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電磁流量計

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電磁流量計的原理₪│·、整機裝配和檢測以及故障分析

來源╃│▩•▩:www.ist-tech.com作者╃│▩•▩:發表時間╃│▩•▩:2017-03-29 09:10:43

摘  要╃│▩•▩:本文闡述了電磁流量計的原理以及構成╃☁,詳細講解了電磁流量計整機裝配的關鍵環節╃☁,分析了電磁流量計各種故障現象╃☁,並具體的講解了檢查方法和步驟╃☁,並總結了電磁流量計維護的經驗╃☁,為使用者提供了很好的指導方案₪│。

 引言
電磁流量計(以下簡稱 EMF)是利用法拉第電磁感應定律製成的一種測量導電液體體積流量的儀表₪│。50 年代初電磁流量計實現了工業化應用╃☁,近年來世界範圍電磁流量計產量約佔工業流量儀表臺數的 5% ~ 6.5%₪│。
1  電磁流量計的原理
1.1  
電磁流量計的工作原理
        電磁流量計的基本原理是法拉第電磁感應定律╃☁,即導體在磁場中切割磁力線運動時╃☁,在導體兩端會感應一個與磁場方向和導體運動方向相互垂直的感應電動勢₪│。感應電動勢的大小與感應強度和運動速度成正比₪│。導電性液體在垂直於磁場的非磁性測量管內流動╃☁,與流動方向垂直的方向上產生與流量成比例的感應電勢╃☁,其值如下式:
E=K×B×D×V
式中 E----- 感應電動勢╃☁,即流量訊號╃☁,V₪│。
         K----- 感測器的修正係數₪│。
         B----- 磁感應強度╃☁,T₪│。
         D---- 電極間距及測量管內徑╃☁,m₪│。
         V---- 導電介質的平均流速╃☁,m/s₪│。

法拉第電磁感應定律

        感應電動勢“E”是透過裝在內管道壁上的兩個電極來檢測的╃☁,並透過連線在電極上的引線將感應到的“E”訊號傳至轉換器的訊號處理單元╃☁,將訊號進行放大╃☁,透過微控制器進行處理 , 實現流量₪│·、流速的顯示╃☁,並轉換為統一的₪│·、標準的電流訊號₪│·、頻率訊號以及所需要的各種報警訊號輸出╃☁,隨著通訊技術的發展╃☁,電磁流量計也正在從單機儀表逐步走向網路化儀表的過渡╃☁,可方便的實現遠端除錯╃☁,監測及工業過程自動化處理₪│。

1.2   電磁流量計的組成
電磁流量計主要由電磁流量感測器和電磁流量轉換器組成╃☁,連線方式分為一體型和分體型₪│。感測器安裝在所測介質的管道上╃☁,將導電介質的流速(流量)線性的變換成感應電勢“E”訊號₪│。轉換器向感測器提供工作磁場的勵磁電流╃☁,並接受感應電勢訊號╃☁,並將訊號進行一系列的處理╃☁,轉換成電流₪│·、頻率訊號輸出₪│。
1.2.1   電磁流量感測器
電磁流量感測器的形式主要由勵磁方式決定╃☁,一般由4 部分組成₪│。
1)測量管╃│▩•▩:被測介質流過的通道₪│。一般由內襯絕緣襯裡的非導磁材料₪│·、非導磁性金屬管子(通常使用不鏽鋼)構成₪│。
2)工作磁場╃│▩•▩:由勵磁線圈通電產生₪│。勵磁系統主要由勵磁線圈₪│·、極靴板₪│·、磁軛等構成;勵磁線圈通電後產生恆定的磁場╃☁,其直接安裝在導管上╃☁,並與電極軸線垂直╃☁,磁場的分佈將會影響到電磁流量的線性和重複性₪│。磁軛是使磁力線均勻的分佈到電極軸線的垂直面上╃☁,以提高感測器的測量精度和測量穩定性₪│。
3)訊號檢測部分╃│▩•▩:包括電極₪│·、電極引出線₪│·、電極遮蔽罩和接線端子盒等;電極直接與被測介質接觸╃☁,感應電壓訊號透過電極輸出到轉換器的訊號處理單元₪│。
4)殼體╃│▩•▩:起磁路與外界隔離₪│·、保護作用₪│。

1.2.2  電磁流量轉換器
感測器產生的電極訊號或測得的電壓 , 其數值 ( 或訊號 )極其微弱 , 通常為 μV 到 m V, 並且干擾成分相當複雜╃☁,訊號幅度直接受到磁場變動的影響╃☁,故感應訊號不能直接用於流量的顯示₪│。而轉換器的任務是將感測器測得的訊號進行濾波₪│·、整形₪│·、放大╃☁,提取真正反應流速大小的電壓訊號╃☁,這個訊號透過A/D轉換成計算機可以直接處理的數字訊號₪│。轉換器一般由低頻矩形波(雙頻₪│·、高頻)恆流源勵磁電路₪│·、差動前置放大器₪│·、主放大器₪│·、同步取樣和保持電路₪│·、模擬電流輸出和頻率輸出及流量積算的變換電路₪│·、CPU 與外圍儲存器₪│·、鍵盤顯示驅動和數字通訊電路₪│·、輔助功能如勵磁報警₪│·、空管報警電路₪│·、電源電路等₪│。轉換器的一般輸出型別有 4m A ~ 20m A 輸出₪│·、頻率 / 脈衝輸出及上下限和異常報警輸出等₪│。它還可以透過相應的數字介面如╃│▩•▩:RS485₪│·、HART 通訊₪│·、PROFIBUS-PA(現場匯流排)傳遞數字訊號╃☁,直接用於過程系統當中₪│。轉換器的型別從勵磁方法上可分為恆流源勵磁和磁場變動補償方式╃☁,一般常用的是恆流源勵磁╃☁,它為勵磁線圈提供一個恆定的電流₪│。現在的電磁流量計通常採用直流脈衝方波勵磁╃☁,以保證電磁流量計的低功耗₪│。

1.3   電磁流量計的特點
優點╃│▩•▩:
�  結構簡單╃☁,電磁流量計的測量通道是一段無阻流檢測件的光滑直管╃☁,因不易阻塞適用於測量含有固體顆粒或纖維的液固二相流體╃☁,如紙漿₪│·、煤水漿₪│·、礦漿₪│·、泥漿和汙水等₪│。
�  電磁流量計因其沒有節流件╃☁,被測介質在感測器測量管道內流動時╃☁,不產生因檢測流量所形成的壓力損失╃☁,僅消耗 10W ~ 20W 的電功率╃☁,節能效果顯著╃☁,對於要求低阻力損失的大管徑供水管道**為適合₪│。
�  電磁流量計所測得的體積流量╃☁,實際上不受流體密度₪│·、粘度₪│·、溫度₪│·、壓力和電導率(只要在某閾值以上)變化明顯的影響₪│。
�  電磁流量計測量範圍度大╃☁,無起始流量的限制╃☁,可以測量接近於零的及小流量╃☁,對於同一口徑的感測器╃☁,滿量程流速在 15m/s 以下任意設定╃☁,可選流量範圍寬₪│。
�  電磁流量計的口徑範圍比其他品種流量儀表寬╃☁,從幾毫米到 3m₪│。可測正反雙向流量╃☁,儀表輸出本質上是線性的╃☁,在保證直管段的前提下具有相同的測量精度₪│。
�  耐腐蝕效能好╃☁,易於選擇與流體接觸件的材料品種╃☁,可應用於腐蝕性流體₪│。
 缺 點 ╃│▩•▩: 
�  電磁流量計不能測量電導率很低的液體╃☁,一般電導率在 5μS/cm 以下的介質╃☁,如石油製品和有機溶劑等₪│。不能測量氣體₪│·、蒸汽和含有較多較大氣泡的液體₪│。
�  通用型電磁流量計由於襯裡材料和電氣絕緣材料限制╃☁,不能用於較高溫度的液體;有些型號儀表用於過低於室溫的液體╃☁,因測量管外凝露(或霜)而破壞絕緣₪│。

2  電磁流量計的應用
電磁流量計應用領域廣泛╃☁,大口徑儀表較多應用於給排水工程₪│。中小口徑常用於難測流體或高要求場所╃☁,如╃│▩•▩:測量造紙工業紙漿液和黑液₪│·、有色冶金業的礦漿₪│·、選煤廠的煤漿₪│·、化學工業的強腐蝕液等₪│。小口徑₪│·、微小口徑常用於醫藥工業₪│·、食品工業₪│·、生物工程等有衛生要求的場所₪│。

3  電磁流量計的整機裝配與檢測
3.1  
電磁流量轉換器的檢測
        檢查購進的電磁流量轉換器的整體效能和技術指標是否符合設計標準╃☁,所使用的儀器╃│▩•▩:臺式電流表₪│·、頻率計₪│·、萬用表₪│·、電磁流量計模擬訊號器₪│。按照企業標準和外購轉換器的技術協議╃☁,對轉換器進行復檢╃☁,檢驗的內容如下₪│。

3.1.1   對於 RPmag60 系列及智慧型電磁流量計轉換器需查

--- 外觀檢查
裝配合理╃☁,電路板焊接符合標準╃☁,液晶顯示板無較明顯的劃痕₪│。

--- 功能性檢查
shou先輸入使用者密碼╃☁,檢查儀表是否能設定和調整₪│。主要檢查專案如下╃│▩•▩:測量管道口徑₪│·、儀表量程設定₪│·、測量阻尼時間₪│·、測量方向設定₪│·、流量零點修正₪│·、小訊號切除點₪│·、流量積算顯示₪│·、電流輸出型別₪│·、脈衝輸出方式₪│·、脈衝單位當量₪│·、頻率輸出範圍₪│·、空管報警允許₪│·、空管報警閾值₪│·、上₪│·、下限報警允許₪│·、上₪│·、下限報警數值₪│·、感測器係數值₪│·、勵磁方式選擇₪│·、流量標定係數₪│·、儀表計算係數₪│·、電流零點修正₪│·、電流滿度修正₪│·、出廠標定係數₪│。

--- 技術指標檢查
用頻率計和萬用表觀察輸出頻率和輸出電流是否與模擬訊號器輸入的流速訊號一致╃☁,並與轉換器的原始記錄一致₪│。

以上各項合格之後╃☁,將轉換器接上模擬訊號源╃☁,通電進行老化╃☁,時間為 168h₪│。

3.1.2    對於西門子電磁流量計轉換器(SITRANS
FM 系列轉換器)需查
--- 外觀檢查
記下轉換器的型別(MLFB 編號)╃☁,轉換器的系列號₪│。
--- 計量效能檢查
轉換器接收訊號端與模擬流量訊號發生器相連╃☁,接收勵磁訊號的兩個接收端與模擬流量訊號發生器對應端相連╃☁,模擬流量訊號發生器一般使用 1.55m/s╃☁,內部程式寫入為DN50;轉換器的流量顯示值是否和模擬流量訊號發生器設定的流量一致₪│。

--- 轉換器的標識檢查
接通電源╃☁,檢視轉換器 MLFB 編碼是否與轉換器外部提供的編碼相一致╃☁,檢視無誤後╃☁,裝袋入庫₪│。

3.2  
整機裝配與檢測在電磁流量計計量標定完成後╃☁,需進行整機裝配工作╃☁,整機裝配之前╃☁,轉換器和感測器要一一對應₪│。下面以西門子電磁流量計整機裝配為例╃☁,具體步驟如下₪│。

3.2.1  西門子電磁流量計一體型整機裝配和檢測
--- 在感測器的 SMART-PLUG 訊號傳輸小板上插入寫好的 PIC12C509A 晶片╃☁,開啟轉換器液晶顯示板╃☁,拔下用於勵磁傳輸的端子╃☁,將接在感測器上的勵磁端子插入₪│。

--- 接電源╃│▩•▩:此時要注意轉換器是 220V 電源還是 24V電源╃☁,若接錯電源將會燒壞轉換器電源保險₪│。

--- 開機時檢視感測器序列號(如 99900102)能否出現╃☁,初步判斷轉換器和感測器通訊傳輸是否正常╃☁,隨後查看出現的轉換器出廠編號是否與轉換器銘牌上的編號一致₪│。

--- 檢視轉換器上的選單
為避免寫 PIC12C509A 程式時出錯╃☁,要驗證 6.7.2₪│·、6.7.3₪│·、6.7.4₪│·、5.2.6.1 是否與標定值或實際的感測器要求一致₪│。
* 6.7.2 CFH 值(1m/s 液壓參比工作條件下的水標定值)
* 6.7.3 ZPH 值(液壓零點的水標定值)
* 6.7.4 勵 磁 頻 率( 勵 磁 頻 率 取 決 於 傳 感 器 和 電源╃☁, 一 般 DN2~DN100 為 12Hz╃☁,DN125~DN600 為 6Hz╃☁,DN700~DN3000 為 3Hz)
* 6.5.1 勵 磁 電 壓( 勵 磁 電 壓 的 控 制 值╃☁, 一 般 在23000~30000)
* 5.2.6.1 通徑(感測器的內部通經╃☁,及兩個電極之間的距離╃☁,從 SMART-PLUG 中讀取)

--- 檢視各項引數值正確之後╃☁,在感測器上用於傳輸訊號的扁平電纜的介面處用熱溶膠密封╃☁,以免在裝配或使用中扁平電纜脫落或鬆動╃☁,待熱溶膠固化後╃☁,將轉換器和感測器用配套螺絲上緊╃☁,由於在緊固螺絲時╃☁,有時會壓到勵磁線╃☁,使勵磁線和管道相連╃☁,造成勵磁電壓為零╃☁,故需再查一遍選單 6.5.1 勵磁電壓一項₪│。

--- 以上工序完成之後╃☁,將事先打好的標籤分別貼到轉換器和感測器上╃☁,裝接地釘₪│。

3.2.2  西門子電磁流量計分體型整機裝配和檢測
在進行西門子電磁流量計分體型整機裝配和檢測之前╃☁,以及在水標定之前╃☁,將感測器和轉換器分別接上接線盒和端子板₪│。具體裝配和檢測如下╃│▩•▩:

--- 開啟接在感測器接線盒上的端子板╃☁,將事先寫好的 PIC12C509A 晶片插入 SMART-PLUG 小板上╃☁,後連線好傳輸扁平電纜₪│。
--- 將轉換器接好電源╃☁,注意事項同一體型₪│。
--- 將用於檢測傳輸是否正確的三芯勵磁電纜線和五芯訊號電纜線按如下表格 1 連線╃│▩•▩:切記轉換器和感測器上的電纜線連線一定要一一對應₪│。

電纜接線對應表

--- 接好電纜線後╃☁,開啟電源╃☁,檢查電磁流量計各項引數是否正確╃☁,方法同一體型₪│。
--- 插下各端子板上的電纜線╃☁,在感測器上與 SMART小板相連的扁平電纜介面處密封熱溶膠╃☁,待熱溶膠固化後╃☁,將端子板固定在接線盒上╃☁,此時要注意勵磁線不能被壓在端子板和鋁環之間╃☁,否則勵磁線短路╃☁,將燒壞勵磁保險╃☁,接好端子板後╃☁,使用萬用表歐姆檔測量 5₪│·、6₪│·、7 端子之間的絕緣效能╃☁,5₪│·、6 端子為勵磁線╃☁,阻值為 16Ω 左右╃☁,5₪│·、7 和 6₪│·、7 阻值為無窮大₪│。

--- 分體型電磁流量計防護等級分 IP67 和 IP68╃☁,IP67型防護等級為防塵₪│·、防浸水級╃☁,IP68 為防塵防潛水級₪│。若防護等級為 IP68 型╃☁,則需要接西門子防水電纜線₪│。在感測器接好防水電纜後需灌封膠╃☁,目的是防止水進入感測器內部₪│。

以上工序完成之後╃☁,將標籤分別貼到轉換器和感測器上╃☁,裝接地釘₪│。

4   電磁流量計的常見故障檢查和分析
         電磁流量計執行中產生故障的很好類為儀表本身故障╃☁,即儀表結構件或元器件損壞引起的故障;第二類為外界原因引起的故障╃☁,如╃│▩•▩:安裝不妥╃☁,管道內有沉積和汙垢等₪│。電磁流量計常見故障現象有╃│▩•▩:無流量訊號₪│·、輸出晃動₪│·、零點不穩₪│·、流量測量值與應用參比值不符(測量值與使用者的工藝引數不相符)₪│·、輸出訊號超滿度值等₪│。通常檢查整個測量系統和判斷故障的程式如圖2所示₪│。檢查環節包括電磁流量計本身的感測器和轉換器以及連線兩者的電纜╃☁,電磁流量計上位的工藝管道╃☁,下位顯示儀表和連線電纜₪│。

檢查程式

通常採用的檢查方法及檢查內容如下╃│▩•▩:
--- 電阻法╃│▩•▩:*保險絲的通斷
*  傳輸訊號電纜和勵磁電纜的通斷
*  勵磁線圈的通斷
*  電極對稱性測量
*  電極對地的絕緣電阻
*  勵磁線圈對地的絕緣電阻
--- 電流法╃│▩•▩:*測量勵磁電流
*  測量輸出電流
--- 電壓法╃│▩•▩:判別工作電源(包括供電和轉換器本身電源)是否正確₪│。
--- 波形法╃│▩•▩:在熟悉線路基礎上測量關鍵點波形╃☁,判別故障所在₪│。
--- 替代法╃│▩•▩:利用轉換器和感測器間以及轉換器內各線路板部件間的互換性╃☁,以替代法判別故障所在位置₪│。
--- 訊號跟蹤法╃│▩•▩:用流量模擬訊號發生器替代感測器╃☁,在介質未流動的情況下提供流量訊號╃☁,以測試電磁流量轉換器₪│。

5  結束語
          國內的電磁流量計工業應用從 20 世紀 60 年代開始╃☁,隨著工業技術的迅猛發展╃☁,電磁流量計已應用於化工₪│·、醫藥₪│·、食品₪│·、電力₪│·、汙水處理等多行業₪│。因此╃☁,電磁流量計有很大的市場發展前景╃☁,對於其所具有的獨特性╃☁,生產廠家必須對每一道工序嚴格把關╃☁,並不斷提高自身產品的優越性₪│。

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