【摘要】介紹了新型電磁流量計(jì)的工作原理和系統(tǒng)組成。并結(jié)合污水處理工藝將電磁流量計(jì)與其他流量計(jì)進(jìn)行分析比較,從理論和實(shí)踐上闡述電磁流量計(jì)在工業(yè)污水處理環(huán)節(jié)流量測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。
1電磁流量計(jì)工作原理和測(cè)量系統(tǒng)組成
1.1工作原理
電磁流量計(jì)的工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。被測(cè)介質(zhì)垂直于磁力線方向流動(dòng),因而在與介質(zhì)流動(dòng)和磁力線都垂直的方向上產(chǎn)生一感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ex,
Ex=BDv×10-4
式中:B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,T;D為兩電極間的距離,mm;
v為被測(cè)介質(zhì)的平均流速,m/s;Ex為電動(dòng)勢(shì),V.
被測(cè)介質(zhì)的流量Q與d和v有關(guān)
式中:Q為被測(cè)介質(zhì)的流量,m3/s;v為被測(cè)介質(zhì)的平均流速,m/s;d為流量計(jì)的通流截面直徑,m;A為流量計(jì)的有效作用面積,m2.
由上式得:
Ex=BDQ×10-4/A
當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度B與兩極間距離D一定時(shí),則:
Ex=K°Q
K=BD×10-4/A=常數(shù)
由此可見,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ex與被測(cè)介質(zhì)流量Q成正比。流量Q不受流體的溫度、壓力、密度、電導(dǎo)率變化的影響,具有很大的優(yōu)越性。測(cè)量系統(tǒng)的變送器輸出Ex是一個(gè)微弱的交變信號(hào),其中包含各種干擾成分,且信號(hào)內(nèi)阻變化高達(dá)幾萬歐姆,因此要求轉(zhuǎn)換器是一個(gè)高輸入阻抗,且能抑制各種干擾成分的交流毫伏轉(zhuǎn)換器。將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換成4～20mADC的統(tǒng)一信號(hào)。轉(zhuǎn)換器有高輸入阻抗差動(dòng)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(shù);Q為被測(cè)流量。
2.2測(cè)量系統(tǒng)的組成
電磁流量計(jì)經(jīng)歷了直流勵(lì)磁、工頻交流勵(lì)磁、低頻矩形波勵(lì)磁等階段。70、80年代國(guó)內(nèi)使用較多的工頻交流勵(lì)磁因存在電磁感應(yīng)、靜電耦合等難以消除的工頻干擾,零點(diǎn)穩(wěn)定性差、可靠性差等缺點(diǎn)已較少采用。目前選型設(shè)計(jì)時(shí)采用低頻干擾(1/4～1/32)矩形波勵(lì)磁,它改變了工頻干擾的形態(tài)特征,利用工頻同步采樣、動(dòng)態(tài)校零等技術(shù)提高了抗干擾能力和零點(diǎn)穩(wěn)定性。對(duì)于像工業(yè)污水一樣電導(dǎo)率較低的對(duì)象,宜采用有雙頻矩形波(高頻為75Hz的矩形波,外包絡(luò)是1/8工頻的矩形波)勵(lì)磁技術(shù)的產(chǎn)品。
測(cè)量系統(tǒng)由測(cè)量管路、勵(lì)磁線圈、測(cè)量電極、信號(hào)轉(zhuǎn)換器等組成。它的勵(lì)磁方式與傳統(tǒng)的直流勵(lì)磁方式和交流正弦波勵(lì)磁方式均不同。流量計(jì)中的磁場(chǎng)是通過由信號(hào)轉(zhuǎn)換器供給的正、負(fù)交替變化矩形波電流,送到勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的,它克服了直流勵(lì)磁方式易在電極部分產(chǎn)生極化作用,和交流勵(lì)磁由于電極、流體、電極形成的閉路及交變磁場(chǎng)的時(shí)間變動(dòng),引起正比的電磁感應(yīng)電壓。在兩個(gè)檢測(cè)電極之間,產(chǎn)生正負(fù)交替變化的流量信號(hào)電壓,與矩形波勵(lì)磁電流的頻率相等。
對(duì)于由磁場(chǎng)強(qiáng)度變化產(chǎn)生的電磁干擾電壓,采取把衰減時(shí)的電動(dòng)勢(shì)做采樣處理方法取出對(duì)應(yīng)流量信號(hào)。在磁場(chǎng)電流達(dá)到它的穩(wěn)定值時(shí),進(jìn)行采樣處理。因此,通常的干擾電壓都能被消除。
在測(cè)量系統(tǒng)中還采用了智能化設(shè)計(jì)。信號(hào)轉(zhuǎn)換器由5個(gè)功能塊組成。功能塊1由輸入前置放大器、高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)控制和監(jiān)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(jì)勵(lì)磁線圈周期性的產(chǎn)生勵(lì)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(gè)為了輸入操作參數(shù)的按鍵組成。由UP01測(cè)定的與輸入操作參數(shù)和校準(zhǔn)值有關(guān)的數(shù)字值,經(jīng)UP02計(jì)算后,其值通過科隆公司研制的KSA作為流量比例信號(hào),經(jīng)光電耦合器到輸出驅(qū)動(dòng)器,正負(fù)計(jì)數(shù)的流量累積值和滿刻度范圍0%～100%的瞬時(shí)流量值可在7位LCD液晶顯示。在電源故障停電后,最后的計(jì)數(shù)器讀數(shù)可永久地儲(chǔ)存在E2PROM中。功能塊4把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流輸出信號(hào);功能塊5能驅(qū)動(dòng)電子計(jì)數(shù)器或電動(dòng)機(jī)械計(jì)數(shù)器。
3電磁流量計(jì)的應(yīng)用實(shí)例
某冶煉廠在生產(chǎn)中,由于生產(chǎn)工藝的需要,會(huì)產(chǎn)生大量的工業(yè)污水,在污水處理分廠必須對(duì)污水的流量進(jìn)行監(jiān)控。在以往的設(shè)計(jì)中,流量?jī)x表不少都選用旋渦流量計(jì)和孔板流量計(jì)。而實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)測(cè)量的流量顯示值與實(shí)際流量偏差較大。究其原因,上述兩種流量計(jì)都不能滿足實(shí)際的需要。
旋渦流量計(jì)的工作原理是在管道中插入一個(gè)旋渦發(fā)生體。當(dāng)管道中的流體流過旋渦發(fā)生體時(shí),在旋渦發(fā)生體的后方和兩側(cè)會(huì)交替地產(chǎn)生有規(guī)律的卡門旋渦列。理論和實(shí)踐證明,旋渦分離頻率f與管內(nèi)流體流速v成正比,其關(guān)系式為:
f=K °v/D
式中:K為斯特勞哈爾系數(shù);D為旋渦發(fā)生體迎流體面寬度。
因此,只要設(shè)法測(cè)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(cè)量,例如應(yīng)力式、差動(dòng)電容式等。
從旋渦流量計(jì)的工作原理可以看出:旋渦流量計(jì)不宜用于測(cè)污水的流量。這是因?yàn)樵跍y(cè)量較臟的流體時(shí),旋渦發(fā)生體的表面會(huì)有大量的附著物,會(huì)使旋渦發(fā)生體迎流體面寬度D發(fā)生變化,這樣就會(huì)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(cè)量值比實(shí)際流量值小。
孔板流量計(jì)是早期大量使用的一種測(cè)量流量的計(jì)量裝置。它的工作原理是在流體管道中加入一孔板節(jié)流件,通過導(dǎo)壓管引入差壓變送器測(cè)出節(jié)流件上、下游的壓差,根據(jù)所測(cè)的壓差經(jīng)過計(jì)算即得出流量的瞬時(shí)值。由于導(dǎo)壓管內(nèi)水的不流動(dòng)性,在較寒冷地區(qū),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(cè)量較臟的污水時(shí),孔板需經(jīng)常清洗。如清洗不及時(shí),測(cè)量精度降低,取壓管經(jīng)常被污物堵死,儀表無法使用。用孔板的方式測(cè)流量時(shí)還有壓力損失大、維護(hù)量大等缺點(diǎn)。
根據(jù)工業(yè)污水具有流量變化大、雜質(zhì)、腐蝕性小、有一定的導(dǎo)電能力等特性,在測(cè)量工業(yè)污水的流量時(shí),電磁流量計(jì)是一個(gè)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(jì),即可滿足工業(yè)污水流量測(cè)量的要求。
4結(jié)束語
流量測(cè)量?jī)x表受到眾多因素,如:管道、口徑大小、形狀(圓形、矩形)、介質(zhì)的物性(溫度、壓力、密度、粘度、臟污性、腐蝕性等),流體的流動(dòng)狀態(tài)(紊流狀態(tài)、速度分布等),以及安裝條件與水平的影響。而且工業(yè)污水的狀態(tài)(流態(tài)、流速等)時(shí)刻在變化,如果選擇流量計(jì)不合適,將使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)很大的偏差。經(jīng)過理論和實(shí)踐的檢驗(yàn),電磁流量計(jì)在污水流量測(cè)量中有著很大的優(yōu)勢(shì),目前應(yīng)用得越來越廣泛。
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