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电磁流量传感器的主要构成和分类

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电磁流量传感器的主要构成和分类
点击次数: 发布时间:2016-05-22
电磁流量计在结构上一般由电磁流量传感器和电磁流量转换器两部分组成,如图7-1所示。一般情况下,传感器和转换器是分体的,传感器安装在生产过程工艺管道上感受流量信号;转换器将传感器送来的流量信号进行放大,并转换成标准电信号,以便进行显示、记录、积算和调节控制。也有的电磁流量计将转换器和传感器装在一起,组成一体型电磁流量计,可就地显示和远传显示和控制。

电磁流量传感器

电磁流量传感器主要由测量管组件、磁路系统、电极及干扰调整机构等部分组成。为了使传感器稳定可靠地工作,准确地感受流量信号,传感器应满足如下要求。
1)能提供一个足够大的且与流量成正比的电势信号;
2)能把干扰信号抑制到最小程度,使信噪比足够大;
3)能适应恶劣环境条件,工作可靠。

1、测量管组件

测量管位于传感器中心,两端带有连接法兰或其他形式的连接装置,被测流体通过测量管。
为了让磁力线能顺利地穿过测量管进入被测介质,首先,测量管必须由非导磁材料制成;其次,为了减小电涡流,测量管一般应选用高阻抗材料,在满足强度要求的前提下,管壁应尽量薄;第三,为了防止电极上的流量信号被金属管壁所短路,所以在测量管内侧应有一完整的绝缘衬里。衬里材料应根据被测介质,选择有耐腐蚀,耐磨损,耐高温等性能的材料,如聚四氟乙烯、耐酸橡胶等。
所以,测量管组件就是一根内部衬有绝缘材料的高阻抗非磁性材料制成的直管段。
常用绝缘内衬材料性能及适用范围:
1.名称:聚三氟乙烯
  性能:化学性能稳定,仅次于聚四氟乙烯,但耐磨性能差
  最高工作温度/℃:100℃
  适用液体:水、酸溶液
 
2.名称:聚四氟乙烯(F-4)
  性能:化学性能很稳定,但粘结性能差,与金属测量管很难粘接,耐磨性能也不好
  最高工作温度/℃:250℃
  适用液体:腐蚀性强的浓酸、碱、盐溶液
 
3.名称:四氟乙烯和六氟丙烯(F-46)
  性能:化学耐腐性略逊于F-4,但与金属测量管有较强接合力,可用于负压
  适用液体:腐蚀性酸、碱、盐溶液
 
4.名称:四氟乙烯和乙烯(F-40)
  性能:化学耐腐性略逊于F-4,但与金属测量管有较强接合力,可用于负压
  适用液体:腐蚀性酸、碱、盐溶液
 
5.名称:聚氨酯橡胶
  性能:耐磨性能好,但耐酸碱性能差
  最高工作温度/℃:70℃
  适用液体:水泥浆、纸浆类液体
 
6.名称:氯丁橡胶
  性能:弹性好,耐磨、耐腐蚀,抗冲击性能好,成本也比较低
  最高工作温度/℃:70℃
  适用液体:水泥浆、矿浆、稀酸流体
 
7.名称:耐酸搪瓷
  性能:耐除氢氟酸、磷酸以外的其它酸类和溶剂,有一定耐碱性,抗冲击性差
  最高工作温度/℃:180℃
  适用液体:一般酸、碱、腐蚀性液体
 
8.名称:陶瓷
  性能:有极好的耐磨性,且有很好的耐各种强酸、强碱的腐蚀性,但性脆易碎,应防温度剧变
  最高工作温度/℃:180℃
  适用液体:具有腐蚀性的矿浆
 
9.名称:耐酸橡胶
  性能:耐60℃以下任何浓度的盐酸、草酸、磷酸及50%的硫酸、NaOH、KOH等,但忌强氧化剂
  最高工作温度/℃:60℃
  适用液体:一般酸、碱、盐水溶液
 

2、磁路系统

磁路系统主要包括励磁绕组和铁心,用以产生励磁方式所规定波形的磁场。一般工业用电磁流量计的磁场大都用电磁铁产生,磁场电源由转换器提供。产生磁场的励磁绕组和铁心、磁轭的结构形式根据测量管口径的不同,一般有以下三种常用结构形式。
(1)变压器铁心式
测量管口径小于10mm的传感器一般采用这种结构,如图7-7所示。
电磁流量传感器变压器铁心式
这种结构通过测量管的磁通较大,在同样的流速下可得到较大的感应电势。当口径较大时,由于两电极间的距离较大,空间间隙也较大,漏磁磁通将明显增加,电干扰较严重,使仪表工作不够稳定。而且大口径管道采用变压器铁心式时,传感器的体积和重量都将大大增加,制造和维护都有一定困难。
(2)集中绕组式
集中绕组式一般用于口径在10mm到100mm的电磁流量传感器。这种方式的励磁绕组被制成两只无骨架的马鞍形线圈,分别安装在测量管的上下两侧。外围加一层用0.3~0.4mm厚的硅钢片制成的磁轭。为了保证磁场均匀,在励磁绕组中间加了一对极靴,如图7-8所示。
电磁流量传感器集中绕组式
(3)分段绕组式
当传感器口径大于100mm时,一般采用分段绕组式,如图7-9所示。马鞍形的励磁线圈按余弦分布规律绕制,靠近电极部分的线圈绕得密一些,远离电极部分的线圈绕得稀一些,以得到均匀磁场。线圈外加一层磁轭,但无需极靴。按此分段绕制的鞍形励磁线圈放在测量管上下两侧,使磁感应密度与管道横截面平行,以保证测量的准确度。
分段绕组式励磁系统可以减小流量计体积,保证磁场均匀,所以已被普遍采用。

3、电极

传感器的电极安装在与磁场垂直的测量管两侧管壁上,它的作用是把被测介质切割磁力线所产生的电势信号(流量信号)引出,因此电极一般需直接与被测介质接触,其典型结构如图7-10所示。
电磁流量传感器电极结构图
特殊情况下,为避免电极污染,可采用电容检测型电磁流量计,将电极置于测量管衬里外,不与流体介质直接接触,所以有时也称其为无电极电磁流量计。
无电极电磁流量计可用来测量电导率很低的(5×10-8S/cm)液体、浆液、渣液、泥浆等的流量。其电容电极处于测量管衬里背后,不与被测流体接触。每个电极板和与其相对的测量管内壁形成一个电容,在该内壁上存在信号电位。流量计衬里材料正好是两个极板电容器的电介质。与流量成正比的测量信号被送到与此两个电容器相连的前置放大器进行放大处理,输出流量值。
电极材料按被测介质的腐蚀性而决定,但必须是非磁性导电材料。目前比较常用的是耐酸不锈钢材料(1Cr18Ni9Ti)、含钼不锈钢(1Cr18Ni12Mo2Ti),用于一般工业用水、废水污水流量计和弱腐蚀性酸碱盐液体,价格也较低;哈氏合金(耐酸镍基合金)B可用于盐酸及其它非氧化性酸和非氧化性盐液体;哈氏合金C可用于氧化性酸和氧化性盐液及氧化剂。也可选用钛、钽、铂铱合金等作为电极材料,这些贵金属有较好的耐腐蚀性。钛能耐海水、各种氯化物,次氯酸盐、氧化性酸等,但不耐还原性酸;钽有和玻璃相似的耐腐蚀性,除氢氟酸、发烟磷酸、碱外,能耐化学介质的面很广;铂铱合金对各种酸、碱、盐液有很好的耐腐蚀性,但也有一些不耐腐蚀的化学介质,使用时应注意。贵金属电极价格昂贵,尤其以铂铱合金为最。
近几年人们又提出平衡电极平面(BEP)的概念,这是用于电磁流量计的最新专利技术。所谓BEP是Balanced Electrode Plane的缩写,在BEP设计中,有两个位于同一平面内的接地电极,它们与检测电极成90°角(如图7-11所示)。
电磁流量传感器平衡电极平面图
励磁线圈的几何形状产生一个均匀的磁场,它垂直于管道在检测电极平面内的主径。这样做有几个好处,首先,消除了外部接地环;其次,整个测量平均速度的过程都被限制在平衡电极平面之内进行;第三,电气噪音干扰被完全消除。由于磁场是均匀的,液体又是在它流过平衡电极平面的瞬时被测量的,因此,BEP能提供更加精准的测量结果。

4、干扰调整机构

对于正弦波励磁的电磁流量计,传感器应有干扰调整机构。它实际上是一个“变压器调零”装置,可以抑制由于“变压器效应”而产生的正交干扰。
常用电极材料及使用范围
1.电极材料:耐酸不锈钢材料(1Cr18Ni9Ti)、含钼不锈钢(1Cr18Ni12Mo2Ti)(相当于316L)
  特点及使用范围:主要用于生活工业用水、原水、下水、废污水、稀酸、稀碱等弱腐蚀性酸、碱、盐液体
 
2.电极材料:哈氏合金B
  特点及使用范围:适用于低浓度盐酸等非氧化性酸和非氧化性盐液,硝酸等氧化性酸不适用
 
3.电极材料:哈氏合金C
  特点及使用范围:适用于常温硝酸、其他氧化性酸、氧化性盐液等,盐酸等,还原性酸和氯化物不适用
 
4.电极材料:钛
  特点及使用范围:耐腐蚀性略优于耐酸刚,对氯化物、次氯酸盐、海水有优良的耐腐蚀性,对常温硝酸等氧化性酸有耐腐蚀性,盐酸、硫酸等还原性酸不适用
 
5.电极材料:钽
  特点及使用范围:具有和玻璃相似的优越耐腐蚀性,除氢氟酸、发烟硫酸等少数酸外,适用于大部分酸液,氢氧化钠等碱液不适用
 
6.电极材料:铂、铂铱合金
  特点及使用范围:对几乎所有的酸碱液耐腐蚀,王水、铵盐等少数介质不适用,价格昂贵
 
7.电极材料:碳化钨硬质合金
  特点及使用范围:浆液专用电极材料,可降低浆液噪声,耐腐蚀性较差,腐蚀性液体不适用
 
8.电极材料:导电橡胶、导电氟塑料
  特点及使用范围:低噪声电极材料,可抗浆液噪声和流动噪声,导电氟塑料耐化学品性能好

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