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電磁流量計(jì)的工作原理 |
電磁流量計(jì)(Eletromagnetic Flowmeters,簡(jiǎn)稱EMF)是20世紀(jì)50~60年代隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型流量測(cè)量儀表。電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制成的,電磁流量計(jì)用來測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),電磁流量計(jì)目前已廣泛地被應(yīng)用于工業(yè)過程中各種導(dǎo)電液體的流量測(cè)量,如各種酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì);電磁流量計(jì)各種漿液流量測(cè)量,形成了獨(dú)特的應(yīng)用領(lǐng)域。
在結(jié)構(gòu)上,電磁流量計(jì)由電磁流量傳感器和轉(zhuǎn)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(jìn)管道內(nèi)的液體體積流量值線性地變換成感生電勢(shì)信號(hào),并通過傳輸線將此信號(hào)送到轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器安裝在離傳感器不太遠(yuǎn)的地方,它將傳感器送來的流量信號(hào)進(jìn)行放大,并轉(zhuǎn)換成流量信號(hào)成正比的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出,以進(jìn)行顯示,累積和調(diào)節(jié)控制。
電磁流量計(jì)的基本原理
(一)測(cè)量原理
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,當(dāng)一導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí),在導(dǎo)體的兩端即產(chǎn)生感生電勢(shì)e,其方向由右手定則確定,其大小與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B,導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)的長度L及導(dǎo)體的運(yùn)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(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)中,垂直于磁場(chǎng)方向放一個(gè)內(nèi)徑為D的不導(dǎo)磁管道,當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中以流速u流動(dòng)時(shí),導(dǎo)電流體就切割磁力線.如果在管道截面上垂直于磁場(chǎng)的直徑兩端安裝一對(duì)電極(圖3—17)則可以證明,只要管道內(nèi)流速分布為軸對(duì)稱分布,兩電極之間也特產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì):
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(yīng)電動(dòng)勢(shì)e和測(cè)量管內(nèi)徑D成線性關(guān)系,與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成反比,與其它物理參數(shù)無關(guān).這就是電磁流量計(jì)的測(cè)量原理.
需要說明的是,要使式(3—37)嚴(yán)格成立,必須使測(cè)量條件滿足下列假定:
①磁場(chǎng)是均勻分布的恒定磁場(chǎng);
②被測(cè)流體的流速軸對(duì)稱分布;
③被測(cè)液體是非磁性的;
④被測(cè)液體的電導(dǎo)率均勻且各向同性。
圖3-17電磁流量計(jì)原理簡(jiǎn)圖
1-磁極;2-電極;3-管道
(二)勵(lì)磁方式
勵(lì)磁方式即產(chǎn)生磁場(chǎng)的方式.由前述可知,為使式(3—37)嚴(yán)格成立,第一個(gè)必須滿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(lì)磁方式。目前,一般有三種勵(lì)碰方式,即直流勵(lì)磁、交流勵(lì)磁和低頻方波勵(lì)磁.現(xiàn)分別予以介紹.
1.直流勵(lì)磁
直流勵(lì)磁方式用直流電產(chǎn)生磁場(chǎng)或采用永久磁鐵,它能產(chǎn)生一個(gè)恒定的均勻磁場(chǎng).這種直流勵(lì)磁變送器的最大優(yōu)點(diǎn)是受交流電磁場(chǎng)干擾影響很小,因而可以忽略液體中的自感現(xiàn)象的影響.但是,使用直流磁場(chǎng)易使通過測(cè)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(fù)離子.在電場(chǎng)力的作用下,負(fù)離子跑向正極,正離子跑向負(fù)極.如圖3—18所示.這樣,將導(dǎo)致正負(fù)電極分別被相反極性的離子所包圍,嚴(yán)重影響電磁流量計(jì)的正常工作.所以,直流勵(lì)磁一般只用于測(cè)量非電解質(zhì)液體,如液態(tài)金屬等.
圖3-18直流勵(lì)磁方式
2.交流勵(lì)磁
目前,工業(yè)上使用的電磁流量計(jì),大都采用工頻(50Hz)電源交流勵(lì)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(hào)也是交變信號(hào),放大和轉(zhuǎn)換低電平的交流信號(hào)要比直流信號(hào)容易得多.
如果交流磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為
B=Bm sint (3-38)
則電極上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)為
e=Bm Dsint (3-39)
被測(cè)體積流量為
qv= D (3-40)
式中Bm――磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值;
――勵(lì)磁電流的角頻率,=2f;
t――時(shí)間;
f――電源頻率.
由式(3-40)可知,當(dāng)測(cè)量管內(nèi)徑D不變,磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm為一定值時(shí),兩電極上輸出的感生電動(dòng)勢(shì)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(hào)與有用的流量信號(hào)混雜在一起.因此,如何正確區(qū)分流量信號(hào)與干擾信號(hào),并如何有效地抑制和排除各種干擾信號(hào),就成為交流勵(lì)磁電磁流量計(jì)研制的重要課題。
3.低頻方波勵(lì)磁
直流勵(lì)磁方式和交流勵(lì)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,人們開始采用低頻方波勵(lì)磁方式.它的勵(lì)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(lì)磁電流波形
從圖3-19可見,在半個(gè)周期內(nèi),磁場(chǎng)是恒穩(wěn)的直流磁場(chǎng),它具有直流勵(lì)磁的特點(diǎn),受電磁干擾影響很。畯恼麄(gè)時(shí)間過程看,方波信號(hào)又是一個(gè)交變的信號(hào),所以它能克服直流勵(lì)滋易產(chǎn)生的極化現(xiàn)象.因此,低頻方波勵(lì)磁是一種比較好的勵(lì)磁方式,目前已在電磁流量計(jì)上廣泛的應(yīng)用.概括一下,電磁流量計(jì)具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):
①電磁流量計(jì)能避免交流磁場(chǎng)的正交電磁干擾;
②電磁流量計(jì)消除由分布電容引起的工頻干擾;
③電磁流量計(jì)抑制交流磁場(chǎng)在管壁和流體內(nèi)部引起的電渦流;
④電磁流量計(jì)排除直流勵(lì)磁的極化現(xiàn)象. |
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