【摘要】介紹了新型電磁流量計的工作原理和系統組成。并結合污水處理工藝將電磁流量計與其他流量計進行分析比較,從理論和實踐上闡述電磁流量計在工業污水處理環節流量測量的優勢。
1電磁流量計工作原理和測量系統組成
1.1工作原理
電磁流量計的工作原理是基于法拉第電磁感應定律。被測介質垂直于磁力線方向流動,因而在與介質流動和磁力線都垂直的方向上產生一感應電動勢Ex,
Ex=BDv×10-4
式中:B為磁感應強度,T;D為兩電極間的距離,mm;
v為被測介質的平均流速,m/s;Ex為電動勢,V.
被測介質的流量Q與d和v有關
式中:Q為被測介質的流量,m3/s;v為被測介質的平均流速,m/s;d為流量計的通流截面直徑,m;A為流量計的有效作用面積,m2.
由上式得:
Ex=BDQ×10-4/A
當磁場強度B與兩極間距離D一定時,則:
Ex=K°Q
K=BD×10-4/A=常數
由此可見,感應電動勢Ex與被測介質流量Q成正比。流量Q不受流體的溫度、壓力、密度、電導率變化的影響,具有很大的優越性。測量系統的變送器輸出Ex是一個微弱的交變信號,其中包含各種干擾成分,且信號內阻變化高達幾萬歐姆,因此要求轉換器是一個高輸入阻抗,且能抑制各種干擾成分的交流毫伏轉換器。將感應電動勢轉換成4～20mADC的統一信號。轉換器有高輸入阻抗差動放大器、主放大器、正交干擾抑制器、相敏檢波器、直流放大器、霍爾乘法器等組成,最后輸出電流為:
Io=K°Q(mA)
式中:K為儀表常數;Q為被測流量。
2.2測量系統的組成
電磁流量計經歷了直流勵磁、工頻交流勵磁、低頻矩形波勵磁等階段。70、80年代國內使用較多的工頻交流勵磁因存在電磁感應、靜電耦合等難以消除的工頻干擾,零點穩定性差、可靠性差等缺點已較少采用。目前選型設計時采用低頻干擾(1/4～1/32)矩形波勵磁,它改變了工頻干擾的形態特征,利用工頻同步采樣、動態校零等技術提高了抗干擾能力和零點穩定性。對于像工業污水一樣電導率較低的對象,宜采用有雙頻矩形波(高頻為75Hz的矩形波,外包絡是1/8工頻的矩形波)勵磁技術的產品。
測量系統由測量管路、勵磁線圈、測量電極、信號轉換器等組成。它的勵磁方式與傳統的直流勵磁方式和交流正弦波勵磁方式均不同。流量計中的磁場是通過由信號轉換器供給的正、負交替變化矩形波電流,送到勵磁線圈產生的,它克服了直流勵磁方式易在電極部分產生極化作用,和交流勵磁由于電極、流體、電極形成的閉路及交變磁場的時間變動,引起正比的電磁感應電壓。在兩個檢測電極之間,產生正負交替變化的流量信號電壓,與矩形波勵磁電流的頻率相等。
對于由磁場強度變化產生的電磁干擾電壓,采取把衰減時的電動勢做采樣處理方法取出對應流量信號。在磁場電流達到它的穩定值時,進行采樣處理。因此,通常的干擾電壓都能被消除。
在測量系統中還采用了智能化設計。信號轉換器由5個功能塊組成。功能塊1由輸入前置放大器、高分辨率A/D轉換器和一個控制和監視的微處理器(UP01)組成;功能塊2是由功能塊的電子裝置控制的,給流量計勵磁線圈周期性的產生勵磁電流的裝置;功能塊3由7位LCD液晶顯示器、EEPROM、KSA集成電路、微處理器和3個為了輸入操作參數的按鍵組成。由UP01測定的與輸入操作參數和校準值有關的數字值,經UP02計算后,其值通過科隆公司研制的KSA作為流量比例信號,經光電耦合器到輸出驅動器,正負計數的流量累積值和滿刻度范圍0%～100%的瞬時流量值可在7位LCD液晶顯示。在電源故障停電后,最后的計數器讀數可永久地儲存在E2PROM中。功能塊4把數字信號轉換成4～20mA的電流輸出信號;功能塊5能驅動電子計數器或電動機械計數器。
3電磁流量計的應用實例
某冶煉廠在生產中,由于生產工藝的需要,會產生大量的工業污水,在污水處理分廠必須對污水的流量進行監控。在以往的設計中,流量儀表不少都選用旋渦流量計和孔板流量計。而實際應用中發現測量的流量顯示值與實際流量偏差較大。究其原因,上述兩種流量計都不能滿足實際的需要。
旋渦流量計的工作原理是在管道中插入一個旋渦發生體。當管道中的流體流過旋渦發生體時,在旋渦發生體的后方和兩側會交替地產生有規律的卡門旋渦列。理論和實踐證明,旋渦分離頻率f與管內流體流速v成正比,其關系式為:
f=K °v/D
式中:K為斯特勞哈爾系數;D為旋渦發生體迎流體面寬度。
因此,只要設法測出旋渦分離頻率f就可以知道流體的流速v,從而可以求出流體的流量。旋渦分離頻率可以用多種方式測量,例如應力式、差動電容式等。
從旋渦流量計的工作原理可以看出:旋渦流量計不宜用于測污水的流量。這是因為在測量較臟的流體時,旋渦發生體的表面會有大量的附著物,會使旋渦發生體迎流體面寬度D發生變化,這樣就會使得旋渦分離頻率減小,使得求出的流體流速v減小,使得測量值比實際流量值小。
孔板流量計是早期大量使用的一種測量流量的計量裝置。它的工作原理是在流體管道中加入一孔板節流件,通過導壓管引入差壓變送器測出節流件上、下游的壓差,根據所測的壓差經過計算即得出流量的瞬時值。由于導壓管內水的不流動性,在較寒冷地區,冬天室外安裝的孔板取壓管容易凍裂(凍住),使差壓儀器無法正常工作。測量較臟的污水時,孔板需經常清洗。如清洗不及時,測量精度降低,取壓管經常被污物堵死,儀表無法使用。用孔板的方式測流量時還有壓力損失大、維護量大等缺點。
根據工業污水具有流量變化大、雜質、腐蝕性小、有一定的導電能力等特性,在測量工業污水的流量時,電磁流量計是一個很好的選擇。可選用氯丁橡膠襯里,含鉬不銹鋼(OCr18Ni12Mo2Ti)電極的電磁流量計,即可滿足工業污水流量測量的要求。
4結束語
流量測量儀表受到眾多因素,如:管道、口徑大小、形狀(圓形、矩形)、介質的物性(溫度、壓力、密度、粘度、臟污性、腐蝕性等),流體的流動狀態(紊流狀態、速度分布等),以及安裝條件與水平的影響。而且工業污水的狀態(流態、流速等)時刻在變化,如果選擇流量計不合適,將使測量結果出現很大的偏差。經過理論和實踐的檢驗,電磁流量計在污水流量測量中有著很大的優勢,目前應用得越來越廣泛。
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