0 引 言
随着国民经济的发展和现代生产过程自动化程度的不断提高,流量作为主要的过程参数之一,已成为判断生产过程的效率.工作状况及经济性能的重要指标.因此测量流体流量 的流量计的地位日趋突出。下面主要对电磁流量计的发展史及其技术动向进行综述.
1 发展史
电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律用来测量导电性液体体积流量的仪表.它可在层流、紊流、脉动流量以及产生流线振动等情况下对流体进行流量测量.由于其测量管光滑,压力损失小,测量范围宽,反应灵敏,能获得与流量成比例的信号,加之其测量管直通无死角,便于清洗和灭菌消毒,因此它在用于特殊卫生要求的医药和食品工业中得到了广泛的应用.特别是大口径电磁流量计在给排水工程、港口疏流和废水处理系统中更是大显身手.
自法拉第1831年发现电磁感应定律后,1832年他便期望利用地球的地磁场来测量英国泰晤士河水的潮汐和流量,但试验进行三天便失败了[6].这也是世界上最早的一次电磁流量计的试验.
1932年,生物学家A.Kolin第一个成功地完成了圆形管道的电磁流量计,可用来测量和记录瞬时动脉血液流量.
1954年,Foxbor公司推出了世界上第一个电磁流量计产品.1955年,日本也制成了电 磁流量计,几乎同时前苏联、英国、前西德也相继试制成功.我国在1957年才开始研制电磁流量计.
经过几十年的发展,国内外生产电磁流量计厂家如雨后春笋般迅速发展起来.目前国外主要厂家有:日本横河公司(YEWMAG,ADMAG型),日立公司(FMP251型),美国Brooks公司(Maglite,May7500系列),Foxbor公司(M800型),德国KROHNK公司(KXBO,K180,K280,以及K480型等),Endress+Hauser(Mastermag型等)等著名厂家.目前我国也约有20家电磁流量计制造厂.
据1994年7月《计装》杂志报导,美国1989年的实际流量仪表市场为7.25亿美元,电磁流量计占9.7%;日本1992年的实际流量仪表市场为591亿日元,其中电磁流量计占16.5%,仅次于差压式流量计位于第二,足见电磁流量计在流量计量工业中的重要地位。
2 技术焦点
自50年代电磁流量计在工业上应用以来,已得到了迅速发展,电磁流量计的性能也大为提高.目前,变送器的口径达2.5mm～3m;精度等级±0.5%;能设计最高耐温180℃,最大耐压320Pa;范围度可达100∶1;满量程的流速0.3～10m??s;可测电导率低于0.05 Λs??cm的液体;衬里材料有硬、软及聚氨脂橡胶、聚四氟乙烯、陶瓷等;电极材料有耐酸不锈钢ICr18Ni19Ti、哈氏合金B??C、 铂、钛、铂2铱合金、业乃尔合金等.但长期以来,大口径电磁流量计的标定、零点漂移、激磁功率等问题仍是影响电磁流量计发展的主要因素.
2.1 标定技术
长期以来,国内外电磁流量计只能用实流标定.随着电磁流量计产品的精度、流程范围及规格提高(达0.2级精度,1000∶1流程范围,3m以上口径),生产、使用和计量管理时标定它的技术设备费用也越来越高.上海光华美而特仪器有限公司引进一套2m口径的实流标定技术设备费用近400万马克,标定用的水塔高达36m,大口径标定设备的使用代价也 很惊人,1m口径的流量计在1m??s流速标定时,就需要2827m3??h的水流量[3] .目前国内的计量管理结构和企业就很难对电磁流量计进行必需的校验标定.因此实现电磁流量计的非实流标定就具有相当的意义.下面介绍一种首创的用静止的电解质溶液内的离子电流等效实际流量的离子电流的标定方法.
(1)设计思想
向静止的电解质溶液加入可控电流I,使溶液内离子沿传感器管道有可控速度V,于垂直磁场B的作用下在传感器内两个信号电极轴向产生电场E.可得出在传感器信号电极两端的电动势就是液体内离子流速V在磁场和边界条件(即传感器的电极与管道空间关系决定的权重函数)下的解;利用电解质标准溶液淌度作流量基准,便可得出标定用电解质液体的离子速度,则对应离子电流就可具体等效于实际流体的流量值[3].
(2)理论依据
对于宽度为Wm,厚度为Hm,霍尔系数为Rm3??C的矩形截面的霍尔效应中,在离子电流I和磁场B下有霍尔电势U∶U=(RIB)??H.改写为U=[(R??I)??(WH)]BW,当设V=(R??I)??(WH)时,V的量纲就是m??s,即V就是导电离子的截面平均流速,则有霍尔电势为U=VBW,这即为矩形截面管道电磁流量计传感器电极所得的电势形式[4].因此圆管道电磁流量计就是基本方程在磁场、电极与管道空间关系决定权重函数条件下的电极电势解.
离子电流标定法能实现对各种口径电磁流量计的标定,特别是对大口径、高精度、宽量程的电磁流量计标定更具有非凡的意义。
2.2 零点稳定性
励磁频率是影响电磁流量计的动态响应速度和零点稳定性的主要性能指标.励磁频率低,零点稳定性高,但仪表抗低频干扰能力减弱,响应速度慢;励磁频率高,仪表抗干扰能力强,响应速度快,但零点稳定性差.很长一段时期,励磁技术制约着电磁流量计的发展.
(1)双频励磁
1988年,日本横河公司推出了双频励磁技术,由低频(6.25Hz)矩形波和高频(75Hz)矩形波叠加构成励磁电流的波形,对两种频率采样,得到高频和低频两种流量信号,这样可达到零点稳定性好、响应速度快(可达0.1s)、抗低频干扰能力强的要求.在流量较稳定的情况下,该方法能取得满意的效果,但当流量连续波动时,保证叠加后的线性度的技术难度高.
(2)零点动态相关互补法
通过两个采样保持器,在一个正向(或负向)激磁下动态消除信号的零点漂动值,与励磁频率无关.这样,可使用较高的励磁频率,并同时获得稳定的零点,也易消除流动噪声.但必须使相关互补达到较理想时才能有较好的综合性能指标.
2.3 励磁功率
励磁功率对电磁流量计的防爆性能和传感器的灵敏度及感应信号的信噪比有着重要影响.励磁电流直接影响励磁功率.励磁电流小,则励磁功率小,电磁流量计防爆性能好,但传感器灵敏度减小,感应信号的信噪比下降,量程变小,精度降低.
通过零点自动动态辨识与反馈补偿,可获得较好的效果.即首先对信号进行零点漂移的动态辨识(判断出零点漂动值以及是否是流体流速在变化),再将漂动值反馈到前级放大器,使放大器在消除零点后对信号进行高增益放大.这样,即使对较小的励磁电流,也能获得响应速度快、量程范围大、精度高等性能指标.为电磁流量计在防爆要求高的化学工业中的应用开辟了很好的前景.
2.4 其他
近20年来,电磁流量计在转换器微机化与智能化、传感器与转换器一体化、小型轻量化以及衬里材料、电极形状与材料、电极表面脏物消除等方面也取得了重大进展,使电磁流量计的精确度、线性度和稳定性显著提高,并出现了无电极电磁流量计,对被测液体导电率的要求大大降低。
3 结束语
近年来,电磁流量计技术飞速发展,在化学、食品与制药、造纸业、市政工程、矿产、建筑等行业也得到了极为广泛的应用.随着技术的日新月异,相信电磁流量计的前景将更为灿烂。
