電(dian)磁流量計(ji) 由于具有(you)衆多的優(you)點廣泛應(ying)用于工業(ye)各種場合(he)，近年來已(yi)經逐步向(xiang)民用領域(yu)擴展。傳統(tong)的電磁流(liu)👨‍❤️‍👨量計🌐僅能(neng)用于滿管(guan)的流☎️量測(ce)量，對于非(fei)滿管流體(ti)或者流體(ti)在滿🙇🏻管與(yu)非滿管之(zhi)間變化的(de)流動時的(de)流量測量(liang)研究較少(shao)。非滿管流(liu)體流動時(shi),由于管内(nei)✔️的流體截(jie)面✨積是變(bian)化的,或者(zhe)流體流動(dong)一直處于(yu)👌非滿管狀(zhuang)态💰，非滿管(guan)流量的測(ce)🔱量需要測(ce)量流體平(ping)💁均流速和(he)液位這兩(liang)個參數。非(fei)滿管🌍狀态(tai)下,測量管(guan)❌内流體流(liu)速分布不(bu)❗對稱,導緻(zhi)權重函數(shu)的分布和(he)液位有關(guan)，同時電極(ji)上🚶的感應(ying)信号是兩(liang)電極橫斷(duan)面内所有(you)質點電位(wei)的集合,即(ji)電勢一定(ding)要處于電(dian)✏️極可測量(liang)範👌圍之内(nei),所以進行(hang)非滿管的(de)流量測量(liang)電極必須(xu)浸入流體(ti)内,否㊙️則電(dian)極得不到(dao)感應信号(hao)[17-19] 。
1 非滿管電(dian)磁流量計(ji) 的結構設(she)計
1.1 非滿管(guan)電磁流量(liang)計的測量(liang)原理
　　管道(dao)式電磁流(liu)量計 在工(gong)作的過程(cheng)中，可能會(hui)出現管道(dao)中流體未(wei)充滿或🧡者(zhe)在流體流(liu)動過程中(zhong)，流體流動(dong)處于滿管(guan)向非滿管(guan)道的轉換(huan)狀态中。使(shi)管中流體(ti)流動有兩(liang)種流動狀(zhuang)态👌。對流體(ti)未充滿管(guan)道式 1，如圖(tu) 3-1 所示，此時(shi)如果☁️仍按(an)傳統流量(liang)計的💜測量(liang)原理，則：
實(shi)際值=測量(liang)值-上部空(kong)氣部分

　　由(you)權重函數(shu)的理論可(ke)知，感應信(xin)号電壓是(shi)兩電極橫(heng)斷面内所(suo)有質點電(dian)位的集合(he)，不論流體(ti)在管道中(zhong)橫截面如(ru)何變化，流(liu)動流體的(de)質點都會(hui)有感應電(dian)勢，但是這(zhe)些電勢一(yi)定要處🍓于(yu)電極的集(ji)合範圍📞内(nei)，如果電極(ji)暴露在空(kong)氣中，電💃🏻極(ji)得不到信(xin)号[19]，流體未(wei)充滿管道(dao)式 2 就是這(zhe)種情況。當(dang)流體未充(chong)滿管道時(shi)，管中流體(ti)的實際流(liu)量值Q實=A實(shi)?`V，而管中流(liu)體的截✨面(mian)積爲:

　　式中(zhong) h 爲液面高(gao)度， D 爲測量(liang)管内徑。而(er)不再是由(you)此可知，非(fei)滿管電磁(ci)流量計的(de)流量測量(liang)必須同時(shi)🌏測量平均(jun)流速和液(ye)位高度這(zhe)兩個物理(li)量。
1.2 非滿管(guan)電磁流量(liang)傳感器流(liu)速測量機(ji)構
　　根據電(dian)磁流量計(ji)的基本原(yuan)理，當流體(ti)充滿管道(dao)時，管♌中🔱流(liu)體的📐平均(jun)流速和兩(liang)電極之間(jian)的感應電(dian)勢之間的(de)關系如式(shi)（2-1）所示。當🛀🏻管(guan)中流體未(wei)充滿時，如(ru)前面所述(shu)🆚，測得的🌈信(xin)号不準确(que)或者根本(ben)得不到感(gan)應電勢信(xin)号。在傳統(tong)電磁流量(liang)計的基礎(chu)上🔅，将流速(su)檢測電極(ji)在高度方(fang)向上設計(ji)在距測量(liang)管底端 10%D處(chu)，其✊中 D 爲測(ce)量管直徑(jing)。這樣能保(bao)證管中流(liu)體液位🏃高(gao)于 10%D 時，根據(ju)傳統電磁(ci)流量計基(ji)本原理，傳(chuan)感器能準(zhun)确測得流(liu)體的平均(jun)流速。其結(jie)構如圖 3-3 所(suo)示。

此時，兩(liang)極間的感(gan)應電動勢(shi) E 與兩電極(ji)間的距離(li) d 之間的關(guan)系爲：

E =k Bd`V 　　　　　　（3-2）
1.3 非滿(man)管電磁流(liu)量傳感器(qi)液位測量(liang)機構
　　基于(yu)電容式傳(chuan)感器的基(ji)本原理，就(jiu)是将液位(wei)的變化🏃🏻‍♂️轉(zhuan)換成電容(rong)值的變化(hua)。在測量的(de)過程中測(ce)量電壓、頻(pin)率、脈🔅寬等(deng)容易測量(liang)的物理量(liang)，從而實現(xian)電容👄值的(de)測量。結合(he)🥵電容式🈲傳(chuan)感器⭕和電(dian)磁流量計(ji)的基本原(yuan)理，流體在(zai)管中流動(dong)的過程中(zhong)，利用👌流量(liang)計襯🐅裏和(he)管内流體(ti)作爲介質(zhi)，同時在流(liu)量計襯裏(li)與管壁之(zhi)間采用兩(liang)☂️片圓弧形(xing)電極片，電(dian)極片與襯(chen)裏和管中(zhong)流體形成(cheng)一電容器(qi)，根據電容(rong)式傳感器(qi)的基本原(yuan)理，液體作(zuo)爲一種介(jie)質，是電容(rong)器的一個(ge)組成部分(fen)，液體液位(wei)的高低，直(zhi)接影響電(dian)容器的電(dian)容值🏃，即電(dian)容器的電(dian)容量是液(ye)位高度的(de)單值函數(shu)。其相應結(jie)構如圖 3-4 所(suo)示。
　　爲了降(jiang)低信号之(zhi)間的幹擾(rao)和便于控(kong)制，非滿管(guan)電磁流量(liang)計采用流(liu)速機構和(he)液位機構(gou)分體，但是(shi)同時同步(bu)測🚶量，再将(jiang)兩信号進(jin)行整合，得(de)出流量信(xin)号。

2 非滿管(guan)電磁流量(liang)計原理
2.1 非(fei)滿管電磁(ci)流量計測(ce)量原理
　　流(liu)體在管道(dao)内沿與磁(ci)感應線垂(chui)直的方向(xiang)流動時，根(gen)據法拉第(di)電磁感應(ying)定律，會産(chan)生感應電(dian)動勢，通🐪過(guo)感應電動(dong)勢值即💜可(ke)得到流體(ti)的平均流(liu)速。在兩電(dian)極片間有(you)激勵電壓(ya)的作用☂️下(xia)，兩電☀️極片(pian)、襯裏和🛀流(liu)體一起構(gou)成電容器(qi)，根據電容(rong)式傳感器(qi)基本原❓理(li)，此傳感器(qi)的等效電(dian)路如圖 3-5 所(suo)示，電極片(pian)、襯裏和流(liu)體一起構(gou)成了一變(bian)介電常數(shu)型電容器(qi)，兩極片間(jian)電容爲上(shang)下兩部分(fen)電容并聯(lian)而成，其中(zhong) C1和 C3、C2和 C4之間(jian)爲串聯，其(qi)總電容的(de)計算如式(shi)（3-3）。

　　如圖 3-6 所示(shi)，管中液體(ti)将測量管(guan)分爲上下(xia)兩部分，其(qi)中空氣的(de)♻️介電常數(shu)爲0ε，流體的(de)介電常數(shu)爲1ε，襯裏的(de)介電常數(shu)爲2ε，根據電(dian)容式傳感(gan)器模拟計(ji)算方法可(ke)計算其電(dian)容值[20],1C 和2C 由(you)于極闆間(jian)間距沒🌈有(you)改變，而且(qie)💰兩極闆之(zhi)間是單一(yi)🌈介質，其電(dian)容值可近(jin)似作爲平(ping)行闆電容(rong)器來計算(suan)[21]，如下所示(shi)：

式中，
a 爲襯(chen)裏内半徑(jing)， m ；　
h 爲液位高(gao)度，?? m ；　
b 爲電極(ji)内徑，?? m ；　
l 爲電(dian)極片軸向(xiang)長度， m ；
2.2 非滿(man)管電磁流(liu)量計工作(zuo)原理
　　非滿(man)管電磁流(liu)量計采用(yong)勵磁激勵(li)和電壓激(ji)勵雙激勵(li)機制，在勵(li)磁激勵的(de)作用下，通(tong)過勵磁電(dian)路産生相(xiang)應的磁感(gan)👄應強度，從(cong)✌️而在電極(ji)上得到與(yu)流速對應(ying)的電勢信(xin)🔴号，經過計(ji)算得到流(liu)體的平均(jun)流速值。在(zai)激勵❌電極(ji)的作用下(xia)，向激勵電(dian)極通入高(gao)頻電🥰壓，使(shi)兩圓弧形(xing)電極片與(yu)其之間的(de)介☁️質形成(cheng)電容式傳(chuan)感器，通過(guo)電容量的(de)測量，經過(guo)控制系統(tong)處理後得(de)到與⁉️電容(rong)對應的液(ye)🏃位高度信(xin)号。兩個過(guo)程互不幹(gan)涉，然後經(jing)過控🔴制系(xi)統分析處(chu)理後得到(dao)管中流體(ti)流量值。整(zheng)個系統框(kuang)圖如圖 3-7 所(suo)示。

3 信号轉(zhuan)換電路的(de)構成
　　傳統(tong)的電磁流(liu)量計的信(xin)号轉換電(dian)路包含勵(li)磁電💋路和(he)信号處理(li)電路兩部(bu)分組成。非(fei)滿管電磁(ci)流量計除(chu)了這🔱兩部(bu)分以外還(hai)有激勵電(dian)壓電路。
3.1 勵(li)磁電路參(can)數确定
　　勵(li)磁系統是(shi)電磁流量(liang)計的一個(ge)關鍵部分(fen)，其好壞直(zhi)接影響到(dao)測量結果(guo)的精确程(cheng)度高低。勵(li)磁系統的(de)參數主要(yao)是勵磁方(fang)式和勵磁(ci)頻率。常用(yong)的勵磁方(fang)式有以下(xia)幾種[8]。
1.直流(liu)勵磁
　　直流(liu)勵磁方式(shi)是用直流(liu)電或永久(jiu)磁鐵産生(sheng)一個恒♊定(ding)的均勻🧑🏾‍🤝‍🧑🏼磁(ci)場。直流勵(li)磁可以忽(hu)略流體中(zhong)的自感現(xian)象，同時受(shou)交流影響(xiang)很小，但是(shi)由于管中(zhong)流體電解(jie)質的電離(li)💚，直流勵磁(ci)易産生極(ji)化現象。極(ji)化電壓和(he)流量信号(hao)混雜在一(yi)起，不容易(yi)區分。所以(yi)，一般💋在測(ce)量非電解(jie)質流體的(de)情況下才(cai)采用這種(zhong)方式。

2. 交流(liu)勵磁
　　交流(liu)勵磁方式(shi)是上世紀(ji) 50 年代工業(ye)電磁流量(liang)計主要采(cai)用的勵㊙️磁(ci)方式，它的(de)磁場是由(you)正弦交變(bian)電流産生(sheng)❓一個交變(bian)磁場♋：

　　交變(bian)磁場能消(xiao)除極化幹(gan)擾,同時産(chan)生的交變(bian)信号，經過(guo)放大和轉(zhuan)換要比直(zhi)流信号容(rong)易。但是交(jiao)變磁🐆場易(yi)産生❤️正交(jiao)（微分❌）幹擾(rao)：

和同相幹(gan)擾：

　　這些幹(gan)擾降低電(dian)磁流量計(ji)的信噪比(bi)，這些幹擾(rao)信号與流(liu)量信❗号e=emsinωt 混(hun)雜在一起(qi)，難以區分(fen)。

3.低頻矩形(xing)波勵磁
　　上(shang)世紀70-80 年代(dai)出現了低(di)頻矩形波(bo)勵磁，這種(zhong)勵磁方式(shi)兼有🌈直流(liu)勵磁和交(jiao)流勵磁的(de)優點，同時(shi)很好的避(bi)免了它♌們(men)的😍缺點📐。如(ru)圖 3-10 所示。在(zai)半個周期(qi)内，磁場☔是(shi)直流🔞磁場(chang)，低頻矩形(xing)波勵磁有(you)直流勵磁(ci)的特點，但(dan)從整個過(guo)程來看磁(ci)場又是處(chu)于周期性(xing)變化的☁️過(guo)程中，低頻(pin)矩形波又(you)是㊙️一個交(jiao)變信号，便(bian)于放大和(he)處理。所以(yi)低頻方波(bo)勵磁現⭕階(jie)段應用非(fei)常廣泛的(de)勵磁方式(shi)。

綜合上面(mian)所述，非滿(man)管電磁流(liu)量計選擇(ze)低頻矩形(xing)波作🍓爲📞勵(li)磁方式。
　　電(dian)磁流量計(ji)采用較高(gao)的勵磁頻(pin)率可以有(you)效降低信(xin)号源内阻(zu)，當頻率提(ti)高到100Hz 時，信(xin)号源内阻(zu)約爲幾百(bai)兆。繼續🐇提(ti)高勵磁🍉頻(pin)率，可以進(jin)一步降低(di)信号源内(nei)阻和流動(dong)噪聲。但是(shi)随着勵磁(ci)頻率的提(ti)高，由式（3-7）和(he)式（3-8）可知，正(zheng)交幹擾和(he)同相幹擾(rao)會變得更(geng)嚴重，電極(ji)上的渦電(dian)流也随之(zhi)增大。根據(ju)日本專家(jia) Nakatani 的研究成(cheng)果，流動噪(zao)聲和微分(fen)幹擾強度(du)随勵磁頻(pin)率變化規(gui)律如圖3-11所(suo)示，從中可(ke)以看出，使(shi)流動噪聲(sheng)和正交幹(gan)擾到達最(zui)小的最佳(jia)勵磁頻率(lü)應該在 100-400Hz 範(fan)圍内 [22]。

3.2 信号(hao)處理電路(lu)
　　信号處理(li)電路的主(zhu)要作用是(shi)将傳感器(qi)得到是帶(dai)有很多幹(gan)✉️擾而且信(xin)号非常微(wei)弱的電壓(ya)信号轉換(huan)成AD 采樣器(qi)可以接受(shou)的直流信(xin)号，從傳感(gan)器得到的(de)信号如下(xia)式所示[23]：

　　ec 是(shi)共模幹擾(rao)電壓、ed 是串(chuan)模幹擾電(dian)壓、ez 是直流(liu)極化電壓(ya)。其中正交(jiao)幹擾和同(tong)相幹擾是(shi)由于磁場(chang)的突變引(yin)起的主要(yao)幹擾源，共(gong)模👈和串模(mo)幹擾是由(you)于電磁幹(gan)擾和靜電(dian)幹擾産生(sheng)的次要幹(gan)擾源，可以(yi)通過靜電(dian)屏蔽和接(jie)地加以抑(yi)止，極化電(dian)壓是直流(liu)極化現象(xiang)産生的，可(ke)通過提高(gao)勵磁頻率(lü)消除[24]。電磁(ci)流量計采(cai)用低頻矩(ju)🏃🏻形波勵磁(ci)能很好消(xiao)除直流極(ji)化現象😘，在(zai)低頻矩形(xing)波的上升(sheng)沿和下降(jiang)沿🏃‍♀️，當勵磁(ci)電流進入(ru)穩态的時(shi)候再進🌈行(hang)信号采樣(yang)，能消除部(bu)分正交幹(gan)擾電壓? [25] ，但(dan)是信号處(chu)理的時間(jian)較長。
　　由于(yu)傳感器得(de)到的信号(hao)非常微弱(ruo)并且帶有(you)很多幹擾(rao)，所以信号(hao)處理電路(lu)必須有放(fang)大以及抑(yi)制噪聲和(he)幹擾的功(gong)能，圖 3-15 表示(shi)😍信号處理(li)電路的組(zu)成部🎯分。

電(dian)磁流量傳(chuan)感器的内(nei)阻很大，傳(chuan)感器和轉(zhuan)換器的等(deng)效😄電路🚩如(ru)圖 3-13 所示，

　　圖(tu)中 e 是傳感(gan)器産生的(de)流量電勢(shi)信号，r 是傳(chuan)感器内阻(zu)♉，RL是轉換器(qi)🌏的輸入阻(zu)抗，eX是轉換(huan)器得到的(de)流量電勢(shi)信号，根據(ju)歐姆定律(lü)可知：

　　從上(shang)式可以得(de)知RL》r ，所以要(yao)使信号足(zu)夠精确，轉(zhuan)換器必須(xu)有很高的(de)輸入阻抗(kang)[2]。
　　從傳感器(qi)出來是非(fei)常微弱且(qie)帶有幹擾(rao)的信号，信(xin)号預處理(li)是首先去(qu)除信号中(zhong)的高頻信(xin)号，然後再(zai)👈用放🌈大器(qi)将信号放(fang)☎️大，同時放(fang)大器能很(hen)好地抑制(zhi)㊙️共模幹擾(rao)，經過前面(mian)的處理之(zhi)後，信号中(zhong)還會有部(bu)🛀分幹擾噪(zao)聲，無法直(zhi)接檢測得(de)♈到，濾波器(qi)的主要作(zuo)用是去除(chu)剩餘部分(fen)的幹擾和(he)噪聲，得到(dao)模數轉換(huan)🙇🏻能直接識(shi)别的信号(hao)，然後傳輸(shu)給單片機(ji)控制🐕。
3.3 激勵(li)電壓電路(lu)
　　非滿管電(dian)磁流量計(ji)以電容式(shi)傳感器爲(wei)基本原理(li)⭐，向♋激勵電(dian)極通入高(gao)頻電壓以(yi)形成電容(rong)式傳感器(qi)🏃🏻，激勵電壓(ya)電路👅框圖(tu)🔴如圖 3-14 所示(shi)。

　　由于激勵(li)電極安裝(zhuang)在測量管(guan)和襯裏之(zhi)間，激勵電(dian)壓電路在(zai)工作的過(guo)程中需要(yao)一定大小(xiao)的高頻電(dian)💞壓用以擊(ji)穿襯裏材(cai)📱料，所以采(cai)用變壓器(qi)以得到不(bu)🈲同大小的(de)擊穿電壓(ya)值，工控闆(pan)用來控制(zhi)整個激勵(li)❤️電路。
4小結(jie)
　　　非滿管電(dian)磁流量計(ji)重點介紹(shao)了一種新(xin)的非滿管(guan)電磁🌈流量(liang)計的結構(gou)，該結構是(shi)以電容式(shi)傳感器爲(wei)基本原理(li)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，利用🧑🏾‍🤝‍🧑🏼電容(rong)和液💞位的(de)高度關系(xi)來進行測(ce)量。同時🙇🏻分(fen)析了🌐非滿(man)管電磁流(liu)量計基本(ben)的工作原(yuan)理、簡要介(jie)紹了流量(liang)😄信号的處(chu)理方法，爲(wei)🔞後面實驗(yan)🌈方案及裝(zhuang)置的設計(ji)打下了基(ji)礎。

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