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通用电磁流量传感器


    我们把用于封闭管道充满流体介质测量的电磁流量传感器称为通用传感器。近年新发展的电容式电磁流计和电磁式水表另外介绍。
    通用传感器产品口径可以从1mm到3m。如此大范围不同的口径,给流量计结构与性能带来了一些差别,其性能差别主要反映在测量精度方面。表3一6列出现代典型通用传感器的电磁流量计的测量精度等级指标。

电磁流量计


表3一6通用传感器电磁流量计的测量精度

公称通径
流速Am/s
分类 尺寸/mm
0.3-1.0
1.0-15
微小型 1~15 量程的土0.5%或测量范围在量程的50%以上为测量值的土1% 指示值的土0.5%(指示值>量程的25%);量程的土0.25%(指示值<量程的25%)
中小型 20-600 指示值的土0.5%(指示值>量程的25%);量程的土0.2%(指示值<量程的25%) 指示值的土0.3%(指示值>量程的25%);量程的土0.2%(指示值<量程的25%)
大型 700-3000 量程的土0.5%或测量范围在量程的50%以上为测量值的土1% 指示值的土0.5%(指示值>量程的25%);量程的土0.25%(指示值<量程的25%)

    从表中可以看出,各公称通径的测量精度除了流速大小有差别外,不同通径也有差别。微小型和大型传感器的流量计测量精度,显然比中小型传感器要低一些。流速大小的测量精度是由仪表灵敏度和噪声处理能力所决定,造成不同通径传感器精度差别的原因在下文进行分析。
    从流体力学角度考虑,口径小的微小型传感器内的流体流动状态可能是紊流,也可能是层流,低流速时大多数处于层流状态。侧量管直径小,其内壁粗糙度引起速度分布的变化对测量的影响相对要大。从产品制造角度考虑,微小通径传感器加工的尺寸难于保证一致,电极回路的装配精度难于控制,尤其是零点值也相对要大一些。零点幅值大的原因是设计制造的传感器每lm/s流速产生同样的信号隔度,微小型的磁感应强度高,电极引出回路面积相对变化率要比中小型口径传感器大。因此,按电磁感应定律,微小型感应的正交干扰(同相干扰)会比中小型通径传感器要大一些。其次,微小通径的电极直径小,信号内阻高,往往会引起高的共模干扰。这就要求在应用时,要更好的接地(接流体)。综合上述影响因素,降低了微小型通径仪表的测量精度。
    对于大型传感器.尽管设计制造的传感器与中小型具有同样的每1m/s流速信号幅度,它的磁感应强度要低一些。但是,大型传感器的电极引出回路面积比较大,其相对变化率也可能比较大。因此,正交干扰及同相干扰也相对大,也就是零点值相对比较高。更为重要的是。大口径传感器测量管的涡电流大.铁损电流也大,信噪比将会下降,这是使精度降低的重要原因。再者,使用安装的大口径传感器很难满足仪表前、后的直管段长度要求。也就是说,难以保证传感器内的流速分布的轴对称性。总之,和微小型一样,由于流体测量原理和结构上的问题,同样影响了大型传感器侧量精度的提高。
    微小型传感器的电极结构只能应用外插式,其衬里材料也只能用注塑工艺的氟塑料和工业陶瓷。
大型传感器的流量计一般都用来测量水或污水,介质的腐蚀性、温度、压力、磨耗性的要求较低。所以,通常其衬里材料采用橡胶或聚氨酯橡胶,电极材质一般都采用含钼耐酸钢(如0C17Ni14Mo2或316L)材料。   
为了适用于不同的工况条件,通用的传感器在结构上又可分为:
    (1)沉浸型
    这是符合电工委员会IEC标准IEC529一76和与之等同的国家标准GB 4208一93规定的外壳防护等级的标准中IP67和IP68的要求. 沉浸型传感器一般用于测量水或污水的大口径流量计,这些流量计的安装管道通常埋在地下,传感器经常泡在水中。因此,要求传感器无论本体、接线装置以及电缆都应该具有优良的耐水密封性。要求励磁线圈与测星管的绝缘电阻保持在20MΩ以上,励磁线圈对地的绝缘强度也保证能耐1500V以上的击穿电压。符合IP68沉浸型的传感器其励磁线圈和接线盒可能使用树脂胶封处理.成本及价格会有所增加。
    (2)卫生型
    在食品、医药和酿造行业的应用领域,从卫生的角度出发,其工艺过程中需要定期地使用高温蒸气对工艺管线和仪表进行消洗消毒,并且包括流量计传感器在内的管线接头部位不能有残留的介质,以防细菌繁殖。因此.酪农联盟IDF ( Internationud Dairy Federation)规定了食品工业管道标准的快速接头形式。卫生型流量计传感器就使用符合规定的DF接头或卡箍型结构的连接接头。同时.为了承受经常冲洗.防止仪表外壳的诱蚀,一般卫生型传感器的外壳是使用不锈钢材料制造。图3一40所示是一种卫生型电磁流量计。
    必须注意到.传感器需要经常进行高温清洗和冷水冲刷 .其衬里应具有良好耐热冲击性能。所以,卫生型传感器应用的聚四氟乙烯衬里,较好的措施是在制作工艺中加人金属网用PFA注塑。当然,使用工业陶瓷衬里耐热冲击性能更好。
    卫生型流量计还经常用于牛奶和饮料的灌装。由于灌装开关频繁,要求计量准确,需要使用较高的励磁频率的仪表,并且转换器具有定量发讯的功能和0.2s以下的响应时间。
    (3)防爆型
    在石油化工、化肥等工业生产过程的流量测量和控制中,大量应用能够解决介质腐蚀问题的电磁流量计。但是,这些行业的生产现场,多有爆炸性气体和可燃性液体挥发出来的蒸气存在,所以,需要使用防爆型电磁流量计。
    关于防爆,应清楚防爆的原理、方法与分类、标准,建立对防爆的初步认识,了解防爆的基本知识。爆炸是在同时满足三个条件下发生的:
    a.现场存在易爆物质.如易爆气体;
    b.现场存在氧气;
    c.现场存在易爆源.如足够能量的电火花或足够高的物体表面温度。
    显然,消除三个条件中的任何一个,就能防爆。由于氧气无处不在,难以控制。所以,控制易爆气体和引爆流为两个常见的防爆原理,而在仪表行业还经常采用控制爆炸范围的防爆原理。
    人为地在危险现场营造一个没有易爆气体的空间,将仪表安装在其中。典型代表为正压型防爆方法EXp。做法是将仪表安装在一个密封的箱休内,充满洁净空气或惰性气体并保持箱内气压略大于箱外气压,易爆气体不能进入箱内。用将正压的氮气保存在传感器密封壳体内,转换器密封壳体上设计有充洁净空气或惰性气体的进气和排气接头的防爆方法,就是正压型防爆原理的电磁流量计。
人为地将爆炸局限在一个有限的范围内.该范围内的爆炸不至于引起更大范围的爆炸。典型代表如隔爆型防爆方法EXd。工作原理是为仪表设计一个足够坚固的外壳或将仪表及电器安置在一个足够坚固的壳体内,严格的按标准设计、制造和安装所有的界面,使在机壳内发生的爆炸不至于引发机壳外危险性气体的爆炸。显然,这是一种苛刻的防爆方法。不仅设计和制造的规范极其严格,而且安装、接线和维修的操作规程也非常严格,容不得一点差错。
   人为地消除引爆源,既消除引爆的火花,又消除足以引爆的仪表表面温升。典型代表为本质安全防爆方法Ex i。工作原理是利用安全栅,将提供给现场仪表的电能量限制在既不能产生足以引爆的火花,又不能产生足以引爆仪表表面升温的安全范围内。按照标准IEC60079一1:1998和国家标准GB3836.2一2000,当安全栅安全区一侧所接设备发生任何故障(不超过250V电压)时,本质安全防爆方法能确保现场的防爆安全。Ex ia级本质安全设备在正常工作时.发生一个故障、发生两个故障时均不能点燃爆炸性气体混合物。本质安全防爆方法确保对现场仪表进行带电拆装、检查和维修时的防爆安全。
显而易见,本质安全方法是安全可靠的防爆方法。因此,被允许用在危险的场合。
    我国和世界大多数国家一样,将存在有气态或蒸气状态或雾态爆炸性混合物的危险场所分成三个等级区域:
    0区域(Zone 0):在此区域内,上述爆炸性混合物在正常工作时持续或长期存在。或者说每年存在1000h以上。
    1区域(Zone 1):在此区域内,上述爆炸性混合物在正常工作时偶尔存在。或者说每年存在lOh以上,但不会超过1000h.
    2区域(Zone 2 ):在此区域内.上述爆炸性混合物极少存在。且即使存在也是短时间的。或者说每年只存在不到10h.
依照国家标准规范,各等级危险场合所适用的防爆方法如下:
0区域Ex is本质安全型防爆方法GB 3836.4-2000
1区域适用于0区域的防爆方法
    Ex ib:本质安全型防爆方法GB 3836.4-2000
    Ex p:正压型防爆方法GB 3836.5-2000
    Ex d:隔爆}J防爆方法GB 3836.2-2000
    Ex e:增安型防爆方法GB 3836.3-2000
    Exm:浇封型防爆方法GB 3836.9-2000
    Ex q:充砂型防爆方法GB 3836.7-2000
    E。:充油型防爆方法GB 3836.6-2000
2区域适用于0区域和I区域的防爆方法
    Ex 无火花型防爆方法GB 3836.8-2000
可以看出,允许选用何种防爆方法取决于仪表被安装在哪个等级的危险场合下。本质安全型防爆方法被允许用在任何危险场合。
根据可能引爆的小火花能量,国家标准将爆炸性气体分为四个危险等级,见表3一7所示。
表3一7恨炸性气体危险等级

工况类别 气体分类 代表性气体 小引爆火花能量
矿井下> I 甲烷 0.280mJ
矿井外的工厂 IIA 丙烷 0.180mJ
>IIB 乙烷 0.060mJ
IIC 氧气 0.019mJ

    根据气体对物体表面温度的敏感性,和国家标准将爆炸性气体分成六个温度组别,见表3一8

温度组别 安全的物体表面温度/℃ 155种常用爆炸性气体举例
T1 ≤450 氢气、丙烯睛等46种
T2 ≤300 乙炔、乙烯等47种
T3 ≤200 汽油、丁烯醛等36种
T4 ≤135 乙醛、四氟乙烯等6种
T5 ≤100 二硫化碳
T6 ≤85 硝酸乙醋和亚硝酸乙酯

    上表可见,常用爆炸性气体中的绝大多数属T4以上组别。T5和T6只有3例。
    标准规定在防爆型仪表的铭牌和样本或产品说明书中必须标注防爆标志。了解上述防爆基本知识的实用意义在于识别仪表的防爆标志,从而对仪表的可安装区域和可涉及的爆炸性气体一目了然。例如:Ex isnC T6,它的防爆标志含义
如下:


符号
标志内容
含义
Ex 防爆声明 符合中国国家标准GB 3836-20
ia> 防爆方法 采用ia级本质安全防爆方法,可安装在0区城
IIC 气体类别 被允许涉及IIC类爆炸性气休
T6 温度组别 仪表表面温度不超过85℃

    电磁流量计不同于其他二线制变送器,它是由传感器和转换器组合而成。转换器要向传感器的励磁线圈提供较大的励磁电流,往往超过防爆标准限定的回路电流和上限电压,转换器电路中不可避免地存在较大容量的储能元件电容,传感器的励磁线圈又是一个大的储能元件电感,这些都给本质安全防爆的电磁流量计防爆设计和制造增加了难度。近年来新开发的低功耗二线制电磁流量计比较容易做成本质安全型防爆产品。
    在电磁流量计防爆产品中.有上面所述的按正压型防爆方法Ex p的防爆产品,有符合隔爆型防爆方法Ex d标准的转换器壳体和隔爆型传感器壳体,以及充砂、浇封型传感器的防爆类型。更多的则是把转换器安装在没有能够引起爆炸气体和物质的安全区域,通过安全防爆姗隔离,与安装在易爆区域的传危险现场的电压和电流。齐纳管Z用于限制电压,让齐纳管两端的电压始终保持在安全电压以下;电阻R用于限制电流,适当选择电阻值可将回路电流限制在安全限流值以内;保险丝F的作用是防止齐纳管长期流过的大电流被烧断而导致回路限压失败。为确保回路限压安全.保险fk必须选用高速熔断型,其熔断速度比齐纳管击穿快10倍。如图3-41所示,电路采用三个齐纳管冗余并联,能够确保安全栅的正常工作,若有一个故障或两个故障时输出电能量均能可靠限制在安全参数规定的范围内,从而满足ia级本质安全的要求。

电磁流量计


    传感器可按正压型防爆方法Ex p,隔爆型防爆方法Ex d,增安型防爆方法Ex e、浇封型防爆方法Ex m以及充砂型防爆方法Ex q等有关标准设计与制造。图3一41具有防爆安全栅的电磁流量计系统
    (4)一体型和二线制电磁流量计
    结构上把传感器和转换器构成一个整体,称为一体型电磁流量计。一体型电磁流量计在安装使用中可减少励磁和信号传输电缆,节约安装费用,并带来现场操作与就地指示的方便,其仪表制造成本也相对低。所以,一体型电磁流量计在工业生产过程控制中经常被使用。但是,一体型使用的环境温度受转换器元器件的限制,一般不会高于60℃,对于管道振动的限制条件也较分离型多一些。另外,环境条件对转换器的外壳防护等级要求也提高了,一般需要在IP65以上。    二线制电磁流量计的4一20mA输出信号串在直流供电的电源回路中,励磁的能量也取自输出电流。流量计只有两条传输电缆.电源线与信号输出线共用。二线制仪表可以减少电缆的敷设,统一电源,节约成本,便于维护和管理。一般二线制电磁流量计都采用一体型结构。
    二线制电磁流量计的励磁电流微小,比较容易制成本质防爆型结构。

电磁流量计


    二线制电磁流量计技术难度在于解决仪表的低功耗问题。它要求仪表的工作电流不大于4mA。由于减低传感器励磁电流.从而降低了磁场强度,减低了感应的流量信号(二线制设计传感器感应信号一般为1m/s流速,小于40uN)。传感器结构可采用磁导率高、矫顽力小、新型的非晶态磁性材料作为铁芯,以减少漏磁,提高励磁效率和减小温度变化影响。要求转换器选择低功耗器件和采用高增益、低噪声的电路。并且采用脉冲调制的隔离措施来为模拟电路及数字电路提供不同的供电电压,以提高其抗干扰性能。图3一42为典型的二线制电磁流量计基本原理框图。二线制电磁流量计一般只适于DN200以下的中小通径。

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