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電磁(cí)流量計的(de)工作原理(lǐ)
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電磁(cí)流(liú)量(liàng)計(jì)
（
eletromagnetic flowmeters
，簡稱
emf
）
是(shì)20世紀50~60年代随着電子(zǐ)技(jì)術的發(fā)展而(ér)迅(xùn)速(sù)發展起來的新型流(liú)量測量儀(yí)表。
電(diàn)磁流(liú)量計
是根(gēn)據法(fǎ)拉(lā)第(dì)電磁(cí)感應定(dìng)律制成(chéng)的，
電(diàn)磁流量計(jì)
用來測量導電(diàn)液體體積(jī)流量(liàng)的儀(yí)表(biǎo)。由(yóu)于其獨特的優點，
電磁流量計
目前(qián)已廣(guǎng)泛地(dì)被應用于(yú)工業過程(chéng)中各種導(dǎo)電液體的(de)流(liú)量測量(liàng)，如各種(zhǒng)酸(suān)、堿、鹽(yán)等腐蝕性介質(zhì)；
電磁(cí)流量計
各種漿液流(liú)量測(cè)量，形成了(le)獨特的應(yīng)用領(lǐng)域。
在(zài)結構上，
電磁流(liú)量計(jì)
由(yóu)電磁流(liú)量傳(chuán)感器(qì)和轉(zhuǎn)換器兩部分組(zǔ)成。傳(chuán)感器(qì)安裝(zhuāng)在(zài)工業過程管(guǎn)道上，它的作(zuò)用是将(jiāng)流進管道内的液體(tǐ)體積流量(liàng)值線性地(dì)變換成感生電(diàn)勢信号，并通過傳輸(shū)線将此信(xìn)号送到轉換器(qì)。轉換器安裝在(zài)離傳(chuán)感器不太(tài)遠的地方(fāng)，它将傳感器送來的(de)流量信(xìn)号(hào)進行(háng)放大(dà)，并轉換成(chéng)流量信号成正(zhèng)比的(de)标準電信(xìn)号輸出(chū)，以進行顯示(shì)，累(lèi)積和調(diào)節控(kòng)制。
電(diàn)磁流(liú)量(liàng)計
的基本原(yuán)理
(一)測量(liàng)原理(lǐ)
根據法拉第電(diàn)磁感應定(dìng)律，當一導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運動切(qiē)割磁(cí)力線(xiàn)時，在導體(tǐ)的兩端(duān)即(jí)産生感生電(diàn)勢e，其方(fāng)向由右手定則(zé)确定(dìng)，其大小與(yǔ)磁場的磁感應強度b，導體(tǐ)在磁(cí)場内(nèi)的(de)長度l及(jí)導體的運動速(sù)度u成正比(bǐ)，如果(guǒ)b， l，u三者互相垂直，則
e＝blu (3－35)
與此(cǐ)相(xiàng)仿．在(zài)磁感(gǎn)應(yīng)強度爲b的均(jun1)勻磁場中，垂(chuí)直(zhí)于(yú)磁場方(fāng)向放一個(gè)内(nèi)徑(jìng)爲d的(de)不導(dǎo)磁管道，當(dāng)導電液體(tǐ)在管道中以流速(sù)u流動時，導電(diàn)流體(tǐ)就切割(gē)磁(cí)力線．如果在管(guǎn)道截面上垂直于磁場的直徑(jìng)兩端(duān)安裝一對(duì)電極(jí)(圖3—17)則可以證明，隻要管道(dào)内流速(sù)分布爲軸對(duì)稱分(fèn)布，兩(liǎng)電極之間(jiān)也特(tè)産生(shēng)感生電動(dòng)勢：
e＝bd (3－36)
式中(zhōng)，爲(wèi)管道截面(miàn)上的平均(jun1)流速．由(yóu)此(cǐ)可得管道的(de)體(tǐ)積流(liú)量爲(wèi)：
qv＝πduˉ＝ （3－37）
由上式可見，體(tǐ)積流(liú)量qv與(yǔ)感應電(diàn)動勢e和測量(liàng)管(guǎn)内(nèi)徑d成(chéng)線性(xìng)關系(xì)，與磁(cí)場的(de)磁感應(yīng)強(qiáng)度b成反(fǎn)比(bǐ)，與其(qí)它物(wù)理參數無(wú)關．這(zhè)就是
電磁(cí)流量(liàng)計(jì)
的測量(liàng)原理．
需要(yào)說明的是(shì)，要(yào)使式（3—37）嚴(yán)格成(chéng)立(lì)，必須使測量條件滿足下列假定：
①磁場(chǎng)是均(jun1)勻分布的恒定磁場(chǎng)；
②被測流體的(de)流(liú)速軸(zhóu)對稱分布(bù)；
③被測液體(tǐ)是(shì)非磁性(xìng)的；
④被(bèi)測(cè)液(yè)體的電導率均勻且(qiě)各向同(tóng)性(xìng)。
圖3－17電(diàn)磁流(liú)量(liàng)計原理(lǐ)簡圖
1－磁極；2－電極(jí)；3－管道(dào)
(二)勵(lì)磁方(fāng)式
勵(lì)磁方(fāng)式即(jí)産生磁場的方(fāng)式．由(yóu)前(qián)述(shù)可知(zhī)，爲使式(shì)(3—37)嚴格成(chéng)立，第一個(gè)必須滿足的條件就(jiù)是要有一個均(jun1)勻恒定的(de)磁場(chǎng)．爲此，就需要選擇一種合适的(de)勵磁方式(shì)。目前，一般有三種勵碰方(fāng)式，即(jí)直流(liú)勵磁(cí)、交流勵磁(cí)和低(dī)頻方波(bō)勵(lì)磁．現分别予以介紹．
1．直(zhí)流勵磁(cí)
直流(liú)勵磁方式(shì)用直流(liú)電産生(shēng)磁場(chǎng)或采用永久磁鐵，它能産(chǎn)生一(yī)個(gè)恒(héng)定的(de)均勻(yún)磁場．這種(zhǒng)直流勵磁變送(sòng)器的大優(yōu)點(diǎn)是受交流(liú)電磁場(chǎng)幹擾影響(xiǎng)很小(xiǎo)，因而(ér)可以(yǐ)忽略(luè)液體中(zhōng)的(de)自感(gǎn)現象的影響(xiǎng)．但是，使用直(zhí)流磁場易使(shǐ)通過測(cè)量管道的電解(jiě)質液體被極化(huà)，即電解質在電(diàn)場中被電(diàn)解，産(chǎn)生正(zhèng)負(fù)離子．在(zài)電場力的作用(yòng)下，負離子(zǐ)跑向正極(jí)，正離子跑(pǎo)向負極．如圖3—18所(suǒ)示．這樣，将導緻(zhì)正負(fù)電極(jí)分别(bié)被相反(fǎn)極性的(de)離子所(suǒ)包圍，嚴重影響
電磁流(liú)量計
的正(zhèng)常工(gōng)作．所(suǒ)以(yǐ)，直流勵磁(cí)一(yī)般隻用于(yú)測量非(fēi)電解質(zhì)液體(tǐ)，如液(yè)态金屬等．
圖3－18直流勵(lì)磁方(fāng)式
2．交流勵(lì)磁
目前(qián)，工業上(shàng)使用的
電磁(cí)流(liú)量計(jì)
，大都(dōu)采用工頻(50hz)電源交流(liú)勵磁方式，即它(tā)的磁(cí)場是(shì)由正弦交變電流(liú)産生的，所(suǒ)以産生的磁(cí)場也(yě)是一(yī)個交變磁場．交(jiāo)變磁場變(biàn)送器(qì)的主(zhǔ)要優(yōu)點是消除(chú)了(le)電極表(biǎo)面的(de)極(jí)化于擾．另外(wài)，由于(yú)磁場(chǎng)是交變的，所以輸出信号也是(shì)交變信号(hào)，放大和轉(zhuǎn)換(huàn)低電平(píng)的交(jiāo)流信(xìn)号要比直流(liú)信号容(róng)易得多．
如果交(jiāo)流磁場(chǎng)的(de)磁感(gǎn)應強(qiáng)度(dù)爲
b＝bm sint （3－38）
則電極上(shàng)産生(shēng)的感(gǎn)生電動勢爲
e＝bm dsint （3－39）
被測體(tǐ)積流量爲(wèi)
qv= d （3－40）
式中bm――磁場磁感(gǎn)應強度的(de)大值；
――勵磁電流的角頻率(lǜ)，＝2f；
t――時(shí)間；
f――電源(yuán)頻率．
由(yóu)式(3－40)可知，當測量管内徑(jìng)d不變，磁(cí)感(gǎn)應強度bm爲(wèi)一(yī)定值時(shí)，兩電極上輸出(chū)的感生電動勢(shì)e與流量qv成(chéng)正比．這就(jiù)是交流磁(cí)場電(diàn)磁流量變送器(qì)的(de)基本工(gōng)作原理．
值得(dé)注(zhù)意的(de)是，用交流(liú)磁場會帶來一(yī)系列(liè)的(de)電磁幹(gàn)擾問題(tí)．例(lì)如正(zhèng)交幹(gàn)擾．同相(xiàng)幹(gàn)擾等，這(zhè)些幹擾(rǎo)信号與(yǔ)有用的(de)流量(liàng)信号(hào)混雜(zá)在(zài)一起．因此，如(rú)何正确區分流量信号與(yǔ)幹擾(rǎo)信号，并如何有(yǒu)效地(dì)抑制(zhì)和排(pái)除各種幹擾信(xìn)号，就成(chéng)爲交流(liú)勵磁
電磁(cí)流量(liàng)計
研制的重要課題(tí)。
3．低頻方波(bō)勵磁(cí)
直流(liú)勵磁(cí)方式(shì)和(hé)交(jiāo)流(liú)勵滋方式各有優(yōu)缺點，爲了充分發揮它們的優點，盡量避免它(tā)們的缺(quē)點，70年(nián)代(dài)以來(lái)，人們開始采用(yòng)低(dī)頻方波(bō)勵磁方式(shì)．它的勵磁電(diàn)流(liú)波形(xíng)如圖(tú)3—19所示(shì)，其頻率通常爲工頻(pín)的1／4－l／10．
圖3－19方波(bō)勵磁電流(liú)波形
從圖(tú)3－19可見(jiàn)，在半個周(zhōu)期内，磁場是恒(héng)穩的直流(liú)磁場，它具(jù)有直(zhí)流勵(lì)磁的特點，受電(diàn)磁(cí)幹(gàn)擾影響很(hěn)小．從整(zhěng)個(gè)時間(jiān)過程看，方(fāng)波信(xìn)号又(yòu)是一(yī)個交(jiāo)變的信号，所以它能克服直流(liú)勵滋易産生(shēng)的(de)極化現象．因此，低頻方波勵磁(cí)是一種比(bǐ)較好的勵(lì)磁方(fāng)式，目(mù)前已在
電磁流量計
上廣(guǎng)泛的(de)應用(yòng)．概括一下(xià)，
電磁(cí)流(liú)量計
具(jù)有(yǒu)如(rú)下幾個優(yōu)點：
①
電磁(cí)流量計(jì)
能避免交(jiāo)流磁(cí)場的(de)正交電磁幹擾；
②
電(diàn)磁流量(liàng)計
消(xiāo)除(chú)由分布(bù)電容引(yǐn)起的(de)工(gōng)頻幹(gàn)擾；
③
電磁流(liú)量計
抑(yì)制(zhì)交流(liú)磁場在管(guǎn)壁和(hé)流體内(nèi)部引起(qǐ)的電(diàn)渦流；
④
電磁(cí)流量計(jì)
排(pái)除直(zhí)流勵磁(cí)的極化現象．
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