電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)演化分析
發(fā)布時(shí)間：2024-01-25 10:13:00
電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要方式包括從測(cè)量管、勵(lì)磁線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)、測(cè)量電極的位置和數(shù)量等方面進(jìn)行改變,從而得到適用復(fù)雜工況的電磁流量計(jì)。
1.非絕緣測(cè)量管電磁流量計(jì)
電磁流量計(jì)絕緣襯里的作用是防止感應(yīng)信號(hào)被金屬測(cè)量管短路,提高了流量計(jì)的測(cè)量精度。國(guó)內(nèi)的電磁流量計(jì)的常見(jiàn)襯里材料有聚四氟乙烯、聚三氟氣乙烯、硬橡膠、聚氨酯橡膠、乙烯與四氟氯乙烯共聚物等。但這些絕緣材料在耐磨性、耐高溫、耐氧化性、耐酸堿性等方面不能兼得,電磁流量計(jì)的絕緣襯里限制了其測(cè)量流體的適用范圍及適用工況,因此希望電磁流量計(jì)能突破絕緣襯里和絕緣測(cè)量管的限制，采用非絕緣測(cè)量管進(jìn)行流量的測(cè)量。
非絕緣測(cè)量管電磁流量計(jì)的原理是建立流體與非絕緣金屬管壁之間不同的邊界條件。通過(guò)施加與流體流量成正比的電壓,在管壁上形成電勢(shì)分布,由于電流流過(guò)金屬管壁,使得管壁上的電勢(shì)分布與流體中的流動(dòng)信號(hào)電勢(shì)不同,這就建立了管道與非絕緣金屬管壁之間的邊界條件,這個(gè)邊界條件與絕緣襯里同樣起到了防止電流經(jīng)過(guò)引起短路的作用。也稱(chēng)這種新的控制方法為“電勢(shì)補(bǔ)償法”。非絕緣測(cè)量管電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2.不同勵(lì)磁線(xiàn)圈形狀的電磁流量計(jì)
電磁流量計(jì)的勵(lì)磁系統(tǒng)是由勵(lì)磁線(xiàn)圈、導(dǎo)磁鐵芯和磁軛等部分組成。電磁流量計(jì)的磁場(chǎng)特性不僅和勵(lì)磁電流大小變化有關(guān),還深受勵(lì)磁線(xiàn)圈的形狀、尺寸大小、匝數(shù)等因素影響。電磁流量計(jì)工作磁場(chǎng)的穩(wěn)定性和均勻性是設(shè)計(jì)分析勵(lì)磁系統(tǒng)最關(guān)鍵的因素。不同的勵(lì)磁線(xiàn)圈形狀對(duì)電磁流量計(jì)工作磁場(chǎng)的影響也各具特點(diǎn)。
2.1典型勵(lì)磁線(xiàn)圈
工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的勵(lì)磁線(xiàn)圈的形狀主要有圓形線(xiàn)圈、菱形線(xiàn)圈矩形線(xiàn)圈、馬鞍形線(xiàn)圈等。4種勵(lì)磁線(xiàn)圈的仿真幾何模型如圖2所示。典型的線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)仍存在一些不足,如亥姆霍茲線(xiàn)圈中部的工作磁場(chǎng)均勻度較好,而邊緣處磁場(chǎng)卻減弱;菱形勵(lì)磁線(xiàn)圈和矩形勵(lì)磁線(xiàn)圈產(chǎn)生的工作磁場(chǎng)在電極附近的分布均勻度較差;馬鞍形勵(lì)磁線(xiàn)圈的磁場(chǎng).均勻度最好,但輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小比亥姆霍茲線(xiàn)圈低。
2.2E形框架亥姆霍茲線(xiàn)圈
由于勵(lì)磁線(xiàn)圈的軸向長(zhǎng)度有限,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)是一系列圓形的閉環(huán)。在線(xiàn)圈彎曲的磁場(chǎng)的邊緣處形成非均勻分布的磁場(chǎng)。即電磁場(chǎng)的分布在測(cè)量管方向具有邊緣效應(yīng)。ShereliffJA的數(shù)學(xué)模型中提到當(dāng)勵(lì)磁線(xiàn)圈的軸向長(zhǎng)度接近測(cè)量管半徑的3倍時(shí),有限磁場(chǎng)的靈敏度接近1。雖然分析了電磁流量計(jì)靈敏度與磁場(chǎng)軸向長(zhǎng)度之間的關(guān)系,但勵(lì)磁線(xiàn)圈沿電極方向的長(zhǎng)度仍未分析。
E形框架亥姆霍茲線(xiàn)圈是一種在傳統(tǒng)的亥姆霍茲線(xiàn)圈中加入導(dǎo)磁材料制成的E形框架來(lái)模擬磁場(chǎng)的分布的改進(jìn)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)。常用的勵(lì)磁裝置亥姆霍茲線(xiàn)圈具有2個(gè)平行排列的線(xiàn)圈,并且測(cè)量管中的磁流場(chǎng)是2個(gè)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的疊加。為了減少在線(xiàn)圈邊緣漏磁通的影響,一種由導(dǎo)磁材料構(gòu)成的E形勵(lì)磁框架,如圖3所示。線(xiàn)圈纏繞在E形框架的中心，整個(gè)勵(lì)磁裝置由2個(gè)彼此相對(duì)放置的E形框架組成。線(xiàn)圈形狀是矩形的，由于E形框架具有高導(dǎo)磁率,磁力線(xiàn)可以集中在E形框架的中心區(qū)域，以提高穿過(guò)測(cè)量管的磁場(chǎng)的強(qiáng)度和均勻性,并且可以減小激勵(lì)裝置的尺寸。其中,E形框架亥姆霍茲線(xiàn)圈沿著測(cè)量管的軸向長(zhǎng)度是48mm,即測(cè)量管半徑的3倍。此種結(jié)構(gòu)具有漏磁小、磁場(chǎng)分布均勻等優(yōu)點(diǎn)?？蓪⒋磐考性跍y(cè)量管周?chē)膮^(qū)域以確保有足夠的磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)檢測(cè)流量流速信號(hào)。.
2.3雙層勵(lì)磁線(xiàn)圈
明渠是一種具有自由表面液體流動(dòng)的渠道。明渠水流也稱(chēng)為重力流和無(wú)壓流,其靠重力作用產(chǎn)生,表面相對(duì)壓力為零且具有自由表面，因此,明渠水流流經(jīng)渠道的截面是時(shí)刻變化的。明渠電磁流量計(jì)的主要設(shè)計(jì)問(wèn)題是通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的勵(lì)磁線(xiàn)圈來(lái)保證測(cè)量區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)的均勻分布。線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)還需應(yīng)對(duì)干擾電場(chǎng)的邊界效應(yīng)，達(dá)到此需求最簡(jiǎn)單的方法是在軸向上增加線(xiàn)圈的長(zhǎng)度,但這又增加了線(xiàn)圈的制造成本。雙層勵(lì)磁線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)為解決明渠電磁流量計(jì)的磁場(chǎng)分布問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。
為了使明渠流量計(jì)測(cè)量區(qū)磁場(chǎng)達(dá)到最佳均勻性,將雙層線(xiàn)圈和亥姆霍茲線(xiàn)圈兩種勵(lì)磁線(xiàn)圈進(jìn)行仿真比較,圖4為雙層勵(lì)磁線(xiàn)圈和亥姆霍茲線(xiàn)圈的仿真模型,發(fā)現(xiàn)雙層線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)要優(yōu)于亥姆霍茲線(xiàn)圈,如果在亥姆霍茲線(xiàn)圈中,在流向方向上使線(xiàn)圈長(zhǎng)度增加50%,則得到的磁場(chǎng)分布均勻性與在雙層線(xiàn)圈中相同。因此,雙層勵(lì)磁線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)相比亥姆霍茲勵(lì)磁線(xiàn)圈更適用于明渠電磁流量計(jì)。
3.不同測(cè)量電極結(jié)構(gòu)的電磁流量計(jì)
根據(jù)電極結(jié)構(gòu)的不同,電磁流量計(jì)可分為接觸式和非接觸式兩種。接觸型電磁流量計(jì)使用金屬點(diǎn)電極穿透管壁。非接觸式電磁流量計(jì)是將大面積的金屬電極粘貼在測(cè)量管上,通過(guò)電容耦合的方式獲得感應(yīng)信號(hào),因此,又稱(chēng)電容式電磁流量計(jì)。
3.1非接觸式電磁流量計(jì)
非接觸式電磁流量計(jì)具有一些突出的優(yōu)點(diǎn):一方面避免了被測(cè)液體與檢測(cè)電極直接接觸,解決了檢測(cè)電極容易受到液體腐蝕、磨損等問(wèn)題;選擇合適的襯里材料,電容式電磁流量計(jì)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)漿液型和較高腐蝕性流體的檢測(cè),增大了流量?jī)x表的使用范圍。另一方面,電磁流量計(jì)通過(guò)電容耦合的方式獲取被測(cè)液體流量信號(hào),被測(cè)流體與檢測(cè)電極之間的耦合電容決定了傳感器的內(nèi)阻;增加耦合電容值可以減小傳感器的內(nèi)阻,降低流量信號(hào)檢出難度，從而使被測(cè)流體電導(dǎo)率的下限減小。
非接觸式電磁流量計(jì)的電極與被測(cè)流體間有絕緣襯里隔離或者直接采用絕緣測(cè)量管。電極貼于測(cè)量管外面或鑲嵌于測(cè)量管內(nèi)部。非接觸式電磁流量計(jì)利用電極與被測(cè)流體通過(guò)絕緣襯里形成耦合電容來(lái)檢測(cè)被測(cè)流體流量信號(hào)。主要結(jié)構(gòu)形式按電極的安裝位置可分為兩種:電極嵌人測(cè)量管絕緣襯里(嵌人式)、電極貼在測(cè)量管外(外貼式)。嵌入式電磁流量計(jì)和外貼式電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖5所示,嵌人式結(jié)構(gòu)和普通電磁流量計(jì)電極結(jié)構(gòu)類(lèi)似,而外貼式多是采用陶瓷表面金屬化將電極貼在流量計(jì)測(cè)量管外部。
3.2多電極式電磁流量計(jì)
通過(guò)理論分析[10]發(fā)現(xiàn)，流體測(cè)量截面處的速度分布對(duì)電磁流量計(jì)的測(cè)量精度影響十分敏感,所以傳統(tǒng)單對(duì)電極電磁流量計(jì)測(cè)量流體時(shí),要求流速分布是軸對(duì)稱(chēng)的,因此,需要被測(cè)流體滿(mǎn)管并具有足夠長(zhǎng)的直管段。在管徑大、流體未滿(mǎn)管或測(cè)量條件有限時(shí),單對(duì)電極電磁流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果會(huì)存在不同程度的誤差，對(duì)于非滿(mǎn)管流體和非軸對(duì)稱(chēng)速度分布流體的測(cè)量傳統(tǒng)流量計(jì)不再適用,多電極式電磁流量計(jì)可以通過(guò)測(cè)量多個(gè)點(diǎn)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),獲得任意流型下的流體平均流速的表達(dá)式以及測(cè)量管內(nèi)流體液面高度，適用于非軸對(duì)稱(chēng)流動(dòng)和非滿(mǎn)管條件下的流量測(cè)量。
1)非滿(mǎn)管多電極式電磁流量計(jì)。其測(cè)量管壁上具有多對(duì)電極,其中1對(duì)信號(hào)注人電極設(shè)置在測(cè)量管底部,用于滿(mǎn)管狀態(tài)判別的滿(mǎn)管指示電極設(shè)置在測(cè)量管頂部,其余3對(duì)電極為測(cè)量電極設(shè)置在測(cè)量管兩側(cè),用于管道流體液.位和流速信號(hào)的測(cè)量。當(dāng)對(duì)液位進(jìn)行測(cè)量時(shí),將電壓幅值恒定的交流信號(hào)施加于信號(hào)注人電極上,在流體滿(mǎn)管情況下,該流量計(jì)的功能與普通的電磁流量計(jì)相同,因?yàn)榇藭r(shí)流體流經(jīng)橫截面積是固定的,只需根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)推出被測(cè)流體的流速,進(jìn)而計(jì)算得到流量值。當(dāng)流體未充滿(mǎn)管道時(shí),滿(mǎn)管指示電極檢測(cè)到管道流體為非滿(mǎn)管狀態(tài),并利用算法對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正,此時(shí)流量計(jì)的測(cè)量方式則是測(cè)量流體流速和非滿(mǎn)管流體液位高度。通過(guò)測(cè)量管內(nèi)被測(cè)液體的耦合,反映液位高度變化的合成信號(hào)可以通過(guò)3對(duì)測(cè)量電極得到,液位高度的準(zhǔn)確測(cè)量值是通過(guò)轉(zhuǎn)換器將合成信號(hào)轉(zhuǎn)換獲得。非滿(mǎn)管多電極電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。
2)非軸對(duì)稱(chēng)速度分布多電極式電磁流量計(jì)。由于測(cè)量截面所在平面內(nèi)管壁的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)積分運(yùn)算的測(cè)量結(jié)果與流體流速分布無(wú)關(guān),因此,多電極式電磁流量計(jì)可通過(guò)測(cè)量多點(diǎn)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)測(cè)量非軸對(duì)稱(chēng)速度分布下的流體流量。非軸對(duì)稱(chēng)速度分布多電極式電磁流量計(jì)按照測(cè)量電極個(gè)數(shù)可分為四電極式、六電極式、八電極式、十六電極式17等。從理論上講電極個(gè)數(shù)越多,流體平均流速的測(cè)量精度越高,但是從實(shí)際生產(chǎn)制作條件與流量計(jì)可靠性來(lái)說(shuō),測(cè)量電極數(shù)目不能無(wú)限增多,而且隨著電極數(shù)目的增多,測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)性也會(huì)降低。
