插入管道式電磁流量計

1基本原理：

插入管道式電磁流量計是設計用于測量電解質(zhì)流體的，測量原理是基于法拉第電磁感應定律。根據該定律，任何導體通過(guò)磁場(chǎng)作切割磁力線(xiàn)運動(dòng)時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)感應電壓，該感應電壓由下式給出：

式（1） U=K·B·L·V

上式中：U=感應電壓 K=儀表常數 B=磁場(chǎng)強度

L=導體長(cháng)度 V=導體運動(dòng)速度

因此，當磁場(chǎng)強度B為常數時(shí)，感應電壓U正比于運動(dòng)的速度V如圖（1）

對插入管道式電磁流量計來(lái)說(shuō)，管路中導電的液體就是在磁場(chǎng)中運動(dòng)的導體，兩電極間的距離就是導體的長(cháng)度L。如圖（2）

其感應電壓與平均流速成正比，此時(shí)管道中流體流量就可由下得出：

式（2） Q=πD2U/4KBL （式中D為管道直徑）

在上式的右面，除感應電壓U外都是常量。因此，流量Q與U成正比關(guān)系。而感應電壓U可由與磁場(chǎng)成直角并于流體方向成直角的兩根與介質(zhì)接觸的導電電極所檢測出來(lái)。檢測出來(lái)的信號電壓會(huì )有電化學(xué)干擾電壓疊加其上，在變送轉換時(shí)，應首先將干擾電壓分離掉。磁場(chǎng)是由方波恒流電流經(jīng)勵磁線(xiàn)圈產(chǎn)生的。獲得的脈沖電壓信號是較容易與具有直流性質(zhì)的電化學(xué)干擾電壓相分離。

2平均速度的概念及平均速度點(diǎn)的位置

根據尼庫拉磁（NIKURADS）對管道內流體各點(diǎn)運動(dòng)速度的數學(xué)模型：

其中 VY是距管壁距離為Y的流體的運動(dòng)速度

VC是管道中心點(diǎn)的速度

Y是距管壁的軸向距離

R是管道的內半徑，見(jiàn)圖（3）

n是根據雷諾數（Re）變化的一個(gè)數

n=21.5074-10.401lgRe+2.1572lg2Re-0.1275lg3Re

而管道流體的平均速度Vm與VC的關(guān)系可由式（3）經(jīng)過(guò)對Y的積分運算可得：

式（4）

把式（4）代入式（3）中，得到平均速度Vm處的距管壁的軸向距離Ym與半徑R的比值關(guān)系：

即 式（5）

由上式在各種流速下計算結果可知，當Re>3000時(shí)，即流體成湍流狀態(tài)時(shí)，平均流速點(diǎn)的位置都在距管壁0.12D左右處。D是管道的內徑。

由于在測量過(guò)程中，電磁流量計插入管道中，占據一定的空間，使得流過(guò)電極處的速度有所增加。所以應該用降低插入深度來(lái)補償，經(jīng)過(guò)計算和大量的實(shí)踐，修正插入深度為管道內徑的10%。

3系統的功能

傳感器的磁場(chǎng)是由轉換器提供的近似于矩形波的電流，經(jīng)勵磁線(xiàn)圈而產(chǎn)生的。這勵磁電流在正負值之間交變。在正比于勵磁電流的磁場(chǎng)作用下，流體流過(guò)傳感器探頭時(shí)，在兩檢測電極之間就會(huì )產(chǎn)生相同頻率的正、負交變且正比于流量的信號電壓。

由于流體是導電的，在電極與地之間即會(huì )產(chǎn)生電解元素。它們產(chǎn)生的直流電壓在兩個(gè)檢測電極上是不對稱(chēng)的。即兩檢測電極間有一個(gè)干擾電壓US（與流體流量大小無(wú)關(guān)），為此原因，一個(gè)直流干擾電壓疊加在放大器輸出端的測量信號上。假設在一個(gè)測量周期內，電化學(xué)干擾電壓US是同極性的，如圖（4）

在*相位，線(xiàn)圈電流為正，它產(chǎn)生一個(gè)正的測量信號Um，疊加其上的是電化學(xué)干擾電壓+Us。在第二相位時(shí)，線(xiàn)圈電流為負，產(chǎn)生的測量信號為-Um ，疊加其上的還是電化學(xué)干擾電壓+Us。在HWLDE電磁流量計中，此干擾電壓是通過(guò)轉換器電路的運算，由正、負檢測信號的相互補償所消除。即

式（6） （Um+Us）-(-Um+Us)=2Um

上面的處理既消除了電化學(xué)干擾信號Us，同時(shí)也放大了流量檢測信號的幅值，使本儀表的靈敏度大為提高。

4方框圖及功能

該型儀表的原理方框見(jiàn)圖（5）

圖（5）中，A是傳感器，其中F1 是勵磁線(xiàn)圈，E1和E2是檢測電極，B是標準型轉換器，2-阻抗變換/放大，3-量程調整電位器，4-中間放大器，5-范圍選擇開(kāi)關(guān)（×1，×0.5，×0.25），6-存儲器電路，7-差動(dòng)放大，8-電壓/頻率轉換，9-光電隔離，10-頻率/電流轉換，11-參考電阻，12-矩形波電流發(fā)生器，13-電源，14-開(kāi)關(guān)控制器

傳感器A的勵磁線(xiàn)圈F1，從勵磁電源12得到一個(gè)受精確控制的周期交變的直流電流，此電流周期與開(kāi)關(guān)控制器14的固定周期同步。電極E1、E2的感應電壓通過(guò)屏蔽電纜送到輸入放大器2。再經(jīng)過(guò)由3、4、5組成的量程調整電路，送入存儲器電路6。兩個(gè)存儲器電路由控制器14控制采樣，分別存儲正測量信號和負測量信號。如圖（6），采樣脈沖信號S1、S2由控制器14發(fā)出，控制兩只開(kāi)關(guān)SW1和SW2。當S1處于高電平期間（持續時(shí)間為t,t小于1/6周期）時(shí)，開(kāi)關(guān)SW1導通，信號的正半周期被通過(guò)。當S1處于零電平時(shí)，開(kāi)關(guān)SW1就截止，信號被阻斷。同理，當S2處于高電平期間（持續時(shí)間也為t時(shí)），開(kāi)關(guān)SW2導通。信號的負半周期被通過(guò)，S2處于零電平期間時(shí)，SW2截止，信號被阻斷。開(kāi)關(guān)SW1和SW2是交替輪流地導通和截止的，它的周期和勵磁電流的周期同步。從而實(shí)現了對信號正、負半周期的采樣動(dòng)作。兩個(gè)正、負測量信號再通過(guò)差放電路7，輸出的信號中就不再含有電化學(xué)干擾信號，從而實(shí)現了式（6）的功能。輸出的電壓信號再經(jīng)過(guò)電壓/頻率轉換，光電隔離，頻率/電流轉換輸出標準的4（0）～20mA流量信號。