电磁流量计的基本原理及相关知识

  2．1电磁流量计的基本原理及相关知识

   电磁流量计是依据法拉第电磁感应定律的工作原理来测量导电液体体积流量的仪表。随着材料科学、电子学及微型计算机的飞速发展和广泛应用，电磁流量计性能不断完善，己经成为解决流量测量困难的重要工具，具有可靠性高、耐腐蚀性强、容易变更测量范围等特点，无论国内外都是重点发展的产品。本节将对电磁流量计的基本原理进行介绍。

   2．1．1法拉第电磁感应定律

   众所周知，法拉第通过实验发现了电磁感应现象。实验表明，当导体在磁场中作切割磁力线运动时，根据感应定理在导体两端就会产生感应电动势。感应电动的大小正比于与回路相交的磁通随时间的变化率，即此感应电动势U与通过回路面积的磁感应通量①B的变化率成正比： u：K盟(2．1) 执式中l卜感应电动势，单位为V； K——比例系数，由实验确定； ①B——磁感应通量，单位为Wb； t-时间，单位为s。根据实验结果，去K值为1。考虑到U的方向，则上式可以写为： u：．盟‘ (2．2) 夙这就是法拉第电磁感应定律。如果只考虑U的大小，就可以略去上式中负号，即： U：垒：B．L．V (2．3) 夙式中，B为磁感应强度(Gs)，L为在磁场中垂直切割磁力线方向的运动导体长度㈤，V为导体在磁场中作垂直于磁场方向运动的速度(m／s)。感应电动势的方向就是流速和磁场感应强度矢量积的方向，即AU=V×B，其方向由楞次定律来确定。由(2．3)式可知，当磁感应强度B恒定不变以及导体的长度为定长L时，感应电动势的大小仅与导体运动速度成正比。

   2．1．2电磁流量计的测量原理及其基本结构

   电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律来测量导电液体体积流量的仪表。整套仪表由电磁流量变送器和转换器两部分组成。

   1．变送器

   变送器安装在工艺管道中，它的作用是将流经管道内液体流量值线性地变换成感应电势信号，并经过传输线将此信号送到转换器中去。电磁流量计的测量原理图如图2．1所示。BD 。／，＼～ 图2．1电磁流量计测量原理图

   其中切割磁力线的导体不是一般的金属导体，而是把流动的液体看成导线， 即液体必须具备一定的电导率，管道置于磁场内，在与磁场方向、管道中心轴、管道的直径三者相互垂直的管道位置，装两个与液体相接触的电极，液体相对于电极流动，这样就可以看成导体在磁场内做切割磁力线运动。切割磁力线的长度是两电极之间的距离，近似等于液体柱的直径，即测量管内径D(如图2．1 所示)。又根据2．3式可知，对于旋转对称的流速分布和恒定均匀的磁场强度B 产生的感应电动势的大小近似等于： U：B．D．V (2．4) 式(2．4)与式(2．3)不同的是用电极两端的距离来代替L，而电极间的距离近似等于测量管内径D，故可用D代替L。此外，可用被测液体的平均流速V(m／s) 代替了导体的运动速率V。当磁感应强度B和两电极间的距离固定不变时，电极两端产生的感应电动势就只与被测液体的平均流速成正比。而在测量管内，管道截面和平均流速V的乘积就为体积流量Q。o：生．可(2．5) 。4 根据感应电动势和平均流速之间的关系式(2．4)，就可以获得体积流量Q 和感应电动势U之间的关系为Q：兰．D．U (2．6) 即U：=—4B—．Q 棚(2．7) 由(2．7)式可以看出，当磁感应强度B和测量管内径D一定时，感应电动势U与瞬时体积流量Q是线性关系，而与其它物理参数无关，这也是电磁流量计的最大优点之一。在此需要说明上列计算方程式的成立还应符合以下的假设条件。

    首先，假设磁场是恒定不变，而且是均匀分布的。这就可以忽略导电液体在磁场中运动产生另外两种效应的影响，即液体中感生电流对磁场分布的影响以及这一感生电流与电磁力相互作用对液体运动的影响。这两种效应在测量液体金属时则不能忽略。电磁流量计

   其次，假设被测液体的流速为轴对称分布，而且液体中的感生电流与电场对称，且平行于液体的轴向；另外，假设液体的导电率是均匀的，且不受电场或液体运动的影响，从而可以排除“霍尔效应’’带来的影响。并且在此对于被测液体的导电率变化和由液体温度的非均匀性所导致的热点效应及离子迁移等影响假定不存在。

   此外，还要假设被测液体是非磁性的，并且它的磁导率与真空磁导率一致， 这样可忽略液体磁性与工作磁场相互作用和影响。总之，只有在上述假设条件下测定流量时，可以认为感应电动势U与瞬时体积流量Q成正比，且完全是线性关系。

   2．转换器

    转换器的作用是将变送器送来的流量信号进行比较、放大、并转换成标准的输出信号，以实现对被测液体流量的指示、记录、换算和调节。电磁流量计转换器的基本原理是：把流量信号先经过前置放大电路进行高阻抗转换，抑制各种共模干扰、隔离流体直流极化噪声，把微弱的流量信号放大，将差动的双端流量信号变换为单端的流量信号等模拟电路处理后，再进入信号的数字转换处理过程，即用A／D转换电路把模拟的直流信号变换为数字量，然后再进入CPU 做数字运算，就可以测得一定公称通径传感器内的流速值，并可得到流量值。转换器的原理框图如图2．2所示。—等弩厂、I空管检测l吲空管时序{： j L／) 童≮萋／＼ “A，圳D7转阢换卜b 爿键盘l ／ 算单由溏∽ 7l 7≮电移秣＼ LCD 卜＼ ／ 励磁电路／1 ～ 》ROM 脉冲输出／1 CPU ＼J 》EEROM 电流输出k 状态输出k 通信接口离图2．2转换器原理框图

   利用单片机的运算和储存功能，除了直接得到瞬时流量、累积量等读数显示外，还可以依据不同的数字模型进行运算，实现数字滤波和尖状干扰处理， 使得测量输出更加稳定可靠、测量精度更高。通过计算也可以得到不同量程下的百分比流量值，并进行测量的上、下限比较，输出上下限报警信号。可以与预定的总量值比较，实现定值发讯等功能。

   3．测量管道

   磁场必须透过管壁穿向流体。所以智能电磁流量计的测量管道仅允许采用非导磁材料来制作。被测流体感应出的电压不允许与电导的管壁形成短路，这就需要测量管道采用绝缘材料制作，如陶瓷或者塑料等。或者在非导磁的金属管道的内壁上铺上绝缘内衬层。管道内壁与流体接触，内衬材料就必须具有足够的抗腐蚀能力。

   4．测量电极

   测量电极直接与被测流体接触，所以和测量管道一样，采用的材料也必须具备了足够的抗腐蚀能力，并保证在与被测流体接触时候拥有良好的导电能力。最常见的电极材料是不锈钢、铬镍合金，其次是铂、钽、锆、钛等金属。在陶瓷测量管道的电磁流量计中采用陶瓷金属混合材料制作电极。而且，此电极新型的结构使得电极更换更加容易。电极材料选择的正确性能够决定电磁流量计的测量性能。当然在这里不仅仅是考虑化学反应和良好的导电性，很多其他的因素也涉及到。极低电导率的被测流体或在管壁上导电能力差的沉积绝缘物，影响了测量的正常进行。这时候应采用由电容获取感应电压信号的电磁流量计。这种电极是在内衬的或者是非导电管壁的大面积电容极板。与被测流体接触的电极不同的是，大面积电容电极的优点有： (1)被测流体的最小电导率为O．05厣／cm； (2)测量管道内壁上的绝缘沉淀物不会使得测量无法进行； (3)不需要选择与被测流体特定的电极材料来搭配； (4)在测量不均匀的流体时候能够平稳的显示流量的测量值。

   5．励磁线圈

  管道上的电磁线圈安装必须与电极轴相垂直，该线圈由变送器内的电源提供供电电流，并产生方波磁场。测量管道中的磁场强度的空间分布受到电磁流量计显示器的线性度和流速分布的影响。该励磁线圈缠绕在管道上并且由电磁流量计的外壳保护着。