分辨率A/D转换器和一个控制和监视的微处理器(UP01)组成;功能块2是由功能块的电子装置控制的,给流量计励磁线圈周期性的产生励磁电流的装置;功能块3由7位LCD液晶显示器、EEPROM、KSA集成电路、微处理器和3个为了输入操作参数的按键组成。由UP01测定的与输入操作参数和校准值有关的数字值,经UP02计算后,其值通过科隆公司研制的KSA作为流量比例信号,经光电耦合器到输出驱动器,正负计数的流量累积值和满刻度范围0%～100%的瞬时流量值可在7位LCD液晶显示。在电源故障停电后,最后的计数器读数可永久地储存在E2PROM中。功能块4把数字信号转换成4～20mA的电流输出信号;功能块5能驱动电子计数器或电动机械计数器。
3电磁流量计的应用实例
某冶炼厂在生产中,由于生产工艺的需要,会产生大量的工业污水,在污水处理分厂必须对污水的流量进行监控。在以往的设计中,流量仪表不少都选用旋涡流量计和孔板流量计。而实际应用中发现测量的流量显示值与实际流量偏差较大。究其原因,上述两种流量计都不能满足实际的需要。
旋涡流量计的工作原理是在管道中插入一个旋涡发生体。当管道中的流体流过旋涡发生体时,在旋涡发生体的后方和两侧会交替地产生有规律的卡门旋涡列。理论和实践证明,旋涡分离频率f与管内流体流速v成正比,其关系式为:
f=K °v/D
式中:K为斯特劳哈尔系数;D为旋涡发生体迎流体面宽度。
因此,只要设法测出旋涡分离频率f就可以知道流体的流速v,从而可以求出流体的流量。旋涡分离频率可以用多种方式测量,例如应力式、差动电容式等。
从旋涡流量计的工作原理可以看出:旋涡流量计不宜用于测污水的流量。这是因为在测量较脏的流体时,旋涡发生体的表面会有大量的附着物,会使旋涡发生体迎流体面宽度D发生变化,这样就会使得旋涡分离频率减小,使得求出的流体流速v减小,使得测量值比实际流量值小。
孔板流量计是早期大量使用的一种测量流量的计量装置。它的工作原理是在流体管道中加入一孔板节流件,通过导压管引入差压变送器测出节流件上、下游的压差,根据所测的压差经过计算即得出流量的瞬时值。由于导压管内水的不流动性,在较寒冷地区,冬天室外安装的孔板取压管容易冻裂(冻住),使差压仪器无法正常工作。测量较脏的污水时,孔板需经常清洗。如清洗不及时,测量精度降低,取压管经常被污物堵死,仪表无法使用。用孔板的方式测流量时还有压力损失大、维护量大等缺点。
根据工业污水具有流量变化大、杂质、腐蚀性小、有一定的导电能力等特性,在测量工业污水的流量时,电磁流量计是一个很好的选择�？裳∮寐榷∠鸾撼睦�,含钼不锈钢(OCr18Ni12Mo2Ti)电极的电磁流量计,即可满足工业污水流量测量的要求。
4结束语
流量测量仪表受到众多因素,如:管道、口径大小、形状(圆形、矩形)、介质的物性(温度、压力、密度、粘度、脏污性、腐蚀性等),流体的流动状态(紊流状态、速度分布等),以及安装条件与水平的影响。而且工业污水的状态(流态、流速等)时刻在变化,如果选择流量计不合适,将使测量结果出现很大的偏差。经过理论和实践的检验,电磁流量计在污水流量测量中有着很大的优势,目前应用得越来越广泛。
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