电磁流量计零点漂移实例解析
一、前言
电磁流量计广泛地用于城市供水、水处理过程中水的测量和计量。然而，这些行业的输水管道往往都埋于地下。这样，电磁流量传感器也多安装在地下，或安装于地下的测量井中。不难想象，长期浸泡在水中，或者由于测量井的封闭，井内温度与外界气温存在差别，造成井内有大量水蒸气的存在。如果使用一般结构的电磁流量传感器，当受到地下水位压力和长期浸泡的作用，结果会将水或水蒸气渗入传感器其中。井内水蒸气也可能由电缆引出套渗入接线端子盒，从而降低励磁线圈对地的绝缘电阻、绝缘强度，造成仪表大的零点偏移，引起测量不可靠，甚至不能测量。
对于长期使用于浸泡在水中的流量计传感器，制造厂商采用适当的密封结构形式和严格的制造工艺来保证其密封性。并在使用时，采用严格的防水密封措施来解决传感器接线端子盒对电缆引出线的密封。习惯把用于浸泡在水中的电磁流量计命名为水中型（或称潜水型、设埋型），并按照符合国际电工委员会IEC标准（IEC529-76）和国家标准GB4208-84的有关IP68外壳防护等级进行设计制造。当然，水中型的制造成本要比一般电磁流量计高。制造厂通常制造的电磁流量传感器结构一般仅适于防溅密封结构的形式。这些外壳防护等级为IP65（防溅型）或IP67（浸水型）。
尽管制造厂能够考虑到采用上述传感器的密封防范措施，但是往往由于与用户的沟通不够，会有选型不当的事情发生。或者，安装调试人员未能真正理解操作的细节要求，造成传感器内进水、接线端子受潮的问题时有出现。这样，当流量计投入运行后，可能会有一些奇怪的现象发生。查找这些故障原因，往往要花费大量时间和精力，同时也可能影响到生产工艺正常进行。如果我们能够对这类问题有个较深的认识，也就是认识到故障现象的本质，尽而在选型、制造，安装、接线等调试过程中做到认真、细致地按防水性能的技术要求工作，防患于未然；而在维护过程中，依据理论的指导能够迅速、准确地排除故障，这将对电磁流量计的正确使用和维护起到积极作用。
二、几个电磁流量计零点漂移的实例
1、 河南省某市三水厂是由国外政府贷款建设的中型现代化水厂。其中，进厂地表水计量使用一台DN1200电磁流量计；进厂地下水由数口井汇总后使用一台DN900电磁流量计计量。并联连接的出厂水计量使用两台DN1000电磁流量计。四台电磁流量计都是用进口国外某著名公司的先进产品。流量计传感器安装符合电磁流量计标准要求。装
在上游具有10倍以上、下游5倍以上直管段的测量井内。测量井同时考虑到可以安装夹持型超声波流量计能与电磁流量计进行比对测量。
系统投入正常运行已近两年。1999年11月发现进厂水测量总量比出厂水测量总量低约10%左右。表面看流量计工作都很正常。问题出在那里，找起来比较困难。因为一般自来水厂都有调节清水池，尤其对生产负荷不满的情况，进水泵可能时开、时停。因此，很难用仪表瞬时量来平衡生产过程的进出水量。我们通过与超声波流量计对比，采用不同组合开、关阀门等方法，确认是两台出厂水流量计发生零点偏移。一台偏移高达200 m3/h，另一台偏移高达300 m3/h。与显示的出厂量高出10%左右相吻合。根据经验，我们认为可能是接线端子受潮，励磁回路绝缘电阻对地下降所致。检查传感器发现，原本应该使用一根圆的信号专用电缆，这里使用了两根圆的屏蔽电缆代用。冬季测量井气温高，潮气沿电缆由密封不严的端子口进入接线盒。励磁端子对地仅有5～6MΩ。用电吹风机吹干，励磁回路对地绝缘电阻上升到数十MΩ后，仪表零点下降到零，测量恢复正常，能够正确反映生产过程进出水量的平衡。
2、 河南省郑州市某县级水厂使用一台LD-800电磁流量计，由于投入前行前接线盒内进水，励磁端子对地仅有5MΩ绝缘电阻。量程1000 m3/h时，结果造成零点显示300 m3/h。利用转换器调零不能降下来。
3、广东深圳市某水厂，一台LD-800电磁流量传感器进水后，励磁线圈对地绝缘电阻下降到8MΩ。在量程1000 m3/h时，结果造成零点显示160 m3/h。利用调零不能降下来。
4、浙江省某市污水处理厂一台引进DN1000电磁流量计接线端子盒进水，未处理干燥封密封胶，励磁端子对地绝缘电阻仅有2MΩ，结果造成零点输出数百m3/h，利用转换器调零不能降下来。
三、励磁回路对地绝缘电阻降低引起零点漂移的成因
励磁回路对地绝缘电阻降低引起零点漂移，可以利用图 1所示传感器的等效电路分析其成因。图中，Rj：励磁线圈对电极的绝缘电阻；C0：励磁线圈与电极间的分布电容；R s：传感器感应信号内阻。实际上Rs是传感器两个测量电极分别对测量液体间形成电容的容抗之和。把测量液体的体电阻近似视为零，被测液体作为接地基准点。所以，图中的信号内阻被分为相等的两部分（电极被污染情况除外）；rd：传感器接地电阻。Es：感应流速信号，并被信号内阻分为大小相等、方向相反的差动信号+ Es/2和- Es/2。
通常，制造厂设计制造传感器的绝缘电阻对地Rj在50MΩ以上；分布电容C0的值可能为数十μF。传感器装配时使用对电极或励磁线圈屏蔽的办法，能将分布电容的作用降低到很小的程度。实际应用中，传感器接地电阻rd可以在数Ω，最大100Ω。
传感器感应信号内阻 Rs可用（1）式求得
式中，σ为被测流体电导率，S/m；d为传感器测量电极直径，m。对于被测流体是自来水，其电导率大约在10-2S/m左右。通常，传感器测量电极直径大约在0.01∽0.02m。我们取d=0.016m计算信号内阻Rs大约在6k25Ω。
在流体充满测量管道，不流动情况下，感应流速信号为零。但是，从等效电路图我们可以看到，实际上绝缘电阻与分成两部分的信号内阻对励磁电压Ec构成了（2）式的分压关系。在电极上，对地分得部分励磁电压ec。对于两个电极，它们对地分得的电压ec大小相等，方向相同，形成干扰信号。这就是通常说的共模干扰电压。当然，这里我们仅仅只说共模干扰产生的这一个形式。其它形式不在这里讨论。
几乎所有电磁流量转换器的信号输入放大部分都采用高共模抑制比的前置放大电路来抑制共模干扰信号，减弱其混入到流速信号。高共模抑制比的前置放大电路是对差动流速信号差值起放大作用；对共模干扰信号，其差值为零，差动放大电路起衰减作用。由于实际差动电路元件的非完全对称，经差动放大的共模干扰会有微小的残余输出。对差动放大电路的特性我们用共模抑制比CMRR表征。CMRR是对差动信号的放大系数kd与共模干扰信号的放大系数kc（远小于1）之比取对数，并乘以20得到，单位为分贝（dB）。目前，电磁流量转换器的共模抑制比在80dB左右。对于电容变送型等要求较高、使用电源浮动地等措施的电磁流量转换器，共模抑制比可达120dB以上。按CMRR定义，对一般CMRR=80dB电磁流量计，取差动流速信号放大系数kd=1，则共模放大系数kc=0.0001。这就是说，转换器前置放大电路能够把共模干扰信号电压率减10000倍。
当励磁线圈对地（按前面计算，电极对地仅有3k2Ω，也可看作励磁线圈对电极）绝缘电阻Rj=50MΩ，励磁电压Ec=30V时，由（2）式计算，共模干扰电压ec=19.2mV。经前置放大器衰减10000倍，只有1.92μV。对通常电磁流量计1m/s感应0.2mV电压言，残余共模干扰电压仅占1%。可用调零来降下零点。对于接线端子受潮、传感器进水等原因造成的绝缘电阻对地Rj在10MΩ以下情况，例如Rc=5MΩ，共模干扰电压ec=192mV，经前置放大器衰减10000倍后，残余共模干扰电压为19.2μV。对1m/s感应0.2mV信号电压言占10%。结果与上述实例也基本吻合。
四、结束语
上面解析，说明了励磁线圈对电极绝缘电阻降低引起零点偏移的实质是共模干扰电压增大所致。这样就提示我们在应用于易受潮、易进水的安装环境，必须使用符合IP68水中型结构的产品。安装过程，封装接线盒之前必须注意保护好接线端子盒不会进水和潮气。严格按照制造厂家提供的安装使用说明书的技术规范进行操作。
当然，在电磁流量计运行中，当出现零点偏移或流量增大现象，我们可以首先检查端子或线圈对地的绝缘电阻。因为，这个检查方法很方便，问题处理也简单。
电磁流量计零点漂移实例解析
