防腐型電磁流量計的工作原理及勵磁技術(shù)發(fā)展和趨勢

摘要: 防腐型電磁流量計因其結構簡(jiǎn)單、壓力損失小、可靠性高、精確度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)和民用等領(lǐng)域的流量測量方面，其中的勵磁技術(shù)自始至終都是電磁流量計一個(gè)非常重要的研究方向?；仡欕姶帕髁坑媱畲欧绞降陌l(fā)展過(guò)程，對勵磁方式進(jìn)行了重點(diǎn)分析，并預測其發(fā)展趨勢。
1 防腐型電磁流量計的工作原理和發(fā)展歷程
隨著(zhù)國民經(jīng)濟的持續發(fā)展，企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程不斷優(yōu)化，因此需要各種準確的流量計。電磁流量計是用于測量具有一定電導率的液體介質(zhì)流量的儀表，因其沒(méi)有阻礙被測液體流動(dòng)的部件，所以不易造成管道堵塞，而且其還具有耐腐蝕等眾多優(yōu)點(diǎn)，所以電磁流量計在石油化工、造紙以及食品等行業(yè)有著(zhù)重要的作用。
1. 1 工作原理
當被測液體流經(jīng)工作磁場(chǎng)時(shí)，由于切割磁力線(xiàn)而在液體中產(chǎn)生感生電勢 E 為:
e = KBDv
式中: K 為儀表常數，B 為磁感應強度，D 為管道內徑，v 為管道內的平均流速。
防腐型電磁流量計主要由傳感器和信號轉換器兩部分組成。傳感器安裝在液體流經(jīng)的管道上，它將管道內液體流動(dòng)速度轉換成電壓信號，通過(guò)傳輸線(xiàn)將此信號送到轉換器。轉換器則將傳感器送來(lái)的流量信號進(jìn)一步放大處理，轉換成輸出信號，可以就地顯示、遠傳顯示或用于控制。
1. 2 防腐型電磁流量計的發(fā)展歷程
英國物理學(xué)家法拉第在 1832 年提出，可以利用地球磁場(chǎng)測量英國泰晤士河水的流量，但是由于相關(guān)理論和技術(shù)儲備不足，最終未獲成功。
隨著(zhù)對極化現象深入研究以及電子技術(shù)的進(jìn)步， 在 20 世紀 50 年代初，電磁流量計實(shí)現了工業(yè)化應用。20 世紀 80 年代以來(lái)，隨著(zhù)材料技術(shù)的快速發(fā)展和微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得電磁流量計也不斷趨于完善成熟?，F代的電磁流量計采用功能日益強大的微處理器技術(shù)，使防腐型電磁流量計的各項性能指標不斷提高。
2 勵磁技術(shù)的發(fā)展
勵磁系統是電磁流量計重要的核心部分，因為磁場(chǎng)的形式直接決定了液體所感生的流量信號特征。防腐型電磁流量計的抗干擾能力、測量精度都與磁場(chǎng)的形式有很大關(guān)聯(lián)。勵磁技術(shù)主要有以下幾個(gè)發(fā)展方向。
2. 1 直流勵磁
采用直流勵磁時(shí)，被測液體流經(jīng)的磁場(chǎng)恒定不變，其優(yōu)點(diǎn)為構造簡(jiǎn)單可靠，受交流信號干擾小。但是，由于電極輸出的流量信號和電極極化電壓混疊在一起，而且二者均為直流信號，使得該干擾很難從流量信號中剝離出來(lái)，同時(shí)極化干擾電壓隨著(zhù)流體介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)和液體溫度的改變而變化。另外，電極上感生電動(dòng)勢是直流性質(zhì)，導致被測流體中正負電荷的定向移動(dòng)，隨著(zhù)電極附近離子的不斷聚集，最終使傳感器自身內阻增大，影響其測量的準確性。
金屬液體中不存在電解質(zhì)液體的極化問(wèn)題且電導率很高，對直流勵磁非常有利。直流勵磁適用于測量特殊的液態(tài)金屬。
2. 2 工頻正弦波勵磁
采用工頻正弦勵磁時(shí)，直接使用 50 Hz( 或 60 Hz)的工頻市電勵磁，其優(yōu)點(diǎn)是流量信號為交流性質(zhì)，能夠有效削弱極化的不良作用，降低電極間等效內阻對測量的不良影響。交流勵磁電路非常簡(jiǎn)單，便于提高磁感應強度，提高測量準確度。 交流的工作磁場(chǎng)始終在變化，導致其產(chǎn)生嚴重的正交干擾和同相干擾，此外還存在電磁感應渦流效應、靜電感應、雜散電流等干擾因素，疊加在流量信號中難以去除。
2. 3 高頻正弦波勵磁
非接觸式的電容式防腐型電磁流量計為降低耦合電容的容抗，增加輸出流量信號電壓幅值，所以需要將勵磁頻率提高到幾百赫茲甚至幾千赫茲。被測液體感生電動(dòng)勢的頻率和信號幅值都有所提高，有利于轉換器提高信噪比。但是，正弦波勵磁所固有的微分干擾和同相干擾，仍然對轉換器零點(diǎn)穩定性有一定的影響。
2. 4 矩形波勵磁
矩形波勵磁同時(shí)具備直流勵磁和交流勵磁的優(yōu)點(diǎn)，即直流勵磁無(wú)正交干擾和同相干擾，而交流勵磁的極化干擾小。由于產(chǎn)生正交干擾和同相干擾的根本原因是工作磁場(chǎng)變化過(guò)程，如果工作磁場(chǎng)轉換過(guò)程足夠快，而且工作磁場(chǎng)保持穩定的采樣時(shí)間窗口足夠長(cháng)，從而避免正交干擾和同相干擾的不良影響，對流量信號進(jìn)行提取分析，以顯著(zhù)提高轉換器的零點(diǎn)穩定性。矩形波勵磁又有兩種不同的工作方式，即低頻矩形波勵磁和高頻矩形波勵磁。低頻矩形波勵磁雖然能夠有效地降低各種干擾，但其勵磁周期較長(cháng)，最終降低了傳感器的響應速度，該方法只適用于流速變化緩慢的液體。高頻矩形波勵磁的響應速度快，但隨之而來(lái)的感應干擾問(wèn)題，導致其精度沒(méi)有低頻矩形波勵磁高。
2. 5 雙頻勵磁
雙頻勵磁方式是一種高、低頻矩形波調制波的勵磁方式，其中低頻勵磁是為幫助提高信號放大電路的零點(diǎn)穩定性，而高頻勵磁能降低電極在被測液體介質(zhì)中所產(chǎn)生的極化電壓，減小流量信號中的波動(dòng)，同時(shí)還能提高測量的響應速度。但其輸出流量信號包括兩種頻率特征，后續處理過(guò)于復雜，進(jìn)而制約了它的發(fā)展和推廣。
3 勵磁技術(shù)的趨勢
3. 1 勵磁精度進(jìn)一步提高
工作磁場(chǎng)的精度直接決定了防腐型電磁流量計的誤差。當勵磁電源波動(dòng)或者勵磁繞組由于溫升而使其電阻變大時(shí)，導致磁場(chǎng)大小出現偏差，電磁流量計的誤差變大。隨著(zhù)電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，對勵磁電流的精確控制已經(jīng)很容易實(shí)現。同時(shí)，半導體開(kāi)關(guān)器件的性能不斷提升，新型勵磁電路的效率越來(lái)越高，而體積重量則越來(lái)越小。
3. 2 降低勵磁功率損耗
部分測量現場(chǎng)沒(méi)有提供市電，必須采用電池供電，所以需要進(jìn)一步降低勵磁功率。當被測液體流速比較穩定時(shí)，采用定時(shí)勵磁方法，也可以有效地降低勵磁功率，延長(cháng)電池使用壽命。
4 結語(yǔ)
防腐型電磁流量計在工農業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中有著(zhù)無(wú)可替代的地位，因此電磁流量計的勵磁技術(shù)也將伴隨著(zhù)相關(guān)新材料、新工藝以及新的理論和方法的出現，不斷克服各種技術(shù)瓶頸和障礙，進(jìn)一步提高防腐型電磁流量計的測量精度，拓寬測量范圍。

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