插入式电磁流量计的研制

      0 引言

      电磁流量计作为流量测量仪表在工业检测中占有十分重要的地位，在城市用水、工业废水、浆液测量及食品等多方面得到广泛应用。但是高精度的电磁流量计价格昂贵，特别是大管径的，不仅加工困难，而且给安装、维修带来很多不便。因此在大管径管道的流量测量方面用插入式电磁流量计代替传统的管道式流量计是很有必要的。

      1 电磁流量计的工作原理及特点

      电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。按照该定律，当导电流体流过电磁流量计磁场时，在与流速和磁场两者相垂直的方向就会产生与平均流速成正比的感应电动势。该感应电动势由电磁流量计管壁上的一对电极检测到，其值为：

      E=K•B •

      式中：E 为感应电动势，V；
               B 为磁感应强度，T；
               D 为测量管内径，m；
              

      由式（1）可知，感应电动势E 不受流体的温度、压力、密度、电导率（高于某阈值）变化的影响，具有很大的优越性^[1]。

      电磁流量计具有以下特点：

      （1）其测量不受流体温度、压力、密度、黏度的影响。
      （2）流量计内部直通光滑，不对流体产生阻力，无压力损失。
      （3）直接进行电测量，响应速度快。
      （4）检测部无运动部件，不会发生滴漏现象。
      （5）可以测量正反向流体流量而不损害流量计。
      （6）输出电压正比于流量，计量精度高。
      （7）内衬可采用聚四氟乙烯塑料和氧化铝陶瓷，具有很强的抗腐蚀性，可以测量强酸强碱等流体。
      （8）量程比宽^[2]。

      插入式电磁流量计的工作原理实际上同管道式是一样的，只是公式中的D指两电极之间的距离，但不再是测量管道的直径了。

      相对管道式电磁流量计来说，插入式电磁流量计有如下特点：

      （1）传感器（探头）直接插入被测管道，具有体积小、安装方便、投资少等优点。
      （2）传感器插入深度仅为管道直径的10% ~12.5%，无压损，特别适用于大口径管道中的流量测量，有优越的性能价格比。
      （3）精度较低，一般为±1% ~2%。但是采取一定的措施后，完全有可能提高精度，从而降低成本，替代管道式。

      2 插入式电磁流量计的结构设计

      现在某些插入式电磁流量计，虽然也是将线圈和电极都纳入一个探头中，但是探头体积较大，以至于两个探头就可产生布满整个管道的磁场，（一般插入式电磁流量计往往只在电极周围产生一个局部磁场）。因此对于特大管径的电磁流量计来说，此种插入式和传统的管道式在成本和加工难易程度方面都改善不了多少，实际上这种插入式结构不适合特大口径的电磁流量计。因此将设计定位在一般性的（探头体积较小）、能够应用于特大口径的插入式结构。

      与管道式电磁流量计相比，插入式所产生磁场的线圈要小得多，插入式的难点之一在于探头内部的线圈怎样才能在电极周围产生均匀磁场。

      为达此目的，采取了以下措施：（1）将线圈设计成扁平型，使得线圈形状与工作区形状达到最大程度的吻合，同时可以减少探头的用材和重量。（2）线圈内放置铁芯，线圈外围和顶上（非电极工作面一端）加上磁轭（紧贴线圈）来增强磁场。（3）在保证强度的情况下，探头壳体的壁面尽量做薄，使得电线极工作面尽可能地和线圈接近。线圈电磁铁结构见图2，两工作电极置于线圈中。

      用简化的圆柱型模来替代设计的扁平型进行磁场仿真，在两电极连线上的磁场强度曲线如图3所示，可见其磁场效果，不管是强度还是均匀度都比一般的螺线管要好很多。而实际的实验结果表明扁平型结构电磁铁所产生的磁场大约为圆柱型的2倍，而且在工作区域也有一定的均匀度。可见，该电磁铁的结构设计是能够满足要求的。

      插入式电磁流量计的难点之二在于插入式的探头对管道中的流场有一定的影响，探头背部可能会产生扰动，从而影响测量的重复性^[3]。

      3 二次仪表软硬件

      为了简化软件和保证检测电路的快速响应，前端信号处理部分采用硬件电路的模拟处理方法。与管道式相比，插入式的由于信号更加微弱，所以电路放大倍数要求更大，抗干扰能力要求更高，应该采用共模抑制比性能更好的运放。在前置放大级上，采用零点隔离法，通过电容耦合来隔离零点漂移干扰。采用反馈，做到零点自动检测。该电路采用MSP430芯片作为微控制器，为低功耗的实现提供可能。

      所设计的二次表头软件部分的智能化模块立足于插人式电磁流量计，但并不局限于插人式电磁流量计，而是拓展开来适合所有的电磁流量计，基本上实现了智能电磁流量计的一般功能：具有良好的界面显示、多种功能参数输入、多种控制信号输出及网络通信功能，同时还具有零点检测、故障诊断、参数保护等功能。其原理框图如图4所示。

      4 试验结果

      最后，用水流量标定装置进行了5个流量点的标定，各特性曲线如图5所示。

      5 结论

      为设计插入式电磁流量计，首先进行了电磁铁结构设计，通过采用独特的线圈电磁铁结构，产生了满足要求的磁场。所研制的样机能较准确地测出实际流量，示值误差为1.59%。但重复性有待进一步提高。

      参考文献：

      [1] 范红卫，江增延，黄良荣.电磁流量计在工程中的应用[J].矿冶，2001，10（3）：78- 81
      [2] 戴忠明，郝瑞云.电磁流量计的应用与发展[J].科技情报开发与经济，2003，13（8）：121
      [3] J.F.Dougla，J.M.Gasiorek，等著，汤全明译.流体力学[M].高等教育出版社，1992.