插入式电磁流量计在浮选自动加药系统的应用

刘志存，王新

（唐山大方汇中仪表有限公司，河北 唐山 063012）

电磁流量计是一种测量精度高、应用范围广的流量仪表，随着现代化工业的不断发展，传统的管段式电磁流量计在浮选煤泥水工业现场进行流量测量时出现了一些应用瓶颈，主要有以下两点：

（1）传统的管段式电磁流量计虽然精度很高，但其制造成本也高，在浮选煤泥水大直径管道流量测量现场不需要这么高的精度，而且浮选煤泥水管道一般直径都比较大,其制造成本将会更高。

（2）传统的管段式电磁流量计与管道为法兰连接，一些选煤厂浮选煤泥水管道较老旧，安装时需要截断管道焊接法兰，这一过程可能会对管道造成较大损伤，而且传统的管段式电磁流量计只能在管道内没有流体时才能安装、拆卸仪表，这将会影响精煤生产，也势必会提高检修费用。插入式电磁流量计是从传统的管段式电磁流量计演变过来的，其设计原理相同，但由于其传感器结构的特点使它在大直径管道流量测量时有明显的优点，制造成本低，其密封结构可已实现不停水在线安装，现场安装时无须截断管道，易于拆卸维修，对测量较粗管道的入料煤泥水流量有很大的优势。

1 浮选自动加药系统原理

浮选是选煤厂生产过程中的一个重要环节，在整个生产过程中扮演着重要角色。根据公式G（试剂加药量）=K（加药系数）×M(干煤泥质量)和M(干煤泥质量）=L(煤泥水流量)×C(煤泥水浓度)可知，若要获得浮选中精密药剂泵的加药量首先要得到煤泥水中干煤泥质量，所以要测定各个管道中煤泥水流量和煤泥水浓度。通过对田庄选煤厂的煤种和所选用的药剂进行分析，为了保障品质和回收率，由中煤科工集团唐山研究院研发的浮选自动加药系统根据对入料煤泥水浓度和流量的监测，计算出实时干煤泥质量，然后计算出药剂用量并由精密药剂泵加药。

系统在电脑端实时显示工艺各种参数，直观地显示监测的各个参数和自动加药系统的运行情况。该系统还可以生成生产信息历史曲线，通过查询生产数据，方便生产技术人员进行分析研究微调加药系数K，使生产效率达到更高。

2 插入式电磁流量计的设计原理

插入式电磁流量计的工作原理是基于法拉第电磁感应定律(图1)，其可以测量管道内导电性液体的体积流量。流量计有一个用绝缘材料制成的护套，内装有线圈、铁芯和磁轭，护套的侧面装有两只电极。励磁线圈由三值方波励磁脉冲励时，将产生一磁通密度为B的工作磁场。当导电流体以流速V通过装有一对间距为L的测量电极且内径为D的管道时，这对电极将会产生同时垂直于磁场方向和液体流动方向的感应电动势E。感应出的电动势E正比于磁通密度B与平均流速V的乘积：E=BLV。电动势E(流量信号)由电极检出并通过屏蔽电缆送到转换器内参与运算得出管道内的实际流速V，再根据即可求出实际体积流量。

图1 插入式电磁流量计原理图

3 插入式电磁流量计硬件电路分析

整个硬件电路（图2）包括电源部分、励磁电路部分、信号放大采集处理部分及输入输出显示部分。其中影响流量计测量精度的主要是励磁电路部分和信号放大采集处理部分。

图2 插入电磁流量计硬件电路

励磁电路采用低频三值矩形波励磁（图3），这种励磁方式既可以大幅减小由直流励磁时产生的电极极化效应，也可以克服正弦波励磁产生的正交干扰的影响，同时，低频三值矩形波励磁比低频矩形波励磁有更低的励磁功率，而且还可以在零值励磁时进行零点自动补偿，稳定流量计的零点。

虽然插入式电磁流量计采用低频三值矩形波励磁时它的极化现象和正交干扰较弱，但也不能从根本上完全消除，再加上感应电动势在信号线传输过程中信号线也会在空间磁场的作用下产生干扰信号，所以实际测量得到的电压信号是有用信号与各种干扰信号的“组合”，它不仅包含流速信号也包含各种干扰信号。

插入式电磁流量计两个电极上实际测量得到的电压信号可以用以下的信号模型来表示。即

式中，BvD为称为流速信号，是插入式电磁流量计需要通过检测电路得到的真实测量值；是微分干扰和同相干扰；ec为共模干扰；ed为串模干扰；ez为电化学干扰。

微分干扰和同相干扰会随着磁场的稳定而快速消失；共模干扰和串模干扰会造成插入式电磁流量计零点漂移，传输信号线采用屏蔽线，确保仪表接地良好可大幅度减弱其影响；电化学干扰主要是电极表面的极化现象会造成插入式电磁流量计零点不稳，提高励磁频率可以减小其影响。观察管道流体流速在5m/s左右时感应信号（图4），可以发现除去毛刺感应信号幅值可达25mV,但其中有用信号的幅值在0.5mV左右，所以信号放大采集过程中要进行滤波。参照励磁方式，分析流速信号电压的基本特征，以下从信号放大采集处理部分对流速信号能够有效地、针对性地放大、处理和滤除杂波进行分析。

图4 管道流体流速5m/s左右时感应信号

前置放大电路（图5）采用仪表放大器进行放大，仪表放大器前端是RFI滤波器，滤除衰减大部分干扰信号，R1为精密电阻，确保放大倍数稳定。二极管D1、D2可以限制输入信号的大小，避免误接线造成损坏。

图5 前置放大电路

AD8226是ADI公司一款低成本、宽电源电压范围仪表放大器，该仪表放大器具有超高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低线性误差、低输出阻抗的优点，查看芯片手册可以得到。信号放大电路（图6）采用运算放大器TLC2262，TLC2262是TI公司双路运算放大器可以达到轨对轨输出的性能，电阻R2、R4为精密电阻，确保放大倍数稳定，R24和C31组成一个低通滤波器。

图6 信号放大电路

表1

由低通滤波器进行衰减并滤除部分杂波后的信号SIGN（图7）经模拟开关进入精密ADC进行AD转换输入单片机。可以发现，此时的信号与励磁波形已经十分相似，信号高低处已经十分平滑，可以进行AD转换。

图7 管道流体流速5m/s左右时SIGN信号

4 插入式电磁流量计的测量精度

插入式电磁流量计适用于DN150～DN2000的管道，其测量精度达到1.0级，图8是此次应用的插入式电磁流量计的检定记录表，经检定后各点误差均在1%以内，只要安装条件符合规定，仪表的准确度是有保障的。

图8 检定记录表

5 结语

插入式电磁流量计安装简单、老旧管道改造方便，应用在浮选自动加药系统其测量精度能够达到要求，为浮选自动加药系统的正常运行提供准确数据，有助于生产技术人员进行分析研究调整试剂加药系数K，使经浮选得到的精煤品质稳定、生产效率提高并能精准添加浮选药剂、节省药剂，同时，也能降低工作的复杂程度，节省劳动人员。