電磁流量計 由(yóu)于具(jù)有衆多的優點(diǎn)廣泛應用(yòng)于工業(yè)各種場合，近(jìn)年來已經逐步(bù)向民用領域擴展。傳統的(de)電磁流量(liàng)計僅能用于(yú)滿管的(de)流量(liàng)測量，對于非滿(mǎn)管流體或(huò)者流體在滿管與非(fēi)滿管之間變化的流動時(shí)的流(liú)量測(cè)量(liàng)研究(jiū)較少。非(fēi)滿管(guǎn)流體(tǐ)流動(dòng)時,由(yóu)于管(guǎn)内的流體(tǐ)截面(miàn)積是變化的,或(huò)者流(liú)體(tǐ)流動一(yī)直處(chù)于非滿管狀态，非(fēi)滿管流量的測量需要(yào)測(cè)量流體平均(jun1)流速和液(yè)位這(zhè)兩個參數(shù)。非滿(mǎn)管狀态(tài)下(xià),測量(liàng)管内流體流速(sù)分布不對稱,導(dǎo)緻權重函數(shù)的(de)分布和液(yè)位有(yǒu)關，同(tóng)時電極上(shàng)的感應信号是兩電極橫斷面(miàn)内所有(yǒu)質點(diǎn)電(diàn)位的集合,即電勢一定(dìng)要處于(yú)電極可測量範(fàn)圍之内(nèi),所(suǒ)以進(jìn)行非滿(mǎn)管的流(liú)量測量電(diàn)極必須浸入(rù)流體内(nèi),否則電(diàn)極得不到感(gǎn)應信号[17-19] 。
1 非(fēi)滿管電磁(cí)流量(liàng)計 的結(jié)構設計(jì)
1.1 非滿管(guǎn)電磁流量計的測(cè)量原(yuán)理
　　管(guǎn)道式(shì)電磁(cí)流量(liàng)計 在(zài)工作(zuò)的過程中，可能會出現管道中(zhōng)流體未充(chōng)滿或者(zhě)在流體流動(dòng)過程中，流體流動處(chù)于滿(mǎn)管向(xiàng)非滿管道的轉換狀态中(zhōng)。使管(guǎn)中流體流(liú)動有(yǒu)兩種流(liú)動狀态。對流體未充滿(mǎn)管道(dào)式 1，如圖 3-1 所示，此時如果仍(réng)按傳統流量計(jì)的測量原(yuán)理，則(zé)：
實際(jì)值(zhí)=測量值(zhí)-上部(bù)空(kōng)氣部分(fèn)

　　由權(quán)重(zhòng)函數的理(lǐ)論可知，感應(yīng)信号(hào)電壓是兩(liǎng)電極橫(héng)斷(duàn)面内(nèi)所有(yǒu)質點電位(wèi)的集合，不論流(liú)體在(zài)管道中橫(héng)截面如何變(biàn)化，流動(dòng)流體(tǐ)的質(zhì)點都會有感應電勢(shì)，但是(shì)這些(xiē)電勢(shì)一定要處(chù)于電(diàn)極的(de)集合(hé)範圍内(nèi)，如(rú)果電(diàn)極暴露(lù)在空氣(qì)中，電(diàn)極得(dé)不到(dào)信(xìn)号(hào)[19]，流體未充(chōng)滿管道式 2 就是(shì)這種情況。當流(liú)體未充滿(mǎn)管道時，管(guǎn)中(zhōng)流體的(de)實際流(liú)量值q實(shí)=a實?`v，而管(guǎn)中流體(tǐ)的截面積(jī)爲:

　　式中 h 爲(wèi)液面高度(dù)， d 爲測量(liàng)管(guǎn)内徑(jìng)。而(ér)不再(zài)是由此(cǐ)可知，非滿管電(diàn)磁流量計(jì)的流(liú)量測量必須同(tóng)時測(cè)量平(píng)均流(liú)速和液位(wèi)高度(dù)這兩個物理量(liàng)。
1.2 非滿管電(diàn)磁流量傳(chuán)感(gǎn)器流速(sù)測量(liàng)機構(gòu)
　　根據(jù)電磁(cí)流量(liàng)計的(de)基本(běn)原(yuán)理(lǐ)，當(dāng)流體充(chōng)滿管道時(shí)，管中流體(tǐ)的平(píng)均流(liú)速和兩電(diàn)極之間的感應電勢(shì)之間的關(guān)系如(rú)式(shì)（2-1）所(suǒ)示。當(dāng)管中流(liú)體未充(chōng)滿時，如前面所(suǒ)述(shù)，測得的信号(hào)不準确或(huò)者根本得不到感應(yīng)電勢信(xìn)号。在傳統電(diàn)磁流量計(jì)的基礎(chǔ)上，将流速檢測電極在高度(dù)方向(xiàng)上設計在距(jù)測(cè)量管(guǎn)底端 10%d處，其中 d 爲測量(liàng)管直(zhí)徑。這(zhè)樣能保證(zhèng)管中(zhōng)流體(tǐ)液位(wèi)高于(yú) 10%d 時，根據傳(chuán)統電(diàn)磁流(liú)量(liàng)計基本(běn)原理，傳感器能(néng)準确(què)測得流體的平均流(liú)速。其(qí)結構(gòu)如圖 3-3 所示(shì)。

此(cǐ)時(shí)，兩極間(jiān)的感應(yīng)電動勢(shì) e 與兩電(diàn)極間(jiān)的(de)距離 d 之(zhī)間的關系(xì)爲：

e =k bd`v 　　　　　　（3-2）
1.3 非滿管(guǎn)電磁流量(liàng)傳感器(qì)液(yè)位測(cè)量機(jī)構
　　基于電(diàn)容式傳感器的(de)基本(běn)原理，就是(shì)将液位的變化轉換(huàn)成電(diàn)容值的變(biàn)化。在測量(liàng)的過(guò)程(chéng)中測量(liàng)電壓、頻率(lǜ)、脈寬(kuān)等容易(yì)測量的(de)物理量，從(cóng)而實現電(diàn)容值的測量。結合(hé)電(diàn)容式傳感(gǎn)器和電磁(cí)流量計的基本(běn)原理(lǐ)，流體在管中流動的過程(chéng)中，利用(yòng)流量計(jì)襯裏和管内流(liú)體作(zuò)爲(wèi)介(jiè)質，同(tóng)時在流量計襯裏與(yǔ)管(guǎn)壁之間采用(yòng)兩片(piàn)圓弧(hú)形電(diàn)極片，電極(jí)片與(yǔ)襯(chèn)裏(lǐ)和管中流(liú)體形(xíng)成一(yī)電容器，根據電容式傳(chuán)感器的(de)基本原理，液體(tǐ)作爲(wèi)一種介質(zhì)，是電(diàn)容器(qì)的一(yī)個組成部分，液(yè)體液位的(de)高低，直接影響電容(róng)器的電(diàn)容值，即(jí)電容器的電容(róng)量是液位(wèi)高度(dù)的單(dān)值函數。其(qí)相應結構如圖 3-4 所示。
　　爲了降低(dī)信号之間的幹擾和便于控制(zhì)，非滿(mǎn)管電磁流(liú)量計(jì)采用流速(sù)機構和液位機(jī)構分體，但是同(tóng)時同步測(cè)量，再(zài)将兩(liǎng)信号進行(háng)整(zhěng)合，得出流量(liàng)信号。

2 非滿管電磁流(liú)量計(jì)原理
2.1 非滿(mǎn)管電磁(cí)流量計(jì)測量原理(lǐ)
　　流體(tǐ)在管(guǎn)道(dào)内沿與(yǔ)磁感應(yīng)線垂直的方(fāng)向流動時(shí)，根據(jù)法拉第電(diàn)磁感應定(dìng)律，會産生感應電動(dòng)勢，通(tōng)過感(gǎn)應電(diàn)動勢(shì)值即可得(dé)到流體的(de)平均流速。在兩(liǎng)電極(jí)片間有(yǒu)激勵電壓的作用(yòng)下，兩(liǎng)電極片、襯(chèn)裏和(hé)流體一起構成(chéng)電容(róng)器，根(gēn)據電容式傳感(gǎn)器基(jī)本原(yuán)理，此(cǐ)傳感器(qì)的(de)等效電路(lù)如圖(tú) 3-5 所示(shì)，電(diàn)極(jí)片、襯裏(lǐ)和(hé)流體(tǐ)一起構(gòu)成了一(yī)變介(jiè)電常數型(xíng)電容器，兩(liǎng)極片(piàn)間電容爲(wèi)上下(xià)兩部(bù)分電(diàn)容并聯而(ér)成，其中 c1和(hé) c3、c2和 c4之間爲串聯，其總(zǒng)電(diàn)容的計(jì)算如式（3-3）。

　　如圖 3-6 所(suǒ)示，管(guǎn)中液(yè)體将測量管(guǎn)分(fèn)爲上下兩部(bù)分(fèn)，其中(zhōng)空氣的介電常(cháng)數爲0ε，流體(tǐ)的介(jiè)電常數(shù)爲1ε，襯裏的介(jiè)電常數爲(wèi)2ε，根據(jù)電容(róng)式傳(chuán)感(gǎn)器(qì)模拟計算(suàn)方法可計算其(qí)電容值[20],1c 和2c 由于(yú)極闆間(jiān)間(jiān)距沒(méi)有改(gǎi)變(biàn)，而且兩(liǎng)極(jí)闆之間(jiān)是單(dān)一介質，其電容值可(kě)近似(sì)作爲(wèi)平行(háng)闆電容器(qì)來計算[21]，如(rú)下所示(shì)：

式中，
a 爲襯裏(lǐ)内半徑， m ；　
h 爲液位(wèi)高度，?? m ；　
b 爲電極内(nèi)徑，?? m ；　
l 爲電極(jí)片軸(zhóu)向長(zhǎng)度， m ；
2.2 非滿管(guǎn)電磁流量(liàng)計工(gōng)作原理
　　非滿管(guǎn)電磁(cí)流(liú)量(liàng)計采用勵(lì)磁激勵和電壓激勵(lì)雙激(jī)勵機制，在勵磁(cí)激勵的(de)作用下(xià)，通過勵磁(cí)電路(lù)産生(shēng)相應的磁(cí)感應(yīng)強(qiáng)度，從而(ér)在電極上(shàng)得到與流速(sù)對(duì)應的電勢信号，經過計算得到流體(tǐ)的平均流速值。在激(jī)勵電極的(de)作用下，向(xiàng)激勵(lì)電極(jí)通入(rù)高頻(pín)電壓，使兩(liǎng)圓弧(hú)形電極片與其(qí)之間的介(jiè)質形(xíng)成電(diàn)容式傳感(gǎn)器，通過電容量(liàng)的測量(liàng)，經過控(kòng)制系統(tǒng)處理後(hòu)得到(dào)與電(diàn)容對(duì)應的液(yè)位(wèi)高度(dù)信号。兩個過程互不幹(gàn)涉(shè)，然後(hòu)經過控制系統(tǒng)分析處理後得(dé)到管(guǎn)中流(liú)體流(liú)量值。整個(gè)系統(tǒng)框圖如(rú)圖(tú) 3-7 所示(shì)。

3 信号轉換電路的構成
　　傳統的(de)電磁流量(liàng)計的信号轉換電路包含勵(lì)磁(cí)電路(lù)和信(xìn)号處理電(diàn)路兩部分(fèn)組成。非滿管電磁流(liú)量計(jì)除(chú)了這兩部分以(yǐ)外還有(yǒu)激勵電(diàn)壓電路(lù)。
3.1 勵磁(cí)電路參數(shù)确定
　　勵磁系統(tǒng)是電磁流量計(jì)的一個關鍵部分，其好壞直接(jiē)影(yǐng)響到測量結果的精确程(chéng)度高低。勵磁系統的參(cān)數主要是(shì)勵磁(cí)方式和勵(lì)磁(cí)頻率。常用的(de)勵磁方式(shì)有(yǒu)以下幾種[8]。
1.直流勵(lì)磁
　　直流(liú)勵磁方(fāng)式是用直(zhí)流電或永久磁(cí)鐵産(chǎn)生一個恒(héng)定的均勻(yún)磁場(chǎng)。直流(liú)勵磁(cí)可以忽略(luè)流體中的自感(gǎn)現(xiàn)象(xiàng)，同時受交(jiāo)流影(yǐng)響(xiǎng)很小，但(dàn)是由于管中流(liú)體電解質的電離，直(zhí)流(liú)勵磁易(yì)産生極(jí)化(huà)現象。極化電壓和流(liú)量信号混(hùn)雜在(zài)一起，不容易區(qū)分。所(suǒ)以(yǐ)，一般在測量(liàng)非(fēi)電解質(zhì)流體的情(qíng)況下(xià)才采(cǎi)用這(zhè)種方式。

2. 交流勵磁
　　交流勵(lì)磁(cí)方式是(shì)上(shàng)世紀 50 年代工(gōng)業電(diàn)磁(cí)流量計(jì)主要采用(yòng)的勵(lì)磁方式，它的磁(cí)場是由正弦交(jiāo)變電(diàn)流産生一(yī)個交變磁場(chǎng)：

　　交變磁(cí)場能消除極化幹擾,同時(shí)産生(shēng)的交(jiāo)變信(xìn)号，經過放大和(hé)轉換要比直(zhí)流(liú)信号容(róng)易。但是交變磁場易産(chǎn)生正交（微(wēi)分）幹擾：

和(hé)同(tóng)相(xiàng)幹擾(rǎo)：

　　這些(xiē)幹擾降(jiàng)低電磁流(liú)量(liàng)計的(de)信噪比(bǐ)，這(zhè)些幹(gàn)擾信号與流量信(xìn)号e=emsinωt 混雜(zá)在一(yī)起，難(nán)以區分(fèn)。

3.低(dī)頻矩形波勵磁
　　上世紀70-80 年代出(chū)現了(le)低頻(pín)矩形波(bō)勵(lì)磁(cí)，這種勵(lì)磁方式(shì)兼(jiān)有直(zhí)流勵磁和交流(liú)勵磁的(de)優點，同(tóng)時很好的(de)避免(miǎn)了(le)它(tā)們的缺點(diǎn)。如圖 3-10 所示。在(zài)半(bàn)個周期内(nèi)，磁場是直流(liú)磁場，低(dī)頻矩形波勵磁(cí)有直(zhí)流勵(lì)磁的(de)特點，但從整個過程(chéng)來(lái)看磁場(chǎng)又是處(chù)于(yú)周期(qī)性變化的過程(chéng)中，低(dī)頻矩形波(bō)又是一個(gè)交變信号(hào)，便于放大和處理。所以低(dī)頻方波(bō)勵磁現(xiàn)階段應用非常(cháng)廣泛的勵磁方式。

綜合上(shàng)面所(suǒ)述，非(fēi)滿(mǎn)管電磁流量計選(xuǎn)擇低頻矩形波(bō)作爲(wèi)勵磁方式。
　　電磁(cí)流量計采(cǎi)用較(jiào)高的(de)勵(lì)磁頻率可以(yǐ)有效降低(dī)信(xìn)号源内阻，當(dāng)頻率提高到100hz 時，信号源(yuán)内(nèi)阻約爲幾百(bǎi)兆(zhào)。繼續(xù)提高(gāo)勵磁頻率(lǜ)，可以進(jìn)一(yī)步降(jiàng)低信号源内阻和流(liú)動噪聲。但(dàn)是随着(zhe)勵磁頻(pín)率的(de)提高(gāo)，由式（3-7）和(hé)式(shì)（3-8）可知，正交(jiāo)幹擾和同相幹擾會變得更嚴(yán)重，電極(jí)上的渦(wō)電流也随之增(zēng)大。根(gēn)據(jù)日(rì)本專家 nakatani 的研(yán)究成果，流動噪聲和微分幹(gàn)擾強(qiáng)度随(suí)勵磁頻率變化(huà)規(guī)律(lǜ)如圖(tú)3-11所示(shì)，從中(zhōng)可以看出，使流動噪聲和(hé)正交幹(gàn)擾(rǎo)到達最小(xiǎo)的最佳勵(lì)磁(cí)頻率(lǜ)應該在(zài) 100-400hz 範圍内 [22]。

3.2 信号處(chù)理電路(lù)
　　信(xìn)号處理電(diàn)路(lù)的主要作用(yòng)是将(jiāng)傳感(gǎn)器(qì)得(dé)到是(shì)帶有(yǒu)很多(duō)幹擾(rǎo)而(ér)且信号(hào)非常微弱的電壓(yā)信号轉(zhuǎn)換成(chéng)ad 采樣器可(kě)以接受的(de)直流(liú)信号(hào)，從(cóng)傳(chuán)感(gǎn)器(qì)得到的信号如(rú)下式所(suǒ)示[23]：

　　ec 是共模幹擾電壓、ed 是串模幹擾電壓(yā)、ez 是直流極化電(diàn)壓。其(qí)中正(zhèng)交幹(gàn)擾和(hé)同相幹擾是由于磁場的突變引起(qǐ)的主(zhǔ)要幹擾源，共(gòng)模(mó)和串模幹(gàn)擾是(shì)由于電(diàn)磁幹擾(rǎo)和靜電幹(gàn)擾産(chǎn)生(shēng)的(de)次要幹擾(rǎo)源，可(kě)以通過(guò)靜電屏蔽和(hé)接地(dì)加以抑(yì)止(zhǐ)，極化電壓(yā)是直(zhí)流極(jí)化現象産(chǎn)生的(de)，可通過(guò)提高勵(lì)磁頻率(lǜ)消(xiāo)除[24]。電(diàn)磁流量計采用低頻(pín)矩(jǔ)形(xíng)波勵(lì)磁能(néng)很好消除(chú)直流極化現象(xiàng)，在低頻(pín)矩形波的上升(shēng)沿和下降沿，當勵磁電(diàn)流進入穩态的(de)時候(hòu)再進行信(xìn)号采樣，能(néng)消除部分(fèn)正交幹擾(rǎo)電壓(yā)? [25] ，但是信号(hào)處理的時間較(jiào)長。
　　由于傳感器得到的信号非(fēi)常微(wēi)弱并且帶(dài)有很多幹擾，所(suǒ)以信号處(chù)理電(diàn)路必(bì)須有放大(dà)以及抑(yì)制噪聲(shēng)和幹擾的功能(néng)，圖 3-15 表示信(xìn)号處理(lǐ)電路的組成(chéng)部分。

電磁(cí)流量(liàng)傳感(gǎn)器的(de)内阻(zǔ)很大(dà)，傳感器和(hé)轉換器(qì)的等效電(diàn)路(lù)如圖 3-13 所示，

　　圖中 e 是傳(chuán)感器(qì)産生的流(liú)量電(diàn)勢信(xìn)号，r 是傳感(gǎn)器内(nèi)阻，rl是轉換(huàn)器的(de)輸入阻抗(kàng)，ex是轉換(huàn)器得(dé)到(dào)的流量電勢信(xìn)号，根據歐姆定律可知：

　　從上式(shì)可以得(dé)知(zhī)rl》r ，所以要使信号足夠精确，轉換(huàn)器必(bì)須有很(hěn)高的輸(shū)入阻抗[2]。
　　從(cóng)傳感器出來是(shì)非常(cháng)微弱且(qiě)帶有幹擾的信号(hào)，信号(hào)預處理(lǐ)是首先(xiān)去除(chú)信(xìn)号中的高頻信号，然後(hòu)再用(yòng)放大器将(jiāng)信号放(fàng)大，同時放大器能很好地抑制(zhì)共(gòng)模幹(gàn)擾，經過前面的(de)處理之後，信号中還(hái)會(huì)有(yǒu)部分(fèn)幹擾噪(zào)聲，無法(fǎ)直接(jiē)檢(jiǎn)測得到，濾(lǜ)波器的主要(yào)作用(yòng)是去(qù)除剩(shèng)餘部分的幹擾(rǎo)和噪聲，得到模(mó)數轉(zhuǎn)換能直接(jiē)識别的信号，然(rán)後傳輸給(gěi)單片(piàn)機控制。
3.3 激勵電壓電路
　　非滿管(guǎn)電磁流量計以(yǐ)電容(róng)式傳(chuán)感器(qì)爲基本原理(lǐ)，向(xiàng)激勵電極(jí)通入(rù)高頻(pín)電壓(yā)以形(xíng)成電容式傳感(gǎn)器，激勵電壓電(diàn)路框圖如(rú)圖 3-14 所示。

　　由(yóu)于激勵電(diàn)極安(ān)裝(zhuāng)在測量(liàng)管和(hé)襯裏之間(jiān)，激(jī)勵電壓(yā)電路(lù)在工作的過程中需要一(yī)定大(dà)小的高(gāo)頻電壓(yā)用以擊穿襯裏材料，所以采用(yòng)變壓(yā)器以得到不同大(dà)小的擊(jī)穿電壓值，工控(kòng)闆用來(lái)控制整(zhěng)個激勵電(diàn)路。
4小(xiǎo)結
　　　非(fēi)滿(mǎn)管電磁(cí)流量(liàng)計重點介紹了(le)一(yī)種新的(de)非滿(mǎn)管電磁流(liú)量計的結構，該(gāi)結構是以電容(róng)式傳感器爲基本原(yuán)理(lǐ)，利用電容和(hé)液位的高(gāo)度關系(xì)來進行(háng)測量(liàng)。同(tóng)時分析(xī)了非滿管電磁(cí)流量計(jì)基本的(de)工作(zuò)原理(lǐ)、簡要(yào)介紹了流量信(xìn)号的處理(lǐ)方法(fǎ)，爲後面實(shí)驗方案及裝(zhuāng)置的設(shè)計打下了基礎(chǔ)。

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