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電磁流量計的基本原理

測量原理勵磁方式 交流勵磁 方波勵磁

     (一)測量原理

    根據法拉第電磁感應定律,當一導體在磁場中運動切割磁力線時,在導體的兩端即產生感生電勢e,其方向由右手定則確定,其大小與磁場的磁感應強度B,導體在磁場內的長度L及導體的運動速度u成正比,如果B, L,u三者互相垂直,則

e=Blu                          (3-35)

    與此相仿.在磁感應強度為B的均勻磁場中,垂直于磁場方向放一個內徑為D的不導磁管道,當導電液體在管道中以流速u流動時,導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,只要管道內流速分布為軸對稱分布,兩電極之間也特產生感生電動勢:

                             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與感應電動勢e和測量管內徑D成線性關系,與磁場的磁感應強度B成反比,與其它物理參數無關.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

    勵磁方式即產生磁場的方式.由前述可知,為使式(3—37)嚴格成立,第一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.現分別予以介紹.

    1.直流勵磁

直流勵磁方式用直流電產生磁場或采用永久磁鐵,它能產生一個恒定的均勻磁場.這種直流勵磁變送器的最大優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象的影響.但是,使用直流磁場易使通過測量管道的電解質液體被極化,即電解質在電場中被電解,產生正負離子.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液體,如液態金屬等.

圖3-18  直流勵磁方式

2.交流勵磁

    目前,工業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生的,所以產生的磁場也是一個交變磁場.交變磁場變送器的主要優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強度為

              B=Bm sin t                                    (3-38)

則電極上產生的感生電動勢為

            e=Bm D sin t                                  (3-39)

被測體積流量為

          qv= D                                    (3-40)

式中  Bm――磁場磁感應強度的最大值;

      ――勵磁電流的角頻率, =2 f;

      t――時間;

      f――電源頻率.

    由式(3-40)可知,當測量管內徑D不變,磁感應強度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缺點,為了充分發揮它們的優點,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,磁場是恒穩的直流磁場,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生的極化現象.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用.概括一下,它具有如下幾個優點:

    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部引起的電渦流;

④排除直流勵磁的極化現象.

 

 

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