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    電磁流量計原理

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      電磁流量計的基本原理  
     

    電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律來測量導電性液體體積流量的儀表。整套儀表由電磁流量變送器和轉換器兩部分組成。變送器安裝在工藝管道上,它的作用是將流經管內的液體流量值線性地變換成感應電動勢信號,并通過傳輸線將此信號送到轉換器中去。轉換器的作用是將變送器送來的流量信號進行比較、放大、并轉換成統一標準的輸出信號,以實現對被測液體流量的遠距離指示、記錄、積算或調節。
    電磁流量計的工作原理方框圖如下:

     
     
    電磁流量計工作原理方框圖
     
         
     

    基本原理:
    法拉第電磁感應定律:
    當導體回路在磁場中作切割磁力線防線的運動時,導體回路兩端就會產生感應電動勢。此感應電動勢e與通過回路面積的磁感應通量ΦB的變化率成正比:

    式中,比例系數K由實驗確定。在國標單位制中,e的單位為v,ΦB的單位為W吧,t的單位為s,根據實驗結果K等于1.如果考慮e的方向,則上式可寫為:

    這就是法拉第電磁感應定律。
    如果只考慮e的大小,就可以略去上式中dΦB/dt前面的負號,可寫為

    式中,B為磁感應強度(Gs); L為在磁場中作垂直切割磁力線方向運動的導體的長度(cm); V為導體在磁場中作磁場中作垂直于磁場方向運動的速度(cm/s)。
    感應電動勢的方向就是 矢量積的方向,可以用右手定則來確定。
    右手法則右手定則
    根據國際單位制換算的結果,感應電動勢的大小可用下式來表示:

    由上式可知,當磁感應強度B恒定不變,同時導體長度L一定時,感應電動勢的大小只與導體運動的速度成正比。

    電磁流量變送器的工作原理
    原理:
    電磁流量變送器就是利用法拉第電磁感應定律制成的,只是其中切割磁力線的導體不是一般的金屬導體,而是具有一定電導率的液體流柱,切割磁力線的長度是兩電極之間的距離,近似等于液柱的直徑,即測量管內徑D,如下圖所示:
    法拉第電磁感應定律原理圖
    由法拉第電磁感應定律可知,電極兩端感應電動勢的大小可近似等于:

    由上式可知,當磁感應強度B為一定值,并且兩電極間的距離固定不變時,電極兩端產生的感應電動勢只與被測流體的平均流速成正比。
    在測量管內,穿過測量管橫斷面的液體的瞬時體積流量為:

    由此可推導出:


    由上式可以看出,感應電動勢e與瞬時體積流量Q是線性關系,它只與磁感應強度B和測量管內徑D有關,而與其他物理參數的變化無關,這就是電磁流量計的最大優點。
    在這里需要需要說明,上述這些粗略計算的方程式要符合下面一些假定條件才能成立。
    首先假定磁場是恒定不變,而且是均勻分布的。這就可以忽略導電性液體在磁場中運動時產生的另外兩種效應的影響,即在液體中的感生電流與電磁力相互作用時對液體運動的影響。這兩種效應僅在測量液態金屬時才不能忽視。
    其次,假定被測液體的流速分布式軸對稱的,而且在液體中感生電流要與電場對稱,并平行于液體的軸向運動。另外,假設液體的電導率是均勻的和各向同性的,并且不受電場或液體運動的影響,因而排除了“霍爾效應”的影響。并且還假定了被測液體電導率的變化和由于液體溫度的非均勻性所引起的熱電效應及離子遷移等的影響都可忽略不計,這是因為在通常情況下,這些效應的影響都是很小的。
    此外,還假定了被測液體是非磁性的,并且它的磁導率μ與真空中的磁導率是一樣的。這就可以不去考慮 液體的磁性與工作磁場相互作用的影響。這種影響僅在測量鐵磁性礦漿流量時才會出現。
    因此,在上述一些條件下測定流量時,可以認為感應電動勢e與瞬時體積流量Q成正比,且完全是線性關系。
    這就是電磁流量變送器的基本工作原理。

    激磁方式
    1.直流激磁
    上述公式中是在磁場恒定的情況下推導出來的,即磁場是用直流激磁或永磁鐵所產生的恒定磁場,這種直流磁場變送器的最電解質液體極化示意圖大優點是受交流電磁場干擾的影響很小,因而液體中自感影響可以忽略不計。但是,使用直流磁場易使通過測量管內的電解質液體被極化,導致正電極被負離子包圍,負電極被正離子包圍。如圖所示。隨著時間的延長,電極表面上聚集的離子層加厚,將阻礙導電離子的繼續移動,導致電極間的內阻增大,因而嚴重影響儀表的正常工作。
    但是,當測量電導率很高而又不能電解的液態金屬時,例如常溫的汞,高溫的鈉、鉍等。用直流磁場的變送器是有利的。因為使用交流磁場變送器會在液態金屬中產生強烈的磁感應渦電流,并引起“集膚效應”。這不僅會使變送器的內阻增大,而且這些感應渦電流又會產生較強的二次磁通。使工作磁場被扭曲而產生畸變,影響儀表的正常工作。但是,這種效應時隨磁場變化頻率的降低而減少的。在直流磁場下,這些現象就不會產生的。

     
     

    2.交流激磁
    目前,工業上使用的電磁流量變送器,大多采用工頻(50赫茲或60赫茲)電磁交流激磁,其工作原理如下圖:
    交流激磁原理圖
    交流磁場變送器的主要優點是能消除電極表面的極化作用,降低變送器的內阻。另外,采用交流激磁,輸出信號也是交流的,放大和轉換低電平高阻抗的交流信號要比直流信號容易。
    如果交流磁場磁感應強度為:

    則兩極(A和B)上產生的感應電動勢為:

    同樣被測液體的體積流量為:

    由上式可知,當測量管內徑D固定不變,磁感應強度B為一定值時,兩電極輸出的感應電動勢e與流量Q成正比。這就是交流磁場電磁流量變送器的基本工作原理。
    但是,用交流磁場又會帶來一系列的電磁干擾信號問題。例如90°干擾、同相干擾等。而且這些干擾信號又都與有用的流量信號混雜在一起。如何正確區分流量信號和干擾信號,并怎樣有效地抑制和排除各種干擾信號,就成為交流激磁電磁流量計制造過程中的重要課題。
    此外,采用市電作為激磁電源,易受電網電壓和頻率波動的影響,所以要有必要的補償措施。


    3.恒定電流方波激磁
    上述直流激磁變送器和交流激磁變送器都各有優缺點。為了充分利用這二種激磁方式的優點,盡量避免它們的缺點??刹捎煤愣娏鞣讲ご欧绞?。這種電路的原理如下所示:
    恒定電流方波激磁電路原理圖
    由圖可知,這種電路的工作原理是在轉換器中由晶體管開關電路產生正負交變的方波恒定電流,然后輸入變送器的激磁線圈。此開關電路轉換的頻率僅為市電頻率的二分之一或四分之一,并與電源同期轉換。
    在變送器兩電極上產生的感應電動勢與激磁電流的大小及被測介質的平均流速成正比。感應電動勢首先經高輸入阻抗放大器進行交流放大,再輸入幅度脈沖變換電路,經取樣保持電路轉成脈沖信號,然后進入直流差動放大器,將其差值放大后送入電壓轉換電路。最后,將電壓信號轉換成統一標準的直流電流信號和脈沖頻率,并作為輸出信號。以便進行指示、記錄、積算和調節。
    這種電路的特點是不再需要設置專門的干擾補償機構和電源電壓及頻率波動的補償機構。此外,這種電路在轉換器中設有激磁電流調整回路,能夠把變送器在實流標定時求出的恒定電流的數值作為變送器的定值系數,并標記在變送器的銘牌上。例如,在實際標定時,當流速為1m/s,輸出感應電動勢為1mV時,得出恒定激磁電流為某一值,就作為這臺變送器的定值系數。當這臺變送器在與任何一臺轉換器配套使用時,只要將轉換器調整到這臺變送器所標記的定值系數,即激磁電流值,就可進行流量測量,而不需要再做配套實流標定,所以,這種激磁方式不但克服了直流和交流激磁的所有缺點,同時還解決了變送器和轉換器的互相性問題。

     
         
         
         
         
     
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