電磁流量計零點偏移實例的解析

2019-8-27 9:48:09??????點擊:

電磁流量計零點偏移實例的解析

一、前言
電磁流量計廣泛地用于城市供水、水處理過程中水的測量和計量。然而,這些行業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,或安裝于地下的測量井中。不難想象,長期浸泡在水中,或者由于測量井的封閉,井內溫度與外界氣溫存在差別,造成井內有大量水蒸氣的存在。如果使用一般結構的電磁流量傳感器,當受到地下水位壓力和長期浸泡的作用,結果會將水或水蒸氣滲入傳感器其中。井內水蒸氣也可能由電纜引出套滲入接線端子盒,從而降低勵磁線圈對地的絕緣電阻、絕緣強度,造成儀表大的零點偏移,引起測量不可靠,甚至不能測量。
    對于長期使用于浸泡在水中的流量計傳感器,制造廠商采用適當的密封結構形式和嚴格的制造工藝來保證其密封性。并在使用時,采用嚴格的防水密封措施來解決傳感器接線端子盒對電纜引出線的密封。習慣把用于浸泡在水中的電磁流量計命名為水中型(或稱潛水型、設埋型),并按照符合國際電工委員會IEC標準(IEC529-76)和國家標準GB4208-84的有關IP68外殼防護等級進行設計制造。當然,水中型的制造成本要比一般電磁流量計高。制造廠通常制造的電磁流量傳感器結構一般僅適于防濺密封結構的形式。這些外殼防護等級為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,會有選型不當的事情發生?;蛘?,安裝調試人員未能真正理解操作的細節要求,造成傳感器內進水、接線端子受潮的問題時有出現。這樣,當流量計投入運行后,可能會有一些奇怪的現象發生。查找這些故障原因,往往要花費大量時間和精力,同時也可能影響到生產工藝正常進行。如果我們能夠對這類問題有個較深的認識,也就是認識到故障現象的本質,進而在選型、制造,安裝、接線等調試過程中做到認真、細致地按防水性能的技術要求工作,防患于未然;而在維護過程中,依據理論的指導能夠迅速、準確地排除故障,這將對電磁流量計的正確使用和維護起到積極作用。
二、幾個電磁流量計零點漂移的實例
1、 河南省某市三水廠是由國外政府貸款建設的中型現代化水廠。其中,進廠地表水計量使用
一臺DN1200電磁流量計;進廠地下水由數口井匯總后使用一臺DN900電磁流量計計量。并聯連接的出廠水計量使用兩臺DN1000電磁流量計。四臺電磁流量計都是用進口國外某著名公司的先進產品。流量計傳感器安裝符合電磁流量計標準要求。裝在上游具有10倍以上、下游5倍以上直管段的測量井內。測量井同時考慮到可以安裝夾持型超聲波流量計能與電磁流量計進行比對測量。
    系統投入正常運行已近兩年。1999年11月發現進廠水測量總量比出廠水測量總量低約10%左右。表面看流量計工作都很正常。問題出在那里,找起來比較困難。因為一般自來水廠都有調節清水池,尤其對生產負荷不滿的情況,進水泵可能時開、時停。因此,很難用儀表瞬時量來平衡生產過程的進出水量。我們通過與超聲波流量計對比,采用不同組合開、關閥門等方法,確認是兩臺出廠水流量計發生零點偏移。一臺偏移高達200 m3/h,另一臺偏移高達300 m3/h。與顯示的出廠量高出10%左右相吻合。根據經驗,我們認為可能是接線端子受潮,勵磁回路絕緣電阻對地下降所致。檢查傳感器發現,原本應該使用一根圓的信號專用電纜,這里使用了兩根圓的屏蔽電纜代用。冬季測量井氣溫高,潮氣沿電纜由密封不嚴的端子口進入接線盒。勵磁端子對地僅有5~6MΩ。用電吹風機吹干,勵磁回路對地絕緣電阻上升到數十MΩ后,儀表零點下降到零,測量恢復正常,能夠正確反映生產過程進出水量的平衡。
2、 河南省鄭州市某縣級水廠使用一臺LD-800電磁流量計,由于投入運行前接線盒內進水,
勵磁端子對地僅有5MΩ絕緣電阻。量程1000 m3/h時,結果造成零點顯示300 m3/h。利用轉換器調零不能降下來。
3、廣東深圳市某水廠,一臺LD-800電磁流量傳感器進水后,勵磁線圈對地絕緣電阻下降到8MΩ。在量程1000 m3/h時,結果造成零點顯示160 m3/h。利用調零不能降下來。
4、浙江省某市污水處理廠一臺引進DN1000電磁流量計接線端子盒進水,未處理干燥封密封膠,勵磁端子對地絕緣電阻僅有2MΩ,結果造成零點輸出數百m3/h,利用轉換器調零不能降下來。
三、勵磁回路對地絕緣電阻降低引起零點漂移的成因
勵磁回路對地絕緣電阻降低引起零點漂移,可以利用圖 1所示傳感器的等效電路分析其成因。圖中,Rj:勵磁線圈對電極的絕緣電阻;C0:勵磁線圈與電極間的分布電容;R s:傳感器感應信號內阻。實際上Rs是傳感器兩個測量電極分別對測量液體間形成電容的容抗之和。把測量液體的體電阻近似視為零,被測液體作為接地基準點。所以,圖中的信號內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:感應流速信號,并被信號內阻分為大小相等、方向相反的差動信號+ Es/2和- Es/2。
    通常,制造廠設計制造傳感器的絕緣電阻對地Rj在50MΩ以上;分布電容C0的值可能為數十μF。傳感器裝配時使用對電極或勵磁線圈屏蔽的辦法,能將分布電容的作用降低到很小的程度。實際應用中,傳感器接地電阻rd可以在數Ω,最大100Ω。
傳感器感應信號內阻 Rs可用(1)式求得
    式中,σ為被測流體電導率,S/m;d為傳感器測量電極直徑,m。對于被測流體是自來水,其電導率大約在10-2S/m左右。通常,傳感器測量電極直徑大約在0.01∽0.02m。我們取d=0.016m計算信號內阻Rs大約在6k25Ω。
    在流體充滿測量管道,不流動情況下,感應流速信號為零。但是,從等效電路圖我們可以看到,實際上絕緣電阻與分成兩部分的信號內阻對勵磁電壓Ec構成了(2)式的分壓關系。在電極上,對地分得部分勵磁電壓ec。對于兩個電極,它們對地分得的電壓ec大小相等,方向相同,形成干擾信號。這就是通常說的共模干擾電壓。當然,這里我們僅僅只說共模干擾產生的這一個形式。其它形式不在這里討論。
    幾乎所有電磁流量轉換器的信號輸入放大部分都采用高共模抑制比的前置放大電路來抑制共模干擾信號,減弱其混入到流速信號。高共模抑制比的前置放大電路是對差動流速信號差值起放大作用;對共模干擾信號,其差值為零,差動放大電路起衰減作用。由于實際差動電路元件的非完全對稱,經差動放大的共模干擾會有微小的殘余輸出。對差動放大電路的特性我們用共模抑制比CMRR表征。CMRR是對差動信號的放大系數kd與共模干擾信號的放大系數kc(遠小于1)之比取對數,并乘以20得到,單位為分貝(dB)。目前,電磁流量轉換器的共模抑制比在80dB左右。對于電容變送型等要求較高、使用電源浮動地等措施的電磁流量轉換器,共模抑制比可達120dB以上。按CMRR定義,對一般CMRR=80dB電磁流量計,取差動流速信號放大系數kd=1,則共模放大系數kc=0.0001。這就是說,轉換器前置放大電路能夠把共模干擾信號電壓衰減10000倍。
    當勵磁線圈對地(按前面計算,電極對地僅有3k2Ω,也可看作勵磁線圈對電極)絕緣電阻Rj=50MΩ,勵磁電壓Ec=30V時,由(2)式計算,共模干擾電壓ec=19.2mV。經前置放大器衰減10000倍,只有1.92μV。對通常電磁流量計1m/s感應0.2mV電壓言,殘余共模干擾電壓僅占1%??捎玫髁憷唇迪鋁愕?。對于接線端子受潮、傳感器進水等原因造成的絕緣電阻對地Rj在10MΩ以下情況,例如Rc=5MΩ,共模干擾電壓ec=192mV,經前置放大器衰減10000倍后,殘余共模干擾電壓為19.2μV。對1m/s感應0.2mV信號電壓言占10%。結果與上述實例也基本吻合。
四、結束語
    上面解析,說明了勵磁線圈對電極絕緣電阻降低引起零點偏移的實質是共模干擾電壓增大所致。這樣就提示我們在應用于易受潮、易進水的安裝環境,必須使用符合IP68水中型結構的產品。安裝過程,封裝接線盒之前必須注意?;ず媒酉叨俗雍脅換嶠統逼?。嚴格按照制造廠家提供的安裝使用說明書的技術規范進行操作。
當然,在電磁流量計運行中,當出現零點偏移或流量增大現象,我們可以首先檢查端子或線圈對地的絕緣電阻。因為,這個檢查方法很方便,問題處理也簡單。