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電磁流量計的基本原理

更新時間:2016-05-24   點擊次數(shù):1204次

(一)測量原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,當一導(dǎo)體在磁場中運動切割磁力線時,在導(dǎo)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(yīng)強度B,導(dǎo)體在磁場內(nèi)的長度L及導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)磁管道,當導(dǎo)電液體在管道中以流速u流動時,導(dǎo)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=   =   (3-37)

由上式可見,體積流量qv與感應(yīng)電動勢e和測量管內(nèi)徑D成線性關(guān)系,與磁場的磁感應(yīng)強度B成反比,與其它物理參數(shù)無關(guān).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(dǎo)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,*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*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zui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(dǎo)致正負電極分別被相反極性的離子所包圍,嚴重影響儀表的正常工作.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(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)強度的zui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(yīng)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

從圖3-19可見,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?。畯恼麄€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(yīng)用.概括一下,它具有如下幾個優(yōu)點:

①能避免交流磁場的正交電磁干擾;

②消除由分布電容引起的工頻干擾;

③抑制交流磁場在管壁和流體內(nèi)部引起的電渦流;

④排除直流勵磁的極化現(xiàn)象.

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