一、前言
電磁流量計(jì)**地用于城市供水、水處理過程中水的測(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(或稱潛水型、設(shè)埋型)，并按照符合國際電工委員會(huì)IEC標(biāo)準(zhǔn)(IEC529-76)和國家標(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?；蛘?，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)@類問題有個(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)口國外某司的**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。問題出在那里，找起來比較困難。因?yàn)橐话阕詠硭畯S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、時(shí)停。因此，很難用儀表瞬時(shí)量來平衡生產(chǎn)過程的進(jìn)出水量。我們通過與超聲波流量計(jì)對(duì)比，采用不同組合開、關(guān)閥門等方法，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。
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。
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。
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，zui大100Ω。
傳感器感應(yīng)信號(hào)內(nèi)阻 Rs可用(1)式求得：
Rs=1/σd
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6.25kΩ。
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。
Ec=(Rs/2+rd)/(Rs/2+rd+Rs)*E
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e。大小相等，方向相同，形成干擾信號(hào)。這就是通常說的共模干擾電壓。當(dāng)然，這里我們僅僅只說共模干擾產(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，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，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
電磁流量計(jì)上面解析，說明了勵(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明書的技術(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)?，這個(gè)檢查方法很方便，問題處理也簡(jiǎn)單。
上一條：
電磁流量計(jì)的前期安裝、維護(hù)和接地
下一條：
電磁流量計(jì)的精度提升及抗干擾技術(shù)
