電磁流量計的基本原理及相關知識

電磁流量計的基本原理及相關知識
  2．1電磁流量計的基本原理及相關知識眨5’6’叼
   電磁流量計是依據法拉第電磁感應定律的工作原理來測量導電液體體積流量的儀表。隨著材料科學、電子學及微型計算機的飛速發展和廣泛應用，電磁流量計性能不斷完善，己經成為解決流量測量困難的重要工具，具有可靠性高、耐腐蝕性強、容易變更測量范圍等特點，無論國內外都是重點發展的產品。本節將對電磁流量計的基本原理進行介紹。
   2．1．1法拉第電磁感應定律
   ，法拉第通過實驗發現了電磁感應現象。實驗表明，當導體在磁場中作切割磁力線運動時，根據感應定理在導體兩端就會產生感應電動勢。感應電動的大小正比于與回路相交的磁通隨時間的變化率，即此感應電動勢U與通過回路面積的磁感應通量①B的變化率成正比： u：K盟(2．1) 執式中l卜感應電動勢，單位為V； K——比例系數，由實驗確定； ①B——磁感應通量，單位為Wb； t-時間，單位為s。根據實驗結果，去K值為1。考慮到U的方向，則上式可以寫為： u：．盟‘ (2．2) 夙這就是法拉第電磁感應定律。如果只考慮U的大小，就可以略去上式中負號，即： U：壘：B．L．V (2．3) 夙式中，B為磁感應強度(Gs)，L為在磁場中垂直切割磁力線方向的運動導體長度㈤，V為導體在磁場中作垂直于磁場方向運動的速度(m／s)。感應電動勢的方向就是流速和磁場感應強度矢量積的方向，即AU=V×B，其方向由楞次定律來確定。由(2．3)式可知，當磁感應強度B恒定不變以及導體的長度為定長L時，感應電動勢的大小僅與導體運動速度成正比。
   2．1．2電磁流量計的測量原理及其基本結構
   電磁流量計是利用法拉第電磁感應定律來測量導電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。
   1．變送器
   變送器安裝在工藝管道中，它的作用是將流經管道內液體流量值線性地變換成感應電勢信號，并經過傳輸線將此信號送到轉換器中去。電磁流量計的測量原理圖如圖2．1所示。BD 。／，＼～ 圖2．1電磁流量計測量原理圖
   其中切割磁力線的導體不是一般的金屬導體，而是把流動的液體看成導線， 即液體必須具備一定的電導率，管道置于磁場內，在與磁場方向、管道中心軸、管道的直徑三者相互垂直的管道位置，裝兩個與液體相接觸的電極，液體相對于電極流動，這樣就可以看成導體在磁場內做切割磁力線運動。切割磁力線的長度是兩電極之間的距離，近似等于液體柱的直徑，即測量管內徑D(如圖2．1 所示)。又根據2．3式可知，對于旋轉對稱的流速分布和恒定均勻的磁場強度B 產生的感應電動勢的大小近似等于： U：B．D．V (2．4) 式(2．4)與式(2．3)不同的是用電極兩端的距離來代替L，而電極間的距離近似等于測量管內徑D，故可用D代替L。此外，可用被測液體的平均流速V(m／s) 代替了導體的運動速率V。當磁感應強度B和兩電極間的距離固定不變時，電極兩端產生的感應電動勢就只與被測液體的平均流速成正比。而在測量管內，管道截面和平均流速V的乘積就為體積流量Q。o：生．可(2．5) 。4 根據感應電動勢和平均流速之間的關系式(2．4)，就可以獲得體積流量Q 和感應電動勢U之間的關系為Q：蘭．D．U (2．6) 即U：=—4B—．Q 棚(2．7) 由(2．7)式可以看出，當磁感應強度B和測量管內徑D一定時，感應電動勢U與瞬時體積流量Q是線性關系，而與其它物理參數無關，這也是電磁流量計的之一。在此需要說明上列計算方程式的成立還應符合以下的假設條件。
    首先，假設磁場是恒定不變，而且是均勻分布的。這就可以忽略導電液體在磁場中運動產生另外兩種效應的影響，即液體中感生電流對磁場分布的影響以及這一感生電流與電磁力相互作用對液體運動的影響。這兩種效應在測量液體金屬時則不能忽略。
   其次，假設被測液體的流速為軸對稱分布，而且液體中的感生電流與電場對稱，且平行于液體的軸向；另外，假設液體的導電率是均勻的，且不受電場或液體運動的影響，從而可以排除“霍爾效應’’帶來的影響。并且在此對于被測液體的導電率變化和由液體溫度的非均勻性所導致的熱點效應及離子遷移等影響假定不存在。
   此外，還要假設被測液體是非磁性的，并且它的磁導率與真空磁導率一致， 這樣可忽略液體磁性與工作磁場相互作用和影響。總之，只有在上述假設條件下測定流量時，可以認為感應電動勢U與瞬時體積流量Q成正比，且*是線性關系。
   2．轉換器
    轉換器的作用是將變送器送來的流量信號進行比較、放大、并轉換成標準的輸出信號，以實現對被測液體流量的指示、記錄、換算和調節。電磁流量計轉換器的基本原理是：把流量信號先經過前置放大電路進行高阻抗轉換，抑制各種共模干擾、隔離流體直流極化噪聲，把微弱的流量信號放大，將差動的雙端流量信號變換為單端的流量信號等模擬電路處理后，再進入信號的數字轉換處理過程，即用A／D轉換電路把模擬的直流信號變換為數字量，然后再進入CPU 做數字運算，就可以測得一定公稱通徑傳感器內的流速值，并可得到流量值。轉換器的原理框圖如圖2．2所示。—等廠、I空管檢測l吲空管時序{： j L／) 童≮萋／＼ “A，圳D7轉阢換卜b 爿鍵盤l ／ 算單由溏∽ 7l 7≮電移秣＼ LCD 卜＼ ／ 勵磁電路／1 ～ 》ROM 脈沖輸出／1 CPU ＼J 》EEROM 電流輸出k 狀態輸出k 通信接口離圖2．2轉換器原理框圖
   利用單片機的運算和儲存功能，除了直接得到瞬時流量、累積量等讀數顯示外，還可以依據不同的數字模型進行運算，實現數字濾波和尖狀干擾處理， 使得測量輸出更加穩定可靠、測量精度更高。通過計算也可以得到不同量程下的百分比流量值，并進行測量的上、下限比較，輸出上下限報警信號。可以與預定的總量值比較，實現定值發訊等功能。
   3．v錐流量計測量管道
   磁場必須透過管壁穿向流體。所以電磁流量計的測量管道僅允許采用非導磁材料來制作。被測流體感應出的電壓不允許與電導的管壁形成短路，這就需要測量管道采用絕緣材料制作，如陶瓷或者塑料等。或者在非導磁的金屬管道的內壁上鋪上絕緣內襯層。管道內壁與流體接觸，內襯材料就必須具有足夠的抗腐蝕能力。
   4．測量電極
   測量電極直接與被測流體接觸，所以和測量管道一樣，采用的材料也必須具備了足夠的抗腐蝕能力，并保證在與被測流體接觸時候擁有良好的導電能力。見的電極材料是不銹鋼、鉻鎳合金，其次是鉑、鉭、鋯、鈦等金屬。在陶瓷測量管道的電磁流量計中采用陶瓷金屬混合材料制作電極。而且，此電極新型的結構使得電極更換更加容易。電極材料選擇的正確性能夠決定電磁流量計的測量性能。當然在這里不僅僅是考慮化學反應和良好的導電性，很多其他的因素也涉及到。極低電導率的被測流體或在管壁上導電能力差的沉積絕緣物，影響了測量的正常進行。這時候應采用由電容獲取感應電壓信號的電磁流量計。這種電極是在內襯的或者是非導電管壁的大面積電容極板。與被測流體接觸的電極不同的是，大面積電容電極的優點有： (1)被測流體的最小電導率為O．05厴／cm； (2)測量管道內壁上的絕緣沉淀物不會使得測量無法進行； (3)不需要選擇與被測流體特定的電極材料來搭配； (4)在測量不均勻的流體時候能夠平穩的顯示流量的測量值。
   5．勵磁線圈
  管道上的電磁線圈安裝必須與電極軸相垂直，該線圈由變送器內的電源提供供電電流，并產生方波磁場。測量管道中的磁場強度的空間分布受到電磁流量計顯示器的線性度和流速分布的影響。該勵磁線圈纏繞在管道上并且由電磁流量計的外殼保護著。