一、前言
電磁流量計(jì)**地用于城市供水、水處理過(guò)程中水的測(cè)量和計(jì)量。然而，這些行業(yè)的輸水管道往往都埋于地下。這樣，電磁流量傳感器也多安裝在地下，或安裝于地下的測(cè)量井中。不難想象，長(zhǎng)期浸泡在水中，或者由于測(cè)量井的封閉，井內(nèi)溫度與外界氣溫存在差別，造成井內(nèi)有大量水蒸氣的存在。如果使用一般結(jié)構(gòu)的電磁流量傳感器，當(dāng)受到地下水位壓力和長(zhǎng)期浸泡的作用，結(jié)果會(huì)將水或水蒸氣滲入傳感器其中。井內(nèi)水蒸氣也可能由電纜引出套滲入接線端子盒，從而降低勵(lì)磁線圈對(duì)地的絕緣電阻、絕緣強(qiáng)度，造成儀表大的零點(diǎn)偏移，引起測(cè)量不可靠，甚至不能測(cè)量。
對(duì)于長(zhǎng)期使用于浸泡在水中的流量計(jì)傳感器，制造廠商采用適當(dāng)?shù)拿芊饨Y(jié)構(gòu)形式和嚴(yán)格的制造工藝來(lái)保證其密封性。并在使用時(shí)，采用嚴(yán)格的防水密封措施來(lái)解決傳感器接線端子盒對(duì)電纜引出線的密封。習(xí)慣把用于浸泡在水中的電磁流量計(jì)命名為水中型(或稱(chēng)潛水型、設(shè)埋型)，并按照符合國(guó)際電工委員會(huì)IEC標(biāo)準(zhǔn)(IEC529-76)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB4208-84的有關(guān)IP68外殼防護(hù)等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。當(dāng)然，水中型的制造成本要比一般電磁流量計(jì)高。制造廠通常制造的電磁流量傳感器結(jié)構(gòu)一般僅適于防濺密封結(jié)構(gòu)的形式。這些外殼防護(hù)等級(jí)為IP65(防濺型)或IP67(浸水型)。
盡管制造廠能夠考慮到采用上述傳感器的密封防范措施，但是往往由于與用戶的溝通不夠，會(huì)有選型不當(dāng)?shù)氖虑榘l(fā)生。或者，安裝調(diào)試人員未能真正理解操作的細(xì)節(jié)要求，造成傳感器內(nèi)進(jìn)水、接線端子受潮的問(wèn)題時(shí)有出現(xiàn)。這樣，當(dāng)流量計(jì)投入運(yùn)行后，可能會(huì)有一些奇怪的現(xiàn)象發(fā)生。查找這些故障原因，往往要花費(fèi)大量時(shí)間和精力，同時(shí)也可能影響到生產(chǎn)工藝正常進(jìn)行。如果我們能夠?qū)@類(lèi)問(wèn)題有個(gè)較深的認(rèn)識(shí)，也就是認(rèn)識(shí)到故障現(xiàn)象的本質(zhì)，盡而在選型、制造，安裝、接線等調(diào)試過(guò)程中做到認(rèn)真、細(xì)致地按防水性能的技術(shù)要求工作，防患于未然；而在維護(hù)過(guò)程中，依據(jù)理論的指導(dǎo)能夠迅速、準(zhǔn)確地排除故障，這將對(duì)電磁流量計(jì)的正確使用和維護(hù)起到積極作用。
二、幾個(gè)電磁流量計(jì)零點(diǎn)漂移的實(shí)例
1、 河南省某市三水廠是由國(guó)外政府貸款建設(shè)的中型現(xiàn)代化水廠。其中，進(jìn)廠地表水計(jì)量使用
一臺(tái)DN1200電磁流量計(jì)；進(jìn)廠地下水由數(shù)口井匯總后使用一臺(tái)DN900電磁流量計(jì)計(jì)量。并聯(lián)連接的出廠水計(jì)量使用兩臺(tái)DN1000電磁流量計(jì)。四臺(tái)電磁流量計(jì)都是用進(jìn)口國(guó)外某**公司的**產(chǎn)品。流量計(jì)傳感器安裝符合電磁流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。裝在上游具有10倍以上、下游5倍以上直管段的測(cè)量井內(nèi)。測(cè)量井同時(shí)考慮到可以安裝夾持型超聲波流量計(jì)能與電磁流量計(jì)進(jìn)行比對(duì)測(cè)量。
系統(tǒng)投入正常運(yùn)行已近兩年。1999年11月發(fā)現(xiàn)進(jìn)廠水測(cè)量總量比出廠水測(cè)量總量低約10%左右。表面看流量計(jì)工作都很正常。問(wèn)題出在那里，找起來(lái)比較困難。因?yàn)橐话阕詠?lái)水廠都有調(diào)節(jié)清水池，尤其對(duì)生產(chǎn)負(fù)荷不滿的情況，進(jìn)水泵可能時(shí)開(kāi)、時(shí)停。因此，很難用儀表瞬時(shí)量來(lái)平衡生產(chǎn)過(guò)程的進(jìn)出水量。我們通過(guò)與超聲波流量計(jì)對(duì)比，采用不同組合開(kāi)、關(guān)閥門(mén)等方法，確認(rèn)是兩臺(tái)出廠水流量計(jì)發(fā)生零點(diǎn)偏移。一臺(tái)偏移高達(dá)200 m3/h，另一臺(tái)偏移高達(dá)300 m3/h。與顯示的出廠量高出10%左右相吻合。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為可能是接線端子受潮，勵(lì)磁回路絕緣電阻對(duì)地下降所致。檢查傳感器發(fā)現(xiàn)，原本應(yīng)該使用一根圓的信號(hào)專(zhuān)用電纜，這里使用了兩根圓的屏蔽電纜代用。冬季測(cè)量井氣溫高，潮氣沿電纜由密封不嚴(yán)的端子口進(jìn)入接線盒。勵(lì)磁端子對(duì)地僅有5～6MΩ。用電吹風(fēng)機(jī)吹干，勵(lì)磁回路對(duì)地絕緣電阻上升到數(shù)十MΩ后，儀表零點(diǎn)下降到零，測(cè)量恢復(fù)正常，能夠正確反映生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)出水量的平衡。
2、 河南省鄭州市某縣級(jí)水廠使用一臺(tái)LD-800電磁流量計(jì)，由于投入前行前接線盒內(nèi)進(jìn)水，
勵(lì)磁端子對(duì)地僅有5MΩ絕緣電阻。量程1000 m3/h時(shí)，結(jié)果造成零點(diǎn)顯示300 m3/h。利用轉(zhuǎn)換器調(diào)零不能降下來(lái)。
3、廣東深圳市某水廠，一臺(tái)LD-800電磁流量傳感器進(jìn)水后，勵(lì)磁線圈對(duì)地絕緣電阻下降到8MΩ。在量程1000 m3/h時(shí)，結(jié)果造成零點(diǎn)顯示160 m3/h。利用調(diào)零不能降下來(lái)。
4、浙江省某市污水處理廠一臺(tái)引進(jìn)DN1000電磁流量計(jì)接線端子盒進(jìn)水，未處理干燥封密封膠，勵(lì)磁端子對(duì)地絕緣電阻僅有2MΩ，結(jié)果造成零點(diǎn)輸出數(shù)百m3/h，利用轉(zhuǎn)換器調(diào)零不能降下來(lái)。
三、電磁流量計(jì)勵(lì)磁回路對(duì)地絕緣電阻降低引起零點(diǎn)漂移的成因
勵(lì)磁回路對(duì)地絕緣電阻降低引起零點(diǎn)漂移，可以利用圖 1所示傳感器的等效電路分析其成因。圖中，Rj：勵(lì)磁線圈對(duì)電極的絕緣電阻；C0：勵(lì)磁線圈與電極間的分布電容；R s：傳感器感應(yīng)信號(hào)內(nèi)阻。實(shí)際上Rs是傳感器兩個(gè)測(cè)量電極分別對(duì)測(cè)量液體間形成電容的容抗之和。把測(cè)量液體的體電阻近似視為零，被測(cè)液體作為接地基準(zhǔn)點(diǎn)。所以，圖中的信號(hào)內(nèi)阻被分為相等的兩部分(電極被污染情況除外)；rd：傳感器接地電阻。Es：感應(yīng)流速信號(hào)，并被信號(hào)內(nèi)阻分為大小相等、方向相反的差動(dòng)信號(hào)+ Es/2和- Es/2。
通常，制造廠設(shè)計(jì)制造傳感器的絕緣電阻對(duì)地Rj在50MΩ以上；分布電容C0的值可能為數(shù)十μF。傳感器裝配時(shí)使用對(duì)電極或勵(lì)磁線圈屏蔽的辦法，能將分布電容的作用降低到很小的程度。實(shí)際應(yīng)用中，傳感器接地電阻rd可以在數(shù)Ω，*大100Ω。
傳感器感應(yīng)信號(hào)內(nèi)阻 Rs可用(1)式求得
式中，σ為被測(cè)流體電導(dǎo)率，S/m；d為傳感器測(cè)量電極直徑，m。對(duì)于被測(cè)流體是自來(lái)水，其電導(dǎo)率大約在10-2S/m左右。通常，傳感器測(cè)量電極直徑大約在0.01∽0.02m。我們?nèi)=0.016m計(jì)算信號(hào)內(nèi)阻Rs大約在6k25Ω。
在流體充滿測(cè)量管道，不流動(dòng)情況下，感應(yīng)流速信號(hào)為零。但是，從等效電路圖我們可以看到，實(shí)際上絕緣電阻與分成兩部分的信號(hào)內(nèi)阻對(duì)勵(lì)磁電壓Ec構(gòu)成了(2)式的分壓關(guān)系。在電極上，對(duì)地分得部分勵(lì)磁電壓ec。對(duì)于兩個(gè)電極，它們對(duì)地分得的電壓ec大小相等，方向相同，形成干擾信號(hào)。這就是通常說(shuō)的共模干擾電壓。當(dāng)然，這里我們僅僅只說(shuō)共模干擾產(chǎn)生的這一個(gè)形式。其它形式不在這里討論。
幾乎所有電磁流量轉(zhuǎn)換器的信號(hào)輸入放大部分都采用高共模抑制比的前置放大電路來(lái)抑制共模干擾信號(hào)，減弱其混入到流速信號(hào)。高共模抑制比的前置放大電路是對(duì)差動(dòng)流速信號(hào)差值起放大作用；對(duì)共模干擾信號(hào)，其差值為零，差動(dòng)放大電路起衰減作用。由于實(shí)際差動(dòng)電路元件的非完全對(duì)稱(chēng)，經(jīng)差動(dòng)放大的共模干擾會(huì)有微小的殘余輸出。對(duì)差動(dòng)放大電路的特性我們用共模抑制比CMRR表征。CMRR是對(duì)差動(dòng)信號(hào)的放大系數(shù)kd與共模干擾信號(hào)的放大系數(shù)kc(遠(yuǎn)小于1)之比取對(duì)數(shù)，并乘以20得到，單位為分貝(dB)。目前，電磁流量轉(zhuǎn)換器的共模抑制比在80dB左右。對(duì)于電容變送型等要求較高、使用電源浮動(dòng)地等措施的電磁流量轉(zhuǎn)換器，共模抑制比可達(dá)120dB以上。按CMRR定義，對(duì)一般CMRR=80dB電磁流量計(jì)，取差動(dòng)流速信號(hào)放大系數(shù)kd=1，則共模放大系數(shù)kc=0.0001。這就是說(shuō)，轉(zhuǎn)換器前置放大電路能夠把共模干擾信號(hào)電壓率減10000倍。
當(dāng)勵(lì)磁線圈對(duì)地(按前面計(jì)算，電極對(duì)地僅有3k2Ω，也可看作勵(lì)磁線圈對(duì)電極)絕緣電阻Rj=50MΩ，勵(lì)磁電壓Ec=30V時(shí)，由(2)式計(jì)算，共模干擾電壓ec=19.2mV。經(jīng)前置放大器衰減10000倍，只有1.92μV。對(duì)通常電磁流量計(jì)1m/s感應(yīng)0.2mV電壓言，殘余共模干擾電壓僅占1%。可用調(diào)零來(lái)降下零點(diǎn)。對(duì)于接線端子受潮、傳感器進(jìn)水等原因造成的絕緣電阻對(duì)地Rj在10MΩ以下情況，例如Rc=5MΩ，共模干擾電壓ec=192mV，經(jīng)前置放大器衰減10000倍后，殘余共模干擾電壓為19.2μV。對(duì)1m/s感應(yīng)0.2mV信號(hào)電壓言占10%。結(jié)果與上述實(shí)例也基本吻合。
四、結(jié)束語(yǔ)
電磁流量計(jì)上面解析，說(shuō)明了勵(lì)磁線圈對(duì)電極絕緣電阻降低引起零點(diǎn)偏移的實(shí)質(zhì)是共模干擾電壓增大所致。這樣就提示我們?cè)趹?yīng)用于易受潮、易進(jìn)水的安裝環(huán)境，必須使用符合IP68水中型結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。安裝過(guò)程，封裝接線盒之前必須注意保護(hù)好接線端子盒不會(huì)進(jìn)水和潮氣。嚴(yán)格按照制造廠家提供的安裝使用說(shuō)明書(shū)的技術(shù)規(guī)范進(jìn)行操作。
當(dāng)然，在電磁流量計(jì)運(yùn)行中，當(dāng)出現(xiàn)零點(diǎn)偏移或流量增大現(xiàn)象，我們可以首先檢查端子或線圈對(duì)地的絕緣電阻。因?yàn)椋@個(gè)檢查方法很方便，問(wèn)題處理也簡(jiǎn)單。
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