電磁流量計的基本原理

(一)測量原理

根據(jù)法拉第電磁感應定律，當一導體在磁場中運動切割磁力線時，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，其大小與磁場的磁感應強度B，導體在磁場內(nèi)的長度L及導體的運動速度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的均勻磁場中，垂直于磁場方向放一個內(nèi)徑為D的不導磁管道，當導電液體在管道中以流速u流動時，導電流體就切割磁力線．如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極(圖3—17)則可以證明，只要管道內(nèi)流速分布為軸對稱分布，兩電極之間也特產(chǎn)生感生電動勢：

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，體積流量qv與感應電動勢e和測量管內(nèi)徑D成線性關(guān)系，與磁場的磁感應強度B成反比，與其它物理參數(shù)無關(guān)．這就是電磁流量計的測量原理．

需要說明的是，要使式（3—37）嚴格成立，必須使測量條件滿足下列假定：

①磁場是均勻分布的恒定磁場；

②被測流體的流速軸對稱分布；

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)生磁場的方式．由前述可知，為使式(3—37)嚴格成立，*個必須滿足的條件就是要有一個均勻恒定的磁場．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(xiàn)分別予以介紹．

1．直流勵磁

直流勵磁方式用直流電產(chǎn)生磁場或采用*磁鐵，它能產(chǎn)生一個恒定的均勻磁場．這種直流勵磁變送器的zui大優(yōu)點是受交流電磁場干擾影響很小，因而可以忽略液體中的自感現(xiàn)象的影響．但是，使用直流磁場易使通過測量管道的電解質(zhì)液體被極化，即電解質(zhì)在電場中被電解，產(chǎn)生正負離子．在電場力的作用下，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，即它的磁場是由正弦交變電流產(chǎn)生的，所以產(chǎn)生的磁場也是一個交變磁場．交變磁場變送器的主要優(yōu)點是消除了電極表面的極化于擾．另外，由于磁場是交變的，所以輸出信號也是交變信號，放大和轉(zhuǎn)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――磁場磁感應強度的zui大值；

 ――勵磁電流的角頻率，  ＝2  f；

t――時間；

f――電源頻率．

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

值得注意的是，用交流磁場會帶來一系列的電磁干擾問題．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(qū)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，為了充分發(fā)揮它們的優(yōu)點，盡量避免它們的缺點，70年代以來，人們開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，在半個周期內(nèi)，磁場是恒穩(wěn)的直流磁場，它具有直流勵磁的特點，受電磁干擾影響很小．從整個時間過程看，方波信號又是一個交變的信號，所以它能克服直流勵滋易產(chǎn)生的極化現(xiàn)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，它具有如下幾個優(yōu)點：

①能避免交流磁場的正交電磁干擾；

②消除由分布電容引起的工頻干擾；

③抑制交流磁場在管壁和流體內(nèi)部引起的電渦流；

④排除直流勵磁的極化現(xiàn)象．