电磁流量计(Eletromagnetic Flowmeters,简称EMF)是20世纪50~新型流量测量仪器在20世纪60年代随着电子技术的发展而迅速发展。根据法拉第电磁感应定律制作的电磁流量计,用于测量导电液体积流量。由于其独特的优点,电磁流量计已广泛应用于工业过程中各种导电液体的流量测量,如酸、碱、盐等腐蚀磁流量计形成了独特的应用领域。 电磁流量计由电磁流量传感器和转换器组成。传感器安装在工业管道上。其功能是将流入管道的液体体积流量值线性转换为感应电势信号,并通过传输线将信号发送到转换器。转换器安装在离传感器不远的地方,放大传感器发送的流量信号,转换为标准电信号输出,以显示、积累和调整控制。
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(一)测量原理 根据法拉第电磁感应定律,当一个导体在磁场中移动并切割磁线时,它会在导体的两端产生感应电势e,其方向由右手确定,其大小和磁场的磁感应强度B,如果磁场中导体的长度L与导体的运动速度u成正比B, L,u三者相互垂直,则 e=Blu (3-35) 与此相仿.在磁感应强度为B的均匀磁场中,垂直于磁场方向放一个内径为D的不导磁管道,当导电液体在管道中以流速u流动时,导电流体就切割磁力线.如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极(图3—17)则可以证明,只要管道内流速分布为轴对称分布,两电极之间也特产生感生电动势: e=BD (3-36) 管道截面上的平均流速为: qv=πDUˉ= (3-37) 从上面可以看出,体积流量qv与感应电势e和测量管内径D成线性关系,与磁场磁感应强度B成反比,与其它物理参数无关。这是电磁流量计的测量原理 需要注意的是,要严格建立使式(3-37),测量条件必须满足以下假设: ①磁场是分布均匀的恒定磁场; ②对称分布被测流体的流速轴; ③被测液体为非磁性; ④被测液体的电导率均匀,各向同性。 图3-17电磁流量计原理简图
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(二)励磁方法
励磁方法是产生磁场的方法。从上面可以看出,为了严格建立使用(3-37),第一个必须满足的条件是有一个均匀和恒定的磁场。因此,有必要选择一种合适的励磁方法。目前,通常有直流励磁、交流励磁和低频方波励磁三种励磁方法。现在分别介绍。
1.直流励磁
直流励磁法通过直流电产生磁场或永久磁铁,可以产生恒定均匀的磁场。这种直流励磁变送器最大的优点是受交流电磁场干扰的影响很小,因此可以忽略液体中自感现象的影响。然而,通过测量管道的电解质液体很容易被极化,即电解质在电场中被电解,产生正负离子。在电场力的作用下,负离子跑向正极,正离子跑向负极。如图3-18所示。这将导致正负电极被相反极性的离子包围,严重影响电磁流量计的正常运行。因此,直流励磁通常只用于测量液体金属等非电解质液体
图3-18直流励磁模式
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2.交流励磁
目前工业上使用的电磁流量计大多采用工频(50Hz)电源交流励磁模式,即其磁场是由正弦交变电流产生的,因此产生的磁场也是交变磁场。交变磁场变送器的主要优点是消除了电极表面的极化和干扰。此外,输出信号也是交变信号,因为磁场是交变的,比直流信号更容易放大和转换低电平的交流信号。
如果交流磁场的磁感应强度为
B=Bm sint (3-38)
电极上产生的感应电势为
e=Bm Dsint (3-39)
被测体积流量为
qv= D (3-40)
式中Bm――磁场磁感应强度的最大值;
――励磁电流的角频率=2f;
t――时间;
f――电源频率.
从公式(3-40)可以看出,当测量管内径D不变时,磁感应强度Bm当输出在两个电极上的感应电动势e和流量为一定值时qv成正比。这是交流磁场电磁流量变送器的基本工作原理。
值得注意的是,使用交流磁场会带来一系列的电磁干扰问题,如正交干扰同相干扰等。这些干扰信号与有用的流量信号混合在一起。因此,如何正确区分流量信号和干扰信号,如何有效抑制和消除各种干扰信号,已成为交流励磁电磁流量计开发的重要课题。
3.低频方波励磁
直流励磁法和交流励磁法各有优缺点。为了充分发挥它们的优势,尽量避免它们的缺点,自20世纪70年代以来,人们开始采用低频方波励磁法。其励磁电流波形如图3-19所示,其频率通常为工作频率的1/4l/10.
图3-19
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从图3-19可以看出,在半个周期内,磁场是一个恒定的直流磁场,具有直流励磁的特点,受电磁干扰的影响很小。从整个时间过程来看,方波信号是一个交替信号,因此可以克服直流励磁容易产生的极化现象。因此,低频方波励磁是一种更好的励磁方法,已广泛应用于电磁流量计。总结一下,电磁流量计具有以下优点:
①电磁流量计可避免交流磁场的正交电磁干扰;
②消除分布电容引起的工频干扰;
③电磁流量计抑制管壁和流体内交流磁场引起的电涡流;
④电磁流量计消除了直流励磁的极化。