流量計是測量流體在一段時間內(nèi)流過的體積或者質(zhì)量的儀器, 對于生產(chǎn)過程非常關(guān)鍵。隨著技術(shù)快速發(fā)展, 流量計種類越來越多, 比如電磁流量計、超聲流量計、熱式流量計以及震動流量計等, 電磁流量計以其簡單的結(jié)構(gòu)、可靠性高、精度高等優(yōu)點, 在生產(chǎn)和生活中應(yīng)用比例占60%以上。然而, 由于在艦船中其經(jīng)常處于潮濕、腐蝕的使用環(huán)境, 為此電磁流量計的防爆性能設(shè)計和降低流量計電池耗能研究成為熱點。

  電磁流量計是通過利用法拉第電磁感應(yīng)定律設(shè)計, 圖1為電磁流量計結(jié)構(gòu)示意圖, 管內(nèi)為導(dǎo)電性流體, 勵磁線圈為閉合回路, 依據(jù)麥克斯韋電磁場理論, 產(chǎn)生工作磁場。

  對于直導(dǎo)體, 在磁場中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E

式中, B—磁感應(yīng)強度;D—導(dǎo)體長度;V—運動速度。

圖2為流體流動方向、磁場方向和感應(yīng)電動勢方向, 符合右手規(guī)律, 感應(yīng)電動勢大小見式 (1) , 對于管道內(nèi)流體流量Q大小見式 (2)

將式 (2) 中V求出, 帶入式 (1) 可得

由式 (3) 可知, 管道尺寸確定, 感應(yīng)電動勢E與流量Q成正比。

  依據(jù)釋放源存在部位、釋放數(shù)量、擴散情況和通風(fēng)情況等條件, 爆炸場所可分為0區(qū)、1區(qū)和2區(qū), 對于礦用產(chǎn)品, 可以用于0區(qū)的產(chǎn)品防爆類型只有本質(zhì)安全性, 對于用于0區(qū)的防爆電磁流量計, 防爆性能至關(guān)重要。

  本質(zhì)安全型電氣設(shè)備是指在正常運行和規(guī)定的故障條件下, 所產(chǎn)生的火花或者熱效應(yīng)均不能點燃爆炸性氣體混合物的電氣設(shè)備[2], 本安電路設(shè)計時要從兩方面考慮, 一是對本安和非本安部件進行隔離;二是能量限制。

  GB 3836.4—2010中要求的隔離包括爬電距離、電氣間隙和接地等要求, 比如在GB 3836.4—2010表5中, 依據(jù)電壓值來設(shè)計電氣間隙、爬電距離以及選擇合適的CTI值絕緣材料。能量限制主要涉及到元件額定值選擇, 依據(jù)GB 3836.4—2010, 電路分為電阻性電路、電感性電路和電容性電路, 如圖3所示。電磁流量計傳感器電氣部分由連個線圈組成, 包括電阻和電感, 依據(jù)GB3836.4—2010圖A1中, 根據(jù)電磁流量計防爆類型和電源電壓, 確定***小點燃電流, 比如設(shè)計工作電壓為18V的IIC類本安電路, 點燃電流為0.66A, 此外, 要是電路考慮安全系數(shù), 若是安全系數(shù)為1.5, 則***大電流應(yīng)小于0.44A。根據(jù)GB 3836.4—2010圖A6, 依據(jù)電壓和電流, 選擇合適電感值, 對于18V、0.44A的電感電路, 電感設(shè)計應(yīng)在0.8mH以下。

為了無論電路在正常工作狀態(tài)還是故障狀態(tài), 使本安端有定壓和定流輸出特性, 如圖4所示。選擇合適二極管安全柵或者齊納安全柵, 若勵磁信號是周期性雙向電流, 可以選擇TVS管。

利用COMSOL仿真軟件, 對彎圓形、彎菱形和馬鞍型線圈進行仿真, 采用相同線圈材料材質(zhì)和相同用料量, 并在相同勵磁電流、勵磁頻率條件下, 比較勵磁線圈產(chǎn)生的工作磁場強度分布情況。

首先建立仿真幾何模型, 如圖5所示, 為彎圓形勵磁線圈模型, 進行電特性、磁特性和邊界條件設(shè)置, 進行網(wǎng)格分析劃分等步驟, ***后仿真可得磁場分布情況, 圖6為磁力線分布, 圖7為磁感應(yīng)強度分布。對于彎菱形和馬鞍型線圈采用相同步驟進行仿真模擬, 如圖8所示, 為馬鞍型勵磁線圈。

通過模擬結(jié)果可以直觀得出相應(yīng)空間點和面的磁場大小、磁場對稱情況, 為了更好比較不同幾何形態(tài)的磁場沿管中軸線方向、管軸線方向和整個區(qū)域內(nèi)的均勻度情況, 設(shè)定ε1、ε2、ε33個均勻度參數(shù), 表達式如下

  仿真結(jié)果表明, 三種形狀勵磁線圈磁感應(yīng)強度大小關(guān)系為:馬鞍形***小、彎圓形***大。均勻度分析表明, ε1:馬鞍形***小, 彎菱形***大;ε2:馬鞍形***小, 彎菱形***大;ε3:馬鞍形***小, 彎菱形***大。因此, 磁感應(yīng)強度越大, 電極收到的信號越大, 所以彎圓形效果***好;由于磁場均勻度越小, 表明越均勻, 渦電流損耗和磁場邊緣效應(yīng)越小, 為此, 馬鞍型勵磁線圈效果***好。

  艦船用電磁流量計外殼材質(zhì)一般為鑄鐵、鑄鋼和不銹鋼, 海洋中鹽霧濃度高、海水飛沫多造成設(shè)備腐蝕嚴(yán)重, 鹽霧是由于氯化物的微小液滴懸浮于空氣中形成的, 鹽霧直接影響到設(shè)備的使用周期和可靠性, 因此, 流量計外殼應(yīng)進行鹽霧試驗, 試驗方法主要有戶外暴露試驗和實驗室鹽霧箱模擬兩種, 使用標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 2423.17—2008《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程試驗Ka:鹽霧試驗方法》和GB/T 2423.18—2000《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分:試驗試驗Kb:鹽霧, 交變 (氯化鈉溶液) 》。

  電磁流量計由于其使用環(huán)境特殊, 因此其防爆性能和勵磁系統(tǒng)研究至關(guān)重要, 本文對電磁流量計基本原理和防爆電路設(shè)計進行詳細(xì)闡述, 并對不同形狀線圈感應(yīng)磁場進行了仿真模擬。