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本質安全型防爆電磁流量計設計
發布時間:2019-05-13

摘要:防爆電磁流量計廣泛應用于艦船、化工、石油、水泥、醫藥等領域,其具有結構簡單、測量范圍大、精確度優點,然而其使用場所環境惡劣,為了保證其性能以及降低能耗,本文介紹了電磁流量計設計基本原理、防爆電路設艦船外殼鹽及防護方法,并磁線圈仿真,該仿真可以作為勵磁系的模型!電磁流量計設計效率。
0引言
  流量計是測量流體在一段時間過的體積或者質量的儀器,對于生產過程非常關鍵。隨著技術快速發展,流量計類越來越多,比如電磁流量計、超聲波量計、熱式流量計以及震動流量計等,電磁流量計以其簡單的結構、可靠性高、精度高等優點,在生產和生活用比例占60%以上。然而,由于在艦船中其經常處于潮濕、腐蝕的使用環境,為此電磁流量計的防爆性能設計降低流量計電池耗能研究成為熱點。
1電磁流量計設計基本原理
  電磁流量計是通過利用法拉第電磁感應定律設計,圖1為電磁流量計結構示意圖,管內為導電性,勵磁線圈為閉合回路,依據麥克斯韋電磁場理論,產生工作磁場。
對于直導體,在磁場中產生的感應電動勢E

式中,B--磁感應強度;D一導體長度;.V一運動速度。
  圖2為流體流動方向、磁場方向和感應電動勢方向,符合右手規律,感電動勢大小見式(1),對于管道內流體流量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,感應電動勢E與流量Q成正比。
電磁流量計結構圖
防爆電池流量計磁場示意圖
2防爆電路設計
  依據釋放源存在部位、釋放數量、擴散情況和通風情況等條件,爆炸場所可分為0區、1區和2區,對于礦用產品,可以用于0區、1區和2區,對于礦用產品,可以用于0區的產品防爆類型只有本質安全性,對于用于0區的防爆電磁流量計,防爆性能至關重要。
  本質安全型電氣設備是指在正常運行和規定的故障條件下,所產生的火花或者熱效應均不能點燃爆炸性氣體合物的電氣設備[2],本安電路設計時要從兩方面考慮,一是對本案和非本案部件進行隔離;二是能量限制。
  GB3836.4—2010求的隔離包括爬電距離、電氣間隙和接地等要求,比在GB3836.4—2010表5中,依據電壓值來設計電氣間隙、爬電距離以及合適的CTI值絕緣材料。能量限制主要涉及到元件額定值選擇,依據GB3836.4—2010,電分為電阻性電路、電感性電路和電容性電路,圖3所示。電磁流量計感器電氣部分由連個線圈組成,包括電阻和電感,依據GB3836.4—2010圖A1中,根據電磁流量計防爆類型和電源電壓,確定最小點燃電流,比如設計工作電壓為18V的IIC類本安電路,點燃電流為0.66A,此外,要是電路慮安全系數,若是安全系數為1.5,則最大電流應小于0.44A。根據GB3836.4—2010圖A6,依據電壓和電流,選擇合適電感值,對于18V、0.44A的電感電路,電感設計應在0.8mH以下。
防爆電池流量計電器部分圖示
  為了無論電路在正常工作狀態還是故障狀態,使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。
防爆電磁流量計電器圖示
3勵磁線圈仿真
  利用COMSOL仿真軟件,對彎圓形、彎菱形和馬鞍形線圈進行仿真,采用相同線圈材料材質和相同用料量,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置,進行網格分析劃分等步驟,最后仿真可的磁場分布情況,圖6為磁力線分布,圖7為磁感應強度分布。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。
防爆電磁流量計勵磁線圈幾何模型圖示

  通過模擬結果可以直觀得出相應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的磁場沿管中軸線方向。管軸線方向和整個區域內的均勻度情況,設定ε1、ε2、ε33個均勻度參數,表達式如下

  仿真結果表明,三種形狀勵磁線圈磁感應強度大小關系為:馬鞍形最小、彎圓形最大。均勻度分析表明,ε1:馬鞍形最小,彎菱形最大;ε2:馬鞍形最小,彎菱形最大;ε3:馬鞍形最小,彎菱形最大。因此,磁感應強度越大,電極收到的信號越大,所以彎圓形效果最好;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越小,為此,馬鞍型勵磁線圈效果最好。
4艦船外殼鹽霧試驗及防護
  艦船用電磁流量計外殼材質一般為鑄鐵、鑄鋼和不銹鋼,海洋中鹽霧濃度高、海水飛沬多造成設備腐蝕嚴重,鹽霧直接影響到設備的使用周期和可靠性,因此,流量計外殼應進行鹽霧實驗,實驗方法主要有戶外暴露實驗和實驗室鹽霧箱模擬兩種,使用使用標準有GB/T2423.17—2008《電工電子產品基本環境試驗規程試驗Ka:鹽霧試驗方法》和GB/T2423.18*2000《電工電子產品環境試驗第2部分:試驗試驗Kb:鹽霧,交變(氯化鈉溶液)》。
5結語
  電磁流量計由于其使用環境特殊,因此其防爆性能和勵磁系統研究至關重要,本文對于電磁流量計基本原理和防爆電路設計進行詳細闡述,并對不同形狀線圈感應磁場進行仿真模擬。

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