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礦用防爆電磁流量計的勵磁電路設計

發布日期:2013-04-26  來源:煤炭科學研究總院唐山研究院  作者:煤炭科學研究總院唐山研究院 張占團 李志賓  瀏覽次數:
【導讀】:電磁流量計以其優良的性能廣泛應用于各行各業,但是由于其原理特性,尤其是勵磁電流的存在,限制了其在煤礦、選礦等安全要求較高場所的應用。本文介紹一種礦用防爆電磁流量計的本質安全勵磁電路......

【摘要】電磁流量計以其優良的性能廣泛應用于各行各業,但是由于其原理特性,尤其是勵磁電流的存在,限制了其在煤礦、選礦等安全要求較高場所的應用。本文介紹一種礦用防爆電磁流量計的本質安全勵磁電路。

【引言】在測流儀表行業,電磁流量計具有精度高、穩定性好、量程比寬、無壓損等優點,廣泛應用于石油、化工、冶金、電力、給排水等領域。然而,由于煤礦安全性的特殊要求,目前可用于煤礦井下的電磁流量計在國內尚屬空白。

電磁流量計工作原理

    電磁流量計根據法拉第電磁感應定律工作,測量管內無阻流部件,用于測量單相或多相導電流體流量。當導電流體在磁場中運動時,將在流體兩側產生感應電勢,其大小與流速成正比,據此可測流量值,如圖1所示。

電磁流量計測流原理

據電磁感應定律:導電流體在磁場中切割磁力線時,產生感應電動勢的大小為:

U=BDV:

B—磁場密度(T)D—管徑(m)V—流速(m/s)

流體流量為:Q=3600×V×Sm3/h

式中:S—管道截面積(m2)則:Q=3600×U×S/(BD)m3/h

其中B、D、S為常量,流量與感應電動勢U成正比關系,因此,測得感應電動勢U,即可得到流體流量。(相關產品:分體式電磁流量計

    由此可見,電磁流量計正常運行需要有穩定的磁場,而磁場正是靠傳感器線圈內的勵磁電流來產生的。勵磁線圈如圖2所示。一對線圈對稱安裝在傳感器正對的兩側,以產生均勻的磁場,傳感器剖面圖如圖3所示。

勵磁線圈   傳感器剖面圖

礦用儀表的安全性要求

    對于礦用電氣產品,其防爆安全性至關重要。目前,我國防爆電氣產品的類型主要以隔爆型和本質安全型為主;并且只有本安設備能夠用在0區危險場所。礦用本質安全型產品要做本質安全性能檢驗,其中本安火花試驗是非常重要的檢驗項目之一。當電路發生通斷時,會以火花形式釋放能量。能量大于某一臨界值時,便會點燃爆炸性氣體混合物,從而引發爆炸。本安設計就是要控制電路產生的電火花能量,從而實現電路的本質安全。本質安全電路要求在正常工作和故障狀態下都必須是安全的,所產生的電火花均不足以點燃周圍環境中的爆炸性混合氣體。(相關產品:管道式電磁流量計

電磁流量計本安勵磁電路

    電磁流量計傳感器勵磁電流是產生電火花的危險源,電磁流量計要用于井下,首先得勵磁電路達到本質安全要求。電磁流量計傳感器電氣部分由2個線圈組成,如圖4。

電磁流量計傳感器電氣部分

其電參數主要是電阻和電感,電阻值為40-60Ω(兩線圈串聯),電感量為100-300mH,其中電感量是危險源所在。當電流流過電感線圈時,在線圈內部會產生磁場,磁場貯存能量,當電路斷開時,儲存在線圈中的能量就會以火花的形式釋放出來,應此必須吸收或泄放線圈的貯能才能達到本安的要求。在線圈兩端并聯緒流支路,以泄放線圈儲存的磁場能,降低通斷時的電火花能量。如圖5所示。

線圈兩端并聯緒流支路

     在正常狀態,它不影響電路工作,當電路斷開時,它與線圈組成泄放回路,將電壓鉗位在二極管正向導通壓降(0.7V左右)。(相關產品:污水電磁流量計

但是,簡單的緒流二極管只適用于直流電路,即單向電流情況。為了避免電極極化現象和消除市電噪聲干擾,電磁流量計需采用低頻矩形波勵磁,因此勵磁信號是周期性雙向電流,如圖6所示。因此,傳統的普通二極管無法滿足應用。

勵磁信號是周期性雙

    這里,我們采用一種新型的瞬態電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor),簡稱TVS管。TVS管是在穩壓管工藝基礎上發展起來的一種新型電子元件,當TVS管兩端產生瞬間的高壓沖擊時,它能以極高的速度(非常高達1/1012秒)驟然降低阻抗為導通狀態,吸收電流,泄放能量。它的特點是:響應速度快(ps級)、鉗位精準(0.1V)、泄放能里強(幾A到幾百,非常重要的一點,它可以實現雙向鉗位泄放,滿足我們雙向勵磁的要求,不影響電磁流量計正常工作并起到抑制火花作用。如圖7所示。

圖7

     在激磁電流是125mA,線圈電阻為45Ω情況下,線圈工作電壓為5.625V,我們選用6.8V雙向TVS管P6KE6.8CA做泄放回路,其反應速度快,開關延遲約為1ps,鉗位精準,有效抑制了能量外泄。

    完整的勵磁電流邏輯電路如圖8所示。此電路通過了國家安全生產礦用設備檢測檢驗中心防爆站并聯、串聯、短路、斷路等安全實驗測試,達到本質安全標準。

完整的勵磁電流邏輯電路

結束語

    在本安電路設計中應用電容或電感等貯能器件時,在滿足電路正常功能的情況下,提供有效的保護措施,限制能量輸出并提供能量泄放回路,以降低發生短路、斷路時的電火花能量,從而達到本質安全。

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