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電磁流量計的工作原理

    電磁流量計(Eletromagnetic Flowmeters,簡(jiǎn)稱(chēng)EMF)是20世紀50~60年代隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的流量測量?jì)x表。電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律制成的,用來(lái)測量導電液體體積流量的儀表。由于其優(yōu)點(diǎn),電磁流量計目前已廣泛地被應用于工業(yè)過(guò)程中各種導電液體的流量測量,如各種酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì);電磁流量計各種漿液流量測量,形成了應用領(lǐng)域。
    在結構上,電磁流量計由電磁流量傳感器和轉換器兩部分組成。傳感器安裝在工業(yè)過(guò)程管道上,它的作用是將流進(jìn)管道內的液體體積流量值線(xiàn)性地變換成感生電勢信號,并通過(guò)傳輸線(xiàn)將此信號送到轉換器。轉換器安裝在離傳感器不太遠的地方,它將傳感器送來(lái)的流量信號進(jìn)行放大,并轉換成流量信號成正比的標準電信號輸出,以進(jìn)行顯示,累積和調節控制。

電磁流量計的基本原理
(一)測量原理
    根據法拉第電磁感應定律,當一導體在磁場(chǎng)中運動(dòng)切割磁力線(xiàn)時(shí),在導體的兩端即產(chǎn)生感生電勢e,其方向由右手定則確定,其大小與磁場(chǎng)的磁感應強度B,導體在磁場(chǎng)內的長(cháng)度L及導體的運動(dòng)速度u成正比,如果B, L,u三者互相垂直,則
e=Blu       (3-35)
與此相仿.在磁感應強度為B的均勻磁場(chǎng)中,垂直于磁場(chǎng)方向放一個(gè)內徑為D的不導磁管道,當導電液體在管道中以流速u(mài)流動(dòng)時(shí),導電流體就切割磁力線(xiàn).如果在管道截面上垂直于磁場(chǎng)的直徑兩端安裝一對電極(圖3—17)則可以證明,只要管道內流速分布為軸對稱(chēng)分布,兩電極之間也特產(chǎn)生感生電動(dòng)勢:
e=BD        (3-36)
式中,為管道截面上的平均流速.由此可得管道的體積流量為:
qv=πDUˉ=   (3-37)
由上式可見(jiàn),體積流量qv與感應電動(dòng)勢e和測量管內徑D成線(xiàn)性關(guān)系,與磁場(chǎng)的磁感應強度B成反比,與其它物理參數無(wú)關(guān).這就是電磁流量計的測量原理.
需要說(shuō)明的是,要使式(3—37)嚴格成立,必須使測量條件滿(mǎn)足下列假定:
①磁場(chǎng)是均勻分布的恒定磁場(chǎng);
②被測流體的流速軸對稱(chēng)分布;
③被測液體是非磁性的;
④被測液體的電導率均勻且各向同性。
圖3-17電磁流量計原理簡(jiǎn)圖
電磁流量計工作原理圖
1-磁極;2-電極;3-管道
(二)勵磁方式
    勵磁方式即產(chǎn)生磁場(chǎng)的方式.由前述可知,為使式(3—37)嚴格成立,必須滿(mǎn)足的條件就是要有一個(gè)均勻恒定的磁場(chǎng).為此,就需要選擇一種合適的勵磁方式。目前,一般有三種勵碰方式,即直流勵磁、交流勵磁和低頻方波勵磁.現分別予以介紹.
1.直流勵磁
    直流勵磁方式用直流電產(chǎn)生磁場(chǎng)或采用磁鐵,它能產(chǎn)生一個(gè)恒定的均勻磁場(chǎng).這種直流勵磁變送器的受交流電磁場(chǎng)干擾影響很小,因而可以忽略液體中的自感現象的影響.但是,使用直流磁場(chǎng)易使通過(guò)測量管道的電解質(zhì)液體被極化,即電解質(zhì)在電場(chǎng)中被電解,產(chǎn)生正負離子.在電場(chǎng)力的作用下,負離子跑向正極,正離子跑向負極.如圖3—18所示.這樣,將導致正負電極分別被相反極性的離子所包圍,嚴重影響電磁流量計的正常工作.所以,直流勵磁一般只用于測量非電解質(zhì)液體,如液態(tài)金屬等.
圖3-18直流勵磁方式
電磁流量計直流勵磁方式
2.交流勵磁
    目前,工業(yè)上使用的電磁流量計,大都采用工頻(50Hz)電源交流勵磁方式,即它的磁場(chǎng)是由正弦交變電流產(chǎn)生的,所以產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是一個(gè)交變磁場(chǎng).交變磁場(chǎng)變送器的主要優(yōu)點(diǎn)是消除了電極表面的極化于擾.另外,由于磁場(chǎng)是交變的,所以輸出信號也是交變信號,放大和轉換低電平的交流信號要比直流信號容易得多.
如果交流磁場(chǎng)的磁感應強度為
B=Bm sint             (3-38)
則電極上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢為
e=Bm Dsint            (3-39)
被測體積流量為
qv= D                  (3-40)
式中Bm――磁場(chǎng)磁感應強度的最大值;
――勵磁電流的角頻率,=2f;
t――時(shí)間;
f――電源頻率.
由式(3-40)可知,當測量管內徑D不變,磁感應強度Bm為一定值時(shí),兩電極上輸出的感生電動(dòng)勢e與流量qv成正比.這就是交流磁場(chǎng)電磁流量變送器的基本工作原理.
    值得注意的是,用交流磁場(chǎng)會(huì )帶來(lái)一系列的電磁干擾問(wèn)題.例如正交干擾.同相干擾等,這些干擾信號與有用的流量信號混雜在一起.因此,如何正確區分流量信號與干擾信號,并如何有效地抑制和排除各種干擾信號,就成為交流勵磁電磁流量計研制的重要課題。
3.低頻方波勵磁
    直流勵磁方式和交流勵滋方式各有優(yōu)缺點(diǎn),為了充分發(fā)揮它們的優(yōu)點(diǎn),盡量避免它們的缺點(diǎn),70年代以來(lái),人們開(kāi)始采用低頻方波勵磁方式.它的勵磁電流波形如圖3—19所示,其頻率通常為工頻的1/4-l/10.
圖3-19方波勵磁電流波形
電磁流量計方波勵磁電流波形
    從圖3-19可見(jiàn),在半個(gè)周期內,磁場(chǎng)是恒穩的直流磁場(chǎng),它具有直流勵磁的特點(diǎn),受電磁干擾影響很。畯恼麄(gè)時(shí)間過(guò)程看,方波信號又是一個(gè)交變的信號,所以它能克服直流勵滋易產(chǎn)生的極化現象.因此,低頻方波勵磁是一種比較好的勵磁方式,目前已在電磁流量計上廣泛的應用.概括一下,電磁流量計具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):
①電磁流量計能避免交流磁場(chǎng)的正交電磁干擾;
②電磁流量計消除由分布電容引起的工頻干擾;
③電磁流量計抑制交流磁場(chǎng)在管壁和流體內部引起的電渦流;
④電磁流量計排除直流勵磁的極化現象.

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