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    電磁流量計的工作原理

    發(fā)布時間:2017-10-30閱讀數(shù):2796

         工作原理
         電磁流量計(Eletromagnetic Flowmeters,簡稱EMF)是20世紀50~60年代隨著電子技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型流量測量儀表。電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應定律制成的,電磁流量計用來測量導電液體體積流量的儀表。由于其獨特的優(yōu)點,電磁流量計目前已廣泛地被應用于工業(yè)過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,形成了獨特的應用領域。
         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)過程管道上,它的作用是將流進管道內(nèi)的液體體積流量值線性地變換成感生電勢信號,并通過傳輸線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,它將傳感器送來的流量信號進行放大,并轉換成流量信號成正比的標準電信號輸出,以進行顯示,累積和調(diào)節(jié)控制。
         電磁流量計的基本原理
         (一)測量原理
         根據(jù)法拉第電磁感應定律,當一導體在磁場中運動切割磁力線時,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,其大小與磁場的磁感應強度B,導體在磁場內(nèi)的長度L及導體的運動速度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的均勻磁場中,垂直于磁場方向放一個內(nèi)徑為D的不導磁管道,當導電液體在管道中以流速u流動時,導電流體就切割磁力線.如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極(圖3—17)則可以證明,只要管道內(nèi)流速分布為軸對稱分布,兩電極之間也特產(chǎn)生感生電動勢: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,體積流量qv與感應電動勢e和測量管內(nèi)徑D成線性關系,與磁場的磁感應強度B成反比,與其它物理參數(shù)無關.這就是電磁流量計的測量原理.
         需要說明的是,要使式(3—37)嚴格成立,必須使測量條件滿足下列假定:
         ①磁場是均勻分布的恒定磁場;
         ②被測流體的流速軸對稱分布;
         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)生磁場的方式.由前述可知,為使式(3—37)嚴格成立,第一個必須滿足的條件就是要有一個均勻恒定的磁場.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(xiàn)分別予以介紹.
         1.直流勵磁
         直流勵磁方式用直流電產(chǎn)生磁場或采用永久磁鐵,它能產(chǎn)生一個恒定的均勻磁場.這種直流勵磁變送器的最大優(yōu)點是受交流電磁場干擾影響很小,因而可以忽略液體中的自感現(xiàn)象的影響.但是,使用直流磁場易使通過測量管道的電解質(zhì)液體被極化,即電解質(zhì)在電場中被電解,產(chǎn)生正負離子.在電場力的作用下,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
         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,即它的磁場是由正弦交變電流產(chǎn)生的,所以產(chǎn)生的磁場也是一個交變磁場.交變磁場變送器的主要優(yōu)點是消除了電極表面的極化于擾.另外,由于磁場是交變的,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.
         如果交流磁場的磁感應強度為B=Bm sin  t                                     (3-38)
         則電極上產(chǎn)生的感生電動勢為e=Bm D  sin  t                                  (3-39)
         被測體積流量為qv= D  (3-40)
         式中  Bm――磁場磁感應強度的最大值;
         ――勵磁電流的角頻率,  =2  f;
         t――時間;
         f――電源頻率.
         由式(3-40)可知,當測量管內(nèi)徑D不變,磁感應強度Bm為一定值時,兩電極上輸出的感生電動勢e與流量qv成正比.這就是交流磁場電磁流量變送器的基本工作原理.
        值得注意的是,用交流磁場會帶來一系列的電磁干擾問題.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(qū)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,為了充分發(fā)揮它們的優(yōu)點,盡量避免它們的缺點,70年代以來,人們開始采用低頻方波勵磁方式.它的勵磁電流波形其頻率通常為工頻的1/4-l/10.
         方波勵磁電流波形
         在半個周期內(nèi),磁場是恒穩(wěn)的直流磁場,它具有直流勵磁的特點,受電磁干擾影響很小.從整個時間過程看,方波信號又是一個交變的信號,所   以它能克服直流勵滋易產(chǎn)生的極化現(xiàn)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優(yōu)點:
         ①電磁流量計能避免交流磁場的正交電磁干擾;
         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在管壁和流體內(nèi)部引起的電渦流;
         ④電磁流量計排除直流勵磁的極化現(xiàn)象.
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