礦用防爆電磁流量計的勵磁電路設計

煤炭科學研究總院唐山研究院 張占團 李志賓

1.引言

在測流儀表行業(yè)，電磁流量計具有精度高、穩(wěn)定性好、量程比寬、無壓損等優(yōu)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(nèi)尚屬空白。

2.電磁流量計工作原理

圖1 電磁流量計測流原理

圖2 勵磁線圈

圖3 傳感器剖面圖

電磁流量計根據(jù)法拉第電磁感應定律工作，測量管內(nèi)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(cè)產(chǎn)生感應電勢，其大小與流速成正比，據(jù)此可測流量值，如圖1所示。

據(jù)電磁感應定律：導電流體在磁場中切割磁力線時，產(chǎn)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）

圖4 電磁流量計傳感器電氣部分

圖5

圖6

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。

由此可見，電磁流量計正常運行需要有穩(wěn)定的磁場，而磁場正是靠傳感器線圈內(nèi)的勵磁電流來產(chǎn)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(cè)，以產(chǎn)生均勻的磁場，傳感器剖面圖如圖3所示。

3.礦用儀表的安全性要求

對于礦用電氣產(chǎn)品，其防爆安全性至關重要。目前，我國防爆電氣產(chǎn)品的類型主要以隔爆型和本質(zhì)安全型為主；并且只有本安設備能夠用在0區(qū)危險場所[1]。礦用本質(zhì)安全型產(chǎn)品要做本質(zhì)安全性能檢驗，其中本安火花試驗是最重要的檢驗項目之一。

當電路發(fā)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(fā)爆炸。本安設計就是要控制電路產(chǎn)生的電火花能量，從而實現(xiàn)電路的本質(zhì)安全。本質(zhì)安全電路要求在正常工作和故障狀態(tài)下都必須是安全的，所產(chǎn)生的電火花均不足以點燃周圍環(huán)境中的爆炸性混合氣體。

圖7

圖8 完整的勵磁電流邏輯電路

4.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(chǎn)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(zhì)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。

其電參數(shù)主要是電阻和電感，電阻值為40-60Ω（兩線圈串聯(lián)），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(nèi)部會產(chǎn)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(lián)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。

在正常狀態(tài)，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?qū)▔航担?.7V左右）。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(xiàn)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(tǒng)的普通二極管無法滿足應用。

這里，我們采用一種新型的瞬態(tài)電壓抑制器（Transient Voltage Suppressor），簡稱TVS管。TVS管是在穩(wěn)壓管工藝基礎上發(fā)展起來的一種新型電子元件，當TVS管兩端產(chǎn)生瞬間的高壓沖擊時，它能以極高的速度（最高達1/1012秒）驟然降低阻抗為導通狀態(tài)，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，最重要的一點，它可以實現(xiàn)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。

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(chǎn)礦用設備檢測檢驗中心防爆站并聯(lián)、串聯(lián)、短路、斷路等安全實驗測試，達到本質(zhì)安全標準。

5.結(jié)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(fā)生短路、斷路時的電火花能量，從而達到本質(zhì)安全。

[1]GB3836.4-2000,爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備第1部分:通用要求.

[2]GB3836.4-2000,爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備第4部分:本質(zhì)安全型“I”.

[3]蔡武昌,馬中元,瞿國芳等.電磁流量計[M].北京:中國石化出版社,2004．