電磁流量計(jì)的基本原理及相關(guān)知識(shí)

1電磁流量計(jì)的基本原理及相關(guān)知識(shí)眨5’6’叼
   電磁流量計(jì)是依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律的工作原理來(lái)測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。隨著材料科學(xué)、電子學(xué)及微型計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，電磁流量計(jì)性能不斷完善，己經(jīng)成為解決流量測(cè)量困難的重要工具，具有可靠性高、耐腐蝕性強(qiáng)、容易變更測(cè)量范圍等特點(diǎn)，無(wú)論國(guó)內(nèi)外都是重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)品。本節(jié)將對(duì)電磁流量計(jì)的基本原理進(jìn)行介紹。
   2．1．1法拉第電磁感應(yīng)定律
   *，法拉第通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)感應(yīng)定理在導(dǎo)體兩端就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)的大小正比于與回路相交的磁通隨時(shí)間的變化率，即此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U與通過(guò)回路面積的磁感應(yīng)通量①B的變化率成正比： u：K盟(2．1) 執(zhí)式中l(wèi)卜感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，單位為V； K——比例系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定； ①B——磁感應(yīng)通量，單位為Wb； t-時(shí)間，單位為s。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，去K值為1。考慮到U的方向，則上式可以寫(xiě)為： u：．盟‘ (2．2) 夙這就是法拉第電磁感應(yīng)定律。如果只考慮U的大小，就可以略去上式中負(fù)號(hào)，即： U：壘：B．L．V (2．3) 夙式中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度(Gs)，L為在磁場(chǎng)中垂直切割磁力線方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體長(zhǎng)度㈤，V為導(dǎo)體在磁場(chǎng)中作垂直于磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的速度(m／s)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向就是流速和磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度矢量積的方向，即AU=V×B，其方向由楞次定律來(lái)確定。由(2．3)式可知，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B恒定不變以及導(dǎo)體的長(zhǎng)度為定長(zhǎng)L時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小僅與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)速度成正比。
   2．1．2電磁流量計(jì)的測(cè)量原理及其基本結(jié)構(gòu)
   電磁流量計(jì)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律來(lái)測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。整套儀表由電磁流量變送器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。
   1．變送器
   變送器安裝在工藝管道中，它的作用是將流經(jīng)管道內(nèi)液體流量值線性地變換成感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)，并經(jīng)過(guò)傳輸線將此信號(hào)送到轉(zhuǎn)換器中去。電磁流量計(jì)的測(cè)量原理圖如圖2．1所示。BD 。／，＼～ 圖2．1電磁流量計(jì)測(cè)量原理圖
   其中切割磁力線的導(dǎo)體不是一般的金屬導(dǎo)體，而是把流動(dòng)的液體看成導(dǎo)線， 即液體必須具備一定的電導(dǎo)率，管道置于磁場(chǎng)內(nèi)，在與磁場(chǎng)方向、管道中心軸、管道的直徑三者相互垂直的管道位置，裝兩個(gè)與液體相接觸的電極，液體相對(duì)于電極流動(dòng)，這樣就可以看成導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)做切割磁力線運(yùn)動(dòng)。切割磁力線的長(zhǎng)度是兩電極之間的距離，近似等于液體柱的直徑，即測(cè)量管內(nèi)徑D(如圖2．1 所示)。又根據(jù)2．3式可知，對(duì)于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的流速分布和恒定均勻的磁場(chǎng)強(qiáng)度B 產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小近似等于： U：B．D．V (2．4) 式(2．4)與式(2．3)不同的是用電極兩端的距離來(lái)代替L，而電極間的距離近似等于測(cè)量管內(nèi)徑D，故可用D代替L。此外，可用被測(cè)液體的平均流速V(m／s) 代替了導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速率V。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和兩電極間的距離固定不變時(shí)，電極兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就只與被測(cè)液體的平均流速成正比。而在測(cè)量管內(nèi)，管道截面和平均流速V的乘積就為體積流量Q。o：生．可(2．5) 。4 根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和平均流速之間的關(guān)系式(2．4)，就可以獲得體積流量Q 和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U之間的關(guān)系為Q：蘭．D．U (2．6) 即U：=—4B—．Q 棚(2．7) 由(2．7)式可以看出，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和測(cè)量管內(nèi)徑D一定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U與瞬時(shí)體積流量Q是線性關(guān)系，而與其它物理參數(shù)無(wú)關(guān)，這也是電磁流量計(jì)的zui大優(yōu)點(diǎn)之一。在此需要說(shuō)明上列計(jì)算方程式的成立還應(yīng)符合以下的假設(shè)條件。
    首先，假設(shè)磁場(chǎng)是恒定不變，而且是均勻分布的。這就可以忽略導(dǎo)電液體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生另外兩種效應(yīng)的影響，即液體中感生電流對(duì)磁場(chǎng)分布的影響以及這一感生電流與電磁力相互作用對(duì)液體運(yùn)動(dòng)的影響。這兩種效應(yīng)在測(cè)量液體金屬時(shí)則不能忽略。電磁流量計(jì)http://www.china-jtyb。。ｃｏｍ
   其次，假設(shè)被測(cè)液體的流速為軸對(duì)稱(chēng)分布，而且液體中的感生電流與電場(chǎng)對(duì)稱(chēng)，且平行于液體的軸向；另外，假設(shè)液體的導(dǎo)電率是均勻的，且不受電場(chǎng)或液體運(yùn)動(dòng)的影響，從而可以排除“霍爾效應(yīng)’’帶來(lái)的影響。并且在此對(duì)于被測(cè)液體的導(dǎo)電率變化和由液體溫度的非均勻性所導(dǎo)致的熱點(diǎn)效應(yīng)及離子遷移等影響假定不存在。
   此外，還要假設(shè)被測(cè)液體是非磁性的，并且它的磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率一致， 這樣可忽略液體磁性與工作磁場(chǎng)相互作用和影響。總之，只有在上述假設(shè)條件下測(cè)定流量時(shí)，可以認(rèn)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U與瞬時(shí)體積流量Q成正比，且*是線性關(guān)系。
   2．轉(zhuǎn)換器
    轉(zhuǎn)換器的作用是將變送器送來(lái)的流量信號(hào)進(jìn)行比較、放大、并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)液體流量的指示、記錄、換算和調(diào)節(jié)。電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器的基本原理是：把流量信號(hào)先經(jīng)過(guò)前置放大電路進(jìn)行高阻抗轉(zhuǎn)換，抑制各種共模干擾、隔離流體直流極化噪聲，把微弱的流量信號(hào)放大，將差動(dòng)的雙端流量信號(hào)變換為單端的流量信號(hào)等模擬電路處理后，再進(jìn)入信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)換處理過(guò)程，即用A／D轉(zhuǎn)換電路把模擬的直流信號(hào)變換為數(shù)字量，然后再進(jìn)入CPU 做數(shù)字運(yùn)算，就可以測(cè)得一定公稱(chēng)通徑傳感器內(nèi)的流速值，并可得到流量值。
   利用單片機(jī)的運(yùn)算和儲(chǔ)存功能，除了直接得到瞬時(shí)流量、累積量等讀數(shù)顯示外，還可以依據(jù)不同的數(shù)字模型進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波和尖狀干擾處理， 使得測(cè)量輸出更加穩(wěn)定可靠、測(cè)量精度更高。通過(guò)計(jì)算也可以得到不同量程下的百分比流量值，并進(jìn)行測(cè)量的上、下限比較，輸出上下限報(bào)警信號(hào)。可以與預(yù)定的總量值比較，實(shí)現(xiàn)定值發(fā)訊等功能。
   3．測(cè)量管道
   磁場(chǎng)必須透過(guò)管壁穿向流體。所以智能電磁流量計(jì)的測(cè)量管道僅允許采用非導(dǎo)磁材料來(lái)制作。被測(cè)流體感應(yīng)出的電壓不允許與電導(dǎo)的管壁形成短路，這就需要測(cè)量管道采用絕緣材料制作，如陶瓷或者塑料等。或者在非導(dǎo)磁的金屬管道的內(nèi)壁上鋪上絕緣內(nèi)襯層。管道內(nèi)壁與流體接觸，內(nèi)襯材料就必須具有足夠的抗腐蝕能力。
   4．測(cè)量電極
   測(cè)量電極直接與被測(cè)流體接觸，所以和測(cè)量管道一樣，采用的材料也必須具備了足夠的抗腐蝕能力，并保證在與被測(cè)流體接觸時(shí)候擁有良好的導(dǎo)電能力。zui常見(jiàn)的電極材料是不銹鋼、鉻鎳合金，其次是鉑、鉭、鋯、鈦等金屬。在陶瓷測(cè)量管道的電磁流量計(jì)中采用陶瓷金屬混合材料制作電極。而且，此電極新型的結(jié)構(gòu)使得電極更換更加容易。電極材料選擇的正確性能夠決定電磁流量計(jì)的測(cè)量性能。當(dāng)然在這里不僅僅是考慮化學(xué)反應(yīng)和良好的導(dǎo)電性，很多其他的因素也涉及到。極低電導(dǎo)率的被測(cè)流體或在管壁上導(dǎo)電能力差的沉積絕緣物，影響了測(cè)量的正常進(jìn)行。這時(shí)候應(yīng)采用由電容獲取感應(yīng)電壓信號(hào)的電磁流量計(jì)。這種電極是在內(nèi)襯的或者是非導(dǎo)電管壁的大面積電容極板。與被測(cè)流體接觸的電極不同的是，大面積電容電極的優(yōu)點(diǎn)有： (1)被測(cè)流體的zui小電導(dǎo)率為O．05厴／cm； (2)測(cè)量管道內(nèi)壁上的絕緣沉淀物不會(huì)使得測(cè)量無(wú)法進(jìn)行； (3)不需要選擇與被測(cè)流體特定的電極材料來(lái)搭配； (4)在測(cè)量不均勻的流體時(shí)候能夠平穩(wěn)的顯示流量的測(cè)量值。
   5．勵(lì)磁線圈
  測(cè)量管道中的磁場(chǎng)強(qiáng)度的空間分布受到電磁流量計(jì)顯示器的線性度和流速分布的影響。該勵(lì)磁線圈纏繞在管道上并且由電磁流量計(jì)的外殼保護(hù)著。

管道上的電磁線圈安裝必須與電極軸相垂直，該線圈由變送器內(nèi)的電源提供供電電流，并產(chǎn)生方波磁場(chǎng)。