電磁流量計的基本原理

2．1電磁流量計的基本原理及相關(guān)知識眨5’6’叼
   電磁流量計是依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律的工作原理來測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。隨著材料科學(xué)、電子學(xué)及微型計算機的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，電磁流量計性能不斷完善，己經(jīng)成為解決流量測量困難的重要工具，具有可靠性高、耐腐蝕性強、容易變更測量范圍等特點，無論國內(nèi)外都是重點發(fā)展的產(chǎn)品。本節(jié)將對進行介紹。
   2．1．1法拉第電磁感應(yīng)定律
   *，法拉第通過實驗發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。實驗表明，當導(dǎo)體在磁場中作切割磁力線運動時，根據(jù)感應(yīng)定理在導(dǎo)體兩端就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動的大小正比于與回路相交的磁通隨時間的變化率，即此感應(yīng)電動勢U與通過回路面積的磁感應(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)電動勢，單位為V； K——比例系數(shù)，由實驗確定； ①B——磁感應(yīng)通量，單位為Wb； t-時間，單位為s。根據(jù)實驗結(jié)果，去K值為1。考慮到U的方向，則上式可以寫為： 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號，即： U：壘：B．L．V (2．3) 夙式中，B為磁感應(yīng)強度(Gs)，L為在磁場中垂直切割磁力線方向的運動導(dǎo)體長度㈤，V為導(dǎo)體在磁場中作垂直于磁場方向運動的速度(m／s)。感應(yīng)電動勢的方向就是流速和磁場感應(yīng)強度矢量積的方向，即AU=V×B，其方向由楞次定律來確定。由(2．3)式可知，當磁感應(yīng)強度B恒定不變以及導(dǎo)體的長度為定長L時，感應(yīng)電動勢的大小僅與導(dǎo)體運動速度成正比。
   2．1．2電磁流量計的測量原理及其基本結(jié)構(gòu)
   電磁流量計是利用法拉第電磁感應(yīng)定律來測量導(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)電勢信號，并經(jīng)過傳輸線將此信號送到轉(zhuǎn)換器中去。電磁流量計的測量原理圖如圖2．1所示。BD 。／，＼～ 圖2．1電磁流量計測量原理圖
   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，管道置于磁場內(nèi)，在與磁場方向、管道中心軸、管道的直徑三者相互垂直的管道位置，裝兩個與液體相接觸的電極，液體相對于電極流動，這樣就可以看成導(dǎo)體在磁場內(nèi)做切割磁力線運動。切割磁力線的長度是兩電極之間的距離，近似等于液體柱的直徑，即測量管內(nèi)徑D(如圖2．1 所示)。又根據(jù)2．3式可知，對于旋轉(zhuǎn)對稱的流速分布和恒定均勻的磁場強度B 產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的大小近似等于： 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代替L，而電極間的距離近似等于測量管內(nèi)徑D，故可用D代替L。此外，可用被測液體的平均流速V(m／s) 代替了導(dǎo)體的運動速率V。當磁感應(yīng)強度B和兩電極間的距離固定不變時，電極兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢就只與被測液體的平均流速成正比。而在測量管內(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)電動勢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)電動勢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，當磁感應(yīng)強度B和測量管內(nèi)徑D一定時，感應(yīng)電動勢U與瞬時體積流量Q是線性關(guān)系，而與其它物理參數(shù)無關(guān)，這也是電磁流量計的zui大優(yōu)點之一。在此需要說明上列計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)電液體在磁場中運動產(chǎn)生另外兩種效應(yīng)的影響，即液體中感生電流對磁場分布的影響以及這一感生電流與電磁力相互作用對液體運動的影響。這兩種效應(yīng)在測量液體金屬時則不能忽略。電磁流量計http://www.china-jtyb。。ｃｏｍ
   其次，假設(shè)被測液體的流速為軸對稱分布，而且液體中的感生電流與電場對稱，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，且不受電場或液體運動的影響，從而可以排除“霍爾效應(yīng)’’帶來的影響。并且在此對于被測液體的導(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相互作用和影響。總之，只有在上述假設(shè)條件下測定流量時，可以認為感應(yīng)電動勢U與瞬時體積流量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的流量信號進行比較、放大、并轉(zhuǎn)換成標準的輸出信號，以實現(xiàn)對被測液體流量的指示、記錄、換算和調(diào)節(jié)。電磁流量計轉(zhuǎn)換器的基本原理是：把流量信號先經(jīng)過前置放大電路進行高阻抗轉(zhuǎn)換，抑制各種共模干擾、隔離流體直流極化噪聲，把微弱的流量信號放大，將差動的雙端流量信號變換為單端的流量信號等模擬電路處理后，再進入信號的數(shù)字轉(zhuǎn)換處理過程，即用A／D轉(zhuǎn)換電路把模擬的直流信號變換為數(shù)字量，然后再進入CPU 做數(shù)字運算，就可以測得一定公稱通徑傳感器內(nèi)的流速值，并可得到流量值。
   利用單片機的運算和儲存功能，除了直接得到瞬時流量、累積量等讀數(shù)顯示外，還可以依據(jù)不同的數(shù)字模型進行運算，實現(xiàn)數(shù)字濾波和尖狀干擾處理， 使得測量輸出更加穩(wěn)定可靠、測量精度更高。通過計算也可以得到不同量程下的百分比流量值，并進行測量的上、下限比較，輸出上下限報警信號。可以與預(yù)定的總量值比較，實現(xiàn)定值發(fā)訊等功能。
   3．測量管道
   磁場必須透過管壁穿向流體。所以智能電磁流量計的測量管道僅允許采用非導(dǎo)磁材料來制作。被測流體感應(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．測量電極
   測量電極直接與被測流體接觸，所以和測量管道一樣，采用的材料也必須具備了足夠的抗腐蝕能力，并保證在與被測流體接觸時候擁有良好的導(dǎo)電能力。zui常見的電極材料是不銹鋼、鉻鎳合金，其次是鉑、鉭、鋯、鈦等金屬。在陶瓷測量管道的電磁流量計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的測量性能。當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)率的被測流體或在管壁上導(dǎo)電能力差的沉積絕緣物，影響了測量的正常進行。這時候應(yīng)采用由電容獲取感應(yīng)電壓信號的電磁流量計。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。與被測流體接觸的電極不同的是，大面積電容電極的優(yōu)點有： (1)被測流體的zui小電導(dǎo)率為O．05厴／cm； (2)測量管道內(nèi)壁上的絕緣沉淀物不會使得測量無法進行； (3)不需要選擇與被測流體特定的電極材料來搭配； (4)在測量不均勻的流體時候能夠平穩(wěn)的顯示流量的測量值。