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電磁流量計(jì)有關(guān)問題探討
2014-11-06
一、 非軸對(duì)稱流動(dòng)引起的誤差
流體在管內(nèi)流速為軸對(duì)稱分布時(shí)，且在均勻磁場(chǎng)中，流量計(jì)電極上所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的大小與流體的流速分布無關(guān)，與流體的平均流速成正比，而非軸對(duì)稱流速分布時(shí)，即每個(gè)流動(dòng)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于電極幾何位置的不同，對(duì)電極所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小也不同，愈靠近電極，速度大的質(zhì)點(diǎn)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大，因此，必須保證流體流速為軸對(duì)稱。如管內(nèi)流速為非軸對(duì)稱分布就會(huì)引起誤差。因而在選裝電磁流量計(jì)時(shí)要盡可能保證直管段的要求以減小其所引起的誤差。
二、 流體電導(dǎo)率的問題
流體電導(dǎo)率的降低，將增加電極的輸出阻抗，并且由轉(zhuǎn)換器輸入阻抗引起的負(fù)載效而產(chǎn)生誤差，因此，按如下所述原則，規(guī)定了電磁流量計(jì)應(yīng)用中流體的電導(dǎo)率的下限。
電極的輸出阻抗決定了轉(zhuǎn)換器所需的輸入阻抗的大小，而電極輸出阻抗，可認(rèn)為流體的電導(dǎo)率和電極大小所支配。
在理論分析時(shí)，將電極作為點(diǎn)電極，大小可以忽略，實(shí)際上，電極有一定大小，當(dāng)直徑為d的圓板電極與電導(dǎo)率為K的半無限展寬的流體接觸時(shí)，其展寬電阻為1/2Kd，因此，如果管道直徑Ｄ＞＞d，則電極的輸出阻抗為兩個(gè)展寬電阻之和，即等于1/Kd。
一般測(cè)量的流體電導(dǎo)率的下限為5µS/㎝～10µS/㎝，所以，若電極直徑為1㎝，則電極的輸出阻抗就為1/Kd=100kΩ～200kΩ，為使輸出阻抗的影響限制在0.1%以下，轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗應(yīng)為200MΩ左右。
三、 電極襯里附著物的影響
在測(cè)量有附著沉淀物的流體時(shí)，電極表面將受污染，常常引起零點(diǎn)變動(dòng)，故必須注意。
零點(diǎn)變化和電極污染程度兩者的關(guān)系，要進(jìn)行定量分析比較困難，但可以說，電極直徑越小，所受的影響越少，在使用中，應(yīng)注意電極的清污，以防止附著。
在襯里上附著沉淀物時(shí)產(chǎn)生的誤差Δε，如果附著的厚度是一樣，則可由式：
Δε=1-2/[1+（Kω/Kf）+（1- Kω/Kf ）×（1-2t/D）2]計(jì)算，式中Kω、Kf分別為附著物和測(cè)量流體的電導(dǎo)率，附著物厚度為ｔ，直徑為Ｄ。
若式中，Kω和Kf相等，則無誤差，附著物的電導(dǎo)率較低時(shí)，上式也成立，但因?yàn)闀?huì)增加電極的輸出阻抗，因此受到限制，如絕緣性沉淀物浸在流體中就是這種情況。相反，如附著金屬粉末等，因高電導(dǎo)率的附著層，使感應(yīng)電勢(shì)短路，使電極輸出偏低，造成負(fù)偏差。
在測(cè)量具有沉淀附著物的流體時(shí)，除了選擇如玻璃或聚四氯乙烯等難以附著沉淀的襯里外，還應(yīng)增其流速。如果在流體中均勻地含有氣泡，則測(cè)量的是包括氣泡的體積流量，并且使所測(cè)流量值不穩(wěn)定，而引入誤差。
綜上所述，在選用流量計(jì)特別是大口徑電磁流量計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮今后對(duì)傳感器的電極及襯里的維護(hù)問題。如選用上海光華·愛而美特儀器有限公司的刮刀電極或可更換式電極，或者在傳感器的上游或下游的適當(dāng)位置預(yù)置一個(gè)清洗用入孔，以便日后清洗傳感器。
四、 信號(hào)傳輸電纜長(zhǎng)度的問題
傳感器（即電極）與轉(zhuǎn)換器之間的連接電纜愈短愈好。但有些現(xiàn)場(chǎng)受安裝環(huán)境位置的限制，轉(zhuǎn)換器與傳感器的距離較遠(yuǎn)，這時(shí)要考慮連接電纜的最大長(zhǎng)度問題。傳感器與轉(zhuǎn)換器之間的連接電纜的最大長(zhǎng)度又由電纜的分布電容和被測(cè)流體的電導(dǎo)率決定。
實(shí)際使用中，當(dāng)被測(cè)流體的電導(dǎo)率是在一定的范圍之間，因此就決定了電極與轉(zhuǎn)換器之間電纜的最大長(zhǎng)度。當(dāng)電纜長(zhǎng)度超過最大長(zhǎng)度時(shí)，由電纜分布電容引起的負(fù)載效應(yīng)就成了問題。為防止這種情況發(fā)生，使用雙芯兩層屏蔽電纜，由轉(zhuǎn)換器提供低阻抗電壓源使內(nèi)側(cè)屏蔽與芯線得到相同的電壓，以形成屏蔽，即使芯線與屏蔽之間有分布電容存在，但芯線與屏蔽是同電位，則兩者之間就無電流通過，也無電纜的負(fù)載效應(yīng)存在，因此可延長(zhǎng)信號(hào)電纜最大長(zhǎng)度。另外，還可用特殊信號(hào)傳輸電纜延長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器與傳感器之間的最大長(zhǎng)度。
五、 勵(lì)磁的技術(shù)問題
勵(lì)磁技術(shù)是電磁流量計(jì)測(cè)量性能的關(guān)鍵技術(shù)之一，勵(lì)磁方式在實(shí)際應(yīng)用上可分成 交流正弦波勵(lì)磁，非正弦波交流勵(lì)磁和直流勵(lì)磁方式。
交流正弦波勵(lì)磁，當(dāng)交流電源電壓（有時(shí)是頻率）不穩(wěn)時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度將有所改變，所以電極間產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也變動(dòng)，因而，必須從傳感器取出對(duì)應(yīng)于計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度的信號(hào)，作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。這種勵(lì)磁方式易引起零點(diǎn)變動(dòng)，而降低其測(cè)量精度。
非正弦波交流勵(lì)磁，是采用低于工業(yè)頻率的方波或三角波勵(lì)磁的方式，可以認(rèn)為產(chǎn)生恒定直流，周期性地改變極性的方式，因這種勵(lì)磁電源穩(wěn)定，故不必為除去磁場(chǎng)強(qiáng)度的變動(dòng)而進(jìn)行運(yùn)算。
交流勵(lì)磁方式的主要問題是感應(yīng)噪聲嚴(yán)重。
直流勵(lì)磁方式，則是在電極上的極化電位成了重要障礙。故一定值的直流勵(lì)磁方式僅適用于非電解質(zhì)（如液態(tài)金屬）液體的測(cè)量。
在測(cè)量自來水、源水等水溶液時(shí)，一般采用周期性間歇的直流勵(lì)磁方式。間歇周期應(yīng)選為交流電源周期的整數(shù)倍，可消除交流電源頻率的噪聲，排除了交流磁場(chǎng)的電渦流和直流磁場(chǎng)的極化干擾。
勵(lì)磁頻率降低，零點(diǎn)穩(wěn)定性可以提高，但儀表抗低頻干擾能力減弱，響應(yīng)速度慢，如果勵(lì)磁頻率高，則抗低頻干擾的能力增強(qiáng)，但儀表的零點(diǎn)穩(wěn)定性降低。這一問題到二十世紀(jì)七十年代研究出了低頻矩形波（50Hz的1/2～1/32），解決了長(zhǎng)期困擾電磁流量計(jì)的工頻干擾，提高了零點(diǎn)穩(wěn)定性和測(cè)量精確度；二十世紀(jì)八十年代又出現(xiàn)了三值低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)（有50Hz的1/8為周期，采用正弦規(guī)律變化的勵(lì)磁電流），具有更好的零點(diǎn)穩(wěn)定性，解決了干擾電勢(shì)的影響，但降低了響應(yīng)速度，并且在測(cè)量泥漿、紙漿等含固體顆粒和纖維流體及低導(dǎo)電率流體測(cè)量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電噪聲（因流體摩擦電極，使電極表面氧化膜剝離后又形成所致），使輸出信號(hào)擺動(dòng)不穩(wěn)；二十世紀(jì)八十年代末又針對(duì)這些問題推出了雙頻矩形波勵(lì)磁方式，其勵(lì)磁波形由低頻（6.25Hz）矩形波和高頻(75Hz)矩形波疊加構(gòu)成，分別采樣與之相對(duì)應(yīng)的流量信號(hào),得到低頻和高頻特征的兩種信號(hào)經(jīng)過處理后可再現(xiàn)實(shí)際流量的信號(hào)值。因此這種技術(shù)既具有低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)優(yōu)良的零點(diǎn)穩(wěn)定性，又具有高頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)對(duì)流體噪聲較強(qiáng)的抑制能力。
六、 傳感器接地的問題
電磁流量計(jì)傳感器電極檢測(cè)的流量信號(hào)是毫伏級(jí)，且以傳感器內(nèi)流體的電位為基準(zhǔn)的，所以外來干擾對(duì)它的影響很大，因而，良好的接地很大程度上決定著流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度。被測(cè)的流體本身作為電導(dǎo)體，必須排除其他不相關(guān)的電磁干擾。電極檢測(cè)出的電勢(shì)信號(hào)，不受外界寄生電勢(shì)的干擾。對(duì)傳感器應(yīng)有良好的單獨(dú)接地線，接地電阻小于10Ω。在連接傳感器的管道內(nèi)若涂有絕緣層或是非金屬管道時(shí)，傳感器兩側(cè)應(yīng)裝有接地環(huán)。
七、 結(jié)束語(yǔ)
今后隨著電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，使電磁流量計(jì)擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，可以測(cè)量以往不能測(cè)量的一些流體；能進(jìn)行各種誤差補(bǔ)償，提高了測(cè)量準(zhǔn)確度；具有轉(zhuǎn)換線路異常、檢測(cè)部分異常、誤設(shè)定、空管、過限報(bào)警等自診斷功能；可通過手操器或計(jì)算機(jī)等實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，以調(diào)整電磁流量計(jì)的零點(diǎn)、量程變更、阻尼變更等。近年來，生產(chǎn)廠家推出了多種形式的電磁流量計(jì)以適應(yīng)不同性質(zhì)流體的測(cè)量。如：陶瓷襯里電磁流量計(jì)，無電極電磁流量計(jì)和采用多電極電磁流量。
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