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電磁(ci)流量計(ji)的工作(zuo)原理

電(dian)磁流量(liang)計 （ Eletromagnetic Flowmeters ，簡稱(cheng) EMF ） 是20世紀(ji)50~60年代随(sui)着電子(zi)技術的(de)發展而(er)迅速發(fa)展起來(lai)的新型(xing)💚流👈量測(ce)量儀表(biao)。 電磁流(liu)量計 是(shi)根據法(fa)拉第電(dian)磁感應(ying)定律制(zhi)成的， 電(dian)磁流量(liang)計 用來(lai)測量導(dao)電液體(ti)體積流(liu)量的儀(yi)表。由于(yu)其獨特(te)的優點(dian)， 電磁流(liu)量計 目(mu)前已廣(guang)泛地被(bei)應用于(yu)工業過(guo)程中各(ge)種導電(dian)液體的(de)流量測(ce)量，如各(ge)種酸、堿(jian)、鹽等腐(fu)蝕性介(jie)質； 電磁(ci)流量計(ji) 各種漿(jiang)液流量(liang)測量，形(xing)成了獨(du)特的應(ying)用領域(yu)。
在結構(gou)上， 電磁(ci)流量計(ji) 由電磁(ci)流量傳(chuan)感器和(he)轉換器(qi)兩部分(fen)組成。傳(chuan)感器安(an)⛹🏻‍♀️裝在工(gong)✏️業過程(cheng)管道上(shang)，它的作(zuo)用是将(jiang)流進管(guan)道内的(de)液體體(ti)積流量(liang)值線😍性(xing)地變換(huan)成感生(sheng)電勢信(xin)号，并通(tong)過傳輸(shu)線将此(ci)信号送(song)到轉換(huan)器。轉換(huan)器安裝(zhuang)在離傳(chuan)感器不(bu)太✍️遠的(de)地方，它(ta)将傳感(gan)🚶‍♀️器送來(lai)的🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流量(liang)信号進(jin)行放大(da)，并轉🌈換(huan)成流量(liang)信❗号成(cheng)正比的(de)标準電(dian)信号輸(shu)出，以進(jin)行顯示(shi)📐，累積和(he)調節控(kong)制。
電磁(ci)流量計(ji) 的基本(ben)原理
(一(yi))測量原(yuan)理
根據(ju)法拉第(di)電磁感(gan)應定律(lü)，當一導(dao)體在磁(ci)場中運(yun)動切割(ge)磁力線(xian)時，在導(dao)體的兩(liang)端即産(chan)生感生(sheng)電勢☁️e，其(qi)方向由(you)右手定(ding)則🐇确定(ding)㊙️，其大小(xiao)與磁場(chang)的磁感(gan)應強度(du)B，導體在(zai)磁場内(nei)的🎯長度(du)L及👄導體(ti)的運動(dong)速度u成(cheng)📐正比，如(ru)果B， L，u三者(zhe)互相垂(chui)直，則
e＝Blu       (3－35)
與(yu)此相仿(pang)．在磁感(gan)應強度(du)爲B的均(jun)勻磁場(chang)中，垂直(zhi)于磁🈲場(chang)方向放(fang)一個内(nei)徑爲D的(de)不導磁(ci)管道，當(dang)導電液(ye)體在管(guan)道中以(yi)流速u流(liu)動時，導(dao)電流體(ti)就切割(ge)磁力線(xian)．如果在(zai)管道截(jie)面上垂(chui)直于❌磁(ci)場的直(zhi)徑兩端(duan)安裝一(yi)對電極(ji)(圖3—17)則可(ke)以證明(ming)，隻要管(guan)道内流(liu)速分布(bu)爲軸對(dui)稱分布(bu)，兩電極(ji)之間也(ye)特産生(sheng)感生電(dian)動勢✏️：
e＝BD        (3－36)
式(shi)中，爲管(guan)道截面(mian)上的平(ping)均流速(su)．由此可(ke)得管道(dao)的體積(ji)流⁉️量爲(wei)：
qv＝πDUˉ＝   （3－37）
由上式(shi)可見，體(ti)積流量(liang)qv與感應(ying)電動勢(shi)e和測量(liang)管内徑(jing)D成線性(xing)🌈關㊙️系，與(yu)磁場的(de)磁感應(ying)強度B成(cheng)反比，與(yu)其它物(wu)理參🔞數(shu)無關．這(zhe)🥰就是 電(dian)磁流量(liang)計 的測(ce)量原理(li)．
需要說(shuo)明的是(shi)，要使式(shi)（3—37）嚴格成(cheng)立，必須(xu)使測量(liang)條件滿(man)足下列(lie)假定：
①磁(ci)場是均(jun)勻分布(bu)的恒定(ding)磁場；
②被(bei)測流體(ti)的流速(su)軸對稱(cheng)分布；
③被(bei)測液體(ti)是非磁(ci)性的；
④被(bei)測液體(ti)的電導(dao)率均勻(yun)且各向(xiang)同性。
圖(tu)3－17電磁流(liu)量計原(yuan)理簡圖(tu)
1－磁極；2－電(dian)極；3－管道(dao)
(二)勵磁(ci)方式
勵(li)磁方式(shi)即産生(sheng)磁場的(de)方式．由(you)前述可(ke)知，爲使(shi)式(3—37)嚴格(ge)成立👨‍❤️‍👨，第(di)一個必(bi)須滿足(zu)的條件(jian)就是要(yao)有一個(ge)均勻恒(heng)定的磁(ci)場．爲此(ci)，就需要(yao)選擇一(yi)種合适(shi)的勵磁(ci)方式。目(mu)前，一般(ban)有三種(zhong)勵碰方(fang)式，即直(zhi)流勵磁(ci)、交流勵(li)磁和✨低(di)頻方波(bo)勵磁．現(xian)分别予(yu)以介紹(shao)．
1．直流勵(li)磁
直流(liu)勵磁方(fang)式用直(zhi)流電産(chan)生磁場(chang)或采用(yong)永久磁(ci)鐵🔴，它能(neng)💃🏻産生✉️一(yi)個恒定(ding)的均勻(yun)磁場．這(zhe)種直流(liu)勵磁變(bian)送器的(de)最大優(you)點是受(shou)交流電(dian)磁場幹(gan)擾影響(xiang)很小，因(yin)而可以(yi)忽略液(ye)體中的(de)自感現(xian)象的影(ying)響．但是(shi)，使用直(zhi)流磁場(chang)易使通(tong)過測量(liang)管道的(de)電💜解質(zhi)液體☂️被(bei)極化，即(ji)電💃🏻解質(zhi)在電場(chang)中被電(dian)解，産生(sheng)正負離(li)子．在電(dian)場力的(de)作用下(xia)，負離子(zi)跑👅向正(zheng)極，正離(li)子跑向(xiang)㊙️負極．如(ru)圖3—18所示(shi)．這樣，将(jiang)導💁緻正(zheng)負電極(ji)分别被(bei)相反極(ji)性的離(li)子所包(bao)圍，嚴重(zhong)影響 電(dian)磁流量(liang)計 的正(zheng)常工作(zuo)．所以，直(zhi)流勵磁(ci)一般隻(zhi)用于測(ce)量非電(dian)解質液(ye)體，如☂️液(ye)态金屬(shu)等．
圖3－18直(zhi)流勵磁(ci)方式
2．交(jiao)流勵磁(ci)
目前，工(gong)業上使(shi)用的 電(dian)磁流量(liang)計 ，大都(dou)采用工(gong)頻(50Hz)電源(yuan)交流勵(li)磁方式(shi)，即它的(de)磁場是(shi)由🚶正弦(xian)交變電(dian)流産生(sheng)的，所以(yi)産生的(de)磁場也(ye)是一個(ge)交變磁(ci)場．交變(bian)磁場變(bian)送器的(de)主要優(you)點是消(xiao)除⭕了電(dian)極表面(mian)的極化(hua)于擾．另(ling)外🐕，由于(yu)磁❤️場是(shi)交變的(de)，所以輸(shu)出信号(hao)也是交(jiao)變信号(hao)，放大和(he)轉換低(di)電平的(de)交流信(xin)号要比(bi)直流信(xin)号容易(yi)得多．
如(ru)果交流(liu)磁場的(de)磁感應(ying)強度爲(wei)
B＝Bm sint             （3－38）
則電極(ji)上産生(sheng)的感生(sheng)電動勢(shi)爲
e＝Bm Dsint            （3－39）
被測(ce)體積流(liu)量爲
qv= D                  （3－40）
式(shi)中Bm――磁場(chang)磁感應(ying)強度的(de)最大值(zhi)；
――勵磁電(dian)流的角(jiao)頻率，＝2f；
t――時(shi)間；
f――電源(yuan)頻率．
由(you)式(3－40)可知(zhi)，當測量(liang)管内徑(jing)D不變，磁(ci)感應強(qiang)度Bm爲一(yi)定值時(shi)，兩電極(ji)上輸出(chu)的感生(sheng)電動勢(shi)e與流量(liang)qv成正比(bi)💃🏻．這就是(shi)交流磁(ci)場電磁(ci)流🔆量變(bian)送器的(de)基本工(gong)作原理(li)．
值得注(zhu)意的是(shi)，用交流(liu)磁場會(hui)帶來一(yi)系列的(de)電磁幹(gan)擾問題(ti)．例如正(zheng)交幹擾(rao)．同相幹(gan)擾等，這(zhe)些幹擾(rao)信😍号與(yu)有用的(de)流量信(xin)号混雜(za)在一起(qi)．因此，如(ru)何正确(que)㊙️區分流(liu)量信号(hao)與幹擾(rao)㊙️信号，并(bing)如何有(you)❌效地抑(yi)制和排(pai)除各種(zhong)幹擾信(xin)号，就成(cheng)爲交流(liu)勵磁 電(dian)磁流量(liang)計 研制(zhi)的重要(yao)課題。
3．低(di)頻方波(bo)勵磁
直(zhi)流勵磁(ci)方式和(he)交流勵(li)滋方式(shi)各有優(you)缺點，爲(wei)了💜充分(fen)發揮它(ta)們的優(you)點，盡量(liang)避免它(ta)們的缺(que)點，70年代(dai)以來，人(ren)們💛開始(shi)采用低(di)頻方波(bo)勵磁方(fang)式．它的(de)勵磁電(dian)流波形(xing)如圖📱3—19所(suo)示，其頻(pin)率通常(chang)爲工頻(pin)的1／4－l／10．
圖3－19方(fang)波勵磁(ci)電流波(bo)形
從圖(tu)3－19可見，在(zai)半個周(zhou)期内，磁(ci)場是恒(heng)穩的直(zhi)流磁場(chang)，它具☎️有(you)直☁️流勵(li)磁的特(te)點，受電(dian)磁幹擾(rao)影響很(hen)小．從整(zheng)個時間(jian)過程看(kan)，方波信(xin)号又是(shi)一個交(jiao)變的信(xin)号，所以(yi)它能克(ke)服直流(liu)勵滋易(yi)産生的(de)極⭐化現(xian)象．因此(ci)，低頻方(fang)波勵磁(ci)是一種(zhong)比較好(hao)的勵磁(ci)方✊式，目(mu)前已在(zai) 電磁流(liu)量計 上(shang)廣泛的(de)應用．概(gai)括一下(xia)， 電磁流(liu)量計 具(ju)有如下(xia)幾個優(you)點：
① 電磁(ci)流量計(ji) 能避免(mian)交流磁(ci)場的正(zheng)交電磁(ci)幹擾；
② 電(dian)磁流量(liang)計 消除(chu)由分布(bu)電容引(yin)起的工(gong)頻幹擾(rao)；
③ 電磁流(liu)量計 抑(yi)制交流(liu)磁場在(zai)管壁和(he)流體内(nei)部引起(qi)的電渦(wo)流👅；
④ 電磁(ci)流量計(ji) 排除直(zhi)流勵磁(ci)的極化(hua)現象．
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