关于电磁流量计的工作原理

(一)测量原理

   根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体的两端即产生感生电势e，其方向由右手定则确定，其大小与磁场的磁感应强度b，导体在磁场内的长度l及导体的运动速度u成正比，如果b， l，u三者互相垂直，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)
式中， 为管道截面上的平均流速．由此可得管道的体积流量为：
                 qv＝ ＝                        (3－37)
由上式可见，体积流量qv与感应电动势e和测量管内径d成线性关系，与磁场的磁感应强度b成反比，与其它物理参数无关．这就是电磁流量计的测量原理．
    需要说明的是，要使式(3—37)严格成立，必须使测量条件满足下列假定：
    ①磁场是均匀分布的恒定磁场；
    ②被测流体的流速轴对称分布；
③被测液体是非磁性的；
④被测液体的电导率均匀且各向同性。
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图3－17    电磁流量计原理简图
1－磁极；2－电极；3－管道
(二)励磁方式
    励磁方式即产生磁场的方式．由前述可知，为使式(3—37)严格成立，第一个必须满足的条件就是要有一个均匀恒定的磁场．为此，就需要选择一种合适的励磁方式。目前，一般有三种励碰方式，即直流励磁、交流励磁和低频方波励磁．现分别予以介绍．
    1．直流励磁
直流励磁方式用直流电产生磁场或采用永久磁铁，它能产生一个恒定的均匀磁场．这种直流励磁变送器的最大优点是受交流电磁场干扰影响很小，因而可以忽略液体中的自感现象的影响．但是，使用直流磁场易使通过测量管道的电解质液体被极化，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．这样，将导致正负电极分别被相反极性的离子所包围，严重影响仪表的正常工作．所以，直流励磁一般只用于测量非电解质液体，如液态金属等．

图3－18  直流励磁方式
2．交流励磁
    目前，工业上使用的电磁流量计，大都采用工频(50hz)电源交流励磁方式，即它的磁场是由正弦交变电流产生的，所以产生的磁场也是一个交变磁场．交变磁场变送器的主要优点是消除了电极表面的极化于扰．另外，由于磁场是交变的，所以输出信号也是交变信号，放大和转换低电平的交流信号要比直流信号容易得多． 
如果交流磁场的磁感应强度为
              b＝bm sin t                                    (3－38)
则电极上产生的感生电动势为
            e＝bm d sin t                                  (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， ＝2 f；
      t――时间；
      f――电源频率．
    由式(3－40)可知，当测量管内径d不变，磁感应强度bm为一定值时，两电极上输出的感生电动势e与流量qv成正比．这就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，用交流磁场会带来一系列的电磁干扰问题．例如正交干扰．同相干扰等，这些干扰信号与有用的流量信号混杂在一起．因此，如何正确区分流量信号与干扰信号，并如何有效地抑制和排除各种干扰信号，就成为交流励磁电磁流量计研制的重要课题。
    3．低频方波励磁
直流励磁方式和交流励滋方式各有优缺点，为了充分发挥它们的优点，尽量避免它们的缺点，70年代以来，人们开始采用低频方波励磁方式．它的励磁电流波形如图3—19所示，其频率通常为工频的1／4－l／10．

图3－19   方波励磁电流波形
从图3－19可见，在半个周期内，磁场是恒稳的直流磁场，它具有直流励磁的特点，受电磁干扰影响很小．从整个时间过程看，方波信号又是一个交变的信号，所以它能克服直流励滋易产生的极化现象．因此，低频方波励磁是一种比较好的励磁方式，目前已在电磁流量计上广泛的应用．概括一下，它具有如下几个优点：
    ①能避免交流磁场的正交电磁干扰；
②消除由分布电容引起的工频干扰；
③抑制交流磁场在管壁和流体内部引起的电涡流；
④排除直流励磁的极化现象．

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