高温低功耗电磁流量计的研制

    1　前　言

    随着国民经济的发展和现代生产过程自动化程度的不断提高,流量作为主要的过程参数之一已成为判断生产过程效率、工作状况及经济性能的重要指标,因此流量测量仪器的地位日趋突出。根据法拉第电磁感应定律测量导电性液体体积流量的电磁流量计(ElectroMagnetic Flowmeter,简称EMF)由于测量不受介质性能的影响、无压力损失和抗腐蚀性等特点在石油化工、电力、冶金、医药、食品、农业等行业得到越来越广泛地应用,成为液体流量测量的首选仪表,特别适宜液固两相流等流量的测量。

    纵观多年来对电磁流量计的研究,几乎未涉足高温(≥85~125℃)这个领域,而油田水井的注水流量测量就要求测量仪表能够耐高温;考虑励磁方式的多,而对怎样提高磁场强度、减少磁损,在同样输出信号下用最小的励磁电流研究的较少;产品多为单一的流量测量,多参数(流量、压力、温度)同时测量的不多;体积相对庞大。可见,从小型、低功耗和高温作为切入点,通过特殊设计的磁场结构,多参数测量等手段和方法将是在电磁流量计设计和制造上的创新。

    2　磁场结构设计[1]

    2.1　磁路结构

    电磁流量计的激磁由激磁线圈和导磁部件———磁轭和铁芯组成。线圈产生磁场;磁轭和铁芯则用于减少磁阻和漏磁,改变磁通的分布,获得所需的工作磁场。主要采用变压器铁芯型、磁轭式集中绕组型和磁轭式分段绕组型结构。变压器铁芯型的结构犹如两个“E”型变压器相连,它可以使两磁极间安装测量管的地方得到较强的磁感应强度,但只适用于小口径,且体积较大;磁轭式集中绕组型的激磁线圈是无骨架的马鞍形,线圈外侧采用多层电工硅钢片制成磁轭,两块平行安装的的导磁件作为极靴,产生一个比较均匀的磁场,结构较复杂但相对紧凑,一般用于口径为Φ25~Φ80mm的电磁流量计;磁轭式分段绕组型的激磁线圈分成多段,用电工硅钢片制成的磁轭做成半圆形紧箍在线圈的外侧,结构复杂但很紧凑,一般用于口径大于Φ100mm的电磁流量计[2]。对于注水井注水流量测量的电磁流量计,由于受油管结构尺寸的限制,仪器的外形应设计为细长圆柱型且不宜采用较为复杂的结构,仪器外径应小于油管的内径(Φ50~Φ65mm),一般设计为Φ40mm左右,测量管的直径一般≯15mm。这样,如磁场结构采用变压器铁芯型,由于铁芯面积受到了限制,工作磁通的磁阻会远远大于漏磁通的磁阻,结果使漏磁通比穿过测量管的工作磁通强。尽管激磁系统有较大的磁动势,却只能得到较弱的流量信号,而且,较工作磁通强的漏磁通还将引起严重的干扰。如采用磁轭式集中绕组型或磁轭式分段绕组型,由于在测量管和仪器外径间的空间太小,安装线圈和磁轭将很困难。在本仪器的设计中既吸取了变压器铁芯型较大的磁动势的优点,又吸取了磁轭式中激磁线圈无骨架的马鞍形结构紧凑的特点,所产生的磁场比较均匀,漏磁通小。具体结构如图1所示  图1