本質(zhì)安全型防爆電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)分析

(海軍駐哈爾濱地區(qū)艦船配套軍事代表室，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

流量計(jì)是測(cè)量流體在一段時(shí)間內(nèi)流過的體積或者質(zhì)量的儀器，對(duì)于生產(chǎn)過程非常關(guān)鍵。隨著技術(shù)快速發(fā)展，流量計(jì)種類越來越多，比如電磁流量計(jì)、超聲流量計(jì)、熱式流量計(jì)以及震動(dòng)流量計(jì)等，電磁流量計(jì)以其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、可靠性高、精度高等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)和生活中應(yīng)用比例占60%以上。然而，由于在艦船中其經(jīng)常處于潮濕、腐蝕的使用環(huán)境，為此電磁流量計(jì)的防爆性能設(shè)計(jì)和降低流量計(jì)電池耗能研究成為熱點(diǎn)。

1 電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)基本原理

電磁流量計(jì)是通過利用法拉第電磁感應(yīng)定律設(shè)計(jì)，圖1為電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖，管內(nèi)為導(dǎo)電性流體，勵(lì)磁線圈為閉合回路，依據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，產(chǎn)生工作磁場(chǎng)。

對(duì)于直導(dǎo)體，在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E

(1)

式中，B—磁感應(yīng)強(qiáng)度；D—導(dǎo)體長(zhǎng)度；V—運(yùn)動(dòng)速度。

圖2為流體流動(dòng)方向、磁場(chǎng)方向和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向，符合右手規(guī)律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小見式(1)，對(duì)于管道內(nèi)流體流量Q大小見式(2)

(2)

將式(2)中V求出，帶入式(1)可得

(3)

由式(3)可知，管道尺寸確定，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與流量Q成正比。

圖1 電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 磁場(chǎng)示意圖

2 防爆電路設(shè)計(jì)

依據(jù)釋放源存在部位、釋放數(shù)量、擴(kuò)散情況和通風(fēng)情況等條件，爆炸場(chǎng)所可分為0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)，對(duì)于礦用產(chǎn)品，可以用于0區(qū)的產(chǎn)品防爆類型只有本質(zhì)安全性，對(duì)于用于0區(qū)的防爆電磁流量計(jì)，防爆性能至關(guān)重要。

本質(zhì)安全型電氣設(shè)備是指在正常運(yùn)行和規(guī)定的故障條件下，所產(chǎn)生的火花或者熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物的電氣設(shè)備[2]，本安電路設(shè)計(jì)時(shí)要從兩方面考慮，一是對(duì)本安和非本安部件進(jìn)行隔離；二是能量限制。

GB 3836.4—2010中要求的隔離包括爬電距離、電氣間隙和接地等要求，比如在GB 3836.4—2010表5中，依據(jù)電壓值來設(shè)計(jì)電氣間隙、爬電距離以及選擇合適的CTI值絕緣材料。能量限制主要涉及到元件額定值選擇，依據(jù)GB 3836.4—2010，電路分為電阻性電路、電感性電路和電容性電路，如圖3所示。電磁流量計(jì)傳感器電氣部分由連個(gè)線圈組成，包括電阻和電感，依據(jù)GB 3836.4—2010圖A1中，根據(jù)電磁流量計(jì)防爆類型和電源電壓，確定最小點(diǎn)燃電流，比如設(shè)計(jì)工作電壓為18V的IIC類本安電路，點(diǎn)燃電流為0.66A，此外，要是電路考慮安全系數(shù)，若是安全系數(shù)為1.5，則最大電流應(yīng)小于0.44A。根據(jù)GB 3836.4—2010圖A6，依據(jù)電壓和電流，選擇合適電感值，對(duì)于18V、0.44A的電感電路，電感設(shè)計(jì)應(yīng)在0.8mH以下。

圖3 電磁流量計(jì)電氣部分[1]

為了無論電路在正常工作狀態(tài)還是故障狀態(tài)，使本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(lì)磁信號(hào)是周期性雙向電流，可以選擇TVS管。

圖4 電磁流量計(jì)電氣部分[1]

3 勵(lì)磁線圈仿真

利用COMSOL仿真軟件，對(duì)彎圓形、彎菱形和馬鞍型線圈進(jìn)行仿真，采用相同線圈材料材質(zhì)和相同用料量，并在相同勵(lì)磁電流、勵(lì)磁頻率條件下，比較勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的工作磁場(chǎng)強(qiáng)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(lì)磁線圈模型，進(jìn)行電特性、磁特性和邊界條件設(shè)置，進(jìn)行網(wǎng)格分析劃分等步驟，最后仿真可得磁場(chǎng)分布情況，圖6為磁力線分布，圖7為磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。對(duì)于彎菱形和馬鞍型線圈采用相同步驟進(jìn)行仿真模擬，如圖8所示，為馬鞍型勵(lì)磁線圈。

圖5 彎圓形勵(lì)磁線圈幾何模型

圖6 X-Y面磁力線分布

圖7 X-Y面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

圖8 馬鞍型勵(lì)磁線圈幾何模型

通過模擬結(jié)果可以直觀得出相應(yīng)空間點(diǎn)和面的磁場(chǎng)大小、磁場(chǎng)對(duì)稱情況，為了更好比較不同幾何形態(tài)的磁場(chǎng)沿管中軸線方向、管軸線方向和整個(gè)區(qū)域內(nèi)的均勻度情況，設(shè)定ε1、ε2、ε33個(gè)均勻度參數(shù)，表達(dá)式如下

(4)

(5)

(6)

仿真結(jié)果表明，三種形狀勵(lì)磁線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度大小關(guān)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(yīng)強(qiáng)度越大，電極收到的信號(hào)越大，所以彎圓形效果最好；由于磁場(chǎng)均勻度越小，表明越均勻，渦電流損耗和磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)越小，為此，馬鞍型勵(lì)磁線圈效果最好。

4 艦船外殼鹽霧試驗(yàn)及防護(hù)

艦船用電磁流量計(jì)外殼材質(zhì)一般為鑄鐵、鑄鋼和不銹鋼，海洋中鹽霧濃度高、海水飛沫多造成設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，鹽霧是由于氯化物的微小液滴懸浮于空氣中形成的，鹽霧直接影響到設(shè)備的使用周期和可靠性，因此，流量計(jì)外殼應(yīng)進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，試驗(yàn)方法主要有戶外暴露試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室鹽霧箱模擬兩種，使用標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 2423.17—2008《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程試驗(yàn)Ka：鹽霧試驗(yàn)方法》和GB/T 2423.18—2000《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn) 試驗(yàn)Kb：鹽霧，交變(氯化鈉溶液)》。

5 結(jié)語

電磁流量計(jì)由于其使用環(huán)境特殊，因此其防爆性能和勵(lì)磁系統(tǒng)研究至關(guān)重要，本文對(duì)電磁流量計(jì)基本原理和防爆電路設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)闡述，并對(duì)不同形狀線圈感應(yīng)磁場(chǎng)進(jìn)行了仿真模擬。