矿用防爆电磁流量计的励磁电路设计

煤炭科学研究总院唐山研究院 张占团 李志宾

1.引言

在测流仪表行业，电磁流量计具有精度高、稳定性好、量程比宽、无压损等优点，广泛应用于石油、化工、冶金、电力、给排水等领域。然而，由于煤矿安全性的特殊要求，目前可用于煤矿井下的电磁流量计在国内尚属空白。

2.电磁流量计工作原理

图1 电磁流量计测流原理

图2 励磁线圈

图3 传感器剖面图

电磁流量计根据法拉第电磁感应定律工作，测量管内无阻流部件，用于测量单相或多相导电流体流量。当导电流体在磁场中运动时，将在流体两侧产生感应电势，其大小与流速成正比，据此可测流量值，如图1所示。

据电磁感应定律：导电流体在磁场中切割磁力线时，产生感应电动势的大小为：U=BDV：

B—磁场密度（T）

D—管径（m）

V—流速（m/s）

流体流量为：

Q=3600×V×Sm3/h

式中：

S—管道截面积（m2）

图4 电磁流量计传感器电气部分

图5

图6

则：

Q=3600×U×S/(BD)m3/h

其中B、D、S为常量，流量与感应电动势U成正比关系，因此，测得感应电动势U，即可得到流体流量。

由此可见，电磁流量计正常运行需要有稳定的磁场，而磁场正是靠传感器线圈内的励磁电流来产生的。励磁线圈如图2所示。

一对线圈对称安装在传感器正对的两侧，以产生均匀的磁场，传感器剖面图如图3所示。

3.矿用仪表的安全性要求

对于矿用电气产品，其防爆安全性至关重要。目前，我国防爆电气产品的类型主要以隔爆型和本质安全型为主；并且只有本安设备能够用在0区危险场所[1]。矿用本质安全型产品要做本质安全性能检验，其中本安火花试验是最重要的检验项目之一。

当电路发生通断时，会以火花形式释放能量。能量大于某一临界值时，便会点燃爆炸性气体混合物，从而引发爆炸。本安设计就是要控制电路产生的电火花能量，从而实现电路的本质安全。本质安全电路要求在正常工作和故障状态下都必须是安全的，所产生的电火花均不足以点燃周围环境中的爆炸性混合气体。

图7

图8 完整的励磁电流逻辑电路

4.电磁流量计本安励磁电路

电磁流量计传感器励磁电流是产生电火花的危险源，电磁流量计要用于井下，首先得励磁电路达到本质安全要求。

电磁流量计传感器电气部分由2个线圈组成，如图4。

其电参数主要是电阻和电感，电阻值为40-60Ω（两线圈串联），电感量为100-300mH，其中电感量是危险源所在。当电流流过电感线圈时，在线圈内部会产生磁场，磁场贮存能量，当电路断开时，储存在线圈中的能量就会以火花的形式释放出来，应此必须吸收或泄放线圈的贮能才能达到本安的要求。

在线圈两端并联绪流支路，以泄放线圈储存的磁场能，降低通断时的电火花能量。如图5所示。

在正常状态，它不影响电路工作，当电路断开时，它与线圈组成泄放回路，将电压钳位在二极管正向导通压降（0.7V左右）。但是，简单的绪流二极管只适用于直流电路，即单向电流情况。为了避免电极极化现象和消除市电噪声干扰，电磁流量计需采用低频矩形波励磁，因此励磁信号是周期性双向电流，如图6所示。

因此，传统的普通二极管无法满足应用。

这里，我们采用一种新型的瞬态电压抑制器（Transient Voltage Suppressor），简称TVS管。TVS管是在稳压管工艺基础上发展起来的一种新型电子元件，当TVS管两端产生瞬间的高压冲击时，它能以极高的速度（最高达1/1012秒）骤然降低阻抗为导通状态，吸收电流，泄放能量。它的特点是：响应速度快（ps级）、钳位精准（0.1V）、泄放能里强（几A到几百，最重要的一点，它可以实现双向钳位泄放，满足我们双向励磁的要求，不影响电磁流量计正常工作并起到抑制火花作用。如图7所示。

在激磁电流是125mA，线圈电阻为45Ω情况下，线圈工作电压为5.625V，我们选用6.8V双向TVS管P6KE6.8CA做泄放回路，其反应速度快，开关延迟约为1ps，钳位精准，有效抑制了能量外泄。

完整的励磁电流逻辑电路如图8所示。

此电路通过了国家安全生产矿用设备检测检验中心防爆站并联、串联、短路、断路等安全实验测试，达到本质安全标准。

5.结束语

在本安电路设计中应用电容或电感等贮能器件时，在满足电路正常功能的情况下，提供有效的保护措施，限制能量输出并提供能量泄放回路，以降低发生短路、断路时的电火花能量，从而达到本质安全。

[1]GB3836.4-2000,爆炸性气体环境用电气设备第1部分:通用要求.

[2]GB3836.4-2000,爆炸性气体环境用电气设备第4部分:本质安全型“I”.

[3]蔡武昌,马中元,瞿国芳等.电磁流量计[M].北京:中国石化出版社,2004．