插入式電磁流量計在浮選自動加藥系統的應用

劉志存，王新

（唐山大方匯中儀表有限公司，河北 唐山 063012）

電磁流量計是一種測量精度高、應用范圍廣的流量儀表，隨著現代化工業的不斷發展，傳統的管段式電磁流量計在浮選煤泥水工業現場進行流量測量時出現了一些應用瓶頸，主要有以下兩點：

（1）傳統的管段式電磁流量計雖然精度很高，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,其制造成本將會更高。

（2）傳統的管段式電磁流量計與管道為法蘭連接，一些選煤廠浮選煤泥水管道較老舊，安裝時需要截斷管道焊接法蘭，這一過程可能會對管道造成較大損傷，而且傳統的管段式電磁流量計只能在管道內沒有流體時才能安裝、拆卸儀表，這將會影響精煤生產，也勢必會提高檢修費用。插入式電磁流量計是從傳統的管段式電磁流量計演變過來的，其設計原理相同，但由于其傳感器結構的特點使它在大直徑管道流量測量時有明顯的優點，制造成本低，其密封結構可已實現不停水在線安裝，現場安裝時無須截斷管道，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勢。

1 浮選自動加藥系統原理

浮選是選煤廠生產過程中的一個重要環節，在整個生產過程中扮演著重要角色。根據公式G（試劑加藥量）=K（加藥系數）×M(干煤泥質量)和M(干煤泥質量）=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量，所以要測定各個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行分析，為了保障品質和回收率，由中煤科工集團唐山研究院研發的浮選自動加藥系統根據對入料煤泥水濃度和流量的監測，計算出實時干煤泥質量，然后計算出藥劑用量并由精密藥劑泵加藥。

系統在電腦端實時顯示工藝各種參數，直觀地顯示監測的各個參數和自動加藥系統的運行情況。該系統還可以生成生產信息歷史曲線，通過查詢生產數據，方便生產技術人員進行分析研究微調加藥系數K，使生產效率達到更高。

2 插入式電磁流量計的設計原理

插入式電磁流量計的工作原理是基于法拉第電磁感應定律(圖1)，其可以測量管道內導電性液體的體積流量。流量計有一個用絕緣材料制成的護套，內裝有線圈、鐵芯和磁軛，護套的側面裝有兩只電極。勵磁線圈由三值方波勵磁脈沖勵時，將產生一磁通密度為B的工作磁場。當導電流體以流速V通過裝有一對間距為L的測量電極且內徑為D的管道時，這對電極將會產生同時垂直于磁場方向和液體流動方向的感應電動勢E。感應出的電動勢E正比于磁通密度B與平均流速V的乘積：E=BLV。電動勢E(流量信號)由電極檢出并通過屏蔽電纜送到轉換器內參與運算得出管道內的實際流速V，再根據即可求出實際體積流量。

圖1 插入式電磁流量計原理圖

3 插入式電磁流量計硬件電路分析

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

圖2 插入電磁流量計硬件電路

勵磁電路采用低頻三值矩形波勵磁（圖3），這種勵磁方式既可以大幅減小由直流勵磁時產生的電極極化效應，也可以克服正弦波勵磁產生的正交干擾的影響，同時，低頻三值矩形波勵磁比低頻矩形波勵磁有更低的勵磁功率，而且還可以在零值勵磁時進行零點自動補償，穩定流量計的零點。

雖然插入式電磁流量計采用低頻三值矩形波勵磁時它的極化現象和正交干擾較弱，但也不能從根本上完全消除，再加上感應電動勢在信號線傳輸過程中信號線也會在空間磁場的作用下產生干擾信號，所以實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。

插入式電磁流量計兩個電極上實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需要通過檢測電路得到的真實測量值；是微分干擾和同相干擾；ec為共模干擾；ed為串模干擾；ez為電化學干擾。

微分干擾和同相干擾會隨著磁場的穩定而快速消失；共模干擾和串模干擾會造成插入式電磁流量計零點漂移，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；電化學干擾主要是電極表面的極化現象會造成插入式電磁流量計零點不穩，提高勵磁頻率可以減小其影響。觀察管道流體流速在5m/s左右時感應信號（圖4），可以發現除去毛刺感應信號幅值可達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行濾波。參照勵磁方式，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、處理和濾除雜波進行分析。

圖4 管道流體流速5m/s左右時感應信號

前置放大電路（圖5）采用儀表放大器進行放大，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，確保放大倍數穩定。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、低輸出阻抗的優點，查看芯片手冊可以得到。信號放大電路（圖6）采用運算放大器TLC2262，TLC2262是TI公司雙路運算放大器可以達到軌對軌輸出的性能，電阻R2、R4為精密電阻，確保放大倍數穩定，R24和C31組成一個低通濾波器。

圖6 信號放大電路

表1

由低通濾波器進行衰減并濾除部分雜波后的信號SIGN（圖7）經模擬開關進入精密ADC進行AD轉換輸入單片機。可以發現，此時的信號與勵磁波形已經十分相似，信號高低處已經十分平滑，可以進行AD轉換。

圖7 管道流體流速5m/s左右時SIGN信號

4 插入式電磁流量計的測量精度

插入式電磁流量計適用于DN150～DN2000的管道，其測量精度達到1.0級，圖8是此次應用的插入式電磁流量計的檢定記錄表，經檢定后各點誤差均在1%以內，只要安裝條件符合規定，儀表的準確度是有保障的。

圖8 檢定記錄表

5 結語

插入式電磁流量計安裝簡單、老舊管道改造方便，應用在浮選自動加藥系統其測量精度能夠達到要求，為浮選自動加藥系統的正常運行提供準確數據，有助于生產技術人員進行分析研究調整試劑加藥系數K，使經浮選得到的精煤品質穩定、生產效率提高并能精準添加浮選藥劑、節省藥劑，同時，也能降低工作的復雜程度，節省勞動人員。