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電磁流量(liàng)計的工作原理
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電磁(cí)流量計(jì)
（
eletromagnetic flowmeters
，簡稱
emf
）
是20世紀(jì)50~60年(nián)代随着(zhe)電子技術的發(fā)展而迅速發展(zhǎn)起來的新(xīn)型流(liú)量測量儀表。
電(diàn)磁流量計
是根(gēn)據法拉第電磁(cí)感應(yīng)定律制成(chéng)的，
電(diàn)磁流量計(jì)
用來(lái)測量(liàng)導電液體(tǐ)體積流量(liàng)的儀表(biǎo)。由于其(qí)獨特(tè)的優點，
電(diàn)磁流量計
目前(qián)已廣泛(fàn)地(dì)被應用于工業過程中各(gè)種導電液(yè)體的(de)流量測量，如各(gè)種酸、堿、鹽(yán)等腐蝕性(xìng)介(jiè)質；
電磁(cí)流量計
各(gè)種漿(jiāng)液流(liú)量測(cè)量，形成了獨特(tè)的應(yīng)用領(lǐng)域。
在(zài)結構上，
電磁流(liú)量計
由電(diàn)磁流量傳(chuán)感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。傳(chuán)感器(qì)安裝(zhuāng)在工業過(guò)程管(guǎn)道上(shàng)，它的作用(yòng)是将(jiāng)流進(jìn)管道内的(de)液體體積(jī)流量值線(xiàn)性地(dì)變換(huàn)成感生電(diàn)勢信号，并(bìng)通過(guò)傳輸線(xiàn)将此信(xìn)号送(sòng)到轉(zhuǎn)換器。轉換器安裝在(zài)離傳感器(qì)不太(tài)遠的(de)地方，它将(jiāng)傳感器送(sòng)來的(de)流量信(xìn)号進行(háng)放大，并轉(zhuǎn)換成(chéng)流量信(xìn)号成正(zhèng)比的(de)标準(zhǔn)電信(xìn)号輸出，以進行(háng)顯示，累積和調節(jiē)控(kòng)制。
電磁流(liú)量計
的基(jī)本(běn)原理
(一)測量(liàng)原理(lǐ)
根據法拉第電(diàn)磁感應定律，當一導體在磁場(chǎng)中運(yùn)動切(qiē)割磁(cí)力線時，在(zài)導體的兩(liǎng)端即(jí)産生感生(shēng)電勢(shì)e，其方(fāng)向由右手定則(zé)确定，其大小(xiǎo)與(yǔ)磁場(chǎng)的磁感應強度b，導(dǎo)體在磁場内(nèi)的長度l及(jí)導體的運(yùn)動速(sù)度u成(chéng)正比，如果b， l，u三者(zhě)互(hù)相垂直，則
e＝blu (3－35)
與(yǔ)此相仿．在(zài)磁感應強度爲(wèi)b的均勻磁(cí)場中(zhōng)，垂直于磁場方向放一個内徑爲d的不導磁管道，當(dāng)導(dǎo)電液體(tǐ)在(zài)管道中以流(liú)速u流(liú)動時，導(dǎo)電(diàn)流體就切(qiē)割磁力線(xiàn)．如(rú)果在管(guǎn)道截面上垂直于磁場的(de)直徑(jìng)兩端安(ān)裝(zhuāng)一(yī)對(duì)電極(jí)(圖3—17)則可以證明，隻要管道(dào)内流(liú)速(sù)分布爲(wèi)軸對(duì)稱(chēng)分(fèn)布，兩(liǎng)電極(jí)之間也特(tè)産生感(gǎn)生電動勢：
e＝bd (3－36)
式(shì)中(zhōng)，爲管道(dào)截面上的平均(jun1)流(liú)速(sù)．由此(cǐ)可得(dé)管道的(de)體積流量爲：
qv＝πduˉ＝ （3－37）
由上式可(kě)見，體(tǐ)積(jī)流量qv與(yǔ)感應電動(dòng)勢e和測量管内(nèi)徑d成(chéng)線性關(guān)系，與磁(cí)場的(de)磁感(gǎn)應強度b成反(fǎn)比(bǐ)，與其它物理參數無(wú)關．這(zhè)就是
電磁(cí)流量計(jì)
的(de)測(cè)量(liàng)原理(lǐ)．
需要說明(míng)的是，要(yào)使式（3—37）嚴(yán)格成立(lì)，必須使(shǐ)測量條件(jiàn)滿足(zú)下列假定(dìng)：
①磁場(chǎng)是均勻(yún)分布的(de)恒定(dìng)磁(cí)場；
②被測(cè)流體(tǐ)的流(liú)速軸(zhóu)對稱(chēng)分布；
③被測(cè)液體是非磁性的；
④被測液體的(de)電導率均勻且(qiě)各向同性。
圖3－17電(diàn)磁流量計(jì)原理(lǐ)簡圖
1－磁(cí)極(jí)；2－電極；3－管道
(二)勵(lì)磁方(fāng)式
勵磁方式即(jí)産生(shēng)磁場(chǎng)的方式．由前(qián)述可知(zhī)，爲使式(3—37)嚴格(gé)成(chéng)立，第一個必須(xū)滿足的(de)條件就(jiù)是要(yào)有一個均(jun1)勻(yún)恒定的(de)磁場．爲此，就需要選(xuǎn)擇一種合适的(de)勵磁方式。目前(qián)，一般(bān)有三種勵碰方式(shì)，即直流(liú)勵磁、交流(liú)勵磁(cí)和低頻方波勵(lì)磁．現分别(bié)予以(yǐ)介紹．
1．直流勵磁(cí)
直流勵(lì)磁(cí)方式(shì)用直流電産生(shēng)磁場或采(cǎi)用永(yǒng)久磁鐵，它(tā)能産(chǎn)生一個恒定的(de)均勻磁場(chǎng)．這種(zhǒng)直流勵磁變送(sòng)器的(de)最大(dà)優點是受交流電磁(cí)場幹(gàn)擾影響很小，因而可以忽(hū)略液(yè)體中的自(zì)感現(xiàn)象的(de)影響(xiǎng)．但是，使用直流(liú)磁場(chǎng)易(yì)使通過(guò)測量(liàng)管道的電(diàn)解質(zhì)液體被極(jí)化，即電(diàn)解(jiě)質在(zài)電場中被(bèi)電解(jiě)，産生正負(fù)離子(zǐ)．在電場力(lì)的作(zuò)用下，負(fù)離子(zǐ)跑向正極，正離子(zǐ)跑向(xiàng)負極．如圖3—18所示．這樣，将導(dǎo)緻正負電極分(fèn)别被相反(fǎn)極性(xìng)的離子(zǐ)所包圍(wéi)，嚴重影響(xiǎng)
電磁(cí)流量(liàng)計
的正常(cháng)工作．所以，直流(liú)勵磁一般隻用(yòng)于測量非(fēi)電解(jiě)質液(yè)體，如液态金屬等．
圖3－18直流(liú)勵磁(cí)方式
2．交流(liú)勵磁
目前(qián)，工(gōng)業(yè)上使用的
電磁(cí)流量計
，大(dà)都采(cǎi)用工(gōng)頻(50hz)電源交流勵(lì)磁(cí)方式，即(jí)它的(de)磁場是由(yóu)正弦交變電流産生的(de)，所(suǒ)以産(chǎn)生的(de)磁場也是一個交變磁場(chǎng)．交變磁(cí)場變送(sòng)器的主要優點是消除了(le)電極(jí)表面的極(jí)化于(yú)擾．另外，由于磁(cí)場是交變的，所(suǒ)以輸出信号也(yě)是交變(biàn)信(xìn)号，放(fàng)大和轉換(huàn)低電平的交(jiāo)流信号(hào)要比直流信号容易得多(duō)．
如果(guǒ)交流磁(cí)場的磁(cí)感應強(qiáng)度爲
b＝bm sint （3－38）
則電極上産生的(de)感生電動勢(shì)爲(wèi)
e＝bm dsint （3－39）
被測體積(jī)流量(liàng)爲
qv= d （3－40）
式(shì)中bm――磁場磁(cí)感應(yīng)強度的最(zuì)大值(zhí)；
――勵(lì)磁電流(liú)的角頻率，＝2f；
t――時間(jiān)；
f――電源頻率．
由式(shì)(3－40)可知，當測(cè)量管(guǎn)内徑(jìng)d不(bú)變，磁感(gǎn)應強度bm爲(wèi)一定(dìng)值時，兩電極上(shàng)輸出的感(gǎn)生電動勢e與流量qv成(chéng)正比．這就(jiù)是交流(liú)磁(cí)場電磁流(liú)量變送器(qì)的基本工(gōng)作原理．
值(zhí)得注意的(de)是，用交流(liú)磁(cí)場(chǎng)會帶(dài)來(lái)一系列的電磁幹擾問題．例(lì)如正(zhèng)交幹擾．同相幹擾(rǎo)等，這些(xiē)幹擾(rǎo)信号與有(yǒu)用的流量信号(hào)混雜在一起．因(yīn)此，如何正(zhèng)确區(qū)分流量(liàng)信号與(yǔ)幹擾(rǎo)信号，并如(rú)何有效地(dì)抑制和排(pái)除各種幹(gàn)擾信号，就(jiù)成爲(wèi)交流(liú)勵(lì)磁
電磁流量(liàng)計(jì)
研制的(de)重要(yào)課題。
3．低頻(pín)方波(bō)勵磁
直流(liú)勵磁方(fāng)式和交(jiāo)流勵滋方式各有優缺點，爲了(le)充分(fèn)發揮它們(men)的優(yōu)點，盡量避(bì)免它(tā)們的(de)缺點，70年代以來，人們(men)開始采(cǎi)用(yòng)低頻(pín)方波(bō)勵磁方式(shì)．它的勵(lì)磁電流(liú)波形如圖(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(diàn)流波形(xíng)
從圖(tú)3－19可見(jiàn)，在半(bàn)個周期(qī)内(nèi)，磁場是恒穩(wěn)的直流(liú)磁場(chǎng)，它具有直(zhí)流勵磁的特點(diǎn)，受電磁(cí)幹擾影響很小．從(cóng)整個(gè)時間過(guò)程看，方(fāng)波信号又(yòu)是一個交(jiāo)變的(de)信号(hào)，所以它能(néng)克服直流勵滋(zī)易産(chǎn)生的極(jí)化(huà)現象．因此，低頻方波勵磁(cí)是一種比(bǐ)較好的勵磁(cí)方(fāng)式，目前已在
電(diàn)磁流量計
上廣(guǎng)泛的(de)應用．概括(kuò)一(yī)下(xià)，
電磁(cí)流量計
具有如下(xià)幾個優點：
①
電磁流(liú)量計(jì)
能避免交(jiāo)流磁(cí)場的正交電磁幹擾(rǎo)；
②
電磁(cí)流量計
消(xiāo)除由分布(bù)電容引起的工頻(pín)幹(gàn)擾；
③
電(diàn)磁流量計
抑制(zhì)交流磁場在管(guǎn)壁和流體内部(bù)引起(qǐ)的電渦流(liú)；
④
電磁流量計
排(pái)除直(zhí)流勵(lì)磁的極化現象．
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