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如何有效提高電磁流量計使用電磁兼容性的研究分析
1 電磁流量計的工作原理
電磁流量計的工作以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ), 即當一個導(dǎo)體在電磁場中運動, 并且運動方向垂直于電磁場時就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢, 所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的方向垂直于導(dǎo)體運動和電磁場運動的方向, 感應(yīng)電動勢的大小與導(dǎo)體的運動速度和磁場的磁感應(yīng)強度成正比。當導(dǎo)電流體以平均流速V(m/s)通過一根內(nèi)徑為D(m)的管子時, 若管子內(nèi)存在一個磁感應(yīng)強度為B(T)的磁場, 那么就可產(chǎn)生一個垂直于磁場方向和流體流動方向的電動勢E:
E = DVB (V) (1)
容積流量Q為:
Q =πD2 V/4 (m3 / s) (2)
將式(2)代入式(1)并處理得:
E=(4B/πD)×Q (V) (3)
如果B和D是常數(shù), 那么從式(3)可看出, E與
Q成正比。電磁流量轉(zhuǎn)換器把電動勢E放大并轉(zhuǎn)換成標準的4 ～ 20 mA的信號或脈沖信號, 作為對應(yīng)的流量信號輸出。
2 電磁流量計的參數(shù)設(shè)置方法及組態(tài)
流量計的參數(shù)設(shè)置(組態(tài))有兩種方法, 一是利用顯示面板上的按鍵, 二是利用手持智能終端。
2.1 使用面板進行參數(shù)設(shè)定ADMAGAE系列電磁流量計面板上常用的符號有:
(1)RED(紅) 正常工作時不亮, 有報警時閃爍;
(2)定義符 定義符用冒號“:” , 表示所顯示的數(shù)據(jù)正處于待設(shè)定狀態(tài);
(3)單位顯示 顯示流量單位;
(4)顯示數(shù)據(jù) 顯示流量數(shù)據(jù)、設(shè)定數(shù)據(jù)和報警的種類;
(5)小數(shù)點 表示數(shù)據(jù)中的小數(shù)點;
(6)設(shè)定鍵 這些鍵用來改變數(shù)據(jù)顯示和設(shè)定數(shù)據(jù)的類型。數(shù)據(jù)顯示類型共有3 種:流量數(shù)據(jù)顯示模式、設(shè)定模式、報警顯示模式。
2.1.1 流量數(shù)據(jù)顯示模式
流量數(shù)據(jù)顯示模式表示的是瞬時流量值和累積流量值, ADMAGAE可顯示12種類型的流量數(shù)據(jù)。進入流量顯示模式用“d1”參數(shù)來改變顯示項, 詳細設(shè)定可參考流量計用戶手冊。
2.1.2 設(shè)定模式
設(shè)定模式用來檢查參數(shù)內(nèi)容和重寫數(shù)據(jù)。只要按下“SET”鍵, 可將該模式從正常的操作模式中調(diào)出。
2.1.3 報警顯示模式
當報警發(fā)生時, 報警模式就會取代當前模式來顯示發(fā)生報警的類型, 但是這種情況只是發(fā)生在當前流量顯示模式或設(shè)定模式中參數(shù)號被改變時(當正在該部數(shù)據(jù)項時, 不顯示報警)。
2.2 BT智能終端設(shè)定
具有智能通信功能的儀表可與智能終端通信。橫河的智能終端有BT100、BT200 等型號, 簡稱BT智能終端, 它們采用BRAIN協(xié)議, 將1個±2 mA、2.4 kHz的調(diào)制信號迭加到4 ～ 20 mA的模擬信號上用作信號傳輸。由于調(diào)制信號是交流信號, 所以迭加不會影響模擬信號的數(shù)值。
BT智能終端與流量計的連接有兩種方式:一是直接與流量計端蓋下面的BT端子相連, 這種方式適用于現(xiàn)場調(diào)試或流量計不具備智能通信功能的情況;二是與4 ～ 20 mA直流信號線連接, BT智能終端可以連接在從控制柜到流量計信號線的任何位置,大距離可達2 km, 只要保證整個回路的負載電阻在250 ～ 750 Ψ之間, 就可以可靠地通信。這種方式操作者不必去現(xiàn)場, 在控制室就可對流量計進行設(shè)置和在線監(jiān)測, 是使用多的一種方式。BT智能終端采用菜單式操作, 可以隨時顯示和修改電磁流量計的各種參數(shù), 其基本的操作有流量計自檢、量程調(diào)整、顯示方式設(shè)置、報警設(shè)置等。
2.3 電磁流量計數(shù)據(jù)設(shè)定與組態(tài)
電磁流量計是根據(jù)與流體流速相對應(yīng)的微小電動勢計算出體積流量并輸出4 ～ 20 mA的信號。為保證獲得正確的信號, 必須設(shè)定通徑、流量量程和儀表系數(shù)3個參數(shù), 這3個參數(shù)中, 通徑和儀表系數(shù)早在儀表出廠前就設(shè)定好的, 因此用戶不能設(shè)定這兩個參數(shù)。用戶也可以在儀表出廠前將流量量程設(shè)定好, 這種設(shè)定只有在用戶要求改變量程時才可進行重新設(shè)定。
3 電磁兼容性分析
電磁流量計的工作以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ), 產(chǎn)生的正比于被測流量的感應(yīng)電動勢通常很小, 極易受到外界電磁干擾, 而它本身產(chǎn)生的電磁干擾很小,因此電磁流量計的電磁兼容性主要體現(xiàn)在它如何在惡劣的電磁環(huán)境下正常工作。在惡劣的電磁環(huán)境下, 電磁耦合靜電感應(yīng)是電磁流量計干擾噪聲的主要來源;被測流體介質(zhì)特性產(chǎn)生的電化學(xué)干擾噪聲是電磁流量計干擾噪聲的第二來源;電磁流量計供電電源的電壓和頻率波動等電源干擾噪聲是電磁流量計干擾噪聲的第三來源。為滿足儀表的EMC要求, 智能電磁流量計分別采用硬件和軟件抗干擾技術(shù)[ 1] , 以提高電磁流量計抗*力。
3.1 工頻干擾噪聲的特點及電磁流量計抗干擾技術(shù)
工頻干擾噪聲首先是由電磁流量計勵磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合形成, 其二是電磁流量計工作現(xiàn)場的工頻共模干擾, 其三是供電電源引入的工頻串模干擾等, 其產(chǎn)生的物理機理均是電磁感應(yīng)原理。
電磁流量計勵磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合產(chǎn)生的工頻干擾對電磁流量計工作影響大, 而且在不同的勵磁技術(shù)下其表現(xiàn)的形態(tài)、特性不同, 因而采取抗干擾措施也不同。在工頻正弦波勵磁磁場下, 此種電磁耦合工頻干擾噪聲表現(xiàn)形式為正交干擾, 又稱為變壓器電勢, 特點是干擾噪聲幅值和工頻正弦波勵磁頻率成正比, 相位滯后流量信號電勢90°, 且幅值較流量信號電勢大幾個數(shù)量級[ 2] 。直流勵磁、低頻矩形波勵磁及雙頻矩形波勵磁技術(shù), 可以基本消除正交干擾的影響。工頻共模干擾和工頻串模干擾這兩種常見的干擾, 主要是由于電磁屏蔽缺陷, 分布電容耦合, 電磁流量計接地不良等原因而產(chǎn)生, 電磁流量計采用輸入保護技術(shù)、高輸入阻抗、高共模抑制比自舉前置放大器技術(shù)以及重復(fù)接地技術(shù)等提高抗工頻干擾的能力。ADMAGAE系列電磁流量計配有接地環(huán), 其作用是通過與液體接觸, 建立液體接地, 確保基準電位與被測液體相同, 并且保護流量計內(nèi)襯。
3.2 電化學(xué)干擾噪聲的特點及電磁流量計抗干擾技術(shù)
3.2.1 電化學(xué)干擾噪聲的特點
(1)電化學(xué)極化電勢干擾是由于電極感生電動勢在兩極極性不同而導(dǎo)致電解質(zhì)在電極表面極化產(chǎn)生。雖然采用正負交變勵磁磁場能顯著減弱極化電勢的數(shù)量級, 但不能從根本上*消除極化電勢干擾。
(2)泥漿干擾是在測量液固兩相導(dǎo)電性流體流量時, 固體顆?；蛘邭馀莶吝^電極表面時, 電極表面的接觸電化學(xué)電勢突然變化, 電磁流量傳感器輸出信號出現(xiàn)尖峰脈沖狀干擾噪聲。
(3)流體流動噪聲是在測量低導(dǎo)率液體(100μS/cm以下)流量時, 電極的電化學(xué)電勢定期波動,產(chǎn)生隨流量增加而頻率增加的隨機干擾噪聲, 具有類似泥漿干擾的1 /f頻譜特性。
3.2.2 電磁流量計抗電化學(xué)干擾技術(shù)
電磁流量計在提高抗電化學(xué)*力方面采取的措施主要是低頻矩形波勵磁和雙頻勵磁技術(shù)。低頻矩形波勵磁既具有直流勵磁技術(shù)不產(chǎn)生渦流效應(yīng)、變壓器效應(yīng)(正交干擾)的特點, 又具有工頻正弦波勵磁基本不產(chǎn)生極化效應(yīng), 便于放大信號處理,而能避免直流放大器零點漂移、噪聲、穩(wěn)定性等問題的產(chǎn)生, 有較好的抗干擾性能。
低頻矩形波勵磁雖然具有優(yōu)良的零點穩(wěn)定性,但在測量泥漿、紙漿等含纖維和固體顆粒的液固兩相導(dǎo)電性流體流量時無法克服泥漿干擾和流體噪聲干擾。研究分析表明, 泥漿干擾和流動噪聲具有1 /f的頻譜特征。低頻時幅值大, 高頻時幅值小, 如果采用較高頻率的低頻矩形波勵磁則能大大降低泥漿干擾的數(shù)量級。因此提高勵磁頻率有助于降低泥漿干擾和流動噪聲, 提高傳感器輸出信號的信噪比。
綜上所述, 要保證電磁流量計的零點穩(wěn)定性, 好采用低頻矩形波勵磁;為了能較準確地測量液固兩相導(dǎo)電性流體和低導(dǎo)電率流體的流量, 又必須采用較高頻率的矩形波勵磁。采用圖1所示的雙頻矩形波勵磁的方法是佳方案。
3.2.3 雙頻矩形波勵磁工作及抗干擾原理
在電磁流量計測量管內(nèi)形成含有兩個頻率分量的電磁場:高頻勵磁分量不受液體干擾的影響, 而低頻勵磁分量則有著*的零點穩(wěn)定性, 根據(jù)高、低頻定時檢測到的各分量信號經(jīng)過計算, 便可得到流量信號。
雙頻矩形波勵磁測量原理如圖1所示,
一個由高低頻分量迭加而成的電磁場通過勵磁線圈被施加到被測液體中, 勵磁波形是在一個低頻矩形波上迭加一個高于市電頻率的矩形波而得到的波形。在產(chǎn)生的電動勢中, 低頻分量通過一個大時間常數(shù)的積分電路獲得一個零點穩(wěn)定性好的平穩(wěn)流量信號。而由漿液或低電導(dǎo)率流體產(chǎn)生的低頻噪聲可被不受噪聲影響的高頻采樣電路所抑制, 有著同樣時間常數(shù)的流量信號經(jīng)過一個差分電路以確定流速信號的變化, 把這兩種不同頻率采樣所得的信號結(jié)合起來可獲得一個穩(wěn)定流速信號, 該信號不受噪聲干擾, 且有較高的零點穩(wěn)定性。
3.3 電源干擾噪聲特點及電磁流量計抗干擾技術(shù)
基本信號關(guān)系
電磁流量計一般都采用工頻交流電源供電, 其電源電壓的幅值和頻率的變化都會給電磁流量計帶來電源性干擾噪聲。對電源電壓的幅值變化, 因采用多級集成穩(wěn)壓, 一般而言電源電壓的幅值變化對電磁流量的測量精度影響不大。當電源電壓的頻率波動時, 雖然其波動范圍有限, 但對電磁流量計測量精度影響較大。為了解決工頻干擾問題, 實現(xiàn)對流體流速感應(yīng)電勢eab信號的準確測量, 需利用以下基本關(guān)系:①勵磁周期為工頻周期的整數(shù)倍, 即勵磁頻率為50/nHz(n為偶數(shù));②正負勵磁下的同相位采樣。圖2是對應(yīng)低頻矩形波勵磁形式下的典型電勢信號形式, 按上述關(guān)系在一個勵磁周期下, 若假設(shè)t1 和t2 點為工頻干擾的等效干擾點, 且采樣寬度T=T1 =T2 , 則eab的基本算式[ 3] 為:
μ0 (t2)=1
2T ∫t1
+T1 t1
e(t1 )dt-∫t2
+T2 t2
e(t2 )dt=eab (4)
式(4)從理論上說明電磁流量計的工頻干擾有可克服的途徑, 即同步采樣技術(shù), 其方法是以同相位(t1=t2 )、同寬度采樣(T1 =T2 =T)為前提的, 采樣頻率要選為工頻周期的整數(shù)倍。這樣即使混有干擾信號, 因其采樣時間為完整的工頻周期, 其平均值也為零, 干擾電壓不起作用。
4 電磁流量計選型
4.1 電磁流量計選型的一般原則[ 4]
(1)被測介質(zhì)是否為導(dǎo)電液體或漿液, 由此決定是否選用電磁流量計;
(2)被測介質(zhì)的電導(dǎo)率決定電磁流量計的類型———是高電導(dǎo)率還是低電導(dǎo)率;
(3)工藝要求的大、小和常用流量工藝管道的公稱通徑, 決定介質(zhì)的流速是否處在較經(jīng)濟的流速點上, 管道是否需要變徑, 后確定流量計的口徑;
(4)以工藝管道的布置情況, 來確定采用一體型還是分體型流量計, 以及流量計的防護等級等
(5)根據(jù)被測介質(zhì)是否易結(jié)晶、結(jié)疤來選擇電極型式;
(6)根據(jù)被測介質(zhì)的腐蝕性來選擇電極材料;
(7)被測介質(zhì)的腐蝕性、磨損性及溫度來決定采用何種襯里材料;
(8)被測介質(zhì)的高工作壓力決定流量計的公稱壓力;
(9)工藝管道的絕緣性決定接地環(huán)的型式。
4.2 根據(jù)電磁流量計勵磁方式的的特點選型
(1)直流勵磁型
這種電磁流量計數(shù)量很少, 只用于測量液態(tài)金屬流量, 如常溫下的汞和高溫下的液態(tài)鈉、鉀等。
(2)交流工頻勵磁型
較早期的電磁流量計用50 Hz工頻市電勵磁,由于易受電磁干擾和零點漂移等原因, 現(xiàn)已逐漸被低頻矩形勵磁所代替。但在測量泥漿、礦漿等液固兩相流時, 低頻矩形波勵磁方式不能克服固體擦過電極表面產(chǎn)生的尖峰噪聲, 而工頻交流勵磁的儀表則不存在這一缺點, 所以國內(nèi)外尚有一些電磁流量計仍采用交流工頻勵磁方式。
(3)低頻矩形波勵磁型
由于低頻矩形波勵磁方式功耗小, 零點穩(wěn)定性好, 所以它是目前電磁流量計的主要勵磁方式。其波形有“正-負”二值和“正-零-負-零”三值兩種。有的電磁流量計勵磁頻率可以由用戶設(shè)定, 一般小口徑儀表用較高頻率, 大口徑儀表用較低頻率。
(4)雙頻勵磁型勵磁電流的波形是在低頻矩形波上疊加高頻矩形波, 主要為克服二值矩形波勵磁存在的漿液噪聲和流動噪聲, 提高儀表的穩(wěn)定性和響應(yīng)特性, 因此廣泛用于制漿造紙及污水處理等行業(yè)。
1 電磁流量計的工作原理
電磁流量計的工作以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ), 即當一個導(dǎo)體在電磁場中運動, 并且運動方向垂直于電磁場時就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢, 所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的方向垂直于導(dǎo)體運動和電磁場運動的方向, 感應(yīng)電動勢的大小與導(dǎo)體的運動速度和磁場的磁感應(yīng)強度成正比。當導(dǎo)電流體以平均流速V(m/s)通過一根內(nèi)徑為D(m)的管子時, 若管子內(nèi)存在一個磁感應(yīng)強度為B(T)的磁場, 那么就可產(chǎn)生一個垂直于磁場方向和流體流動方向的電動勢E:
E = DVB (V) (1)
容積流量Q為:
Q =πD2 V/4 (m3 / s) (2)
將式(2)代入式(1)并處理得:
E=(4B/πD)×Q (V) (3)
如果B和D是常數(shù), 那么從式(3)可看出, E與
Q成正比。電磁流量轉(zhuǎn)換器把電動勢E放大并轉(zhuǎn)換成標準的4 ～ 20 mA的信號或脈沖信號, 作為對應(yīng)的流量信號輸出。
2 電磁流量計的參數(shù)設(shè)置方法及組態(tài)
流量計的參數(shù)設(shè)置(組態(tài))有兩種方法, 一是利用顯示面板上的按鍵, 二是利用手持智能終端。
2.1 使用面板進行參數(shù)設(shè)定ADMAGAE系列電磁流量計面板上常用的符號有:
(1)RED(紅) 正常工作時不亮, 有報警時閃爍;
(2)定義符 定義符用冒號“:” , 表示所顯示的數(shù)據(jù)正處于待設(shè)定狀態(tài);
(3)單位顯示 顯示流量單位;
(4)顯示數(shù)據(jù) 顯示流量數(shù)據(jù)、設(shè)定數(shù)據(jù)和報警的種類;
(5)小數(shù)點 表示數(shù)據(jù)中的小數(shù)點;
(6)設(shè)定鍵 這些鍵用來改變數(shù)據(jù)顯示和設(shè)定數(shù)據(jù)的類型。數(shù)據(jù)顯示類型共有3 種:流量數(shù)據(jù)顯示模式、設(shè)定模式、報警顯示模式。
2.1.1 流量數(shù)據(jù)顯示模式
流量數(shù)據(jù)顯示模式表示的是瞬時流量值和累積流量值, ADMAGAE可顯示12種類型的流量數(shù)據(jù)。進入流量顯示模式用“d1”參數(shù)來改變顯示項, 詳細設(shè)定可參考流量計用戶手冊。
2.1.2 設(shè)定模式
設(shè)定模式用來檢查參數(shù)內(nèi)容和重寫數(shù)據(jù)。只要按下“SET”鍵, 可將該模式從正常的操作模式中調(diào)出。
2.1.3 報警顯示模式
當報警發(fā)生時, 報警模式就會取代當前模式來顯示發(fā)生報警的類型, 但是這種情況只是發(fā)生在當前流量顯示模式或設(shè)定模式中參數(shù)號被改變時(當正在該部數(shù)據(jù)項時, 不顯示報警)。
2.2 BT智能終端設(shè)定
具有智能通信功能的儀表可與智能終端通信。橫河的智能終端有BT100、BT200 等型號, 簡稱BT智能終端, 它們采用BRAIN協(xié)議, 將1個±2 mA、2.4 kHz的調(diào)制信號迭加到4 ～ 20 mA的模擬信號上用作信號傳輸。由于調(diào)制信號是交流信號, 所以迭加不會影響模擬信號的數(shù)值。
BT智能終端與流量計的連接有兩種方式:一是直接與流量計端蓋下面的BT端子相連, 這種方式適用于現(xiàn)場調(diào)試或流量計不具備智能通信功能的情況;二是與4 ～ 20 mA直流信號線連接, BT智能終端可以連接在從控制柜到流量計信號線的任何位置,大距離可達2 km, 只要保證整個回路的負載電阻在250 ～ 750 Ψ之間, 就可以可靠地通信。這種方式操作者不必去現(xiàn)場, 在控制室就可對流量計進行設(shè)置和在線監(jiān)測, 是使用多的一種方式。BT智能終端采用菜單式操作, 可以隨時顯示和修改電磁流量計的各種參數(shù), 其基本的操作有流量計自檢、量程調(diào)整、顯示方式設(shè)置、報警設(shè)置等。
2.3 電磁流量計數(shù)據(jù)設(shè)定與組態(tài)
電磁流量計是根據(jù)與流體流速相對應(yīng)的微小電動勢計算出體積流量并輸出4 ～ 20 mA的信號。為保證獲得正確的信號, 必須設(shè)定通徑、流量量程和儀表系數(shù)3個參數(shù), 這3個參數(shù)中, 通徑和儀表系數(shù)早在儀表出廠前就設(shè)定好的, 因此用戶不能設(shè)定這兩個參數(shù)。用戶也可以在儀表出廠前將流量量程設(shè)定好, 這種設(shè)定只有在用戶要求改變量程時才可進行重新設(shè)定。
3 電磁兼容性分析
電磁流量計的工作以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ), 產(chǎn)生的正比于被測流量的感應(yīng)電動勢通常很小, 極易受到外界電磁干擾, 而它本身產(chǎn)生的電磁干擾很小,因此電磁流量計的電磁兼容性主要體現(xiàn)在它如何在惡劣的電磁環(huán)境下正常工作。在惡劣的電磁環(huán)境下, 電磁耦合靜電感應(yīng)是電磁流量計干擾噪聲的主要來源;被測流體介質(zhì)特性產(chǎn)生的電化學(xué)干擾噪聲是電磁流量計干擾噪聲的第二來源;電磁流量計供電電源的電壓和頻率波動等電源干擾噪聲是電磁流量計干擾噪聲的第三來源。為滿足儀表的EMC要求, 智能電磁流量計分別采用硬件和軟件抗干擾技術(shù)[ 1] , 以提高電磁流量計抗*力。
3.1 工頻干擾噪聲的特點及電磁流量計抗干擾技術(shù)
工頻干擾噪聲首先是由電磁流量計勵磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合形成, 其二是電磁流量計工作現(xiàn)場的工頻共模干擾, 其三是供電電源引入的工頻串模干擾等, 其產(chǎn)生的物理機理均是電磁感應(yīng)原理。
電磁流量計勵磁繞組和流體、電極、放大器輸入回路的電磁耦合產(chǎn)生的工頻干擾對電磁流量計工作影響大, 而且在不同的勵磁技術(shù)下其表現(xiàn)的形態(tài)、特性不同, 因而采取抗干擾措施也不同。在工頻正弦波勵磁磁場下, 此種電磁耦合工頻干擾噪聲表現(xiàn)形式為正交干擾, 又稱為變壓器電勢, 特點是干擾噪聲幅值和工頻正弦波勵磁頻率成正比, 相位滯后流量信號電勢90°, 且幅值較流量信號電勢大幾個數(shù)量級[ 2] 。直流勵磁、低頻矩形波勵磁及雙頻矩形波勵磁技術(shù), 可以基本消除正交干擾的影響。工頻共模干擾和工頻串模干擾這兩種常見的干擾, 主要是由于電磁屏蔽缺陷, 分布電容耦合, 電磁流量計接地不良等原因而產(chǎn)生, 電磁流量計采用輸入保護技術(shù)、高輸入阻抗、高共模抑制比自舉前置放大器技術(shù)以及重復(fù)接地技術(shù)等提高抗工頻干擾的能力。ADMAGAE系列電磁流量計配有接地環(huán), 其作用是通過與液體接觸, 建立液體接地, 確保基準電位與被測液體相同, 并且保護流量計內(nèi)襯。
3.2 電化學(xué)干擾噪聲的特點及電磁流量計抗干擾技術(shù)
3.2.1 電化學(xué)干擾噪聲的特點
(1)電化學(xué)極化電勢干擾是由于電極感生電動勢在兩極極性不同而導(dǎo)致電解質(zhì)在電極表面極化產(chǎn)生。雖然采用正負交變勵磁磁場能顯著減弱極化電勢的數(shù)量級, 但不能從根本上*消除極化電勢干擾。
(2)泥漿干擾是在測量液固兩相導(dǎo)電性流體流量時, 固體顆粒或者氣泡擦過電極表面時, 電極表面的接觸電化學(xué)電勢突然變化, 電磁流量傳感器輸出信號出現(xiàn)尖峰脈沖狀干擾噪聲。
(3)流體流動噪聲是在測量低導(dǎo)率液體(100μS/cm以下)流量時, 電極的電化學(xué)電勢定期波動,產(chǎn)生隨流量增加而頻率增加的隨機干擾噪聲, 具有類似泥漿干擾的1 /f頻譜特性。
3.2.2 電磁流量計抗電化學(xué)干擾技術(shù)
電磁流量計在提高抗電化學(xué)*力方面采取的措施主要是低頻矩形波勵磁和雙頻勵磁技術(shù)。低頻矩形波勵磁既具有直流勵磁技術(shù)不產(chǎn)生渦流效應(yīng)、變壓器效應(yīng)(正交干擾)的特點, 又具有工頻正弦波勵磁基本不產(chǎn)生極化效應(yīng), 便于放大信號處理,而能避免直流放大器零點漂移、噪聲、穩(wěn)定性等問題的產(chǎn)生, 有較好的抗干擾性能。
低頻矩形波勵磁雖然具有優(yōu)良的零點穩(wěn)定性,但在測量泥漿、紙漿等含纖維和固體顆粒的液固兩相導(dǎo)電性流體流量時無法克服泥漿干擾和流體噪聲干擾。研究分析表明, 泥漿干擾和流動噪聲具有1 /f的頻譜特征。低頻時幅值大, 高頻時幅值小, 如果采用較高頻率的低頻矩形波勵磁則能大大降低泥漿干擾的數(shù)量級。因此提高勵磁頻率有助于降低泥漿干擾和流動噪聲, 提高傳感器輸出信號的信噪比。
綜上所述, 要保證電磁流量計的零點穩(wěn)定性, 好采用低頻矩形波勵磁;為了能較準確地測量液固兩相導(dǎo)電性流體和低導(dǎo)電率流體的流量, 又必須采用較高頻率的矩形波勵磁。采用圖1所示的雙頻矩形波勵磁的方法是佳方案。
3.2.3 雙頻矩形波勵磁工作及抗干擾原理
在電磁流量計測量管內(nèi)形成含有兩個頻率分量的電磁場:高頻勵磁分量不受液體干擾的影響, 而低頻勵磁分量則有著*的零點穩(wěn)定性, 根據(jù)高、低頻定時檢測到的各分量信號經(jīng)過計算, 便可得到流量信號。
雙頻矩形波勵磁測量原理如圖1所示,
一個由高低頻分量迭加而成的電磁場通過勵磁線圈被施加到被測液體中, 勵磁波形是在一個低頻矩形波上迭加一個高于市電頻率的矩形波而得到的波形。在產(chǎn)生的電動勢中, 低頻分量通過一個大時間常數(shù)的積分電路獲得一個零點穩(wěn)定性好的平穩(wěn)流量信號。而由漿液或低電導(dǎo)率流體產(chǎn)生的低頻噪聲可被不受噪聲影響的高頻采樣電路所抑制, 有著同樣時間常數(shù)的流量信號經(jīng)過一個差分電路以確定流速信號的變化, 把這兩種不同頻率采樣所得的信號結(jié)合起來可獲得一個穩(wěn)定流速信號, 該信號不受噪聲干擾, 且有較高的零點穩(wěn)定性。
3.3 電源干擾噪聲特點及電磁流量計抗干擾技術(shù)
基本信號關(guān)系
電磁流量計一般都采用工頻交流電源供電, 其電源電壓的幅值和頻率的變化都會給電磁流量計帶來電源性干擾噪聲。對電源電壓的幅值變化, 因采用多級集成穩(wěn)壓, 一般而言電源電壓的幅值變化對電磁流量的測量精度影響不大。當電源電壓的頻率波動時, 雖然其波動范圍有限, 但對電磁流量計測量精度影響較大。為了解決工頻干擾問題, 實現(xiàn)對流體流速感應(yīng)電勢eab信號的準確測量, 需利用以下基本關(guān)系:①勵磁周期為工頻周期的整數(shù)倍, 即勵磁頻率為50/nHz(n為偶數(shù));②正負勵磁下的同相位采樣。圖2是對應(yīng)低頻矩形波勵磁形式下的典型電勢信號形式, 按上述關(guān)系在一個勵磁周期下, 若假設(shè)t1 和t2 點為工頻干擾的等效干擾點, 且采樣寬度T=T1 =T2 , 則eab的基本算式[ 3] 為:
μ0 (t2)=1
2T ∫t1
+T1 t1
e(t1 )dt-∫t2
+T2 t2
e(t2 )dt=eab (4)
式(4)從理論上說明電磁流量計的工頻干擾有可克服的途徑, 即同步采樣技術(shù), 其方法是以同相位(t1=t2 )、同寬度采樣(T1 =T2 =T)為前提的, 采樣頻率要選為工頻周期的整數(shù)倍。這樣即使混有干擾信號, 因其采樣時間為完整的工頻周期, 其平均值也為零, 干擾電壓不起作用。
4 電磁流量計選型
4.1 電磁流量計選型的一般原則[ 4]
(1)被測介質(zhì)是否為導(dǎo)電液體或漿液, 由此決定是否選用電磁流量計;
(2)被測介質(zhì)的電導(dǎo)率決定電磁流量計的類型———是高電導(dǎo)率還是低電導(dǎo)率;
(3)工藝要求的大、小和常用流量工藝管道的公稱通徑, 決定介質(zhì)的流速是否處在較經(jīng)濟的流速點上, 管道是否需要變徑, 后確定流量計的口徑;
(4)以工藝管道的布置情況, 來確定采用一體型還是分體型流量計, 以及流量計的防護等級等
(5)根據(jù)被測介質(zhì)是否易結(jié)晶、結(jié)疤來選擇電極型式;
(6)根據(jù)被測介質(zhì)的腐蝕性來選擇電極材料;
(7)被測介質(zhì)的腐蝕性、磨損性及溫度來決定采用何種襯里材料;
(8)被測介質(zhì)的高工作壓力決定流量計的公稱壓力;
(9)工藝管道的絕緣性決定接地環(huán)的型式。
4.2 根據(jù)電磁流量計勵磁方式的的特點選型
(1)直流勵磁型
這種電磁流量計數(shù)量很少, 只用于測量液態(tài)金屬流量, 如常溫下的汞和高溫下的液態(tài)鈉、鉀等。
(2)交流工頻勵磁型
較早期的電磁流量計用50 Hz工頻市電勵磁,由于易受電磁干擾和零點漂移等原因, 現(xiàn)已逐漸被低頻矩形勵磁所代替。但在測量泥漿、礦漿等液固兩相流時, 低頻矩形波勵磁方式不能克服固體擦過電極表面產(chǎn)生的尖峰噪聲, 而工頻交流勵磁的儀表則不存在這一缺點, 所以國內(nèi)外尚有一些電磁流量計仍采用交流工頻勵磁方式。
(3)低頻矩形波勵磁型
由于低頻矩形波勵磁方式功耗小, 零點穩(wěn)定性好, 所以它是目前電磁流量計的主要勵磁方式。其波形有“正-負”二值和“正-零-負-零”三值兩種。有的電磁流量計勵磁頻率可以由用戶設(shè)定, 一般小口徑儀表用較高頻率, 大口徑儀表用較低頻率。
(4)雙頻勵磁型勵磁電流的波形是在低頻矩形波上疊加高頻矩形波, 主要為克服二值矩形波勵磁存在的漿液噪聲和流動噪聲, 提高儀表的穩(wěn)定性和響應(yīng)特性, 因此廣泛用于制漿造紙及污水處理等行業(yè)。
醫(yī)院污水主要是由醫(yī)療含菌廢水、生活污水、傳染性病源污水構(gòu)成，成分復(fù)雜。醫(yī)院污水容易造成空間污染，引起二次污染，并且部分帶有傳染性，如果不進行處理，直接排放，將造成嚴重的環(huán)境污染，并且會成為一種新的疾病傳播途徑，嚴重危害人們的身心健康。本工程所處理的污水原水為北京某醫(yī)院醫(yī)療廢水和生活污水的混合污水，處理出水直接排入市政污水管網(wǎng)，處理出水達到《醫(yī)療機構(gòu)污染物排放標準》（GB 18466-2005）中的規(guī)定。本項目因其原污水可生化性較好，濃度不高，設(shè)計主體工藝為膜生物工藝，由于本項目是在不新增占地的基礎(chǔ)上進行改擴建，利用現(xiàn)有構(gòu)建筑物，采用膜生物工藝替代現(xiàn)有的生物接觸氧化和沉淀工藝。構(gòu)建可用于該污水處理的工藝與方法，確定運行參數(shù)和運行條件，提出切實可行的污水處理設(shè)計方案。電磁流量計作一個重要的過程測量設(shè)備，整合在其中，為工程系統(tǒng)的流量數(shù)據(jù)的采集和系統(tǒng)的自動控制提供有力支持。
1 污水處理工藝
1.1 工藝流程
工藝流程為“化糞池+機械格柵+集水池+沉淀池+調(diào)節(jié)池+好氧池+膜池+消毒接觸池+清水池”。
1.2 工藝流程說明
1.2.1 污水處理。醫(yī)院各個接水點的污水匯流進入原化糞池，污水在此進行混合、厭氧發(fā)酵及初步沉淀等預(yù)處理。處理后的污水從上部溢流排出，進入污水站。
污水進入污水站后首先經(jīng)過機械細格柵，攔截污水中攜帶的較大懸浮、漂浮物，雜物經(jīng)格柵撈出、去除，污水通過格柵進入集水池，集水池中設(shè)有潛水排污泵，將污水提升至沉淀池，污水在沉淀池中進行沉淀處理，初步沉降去除污水中可沉降顆粒物，處理后的污水經(jīng)沉淀池集水槽匯集，流入調(diào)節(jié)池中。污水在調(diào)節(jié)池中進行水量調(diào)節(jié)、水質(zhì)混合，再通過水泵按設(shè)計小時流量提升進入后續(xù)的生化處理單元中。
本工程生化處理采用MBR工藝，該工藝分好氧池和膜池兩段，污水*入好氧池上部向下流動，穿過池體，污水與池中大量的微生物（活性污泥）接觸，微生物攝取污水中的有機物，進行生化降解，處理后的污水及污泥從池體底部聯(lián)通孔進入膜池。污水進入膜池借助池內(nèi)的污泥及膜絲表面附著的微生物進一步生化降解有機物，同時膜池還具有泥水分離的功能。膜池中的污水需要透過膜絲，通過水泵抽吸排出，水中大于膜孔徑的雜質(zhì)全部被截留在池內(nèi)，透過膜絲的清水得到凈化。
膜池出水進入消毒池，在消毒池入口投加次氯酸鈉消毒液，借助來水沖擊力進行混合，并在池中進行充分的接觸反應(yīng)，達到*殺滅水中各類致病菌、改善水質(zhì)的目的，消毒后的出水進入到清水池，檢測合格后外排。
1.2.2 污泥處理。本工程沉淀池、膜池中的污泥定期進入到污泥池，污泥在該池中進行儲存、重力濃縮，池底濃縮后的污泥經(jīng)消毒處理后由環(huán)衛(wèi)吸糞車吸出，外運處置。
1.3 核心工藝（MBR工藝）介紹
本項目的原混合污水可生化性較好，濃度不高，且是在不新增占地的基礎(chǔ)上進行改擴建，利用現(xiàn)有構(gòu)建筑物。對于醫(yī)院現(xiàn)在運行的水質(zhì)水量的特點，原有工藝已不能滿足出水水質(zhì)穩(wěn)定達標排放。根據(jù)醫(yī)院現(xiàn)水質(zhì)水量的要求及原有工藝構(gòu)筑物的特點，考慮到生物膜（MBR）可將生物處理流程中的初沉、曝氣、二沉和污泥濃縮等繁瑣的功能單元，形成占地較小的一體化的生物處理中心。因此本項目核心工藝選擇為MBR工藝，且保障本項目出水水質(zhì)能夠穩(wěn)定達標。
1.3.1 懸浮物（SS）及濁度有的去除能力。中空纖維膜為管狀，管壁上有微孔，能夠截留住反應(yīng)池內(nèi)的絕大部分懸浮物（SS）和活性污泥，截留的污泥形成多孔濾餅層，使可溶性的小分子物質(zhì)本來可以透過中空纖維膜，現(xiàn)受到濾餅的阻擋，被截留在反應(yīng)器中，增加膜的去污能力。
1.3.2 有機物的去除效率高且耐沖擊負荷。由于膜攔截了全部的活性污泥，使反應(yīng)器內(nèi)的活性污泥具有較高的水平，有利于有機物的去除。同時膜截留了絕大部分微生物，使得反應(yīng)器中微生物種類和總量都非常豐富，耐沖擊負荷。
1.3.3 解決污泥膨脹問題及剩余污泥難處置問題。反應(yīng)器中維持高MLSS、低F/M模式運行，能使有機物深度氧化，減少剩余污泥的排放。
考慮到MBR以上的特點，能夠解決本項目的相關(guān)問題，因此改造中選用MBR工藝。根據(jù)本項目水質(zhì)水量的特點進行相關(guān)參數(shù)調(diào)試，使本工藝運行達到***佳，保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達標。
2 工程設(shè)計
2.1 格柵集水池
主要設(shè)計尺寸：4.0×4.0×6.2m，上層格柵間高3.0m，下層集水池高3.0m，全地下鋼混結(jié)構(gòu)，利舊，一級提升泵出水管線更換，改為引至沉淀池。配套設(shè)備（現(xiàn)有2臺潛污泵和液位計進行更換，新增1臺RZ-LD/DN125電磁流量計，其余為原有設(shè)備）：（1）潛水提升泵1：Q=75m3/h，H=10m，N=4.0kW，2臺，1用1備；（2）回轉(zhuǎn)式機械格柵：柵寬600mm，柵間距3mm，1臺；（3）電磁流量計（集水池出水總管）：DN125，量程0～200m3/h，1臺。
2.2 沉淀池
主要設(shè)計尺寸：5.0×5.0×5.5m，半地下鋼混結(jié)構(gòu)，利舊，現(xiàn)有布水器和出水堰進行更新，出水管線更換，改為引至調(diào)節(jié)池，上清液溢流至調(diào)節(jié)池。
2.3 調(diào)節(jié)池
主要設(shè)計尺寸：8.0×5.0×5.5m，半地下鋼混結(jié)構(gòu)，利舊。配套設(shè)備（現(xiàn)有2臺潛污泵和液位計進行更換，新增2臺過濾精度為1mm的精密過濾器）：（1）潛水提升泵2：Q=30m3/h，H=8.5m，N=1.5kW，2臺，1用1備；（2）精密過濾器：過濾精度1mm，不銹鋼，管道式安裝，2臺；（3）電磁流量計（調(diào)節(jié)池出水總管）：DN100，量程0～100m3/h，1臺；（4）超聲波液位計：量程0～6m，輸出信號4～20mA，1臺。
2.4 好氧池
主要設(shè)計尺寸：5.0×4.0×5.5m，半地下鋼混結(jié)構(gòu)，池體利舊。拆除原池內(nèi)設(shè)施，新增1套曝氣系統(tǒng)。配套設(shè)備：盤式曝氣器：規(guī)格Φ260mm，通氣量3～4m3/h，ABS材質(zhì)，66個。
2.5 膜池（MBR）
膜池（MBR）內(nèi)裝中空纖維膜1片，是整個設(shè)備的核心處理單元，是生物處理——活性污泥法與截留過濾——微孔過濾膜法兩種工藝的結(jié)合。
主要設(shè)計尺寸：5.0×4.0×5.5m，半地下鋼混結(jié)構(gòu)，利舊（將二級接觸氧化池改造為膜池）。拆除原池內(nèi)設(shè)施，新增2套膜組器和2臺回流泵（其中1臺冷）。運行狀態(tài)：回流泵出水回流至好氧池前段；排泥狀態(tài)：回流泵出水送至污泥池。
配套設(shè)備：（1）膜組器：Q=360m3/d，配套鋼絲軟管，膜支架304不銹鋼材質(zhì)，2套；（2）回流泵：Q=103.8m3/h，H=8m，N=3.7kW，碳鋼材質(zhì)，2臺，冷備1臺；（3）靜壓液位計：量程0～6m，輸出信號4～20mA，1臺。
2.6 接觸消毒池
主要設(shè)計尺寸：3.0×2.0×5.5m，半地下鋼混結(jié)構(gòu)，利舊。消毒劑選用次氯酸鈉，投加點為接觸消毒池入口。
2.7 清水池
主要設(shè)計尺寸：3.0×3.0×5.5m，半地下鋼混結(jié)構(gòu)，利舊。
2.8 污泥池
主要設(shè)計尺寸：3.0×2.0×5.5m，半地下鋼混結(jié)構(gòu)，利舊。將現(xiàn)有液位計進行更新：浮球液位計：量程0～6m。
2.9 污泥井
主要設(shè)計尺寸：1.5×1.5×3.5m，全地上鋼混結(jié)構(gòu)，利舊。
2.10 設(shè)備間
主要設(shè)計尺寸：9.0×4×3.5m，全地上磚混結(jié)構(gòu)，利舊。主要設(shè)備：（1）吹掃風(fēng)機：Q=8.37m3/min，5000mmH2O，N=11kW，2臺；（2）曝氣風(fēng)機：Q=6.73m3/min，6000mmH2O，N=11kW，1臺；（3）產(chǎn)水泵：Q=42m3/h，H=9m，N=2.2kW，2臺，1用1備；（4）CIP泵：Q=40m3/h，H=12m，N=2.2kW，1臺；（5）次氯酸鈉儲罐：V=1000L，PE材質(zhì)，1個；（6）次氯酸鈉計量泵：Q=300L/h，5bar，泵頭PVC材質(zhì)，2臺，1用1備；（7）消毒劑計量泵：Q=21.9L/h，1.5bar，N=13.4～14.3W，220V，泵頭PVDF材質(zhì)，2臺，1用1備；（8）檸檬酸儲罐：V=200L，PE材質(zhì)，1個；（9）檸檬酸計量泵：Q=120L/h，3.5bar，泵頭PVC材質(zhì)，1臺；（10）控制柜：碳鋼噴塑材質(zhì)，1臺。
2.11 控制室
主要設(shè)計尺寸：4.0×4.0×3.5m，全地上磚混結(jié)構(gòu)，利舊?，F(xiàn)有控制柜進行更新。主要儀表：（1）在線pH計：pH 0～14，輸出信號4～20mA，1臺；（2）余氯分析儀：0～20mg/L，輸出信號4～20mA，1臺；（3）COD在線檢測儀：0～500mg/L，1臺；（4）氨氮在線檢測儀：0～50mg/L，1臺。
3 主要工藝單元運行情況
3.1 格柵、調(diào)節(jié)預(yù)處理單元的運行
醫(yī)院污水進入污水站后先經(jīng)過格柵攔截去除污水中大較大懸浮、漂浮物，然后經(jīng)過沉淀池，可將大部分可沉降顆粒物進行沉淀，上清液進入調(diào)節(jié)池，污水在調(diào)節(jié)池中進行水量調(diào)節(jié)、水質(zhì)混合。預(yù)處理單元SS去除率為30%左右，COD去除率為20%左右，其他污染指標去除不明顯，波動水質(zhì)得到混合均勻。
3.2 MBR工藝單元運行
MBR工藝可去除污水中的大部分有機污染物，氨氮、懸浮物。根據(jù)運行情況，好氧池、膜池溶解氧DO以2.0～4.0mg/L為宜。COD濃度從200mg/L降低至50mg/L以下，去除率為75%；BOD從120mg/L降低至10mg/L以下，去除率為92%；SS從70mg/L降低至10mg/L以下，去除率為86%；氨氮從20mg/L降低至5mg/L以下，去除率為75%。
3.3 消毒處理單元
污水站前面各級處理單元對水中的細菌、病毒處理效果有限，要確保污水中糞大腸菌群數(shù)等病毒性指標達標，主要依靠消毒處理單元。通過合理投加次氯酸鈉以及控制好污水與藥劑的混合效果、接觸反應(yīng)時間可實現(xiàn)對污水中細菌、病毒基本滅絕，化驗檢測達到“未檢出”效果。
采用MBR工藝為核心的污水處理系統(tǒng)，后續(xù)配次氯酸鈉消毒使污水中各污染指標得到全面處理，COD去除率為80%左右，BOD去除率為92%；SS去除率為92%左右，氨氮去除率為75%左右。
結(jié)束語
通過上面分析可知, 電磁流量計具有測量精度高、速度快、使用方便, 測量范圍廣、口徑寬等諸多優(yōu)點, 但同時也存在著測量輸出信號易受工頻電磁干擾, 流體電化學(xué)噪聲及電源頻率變化影響的缺點。不同勵磁方式的電磁流量計具有不同的抗干擾技術(shù)和應(yīng)用范圍。正確了解各種勵磁技術(shù)的特點和不同電磁流量計的技術(shù)原理是正確使用電磁流量計的前提。