防腐型電磁流量計的工作原理及勵磁技術發(fā)展和趨勢
點擊次數(shù):2219 發(fā)布時間:2021-01-01 12:04:32
摘要: 防腐型電磁流量計因其結構簡單、壓力損失小、可靠性高、精確度高等優(yōu)點,廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)和民用等領域的流量測量方面,其中的勵磁技術自始至終都是電磁流量計一個非常重要的研究方向。回顧電磁流量計勵磁方式的發(fā)展過程,對勵磁方式進行了重點分析,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
隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展,企業(yè)的生產過程不斷優(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流量的儀表,因其沒有阻礙被測液體流動的部件,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,所以電磁流量計在石油化工、造紙以及食品等行業(yè)有著重要的作用。
1. 1 工作原理
當被測液體流經(jīng)工作磁場時,由于切割磁力線而在液體中產生感生電勢 E 為:
e = KBDv
式中: K 為儀表常數(shù),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速度轉換成電壓信號,通過傳輸線將此信號送到轉換器。轉換器則將傳感器送來的流量信號進一步放大處理,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
英國物理學家法拉*在 1832 年提出,可以利用地球磁場測量英國泰晤士河水的流量,但是由于相關理論和技術儲備不足,*終未獲成功。
隨著對*化現(xiàn)象深入研究以及電子技術的進步, 在 20 世紀 50 年代初,電磁流量計實現(xiàn)了工業(yè)化應用。20 世紀 80 年代以來,隨著材料技術的快速發(fā)展和微電子技術的不斷進步,使得電磁流量計也不斷趨于完善成熟?,F(xiàn)代的電磁流量計采用功能日益強大的微處理器技術,使防腐型電磁流量計的各項性能指標不斷提高。
2 勵磁技術的發(fā)展
勵磁系統(tǒng)是電磁流量計重要的核心部分,因為磁場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、測量精度都與磁場的形式有很大關聯(lián)。勵磁技術主要有以下幾個發(fā)展方向。
2. 1 直流勵磁
采用直流勵磁時,被測液體流經(jīng)的磁場恒定不變,其優(yōu)點為構造簡單可靠,受交流信號干擾小。但是,由于電*輸出的流量信號和電**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,同時*化干擾電壓隨著流體介質的流動狀態(tài)和液體溫度的改變而變化。另外,電*上感生電動勢是直流性質,導致被測流體中正負電荷的定向移動,隨著電*附近離子的不斷聚集,*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液體的*化問題且電導率很高,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,直接使用 50 Hz( 或 60 Hz)的工頻市電勵磁,其優(yōu)點是流量信號為交流性質,能夠有效削弱*化的不良作用,降低電*間等效內阻對測量的不良影響。交流勵磁電路非常簡單,便于提高磁感應強度,提高測量準確度。 交流的工作磁場始終在變化,導致其產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,仍然對轉換器零點穩(wěn)定性有一定的影響。
2. 4 矩形波勵磁
矩形波勵磁同時具備直流勵磁和交流勵磁的優(yōu)點,即直流勵磁無正交干擾和同相干擾,而交流勵磁的*化干擾小。由于產生正交干擾和同相干擾的根本原因是工作磁場變化過程,如果工作磁場轉換過程足夠快,而且工作磁場保持穩(wěn)定的采樣時間窗口足夠長,從而避免正交干擾和同相干擾的不良影響,對流量信號進行提取分析,以顯著提高轉換器的零點穩(wěn)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,*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,但隨之而來的感應干擾問題,導致其精度沒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穩(wěn)定性,而高頻勵磁能降低電*在被測液體介質中所產生的*化電壓,減小流量信號中的波動,同時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(xù)處理過于復雜,進而制約了它的發(fā)展和推廣。
3 勵磁技術的趨勢
3. 1 勵磁精度進一步提高
工作磁場的精度直接決定了防腐型電磁流量計的誤差。當勵磁電源波動或者勵磁繞組由于溫升而使其電阻變大時,導致磁場大小出現(xiàn)偏差,電磁流量計的誤差變大。隨著電力電子技術的快速發(fā)展,對勵磁電流的精確控制已經(jīng)很容易實現(xiàn)。同時,半導體開關器件的性能不斷提升,新型勵磁電路的效率越來越高,而體積重量則越來越小。
3. 2 降低勵磁功率損耗
部分測量現(xiàn)場沒有提供市電,必須采用電池供電,所以需要進一步降低勵磁功率。當被測液體流速比較穩(wěn)定時,采用定時勵磁方法,也可以有效地降低勵磁功率,延長電池使用壽命。
4 結語
防腐型電磁流量計在工農業(yè)生產過程中有著無可替代的地位,因此電磁流量計的勵磁技術也將伴隨著相關新材料、新工藝以及新的理論和方法的出現(xiàn),不斷克服各種技術瓶頸和障礙,進一步提高防腐型電磁流量計的測量精度,拓寬測量范圍。
防腐型電磁流量計的漂移產生的原因及有效去除的方法
防腐電磁流量計的安裝條件及注意的問題
防腐型電磁流量計接地的重要性
影響防腐型電磁流量計故障的因素分析
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防腐型電磁流量計安裝
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防腐型電磁流量計的工作原理及勵磁技術發(fā)展和趨勢
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智能防腐型電磁流量計
1 防腐型電磁流量計的工作原理和發(fā)展歷程
隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展,企業(yè)的生產過程不斷優(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流量的儀表,因其沒有阻礙被測液體流動的部件,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,所以電磁流量計在石油化工、造紙以及食品等行業(yè)有著重要的作用。
1. 1 工作原理
當被測液體流經(jīng)工作磁場時,由于切割磁力線而在液體中產生感生電勢 E 為:
e = KBDv
式中: K 為儀表常數(shù),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速度轉換成電壓信號,通過傳輸線將此信號送到轉換器。轉換器則將傳感器送來的流量信號進一步放大處理,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
英國物理學家法拉*在 1832 年提出,可以利用地球磁場測量英國泰晤士河水的流量,但是由于相關理論和技術儲備不足,*終未獲成功。
隨著對*化現(xiàn)象深入研究以及電子技術的進步, 在 20 世紀 50 年代初,電磁流量計實現(xiàn)了工業(yè)化應用。20 世紀 80 年代以來,隨著材料技術的快速發(fā)展和微電子技術的不斷進步,使得電磁流量計也不斷趨于完善成熟?,F(xiàn)代的電磁流量計采用功能日益強大的微處理器技術,使防腐型電磁流量計的各項性能指標不斷提高。
2 勵磁技術的發(fā)展
勵磁系統(tǒng)是電磁流量計重要的核心部分,因為磁場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、測量精度都與磁場的形式有很大關聯(lián)。勵磁技術主要有以下幾個發(fā)展方向。
2. 1 直流勵磁
采用直流勵磁時,被測液體流經(jīng)的磁場恒定不變,其優(yōu)點為構造簡單可靠,受交流信號干擾小。但是,由于電*輸出的流量信號和電**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,同時*化干擾電壓隨著流體介質的流動狀態(tài)和液體溫度的改變而變化。另外,電*上感生電動勢是直流性質,導致被測流體中正負電荷的定向移動,隨著電*附近離子的不斷聚集,*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液體的*化問題且電導率很高,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,直接使用 50 Hz( 或 60 Hz)的工頻市電勵磁,其優(yōu)點是流量信號為交流性質,能夠有效削弱*化的不良作用,降低電*間等效內阻對測量的不良影響。交流勵磁電路非常簡單,便于提高磁感應強度,提高測量準確度。 交流的工作磁場始終在變化,導致其產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,仍然對轉換器零點穩(wěn)定性有一定的影響。
2. 4 矩形波勵磁
矩形波勵磁同時具備直流勵磁和交流勵磁的優(yōu)點,即直流勵磁無正交干擾和同相干擾,而交流勵磁的*化干擾小。由于產生正交干擾和同相干擾的根本原因是工作磁場變化過程,如果工作磁場轉換過程足夠快,而且工作磁場保持穩(wěn)定的采樣時間窗口足夠長,從而避免正交干擾和同相干擾的不良影響,對流量信號進行提取分析,以顯著提高轉換器的零點穩(wěn)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,*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,但隨之而來的感應干擾問題,導致其精度沒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穩(wěn)定性,而高頻勵磁能降低電*在被測液體介質中所產生的*化電壓,減小流量信號中的波動,同時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(xù)處理過于復雜,進而制約了它的發(fā)展和推廣。
3 勵磁技術的趨勢
3. 1 勵磁精度進一步提高
工作磁場的精度直接決定了防腐型電磁流量計的誤差。當勵磁電源波動或者勵磁繞組由于溫升而使其電阻變大時,導致磁場大小出現(xiàn)偏差,電磁流量計的誤差變大。隨著電力電子技術的快速發(fā)展,對勵磁電流的精確控制已經(jīng)很容易實現(xiàn)。同時,半導體開關器件的性能不斷提升,新型勵磁電路的效率越來越高,而體積重量則越來越小。
3. 2 降低勵磁功率損耗
部分測量現(xiàn)場沒有提供市電,必須采用電池供電,所以需要進一步降低勵磁功率。當被測液體流速比較穩(wěn)定時,采用定時勵磁方法,也可以有效地降低勵磁功率,延長電池使用壽命。
4 結語
防腐型電磁流量計在工農業(yè)生產過程中有著無可替代的地位,因此電磁流量計的勵磁技術也將伴隨著相關新材料、新工藝以及新的理論和方法的出現(xiàn),不斷克服各種技術瓶頸和障礙,進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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