電磁流量計的基本原理

(一)測量原理

根據法拉第電磁感應定律，當一導體在磁場(chǎng)中運動(dòng)切割磁力線(xiàn)時(shí)，在導體的兩端即產(chǎn)生感生電勢e，其方向由右手定則確定，其大小與磁場(chǎng)的磁感應強度B，導體在磁場(chǎng)內的長(cháng)度L及導體的運動(dòng)速度u成正比，如果B， L，u三者互相垂直，則

e＝Blu (3－35)

與此相仿．在磁感應強度為B的均勻磁場(chǎng)中，垂直于磁場(chǎng)方向放一個(gè)內徑為D的不導磁管道，當導電液體在管道中以流速u(mài)流動(dòng)時(shí)，導電流體就切割磁力線(xiàn)．如果在管道截面上垂直于磁場(chǎng)的直徑兩端安裝一對電極(圖3—17)則可以證明，只要管道內流速分布為軸對稱(chēng)分布，兩電極之間也特產(chǎn)生感生電動(dòng)勢：

e＝BD  (3－36)

式中，  為管道截面上的平均流速．由此可得管道的體積流量為：

qv＝   ＝   （3－37）

由上式可見(jiàn)，體積流量qv與感應電動(dòng)勢e和測量管內徑D成線(xiàn)性關(guān)系，與磁場(chǎng)的磁感應強度B成反比，與其它物理參數無(wú)關(guān)．這就是電磁流量計的測量原理．

需要說(shuō)明的是，要使式（3—37）嚴格成立，必須使測量條件滿(mǎn)足下列假定：

①磁場(chǎng)是均勻分布的恒定磁場(chǎng)；

②被測流體的流速軸對稱(chēng)分布；

③被測液體是非磁性的；

④被測液體的電導率均勻且各向同性。

圖3－17 電磁流量計原理簡(jiǎn)圖

1－磁極；2－電極；3－管道

(二)勵磁方式

勵磁方式即產(chǎn)生磁場(chǎng)的方式．由前述可知，為使式(3—37)嚴格成立，*個(gè)必須滿(mǎn)足的條件就是要有一個(gè)均勻恒定的磁場(chǎng)．為此，就需要選擇一種合適的勵磁方式。目前，一般有三種勵碰方式，即直流勵磁、交流勵磁和低頻方波勵磁．現分別予以介紹．

1．直流勵磁

直流勵磁方式用直流電產(chǎn)生磁場(chǎng)或采用*磁鐵，它能產(chǎn)生一個(gè)恒定的均勻磁場(chǎng)．這種直流勵磁變送器的zui大優(yōu)點(diǎn)是受交流電磁場(chǎng)干擾影響很小，因而可以忽略液體中的自感現象的影響．但是，使用直流磁場(chǎng)易使通過(guò)測量管道的電解質(zhì)液體被極化，即電解質(zhì)在電場(chǎng)中被電解，產(chǎn)生正負離子．在電場(chǎng)力的作用下，負離子跑向正極，正離子跑向負極．如圖3—18所示．這樣，將導致正負電極分別被相反極性的離子所包圍，嚴重影響儀表的正常工作．所以，直流勵磁一般只用于測量非電解質(zhì)液體，如液態(tài)金屬等．

圖3－18 直流勵磁方式

2．交流勵磁

目前，工業(yè)上使用的電磁流量計，大都采用工頻(50Hz)電源交流勵磁方式，即它的磁場(chǎng)是由正弦交變電流產(chǎn)生的，所以產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是一個(gè)交變磁場(chǎng)．交變磁場(chǎng)變送器的主要優(yōu)點(diǎn)是消除了電極表面的極化于擾．另外，由于磁場(chǎng)是交變的，所以輸出信號也是交變信號，放大和轉換低電平的交流信號要比直流信號容易得多．

如果交流磁場(chǎng)的磁感應強度為

B＝Bm sin  t （3－38）

則電極上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢為

e＝Bm D  sin  t （3－39）

被測體積流量為

qv= D  （3－40）

式中 Bm――磁場(chǎng)磁感應強度的zui大值；

 ――勵磁電流的角頻率，  ＝2  f；

t――時(shí)間；

f――電源頻率．

由式(3－40)可知，當測量管內徑D不變，磁感應強度Bm為一定值時(shí)，兩電極上輸出的感生電動(dòng)勢e與流量qv成正比．這就是交流磁場(chǎng)電磁流量變送器的基本工作原理．

值得注意的是，用交流磁場(chǎng)會(huì )帶來(lái)一系列的電磁干擾問(wèn)題．例如正交干擾．同相干擾等，這些干擾信號與有用的流量信號混雜在一起．因此，如何正確區分流量信號與干擾信號，并如何有效地抑制和排除各種干擾信號，就成為交流勵磁電磁流量計研制的重要課題。

3．低頻方波勵磁

直流勵磁方式和交流勵滋方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，為了充分發(fā)揮它們的優(yōu)點(diǎn)，盡量避免它們的缺點(diǎn)，70年代以來(lái)，人們開(kāi)始采用低頻方波勵磁方式．它的勵磁電流波形如圖3—19所示，其頻率通常為工頻的1／4－l／10．

圖3－19 方波勵磁電流波形

從圖3－19可見(jiàn)，在半個(gè)周期內，磁場(chǎng)是恒穩的直流磁場(chǎng)，它具有直流勵磁的特點(diǎn)，受電磁干擾影響很?。畯恼麄€(gè)時(shí)間過(guò)程看，方波信號又是一個(gè)交變的信號，所以它能克服直流勵滋易產(chǎn)生的極化現象．因此，低頻方波勵磁是一種比較好的勵磁方式，目前已在電磁流量計上廣泛的應用．概括一下，它具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

①能避免交流磁場(chǎng)的正交電磁干擾；

②消除由分布電容引起的工頻干擾；

③抑制交流磁場(chǎng)在管壁和流體內部引起的電渦流；

④排除直流勵磁的極化現象．