煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院 張占團(tuán) 李志賓

1.引言

在測(cè)流儀表行業(yè)，電磁流量計(jì)具有精度高、穩(wěn)定性好、量程比寬、無(wú)壓損等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、給排水等領(lǐng)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(jì)在國(guó)內(nèi)尚屬空白。

2.電磁流量計(jì)工作原理

圖1 電磁流量計(jì)測(cè)流原理

圖2 勵(lì)磁線圈

圖3 傳感器剖面圖

電磁流量計(jì)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律工作，測(cè)量管內(nèi)無(wú)阻流部件，用于測(cè)量單相或多相導(dǎo)電流體流量。當(dāng)導(dǎo)電流體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將在流體兩側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其大小與流速成正比，據(jù)此可測(cè)流量值，如圖1所示。

據(jù)電磁感應(yīng)定律：導(dǎo)電流體在磁場(chǎng)中切割磁力線時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為：U=BDV：

B—磁場(chǎng)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(jì)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)U成正比關(guān)系，因此，測(cè)得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U，即可得到流體流量。

由此可見(jiàn)，電磁流量計(jì)正常運(yùn)行需要有穩(wěn)定的磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)正是靠傳感器線圈內(nèi)的勵(lì)磁電流來(lái)產(chǎn)生的。勵(lì)磁線圈如圖2所示。

一對(duì)線圈對(duì)稱安裝在傳感器正對(duì)的兩側(cè)，以產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)，傳感器剖面圖如圖3所示。

3.礦用儀表的安全性要求

對(duì)于礦用電氣產(chǎn)品，其防爆安全性至關(guān)重要。目前，我國(guó)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(shè)備能夠用在0區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所[1]。礦用本質(zhì)安全型產(chǎn)品要做本質(zhì)安全性能檢驗(yàn)，其中本安火花試驗(yàn)是最重要的檢驗(yàn)項(xiàng)目之一。

當(dāng)電路發(fā)生通斷時(shí)，會(huì)以火花形式釋放能量。能量大于某一臨界值時(shí)，便會(huì)點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物，從而引發(fā)爆炸。本安設(shè)計(jì)就是要控制電路產(chǎn)生的電火花能量，從而實(shí)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(diǎn)燃周圍環(huán)境中的爆炸性混合氣體。

圖7

圖8 完整的勵(lì)磁電流邏輯電路

4.電磁流量計(jì)本安勵(lì)磁電路

電磁流量計(jì)傳感器勵(lì)磁電流是產(chǎn)生電火花的危險(xiǎn)源，電磁流量計(jì)要用于井下，首先得勵(lì)磁電路達(dá)到本質(zhì)安全要求。

電磁流量計(jì)傳感器電氣部分由2個(gè)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(xiǎn)源所在。當(dāng)電流流過(guò)電感線圈時(shí)，在線圈內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)貯存能量，當(dāng)電路斷開(kāi)時(shí)，儲(chǔ)存在線圈中的能量就會(huì)以火花的形式釋放出來(lái)，應(yīng)此必須吸收或泄放線圈的貯能才能達(dá)到本安的要求。

在線圈兩端并聯(lián)緒流支路，以泄放線圈儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能，降低通斷時(shí)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(dāng)電路斷開(kāi)時(shí)，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(jiǎn)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(jì)需采用低頻矩形波勵(lì)磁，因此勵(lì)磁信號(hào)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(wú)法滿足應(yīng)用。

這里，我們采用一種新型的瞬態(tài)電壓抑制器（Transient Voltage Suppressor），簡(jiǎn)稱TVS管。TVS管是在穩(wěn)壓管工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型電子元件，當(dāng)TVS管兩端產(chǎn)生瞬間的高壓沖擊時(shí)，它能以極高的速度（最高達(dá)1/1012秒）驟然降低阻抗為導(dǎo)通狀態(tài)，吸收電流，泄放能量。它的特點(diǎn)是：響應(yīng)速度快（ps級(jí)）、鉗位精準(zhǔn)（0.1V）、泄放能里強(qiáng)（幾A到幾百，最重要的一點(diǎn)，它可以實(shí)現(xiàn)雙向鉗位泄放，滿足我們雙向勵(lì)磁的要求，不影響電磁流量計(jì)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(yīng)速度快，開(kāi)關(guān)延遲約為1ps，鉗位精準(zhǔn)，有效抑制了能量外泄。

完整的勵(lì)磁電流邏輯電路如圖8所示。

此電路通過(guò)了國(guó)家安全生產(chǎn)礦用設(shè)備檢測(cè)檢驗(yàn)中心防爆站并聯(lián)、串聯(lián)、短路、斷路等安全實(shí)驗(yàn)測(cè)試，達(dá)到本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)。

5.結(jié)束語(yǔ)

在本安電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用電容或電感等貯能器件時(shí)，在滿足電路正常功能的情況下，提供有效的保護(hù)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(shí)的電火花能量，從而達(dá)到本質(zhì)安全。

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

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