劉志存，王新

（唐山大方匯中儀表有限公司，河北 唐山 063012）

電磁流量計(jì)是一種測量精度高、應(yīng)用范圍廣的流量儀表，隨著現(xiàn)代化工業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的管段式電磁流量計(jì)在浮選煤泥水工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行流量測量時(shí)出現(xiàn)了一些應(yīng)用瓶頸，主要有以下兩點(diǎn)：

（1）傳統(tǒng)的管段式電磁流量計(jì)雖然精度很高，但其制造成本也高，在浮選煤泥水大直徑管道流量測量現(xiàn)場不需要這么高的精度，而且浮選煤泥水管道一般直徑都比較大,其制造成本將會(huì)更高。

（2）傳統(tǒng)的管段式電磁流量計(jì)與管道為法蘭連接，一些選煤廠浮選煤泥水管道較老舊，安裝時(shí)需要截?cái)喙艿篮附臃ㄌm，這一過程可能會(huì)對管道造成較大損傷，而且傳統(tǒng)的管段式電磁流量計(jì)只能在管道內(nèi)沒有流體時(shí)才能安裝、拆卸儀表，這將會(huì)影響精煤生產(chǎn)，也勢必會(huì)提高檢修費(fèi)用。插入式電磁流量計(jì)是從傳統(tǒng)的管段式電磁流量計(jì)演變過來的，其設(shè)計(jì)原理相同，但由于其傳感器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)使它在大直徑管道流量測量時(shí)有明顯的優(yōu)點(diǎn)，制造成本低，其密封結(jié)構(gòu)可已實(shí)現(xiàn)不停水在線安裝，現(xiàn)場安裝時(shí)無須截?cái)喙艿?，易于拆卸維修，對測量較粗管道的入料煤泥水流量有很大的優(yōu)勢。

1 浮選自動(dòng)加藥系統(tǒng)原理

浮選是選煤廠生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在整個(gè)生產(chǎn)過程中扮演著重要角色。根據(jù)公式G（試劑加藥量）=K（加藥系數(shù)）×M(干煤泥質(zhì)量)和M(干煤泥質(zhì)量）=L(煤泥水流量)×C(煤泥水濃度)可知，若要獲得浮選中精密藥劑泵的加藥量首先要得到煤泥水中干煤泥質(zhì)量，所以要測定各個(gè)管道中煤泥水流量和煤泥水濃度。通過對田莊選煤廠的煤種和所選用的藥劑進(jìn)行分析，為了保障品質(zhì)和回收率，由中煤科工集團(tuán)唐山研究院研發(fā)的浮選自動(dòng)加藥系統(tǒng)根據(jù)對入料煤泥水濃度和流量的監(jiān)測，計(jì)算出實(shí)時(shí)干煤泥質(zhì)量，然后計(jì)算出藥劑用量并由精密藥劑泵加藥。

系統(tǒng)在電腦端實(shí)時(shí)顯示工藝各種參數(shù)，直觀地顯示監(jiān)測的各個(gè)參數(shù)和自動(dòng)加藥系統(tǒng)的運(yùn)行情況。該系統(tǒng)還可以生成生產(chǎn)信息歷史曲線，通過查詢生產(chǎn)數(shù)據(jù)，方便生產(chǎn)技術(shù)人員進(jìn)行分析研究微調(diào)加藥系數(shù)K，使生產(chǎn)效率達(dá)到更高。

2 插入式電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)原理

插入式電磁流量計(jì)的工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律(圖1)，其可以測量管道內(nèi)導(dǎo)電性液體的體積流量。流量計(jì)有一個(gè)用絕緣材料制成的護(hù)套，內(nèi)裝有線圈、鐵芯和磁軛，護(hù)套的側(cè)面裝有兩只電極。勵(lì)磁線圈由三值方波勵(lì)磁脈沖勵(lì)時(shí)，將產(chǎn)生一磁通密度為B的工作磁場。當(dāng)導(dǎo)電流體以流速V通過裝有一對間距為L的測量電極且內(nèi)徑為D的管道時(shí)，這對電極將會(huì)產(chǎn)生同時(shí)垂直于磁場方向和液體流動(dòng)方向的感應(yīng)電動(dòng)勢E。感應(yīng)出的電動(dòng)勢E正比于磁通密度B與平均流速V的乘積：E=BLV。電動(dòng)勢E(流量信號)由電極檢出并通過屏蔽電纜送到轉(zhuǎn)換器內(nèi)參與運(yùn)算得出管道內(nèi)的實(shí)際流速V，再根據(jù)即可求出實(shí)際體積流量。

圖1 插入式電磁流量計(jì)原理圖

3 插入式電磁流量計(jì)硬件電路分析

整個(gè)硬件電路（圖2）包括電源部分、勵(lì)磁電路部分、信號放大采集處理部分及輸入輸出顯示部分。其中影響流量計(jì)測量精度的主要是勵(lì)磁電路部分和信號放大采集處理部分。

圖2 插入電磁流量計(jì)硬件電路

勵(lì)磁電路采用低頻三值矩形波勵(lì)磁（圖3），這種勵(lì)磁方式既可以大幅減小由直流勵(lì)磁時(shí)產(chǎn)生的電極極化效應(yīng)，也可以克服正弦波勵(lì)磁產(chǎn)生的正交干擾的影響，同時(shí)，低頻三值矩形波勵(lì)磁比低頻矩形波勵(lì)磁有更低的勵(lì)磁功率，而且還可以在零值勵(lì)磁時(shí)進(jìn)行零點(diǎn)自動(dòng)補(bǔ)償，穩(wěn)定流量計(jì)的零點(diǎn)。

雖然插入式電磁流量計(jì)采用低頻三值矩形波勵(lì)磁時(shí)它的極化現(xiàn)象和正交干擾較弱，但也不能從根本上完全消除，再加上感應(yīng)電動(dòng)勢在信號線傳輸過程中信號線也會(huì)在空間磁場的作用下產(chǎn)生干擾信號，所以實(shí)際測量得到的電壓信號是有用信號與各種干擾信號的“組合”，它不僅包含流速信號也包含各種干擾信號。

插入式電磁流量計(jì)兩個(gè)電極上實(shí)際測量得到的電壓信號可以用以下的信號模型來表示。即

式中，BvD為稱為流速信號，是插入式電磁流量計(jì)需要通過檢測電路得到的真實(shí)測量值；是微分干擾和同相干擾；ec為共模干擾；ed為串模干擾；ez為電化學(xué)干擾。

微分干擾和同相干擾會(huì)隨著磁場的穩(wěn)定而快速消失；共模干擾和串模干擾會(huì)造成插入式電磁流量計(jì)零點(diǎn)漂移，傳輸信號線采用屏蔽線，確保儀表接地良好可大幅度減弱其影響；電化學(xué)干擾主要是電極表面的極化現(xiàn)象會(huì)造成插入式電磁流量計(jì)零點(diǎn)不穩(wěn)，提高勵(lì)磁頻率可以減小其影響。觀察管道流體流速在5m/s左右時(shí)感應(yīng)信號（圖4），可以發(fā)現(xiàn)除去毛刺感應(yīng)信號幅值可達(dá)25mV,但其中有用信號的幅值在0.5mV左右，所以信號放大采集過程中要進(jìn)行濾波。參照勵(lì)磁方式，分析流速信號電壓的基本特征，以下從信號放大采集處理部分對流速信號能夠有效地、針對性地放大、處理和濾除雜波進(jìn)行分析。

圖4 管道流體流速5m/s左右時(shí)感應(yīng)信號

前置放大電路（圖5）采用儀表放大器進(jìn)行放大，儀表放大器前端是RFI濾波器，濾除衰減大部分干擾信號，R1為精密電阻，確保放大倍數(shù)穩(wěn)定。二極管D1、D2可以限制輸入信號的大小，避免誤接線造成損壞。

圖5 前置放大電路

AD8226是ADI公司一款低成本、寬電源電壓范圍儀表放大器，該儀表放大器具有超高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低線性誤差、低輸出阻抗的優(yōu)點(diǎn)，查看芯片手冊可以得到。信號放大電路（圖6）采用運(yùn)算放大器TLC2262，TLC2262是TI公司雙路運(yùn)算放大器可以達(dá)到軌對軌輸出的性能，電阻R2、R4為精密電阻，確保放大倍數(shù)穩(wěn)定，R24和C31組成一個(gè)低通濾波器。

圖6 信號放大電路

表1

由低通濾波器進(jìn)行衰減并濾除部分雜波后的信號SIGN（圖7）經(jīng)模擬開關(guān)進(jìn)入精密ADC進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)?？梢园l(fā)現(xiàn)，此時(shí)的信號與勵(lì)磁波形已經(jīng)十分相似，信號高低處已經(jīng)十分平滑，可以進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

圖7 管道流體流速5m/s左右時(shí)SIGN信號

4 插入式電磁流量計(jì)的測量精度

插入式電磁流量計(jì)適用于DN150～DN2000的管道，其測量精度達(dá)到1.0級，圖8是此次應(yīng)用的插入式電磁流量計(jì)的檢定記錄表，經(jīng)檢定后各點(diǎn)誤差均在1%以內(nèi)，只要安裝條件符合規(guī)定，儀表的準(zhǔn)確度是有保障的。

圖8 檢定記錄表

5 結(jié)語

插入式電磁流量計(jì)安裝簡單、老舊管道改造方便，應(yīng)用在浮選自動(dòng)加藥系統(tǒng)其測量精度能夠達(dá)到要求，為浮選自動(dòng)加藥系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，有助于生產(chǎn)技術(shù)人員進(jìn)行分析研究調(diào)整試劑加藥系數(shù)K，使經(jīng)浮選得到的精煤品質(zhì)穩(wěn)定、生產(chǎn)效率提高并能精準(zhǔn)添加浮選藥劑、節(jié)省藥劑，同時(shí)，也能降低工作的復(fù)雜程度，節(jié)省勞動(dòng)人員。