電磁(cí)流量計 由(yóu)于具有衆(zhong)多的優點(diǎn)廣泛應用(yong)于工業各(ge)種場合🍉，近(jin)年來已經(jīng)逐步向民(min)用領域擴(kuò)展。傳統的(de)電磁流量(liang)計僅能用(yòng)于滿管的(de)流量測量(liang)，對于非滿(man)管流體或(huò)者流體在(zài)滿👄管與非(fēi)🔞滿管之⛷️間(jian)變化的流(liu)動時的流(liú)量測量研(yán)究較少🐅。非(fēi)滿管流體(tǐ)流動時,由(you)于管内的(de)流體截面(miàn)積是變化(huà)的❌,或者流(liu)體流動一(yī)直處于🧑🏾‍🤝‍🧑🏼非(fēi)滿管狀态(tài)，非滿管流(liú)量的測量(liàng)需要測量(liàng)流🥵體平♋均(jun)流速和液(yè)位這兩個(ge)參✂️數。非滿(mǎn)管狀态下(xià),測量管内(nèi)流體流速(su)分布不♍對(duì)稱,導緻權(quan)重函數的(de)分布和液(ye)位有關，同(tóng)時電極上(shàng)的感應信(xìn)号是兩電(dian)極橫斷🌈面(miàn)内所有質(zhi)點電位的(de)集合,即電(diàn)勢一定要(yào)處于電☔極(ji)可測量範(fàn)圍之内,所(suo)以進⛱️行非(fēi)滿管的流(liu)量測量🤞電(diàn)極必須浸(jin)入流體内(nèi),否則電極(jí)得不到感(gǎn)應信号[17-19] 。
1 非(fei)滿管電磁(cí)流量計 的(de)結構設計(ji)
1.1 非滿管電(dian)磁流量計(ji)的測量原(yuan)理
　　管道式(shi)電磁流量(liang)計 在工作(zuò)的過程中(zhōng)，可能會出(chu)現管道中(zhōng)流體未充(chōng)滿或者在(zai)流體流動(dong)過程中，流(liu)體流動處(chu)于滿管向(xiàng)非滿管道(dào)的轉換狀(zhuang)态中。使管(guǎn)中流體流(liú)動有兩種(zhǒng)流動狀态(tài)❤️。對流體未(wei)充滿管道(dào)式 1，如圖 3-1 所(suo)示，此時如(rú)果仍按傳(chuan)統流量計(ji)的測量原(yuán)理，則：
實際(jì)值=測量值(zhi)-上部空氣(qi)部分

　　由權(quán)重函數的(de)理論可知(zhi)，感應信号(hào)電壓是兩(liang)電極橫斷(duan)面内所✨有(you)質點電位(wei)的集合，不(bú)論流體在(zai)管道中橫(heng)截面👄如何(he)變化🐆，流動(dòng)流體的質(zhi)點都會有(you)感應電勢(shì)，但是這些(xiē)電勢一定(dìng)要處🍉于電(dian)極的集合(hé)範圍内，如(rú)果電極暴(bào)露在空氣(qi)中，電極得(dé)不到🆚信号(hao)[19]，流體未充(chong)滿管道式(shi) 2 就是這種(zhǒng)情況。當流(liu)體未充滿(mǎn)管道🔞時，管(guǎn)中流體的(de)實際流量(liàng)值Q實=A實?`V，而(ér)管中流體(tǐ)的截面積(ji)爲:

　　式中 h 爲(wei)液面高度(du)， D 爲測量管(guǎn)内徑。而不(bu)再是由此(cǐ)可知，非滿(man)管電磁流(liu)量計的流(liu)量測量必(bi)須同時測(ce)量平均流(liú)速和液位(wei)高度這兩(liang)個物理量(liang)。
1.2 非滿管電(dian)磁流量傳(chuan)感器流速(sù)測量機構(gòu)
　　根據電磁(cí)流量計的(de)基本原理(li)，當流體充(chōng)滿管道時(shi)👈，管中流體(tǐ)的平均流(liú)速和兩電(diàn)極之間的(de)感應電勢(shi)之間的關(guan)系如式（2-1）所(suǒ)示。當🈲管中(zhong)流體未充(chong)滿時，如前(qian)面所述，測(cè)得的信号(hao)不準确或(huo)者根本得(de)不到感應(ying)電勢信号(hào)。在傳統電(diàn)💰磁流量計(jì)的基礎上(shang)，将流速檢(jian)測電極在(zai)高度方向(xiang)上設計在(zài)距測量管(guan)底端 10%D處，其(qi)✨中 D 爲測量(liang)管🧑🏾‍🤝‍🧑🏼直徑。這(zhe)樣能保證(zhèng)管中流體(tǐ)液位高于(yú) 10%D 時，根據傳(chuán)統電磁流(liú)量計基本(běn)原理，傳感(gǎn)器能準确(que)測得流體(ti)的平均流(liú)🈲速。其結構(gou)如圖 3-3 所示(shi)。

此時，兩極(jí)間的感應(yīng)電動勢 E 與(yu)兩電極間(jian)的距離 d 之(zhi)間的關🍓系(xi)爲：

E =k Bd`V 　　　　　　（3-2）
1.3 非滿管(guǎn)電磁流量(liang)傳感器液(yè)位測量機(jī)構
　　基于電(dian)容式傳感(gǎn)器的基本(ben)原理，就是(shì)将液位的(de)變化轉👨‍❤️‍👨換(huàn)成電容值(zhi)的變化。在(zài)測量的過(guo)程中測量(liàng)電壓、頻🈲率(lǜ)、脈寬等容(rong)易測量的(de)物理量，從(cong)而實現電(diàn)容值的測(ce)量。結合電(dian)容式♉傳感(gǎn)器和電磁(ci)流量計的(de)基本原理(li)，流體在管(guan)中流動的(de)過程中，利(li)用流量計(jì)襯裏和管(guan)内流體作(zuo)爲介質，同(tong)時在流量(liàng)計襯裏與(yǔ)管壁之間(jian)采用兩片(piàn)圓弧形電(dian)極片，電極(ji)片與襯裏(lǐ)和管中流(liu)體形成一(yi)電容器，根(gen)據電容🔅式(shi)傳感器的(de)基本原理(li)，液體作爲(wei)一種介質(zhì)，是電容器(qi)的一個組(zu)成部分，液(yè)體液位的(de)高低，直接(jie)影響電容(rong)器的電容(rong)值，即電容(rong)器的電容(rong)量是液位(wei)高度的單(dān)值函數。其(qí)相🌏應結構(gou)如圖 3-4 所示(shì)。
　　爲了降低(dī)信号之間(jian)的幹擾和(he)便于控制(zhì)，非滿管電(dian)磁流量計(jì)采用流速(sù)機構和液(ye)位機構分(fèn)體，但是同(tóng)時同步測(ce)🐉量，再将兩(liang)🥰信号進行(hang)整合，得出(chū)流量信号(hao)。

2 非滿管電(dian)磁流量計(ji)原理
2.1 非滿(man)管電磁流(liu)量計測量(liang)原理
　　流體(ti)在管道内(nei)沿與磁感(gǎn)應線垂直(zhi)的方向流(liú)動時，根據(jù)法拉第🤞電(dian)磁感應定(dìng)律，會産生(shēng)感應電動(dong)勢，通過感(gan)應電動勢(shì)💃🏻值即可得(de)到流體的(de)平均流速(su)。在兩電極(ji)片間有激(jī)勵電壓✨的(de)作用下，兩(liǎng)電極片、襯(chen)裏和流體(tǐ)一起構成(chéng)電容器，根(gen)據電容式(shì)傳感器基(ji)本原🌍理，此(cǐ)傳感器🔅的(de)等效電路(lu)如圖 3-5 所示(shi)，電極片、襯(chen)裏和流體(ti)一起構成(cheng)🔆了一變介(jiè)電常數型(xíng)電容器，兩(liang)極片🥵間電(diàn)容爲上下(xià)兩部分電(dian)容并聯而(ér)成，其中 C1和(he) C3、C2和 C4之間爲(wei)串聯，其總(zong)電容☎️的計(ji)算如式（3-3）。

　　如(ru)圖 3-6 所示，管(guan)中液體将(jiāng)測量管分(fen)爲上下兩(liǎng)部分，其中(zhong)空氣的介(jiè)📧電常數爲(wei)0ε，流體的介(jie)電常數爲(wèi)1ε，襯裏的介(jie)電🚶常數爲(wèi)2ε，根據電容(róng)式傳感器(qi)模拟計算(suàn)方法可計(jì)算其👨‍❤️‍👨電容(rong)值[20],1C 和2C 由于(yu)🧡極闆間間(jiān)距沒有改(gai)變，而且兩(liang)極闆之間(jiān)是單一介(jie)質，其電容(rong)值可近似(sì)作爲平行(hang)闆電容器(qi)來計算[21]，如(rú)下所示：

式(shì)中，
a 爲襯裏(li)内半徑， m ；　
h 爲(wei)液位高度(dù)，?? m ；　
b 爲電極内(nèi)徑，?? m ；　
l 爲電極(ji)片軸向長(zhǎng)度， m ；
2.2 非滿管(guǎn)電磁流量(liàng)計工作原(yuan)理
　　非滿管(guan)電磁流量(liàng)計采用勵(lì)磁激勵和(hé)電壓激勵(lì)雙激勵⭐機(jī)🥵制，在勵磁(ci)激勵的作(zuò)用下，通過(guò)勵磁電路(lù)産生相應(yīng)的磁感應(ying)強度，從而(er)在電極上(shang)得到與流(liú)速🚶‍♀️對應的(de)電勢信号(hào)，經過計算(suan)得到流體(ti)的平均流(liú)速值。在激(ji)勵電極的(de)作用下，向(xiang)激勵電極(ji)通入高頻(pin)電壓，使兩(liang)圓弧形電(diàn)極片與其(qí)之間的介(jie)質形成電(diàn)容式傳感(gan)器，通過電(diàn)容量的測(ce)量，經過控(kong)制系統處(chu)理後得到(dao)與電容對(dui)應的液位(wèi)高度信号(hao)。兩個過程(cheng)互不幹涉(she)，然後經過(guo)控🔞制系統(tǒng)分析處理(lǐ)👣後得到管(guan)中☁️流體流(liu)量值。整個(ge)系統框圖(tu)如圖 3-7 所示(shi)。

3 信号轉換(huàn)電路的構(gou)成
　　傳統的(de)電磁流量(liàng)計的信号(hào)轉換電路(lu)包含勵磁(cí)電路和信(xin)号處理電(diàn)路兩部分(fen)組成。非滿(man)管電磁流(liú)量計除了(le)這兩部分(fen)以外還有(yǒu)激勵電壓(yā)電路。
3.1 勵磁(cí)電路參數(shù)确定
　　勵磁(cí)系統是電(dian)磁流量計(jì)的一個關(guan)鍵部分，其(qi)好壞直接(jie)影💯響到測(ce)量結果的(de)精确程度(dù)高低。勵磁(cí)系統❌的參(can)數主要是(shì)勵磁方式(shì)和勵磁頻(pin)率。常用的(de)勵磁方式(shi)有以下幾(jǐ)種[8]。
1.直流勵(lì)磁
　　直流勵(lì)磁方式是(shi)用直流電(dian)或永久磁(ci)鐵産生一(yi)個恒定的(de)🤟均勻磁場(chang)。直流勵磁(cí)可以忽略(lue)流體中的(de)自感現象(xiàng)，同時受交(jiāo)流影響很(hen)小，但是由(yóu)于管中流(liu)體電解質(zhì)的電離，直(zhi)流勵磁易(yì)産生極化(huà)現象。極化(huà)電壓和流(liu)量🥰信号混(hun)雜在一起(qǐ)，不容易區(qu)分。所以，一(yī)般在測量(liàng)非電解質(zhì)流體的情(qíng)況下才采(cai)❓用這種方(fang)式。

2. 交流勵(lì)磁
　　交流勵(lì)磁方式是(shi)上世紀 50 年(nián)代工業電(dian)磁流量計(ji)主要采用(yòng)的㊙️勵磁方(fāng)式，它的磁(cí)場是由正(zhèng)弦交變電(diàn)流産生💋一(yī)個交變🌏磁(ci)場：

　　交變磁(cí)場能消除(chú)極化幹擾(rao),同時産生(shēng)的交變信(xìn)号，經🏃🏻過放(fang)大和☀️轉換(huan)要比直流(liú)信号容易(yì)。但是交變(bian)磁場易産(chan)生🧑🏾‍🤝‍🧑🏼正交（微(wēi)分）幹擾㊙️：

和(hé)同相幹擾(rǎo)：

　　這些幹擾(rao)降低電磁(cí)流量計的(de)信噪比，這(zhè)些幹擾信(xìn)号與流量(liàng)信号e=emsinωt 混雜(za)在一起，難(nan)以區分。

3.低(dī)頻矩形波(bo)勵磁
　　上世(shi)紀70-80 年代出(chū)現了低頻(pin)矩形波勵(lì)磁，這種勵(li)磁方🐇式兼(jiān)有直流勵(lì)磁和交流(liú)勵磁的優(yōu)點，同時很(hen)好的避免(miǎn)了它們的(de)缺點。如圖(tú) 3-10 所示。在半(ban)個周期内(nèi)，磁場是直(zhi)流⚽磁場，低(dī)頻矩形波(bo)勵磁有直(zhí)流勵磁的(de)特點，但從(cóng)整個過程(cheng)來看磁場(chang)又是處于(yu)周期性變(bian)化的過程(cheng)中，低頻矩(jǔ)形波又是(shì)一個交變(bian)信号，便于(yú)放大和處(chu)理。所以低(dī)頻方波勵(lì)磁現階段(duàn)應用非常(cháng)廣泛的勵(li)磁方🌂式。

綜(zōng)合上面所(suǒ)述，非滿管(guǎn)電磁流量(liàng)計選擇低(dī)頻矩形波(bō)作爲勵磁(cí)方式。
　　電磁(ci)流量計采(cai)用較高的(de)勵磁頻率(lü)可以有效(xiao)降低信🔱号(hào)♈源✏️内💘阻，當(dāng)頻率提高(gāo)到100Hz 時，信号(hao)源内阻約(yuē)爲幾💛百兆(zhào)。繼續提高(gāo)勵磁頻率(lǜ)，可以進一(yī)步降低信(xìn)号源内阻(zǔ)和🍓流動噪(zao)聲。但是随(suí)着勵磁頻(pín)率的提高(gao)，由式（3-7）和式(shì)（3-8）可知，正交(jiāo)幹擾和同(tong)相幹擾會(hui)變得⛱️更嚴(yan)重，電極上(shang)的渦電流(liú)也随之增(zeng)⛱️大。根據日(ri)本專家 Nakatani 的(de)研究成果(guǒ)，流動噪😍聲(sheng)🌐和微分幹(gàn)擾強度随(suí)勵磁頻率(lü)♌變化⛱️規律(lǜ)如圖3-11所示(shi)，從中可以(yi)看出，使流(liú)動噪聲和(he)正交幹擾(rǎo)到達最小(xiao)的最佳勵(li)磁頻率應(yīng)該在 100-400Hz 範圍(wéi)内 [22]。

3.2 信号處(chù)理電路
　　信(xìn)号處理電(dian)路的主要(yao)作用是将(jiang)傳感器得(dé)到是帶有(you)很🐕多‼️幹擾(rao)而且信号(hao)非常微弱(ruò)的電壓信(xin)号轉換🌍成(chéng)AD 采樣器可(kě)以接受的(de)直流信号(hao)，從傳感器(qi)得到的信(xin)号如下式(shi)所示[23]：

　　ec 是共(gòng)模幹擾電(diàn)壓、ed 是串模(mo)幹擾電壓(ya)、ez 是直流極(jí)化電壓。其(qi)中正交幹(gàn)擾和同相(xiang)幹擾是由(yóu)于磁場的(de)突變引起(qǐ)🧡的主要幹(gàn)✏️擾源🐪，共模(mo)和串模幹(gan)擾是由于(yú)電磁幹擾(rao)和靜電幹(gàn)擾産生的(de)次要幹擾(rǎo)源，可以通(tōng)過靜電屏(píng)蔽和接地(di)加以抑止(zhǐ)，極化電壓(yā)是直流極(ji)化現象産(chǎn)生的，可通(tong)過提高勵(li)🛀磁頻率消(xiao)除[24]。電磁流(liu)量計采用(yong)低頻矩🔴形(xing)波勵磁能(néng)很好消除(chu)直流極化(hua)現象，在低(di)頻矩形波(bo)的上升沿(yán)和下降沿(yan)，當勵磁電(dian)流進入穩(wen)态的時候(hou)再進行信(xìn)号采樣，能(neng)消除部分(fèn)正交🥵幹擾(rao)電壓🐉? [25] ，但是(shi)信号處理(li)的時間較(jiao)長。
　　由于傳(chuán)感器得到(dào)的信号非(fei)常微弱并(bing)且帶有很(hěn)多幹擾，所(suǒ)以信号處(chu)理電路必(bi)須有放大(da)以及抑制(zhì)噪📐聲和幹(gan)擾的功♉能(neng)，圖 3-15 表示♌信(xìn)号處理電(diàn)路的組成(cheng)部📧分。

電磁(ci)流量傳感(gan)器的内阻(zǔ)很大，傳感(gǎn)器和轉換(huan)器的等🛀🏻效(xiào)電路如圖(tú) 3-13 所示，

　　圖中(zhōng) e 是傳感器(qì)産生的流(liú)量電勢信(xin)号，r 是傳感(gan)器内💚阻，RL是(shì)🈲轉換器的(de)輸入阻抗(kàng)，eX是轉換器(qi)得到的流(liu)量電勢信(xin)号，根據歐(ou)姆定律可(ke)知：

　　從上式(shi)可以得知(zhī)RL》r ，所以要使(shǐ)信号足夠(gou)精确，轉換(huàn)器必🚶‍♀️須有(you)很高❗的輸(shu)入阻抗[2]。
　　從(cóng)傳感器出(chū)來是非常(chang)微弱且帶(dài)有幹擾的(de)信号，信号(hao)預處理是(shi)👅首先去除(chú)信号中的(de)高頻信号(hao)，然後再用(yòng)放大器将(jiang)信号放大(da)，同時放大(dà)器能很好(hǎo)地抑制共(gong)模幹擾，經(jing)過前面的(de)處理之後(hòu)，信号中還(hai)會有部㊙️分(fen)幹擾噪💜聲(sheng)，無法直✂️接(jie)檢測得到(dào)，濾波器🙇‍♀️的(de)主要作⛷️用(yong)是去除剩(shèng)🎯餘部分的(de)幹♉擾和噪(zào)聲，得♉到模(mó)數轉換能(néng)直接識别(bie)的信号，然(ran)後傳輸給(gěi)單片機控(kong)制。
3.3 激勵電(diàn)壓電路
　　非(fēi)滿管電磁(cí)流量計以(yǐ)電容式傳(chuán)感器爲基(jī)本原理，向(xiang)激勵電極(jí)通入高頻(pin)電壓以形(xíng)成電容式(shi)傳感器，激(jī)勵電壓🤞電(dian)路框圖👌如(ru)圖 3-14 所示。

　　由(yóu)于激勵電(diàn)極安裝在(zài)測量管和(he)襯裏之間(jiān)，激勵電壓(yā)電💯路在工(gong)💃作的過程(cheng)中需要一(yi)定大小的(de)高頻電壓(ya)用以擊穿(chuan)襯裏材料(liao)，所以采用(yòng)變壓器以(yi)得到不同(tong)大小的擊(ji)穿電壓值(zhi)，工控闆用(yòng)來控制整(zheng)個激勵電(diàn)路。
4小結
　　　非(fēi)滿管電磁(cí)流量計重(zhong)點介紹了(le)一種新的(de)非滿管電(diàn)磁流量計(jì)的結構，該(gai)結構是以(yǐ)電容式傳(chuán)感器爲基(jī)本⭕原理，利(lì)用電容和(hé)液♋位的高(gao)度關系來(lai)進行測量(liang)。同時分析(xī)了非滿管(guan)電磁流🤞量(liang)計基本的(de)工作原理(li)、簡要介紹(shào)了流量信(xin)号的處理(li)方法，爲💯後(hou)面實驗方(fang)案及裝置(zhì)的設計打(da)下了基礎(chu)。

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