分析流量计传感器的特点和不足

    由于流量计传感器具有可靠性高、耐腐蚀性强、容易变更测量范围等特点，在国内外好多行业都得到了广泛应用并重点对它进行开发。

 

    2使用情况

 

    在我们所涉及的工程，例如轻工行业中流量计传感器常应用在食品、造纸、精细化工和污水处理等行业，用来测量乳液、番茄酱、啤酒、纸浆、填料、黑液、其他化学品等液体或具有气液、液固两相的液体流量。这些液体中除干净液体外，大多为易粘、易堵、含气泡、含固体颗粒，有的还具有强腐蚀性。

 

    目前，流量计传感器具有传感器、转换器一体型和分离型二种结构形式，高达IP68的防护等级，多种可选的耐腐耐磨忖里和电极材料，精度可达0.2级，这使得流量计传感器基本上能满足上述工况的流量测量需要。

 

    3流量计传感器的特点和不足

 

    3.1特点

 

    （1）结构简单，无活动部件和阻碍被测介质流动的扰动件或节流件，对易黏附和固液二相介质不易发生管道堵塞、磨损等问题。可弥补质量流量计不易测量此类介质的不足。

 

    （2）流量计传感器是一种测量体积流量的仪表，其测量不受流体的密度、温度、压力、粘度、雷诺数以及在一定范围内电导率的变化的影响。流量计传感器只需用水作为试验介质进行标定，而不需要作附加修正就可用来测量其它导电性液体。这是其他流量计所不具备的优点。

 

    （3）流量计传感器测量范围很大，有的产品测量范围达1000:1。对同一口径传感器，其满量程只要介质流速在0.3~15m/s范围内可任意设定。流量计传感器的测量范围可涵盖紊流和层流状态两种速度分布状态，这是差压式流量计、涡轮式、涡街等流量计不能与之相比拟的。

 

    （4）测量原理上是线性的，测量准确度高，而且完全电信号输出，测量的反映速度快，可测脉动流量和快速累积总量。

 

    （5）耐腐蚀性能好。

 

    （6）原理上是测量过水断面的平均流速，对流速分布的要求较低。因此，传感器前后的直管段要求比其他流量计短。

 

    （7）可测正、反两个方向的流动流体。

 

    3.2不足之处

 

    （1）流量计传感器不能用于测量气体、蒸气以及含有大量气体的液体。

 

    （2）流量计传感器目前还不能用来测量导电率很低的液体介质，被测液体介质的电导率不能低于10-5S/cm（相当于蒸馏水的电导率）。对石油制品或者有机溶剂等还无能为力。

 

    （3）由于测量管绝缘衬里材料受温度的限制，目前工业流量计传感器还不能测量高温高压流体。

 

    （4）流量计传感器受流速分布影响，在轴对称分布的条件下，流量信号与平均流速成正比。所以，流量计传感器前后也必须有一定长度的前后直管段。

 

    （5）流量计传感器易受外界电磁干扰的影响。

 

    4励磁对测量的影响

 

    流量计传感器在使用中的效果受诸多因素影响。测量的真实、可靠及精度除了与转换器有关外，更主要是取决于传感器，而传感器的励磁技术对流量检测影响很大。

 

    了解励磁技术发展过程，对我们选用、维护流量计传感器很有现实意义。

 

    4.1直流励磁

 

    上个世纪初，欧洲国家曾研制出用直流励磁的流量计传感器，并开始其工业应用。

 

    直流励磁技术是利用永磁体或者直流电源给电磁流量传感器励磁绕组供电，以形成恒定的励磁磁场，如图1所示。直流励磁技术的zui大问题是直流感应电动势在两电极表面上形成固定的正负极性，引起被测流体介质电解，导致电极表面极化现象。

 

    4.2工频正弦波励磁

 

    为了消除直流励磁中电极极化效应等弊病，在以后的几十年中，发达国家又提出了用工频正弦波励磁，如图2所示。是利用工频50Hz正弦波电源给电磁流量传感器励磁绕组供电。其主要特点是能够基本消除电极表面的极化现象，降低电极电化学电势的影响和传感器的内阻。

 

    但是，工频正弦波励磁技术的采用会带来一系列电磁感应干扰和噪声。

 

    上个世纪七，八十年我国代造纸行业在使用国产流量计传感器中，发现流量计传感器经常出现零点和示值不稳。严格的接地和远离电磁干扰源也不能完全解决，影响了生产。这与工频励磁的弱点有关。

 

    4.3低频矩形波励磁

 

    为了彻底解决流量计传感器工频干扰问题，提高流量测量精度，介于直流励磁和工频交流励磁之间的低频矩形波励磁技术被提出。此项励磁技术，如图3所示，既具有直流励磁技术不产生涡流效应、变压器效应（正交干扰）的特点，又具有工频正弦波励磁基本不产生极化效应，便于放大信号处理，而能避免直流放大器零点漂移、噪声、稳定性等问题的优点，以及有较好的抗干扰性能，得以在流量计传感器中广泛应用。

 

    由于矩形波励磁的这些优点，上个世纪八十年代中，使以引进此种励磁技术的合资产品得到了广泛的应用。

 

    4.4双频矩形波励磁

 

    上世纪80年代后期国外制造厂商又推出双频矩形波励磁技术。成功地解决了流量计传感器零点稳定性和对液固两相导电性流体以及低导电率流体流量的适应性，开拓了流量计传感器新的应用领域，开始了双频矩形波励磁技术的工业应用。

 

    低频矩形波励磁虽然具有优良的零点稳定性，但在测量泥浆、纸浆等含纤维和固体颗粒的液固两相导电性流体流量时，固体颗粒擦过电极表面导致电极的接触电势突然变化，电磁流量传感器输出信号出现尖峰状脉冲，具有1/f的频谱特征；在测量低导电率流体流量时，电极的电化学电势定期变动，产生幅值随频率成反比的噪声（即1/f噪声），导致低频矩形波励磁流量计传感器输出摇摆，如图4所示。前者称为泥浆干扰，后者称为流动噪声。

 

    研究分析表明，泥浆干扰和流动噪声具有1/f的频谱特征。低频时幅值大，高频时幅值小，如果采用较高频率的低频矩形波励磁则能大大降低泥浆干扰的数量级。因此提高励磁频率有助于降低泥浆干扰和流动噪声，提高传感器输出信号的信噪比。近十几年来，低频矩形波励磁技术的采用，提高流量计传感器抗干扰的能力、降低励磁功率以提高励磁的经济性，zui明显地表现在单位流速信号电势降低从1mV/ms-1到0.6mV/ms-1、0.4mV/ms-1、0.2mV/ms-1、0.1mV/ms-1。如果随着单位流速信号电势幅值比现有技术降低一个数量级，则泥浆干扰和流动噪声的影响明显增强，为了进一步提高抗干扰能力，必须采用较高频率矩形波励磁。

 

    综上所述，要保证流量计传感器的零点稳定性，zui好采用低频矩形波励磁；为了能较准确地测量液固两相导电性流体和低导电率流体的流量，又必须采用较高频率的矩形波励磁。采用如图5所示的双频矩形波励磁的方法是zui佳方案。

 

    随着造纸产品的多样化，我们又曾碰到对于高浓纸浆及具有一定杂质的浆液的测量，流量计传感器的输出出现飘忽不定现象。双频励磁的机理使我们明白了产生此类现象的原因。而双频励磁的产品的出现也正好解决了测量这种液体流量的难题。

 

    4.5另外，有些流量计传感器生产商现在正在研制新颖交流励磁技术。它既保持了矩形励磁的零点稳定性又具有高频励磁优良的杂波去除功能，还有良好的抗50Hz工频干扰性能。能很好的测量固体颗粒含量多达30%的二相液体。流量计的精度可达0.1%。

 

    造纸行业还有一项内涵，就是废纸的再利用和环境保护。在废纸制浆和污水处理中，需用流量计传感器测量含有数量不少的泥砂及各种杂粒的废纸浆量，和含有大量油墨、污泥的污水量以及大设备的电器所造成的电磁干扰。它们对流量计传感器会有更苛刻的要求。这种新颖交流励磁方式又为我们提供了适应这种工况的计量设备。

 

    在叙述了各种励磁技术后，这里应该指出，国产的流量计传感器经过几代科技人员艰苦不懈的努力，在性能和可靠性方面具备了很高的水平，在国内工业生产使用中占了相当的份额。

 

    5使用中应注意的问题

 

    这些问题大家已经很熟悉了，把它罗列出来是想进一步发掘更有效的使用经验。

 

    （1）流量计传感器是容积式液体流量计，在测量时应保证流量计内的液体是充满管道的。为使流速平稳，流量计前后应有大于5D和2D的直管段。流量计口径大小的选择应使zui小zui大流量时的流速在保证测量精度的范围内。

 

    （2）当不得不装在自上而下的垂直管道上时，流量计应装在管道的下部，且流量计下游装有节流阀门使下游产生一背压。

 

    （3）当测量容易积渣附着的介质时，不要将流量计安装在倾斜管道的zui低点。在管低端安装清洗阀或盲板，定期清洗内壁附着物。

 

    （4）在振动剧烈的现场应将传感器和转换器分开安装。口径至≥DN350的流量计两端应设支架或吊架。

 

    （5）安装在塑料管道或带内衬管道上必须使用接地环。

 

    如接地环和测量电极由不同材料制成，会引起电化学腐蚀损坏电极。电极材质选配不当，被测介质会使电极极化而减弱信号的电势。因此，电极材料的选择也应引起注意，可参阅说明书及与制造厂商量。

 

    （6）有些工况需在管道内注入化学药品，注入后会导致液体导电率不匀对流量计传感器输出信号产干扰。对此，可采用在流量计下游注入，如需在上游注入则注入点应与流量计保持一定距离，使液体混合均匀。

 

    （7）分体式流量计传感器的传感器和转换器间zui大电缆长度与导电率有关。椐资料介绍导电率为5μs/cm时长度不超过10m，100μs/cm时长度不超过100m，不然会引起测量信号的失真。

 

    （8）流量计传感器应避免安装在大功率的电气设备和开关柜傍以减少电磁干扰。

 

    （9）发生雷击时在线路中产生的过电压和浪涌电流会通过仪表室的电源线进入仪表（流量计传感器）使之损坏。目前，这个问题已被越来越多的自控人员所认识。设计时在仪表用总电源进线端，甚至在单个仪表的电源端装过压和浪涌电流吸收装置，防止它们对仪表的损坏。

 

    （10）新的延伸。

 

    目前有的生产厂对接地极采取了新的措施。在传感器衬里上嵌入导电橡胶，既省去了接地环或接地法兰、降低了成本，也方便安装。

 

    流量计传感器采用高性能PEEK材料作为电极绝缘密封之用，提高了电极绝缘的稳定度和可靠度。确保在高湿恶劣环境下，电极的绝缘电阻也能达到200MΩ以上。

 

    根据电容效应原理设计流量空管报警功能。它的灵敏度高，但不受管壁残留液的影响。

 

    流量计的励磁技术不断发展体现了：生产的需要促进了科研，科研的成果又推动了生产的发展。这也说明了发展科技能更好兴国。