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( 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
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
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= =
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.这就是电磁三牛平台客户端的测量原理.
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。
( 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,*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*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zui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.
2 .交流励磁
目前,工业上使用的电磁三牛平台客户端,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
则电极上产生的感生电动势为
e=Bm D sin t
被测体积流量为
qv= D
式中 Bm―― 磁场磁感应强度的zui大值;
―― 励磁电流的角频率, =2 ;
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三牛平台客户端研制的重要课题。
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,目前已在电磁三牛平台客户端上广泛的应用.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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