電磁流量計(ji) 由于具有衆(zhong)多的優點廣(guang)泛應用于工(gōng)業各種場合(hé)，近年來已經(jing)💚逐步向民用(yong)領域擴展。傳(chuan)統的電磁流(liú)量計🔆僅能用(yong)于🔆滿管🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的流(liú)量測量，對于(yu)非滿管流體(ti)或者流體在(zài)滿管與非滿(mǎn)管之間變化(huà)的流動時的(de)流量測量研(yán)究較少。非滿(man)管流體流動(dòng)時,由于管内(nèi)的流體截面(miàn)積是變化的(de),或者流體流(liu)動一直處于(yu)非滿管狀态(tai)，非滿管流量(liàng)的測量需要(yào)測量流體平(píng)均流速和液(yè)位這兩個參(can)數。非滿管狀(zhuàng)态下,測量管(guǎn)内流體流速(su)分布不對稱(cheng),導緻權重函(han)數的分布和(hé)液位有關，同(tóng)時電極上的(de)感應信号是(shì)兩電極橫斷(duàn)🈚面内所有質(zhi)點電位的集(ji)合,即電勢一(yī)定要處于電(dian)極可測量範(fan)圍之内,所以(yi)🙇‍♀️進行非滿管(guǎn)的流量測量(liàng)🔞電極必須浸(jìn)入流體内,否(fǒu)則電極🥵得不(bu)到感應信号(hào)㊙️[17-19] 。
1 非滿管電磁(cí)流量計 的結(jié)構設計
1.1 非滿(mǎn)管電磁流量(liàng)計的測量原(yuan)理
　　管道式電(diàn)磁流量計 在(zài)工作的過程(cheng)中，可能會出(chu)現管道中流(liu)體未充滿或(huo)🌐者🍓在流體流(liu)動過程中，流(liú)體流動處于(yú)滿管向非滿(mǎn)管道的‼️轉換(huan)狀态中。使🔆管(guan)中流體流動(dong)有兩種流💔動(dòng)狀态。對流體(ti)未充滿管道(dào)式 1，如圖 3-1 所示(shi)，此時如果仍(réng)按傳統流量(liang)計的測量原(yuan)理㊙️，則：
實際值(zhi)=測量值-上部(bù)空氣部分

　　由(you)權重函數的(de)理論可知，感(gan)應信号電壓(ya)是兩電極橫(héng)斷面内所有(yǒu)質點電位的(de)集合，不論流(liu)體在管道中(zhong)橫截面如何(he)變化，流動😄流(liu)體的質點都(dou)會有感應電(dian)勢，但是這些(xie)電勢一定要(yao)處于電極的(de)集合範圍内(nèi)，如果電極暴(bao)露在空氣中(zhōng)，電極得不到(dao)信号[19]，流體未(wèi)充滿管道式(shi) 2 就是這種情(qíng)況。當流體未(wei)充滿管道時(shi)，管中流體㊙️的(de)🐅實際流量值(zhi)Q實=A實?`V，而管中(zhong)流體的截面(miàn)積爲:

　　式中 h 爲(wèi)液面高度， D 爲(wei)測量管内徑(jìng)。而不再是由(yóu)此可知，非滿(man)管電磁流量(liàng)計的流量測(cè)量必須同時(shí)測量平均流(liú)速和液位高(gāo)度這兩個物(wù)理量。
1.2 非滿管(guǎn)電磁流量傳(chuan)感器流速測(cè)量機構
　　根據(ju)電磁流量計(ji)的基本原理(li)，當流體充滿(mǎn)管道時，管中(zhong)流體的平均(jun1)流速和兩電(diàn)極之間的感(gǎn)應電勢之間(jiān)的關系如式(shi)（2-1）所示。當管中(zhong)流體未充滿(mǎn)時，如前面所(suǒ)述，測得的信(xin)号不🚩準确或(huo)🍉者根本得不(bú)到感應電勢(shi)信号♈。在傳統(tong)電🤩磁流量計(ji)的基礎上，将(jiāng)流速檢測電(diàn)極在高度方(fāng)向上設計在(zài)距測量管底(dǐ)端 10%D處，其中 D 爲(wèi)測量管直🌐徑(jìng)。這樣能保證(zheng)管中流體液(ye)位高于 10%D 時，根(gēn)據傳統電磁(cí)流量計基本(ben)原理，傳感器(qì)能準确測得(dé)流體的平均(jun)流🏃速。其結構(gou)如圖 3-3 所示。

此時，兩極間(jiān)的感應電動(dòng)勢 E 與兩電極(ji)間的距離 d 之(zhi)間的關系爲(wei)：

E =k Bd`V 　　　　　　（3-2）
1.3 非滿管電磁(ci)流量傳感器(qì)液位測量機(jī)構
　　基于電容(róng)式傳感器的(de)基本原理，就(jiù)是将液位的(de)變化💰轉換成(cheng)電容值的變(biàn)化。在測量的(de)過程中測量(liang)電壓、頻率、脈(mò)寬等容易❤️測(cè)量的物理量(liàng)，從而實現電(dian)容值的測量(liang)。結合電容式(shi)傳感器和電(dian)磁流量計的(de)基本原理，流(liu)體在管中流(liú)動的過程中(zhōng)，利用流量計(jì)襯裏和管内(nèi)流體作爲介(jiè)質，同時在流(liu)量🤩計襯裏與(yǔ)管🚩壁之間采(cǎi)用兩片圓弧(hú)形電極♻️片，電(dian)極片與襯裏(lǐ)和管中流體(tǐ)形成一電容(róng)器🔱，根據電容(rong)式傳感器的(de)基本原理，液(yè)體作爲一種(zhǒng)介質，是電容(rong)器的一個組(zǔ)成部分，液體(ti)🐅液位的高低(di)，直接影響電(dian)容器的電容(rong)值🏃🏻，即電容器(qì)的電容♍量是(shì)液♍位高度的(de)單值函數。其(qi)相應結構如(rú)圖 3-4 所示。
　　爲了(le)降低信号之(zhī)間的幹擾和(he)便于控制，非(fei)滿管電磁👨‍❤️‍👨流(liu)✊量計采用流(liú)速機構和液(ye)位機構分體(tǐ)，但是同時同(tong)㊙️步測量，再将(jiang)兩💛信号進行(háng)整合，得出流(liú)量信号。

2 非(fēi)滿管電磁流(liú)量計原理
2.1 非(fēi)滿管電磁流(liu)量計測量原(yuan)理
　　流體在管(guǎn)道内沿與磁(ci)感應線垂直(zhí)的方向流動(dòng)時🌏，根據法拉(lā)第電磁感應(ying)定律，會産生(sheng)感應電動勢(shì)，通過感🌈應電(diàn)🔞動勢值即可(ke)得到流體的(de)平均流速。在(zai)兩電極片間(jiān)有激勵電壓(yā)的作用下，兩(liǎng)電極片、襯裏(lǐ)和流體一起(qǐ)構成電容器(qi)，根據電容式(shì)傳感🔅器基本(běn)原理，此傳感(gǎn)器❓的等效電(dian)路如圖 3-5 所示(shi)，電❄️極片、襯裏(lǐ)和流體一起(qi)構成了一變(bian)介電常數型(xing)電容器，兩極(ji)片間電容爲(wèi)上下兩部分(fèn)電容并聯而(er)成，其中 C1和 C3、C2和(hé) C4之間爲串聯(lian)，其總電容💃🏻的(de)計算如式（3-3）。

　　如(rú)圖 3-6 所示，管中(zhōng)液體将測量(liang)管分爲上下(xia)兩部分，其中(zhōng)空🏃氣的介電(dian)常數爲0ε，流體(ti)的介電常數(shù)爲1ε，襯裏的介(jie)電常數爲2ε，根(gen)據電容式傳(chuán)感器模拟計(jì)算方法可㊙️計(ji)算其電容值(zhi)[20],1C 和2C 由于極闆(pǎn)間間距沒有(yǒu)改變，而且👉兩(liang)極闆之間是(shi)單一介質，其(qi)電容值可近(jìn)👄似作爲平行(hang)闆電容器來(lái)計算[21]，如下所(suo)示：

式中，
a 爲襯(chen)裏内半徑， m ；　
h 爲(wèi)液位高度，?? m ；　
b 爲(wèi)電極内徑，?? m ；　
l 爲(wei)電極片軸向(xiàng)長度， m ；
2.2 非滿管(guan)電磁流量計(ji)工作原理
　　非(fēi)滿管電磁流(liú)量計采用勵(li)磁激勵和電(diàn)壓激勵雙激(ji)勵機🧑🏾‍🤝‍🧑🏼制，在勵(lì)磁激勵的作(zuò)用下，通過勵(lì)磁電路産生(sheng)相應的磁感(gǎn)應強度，從而(er)在電極上得(de)到與流速對(duì)應的電勢信(xin)号，經過計算(suàn)得♋到流體的(de)平均流速值(zhí)。在激勵電極(jí)的作用下，向(xiang)激✂️勵電極通(tong)⛱️入高頻電💘壓(ya)，使兩圓弧形(xíng)電極片與🔞其(qi)之間的介質(zhi)形成電容式(shi)傳感器，通過(guò)電容量的測(cè)量，經過控制(zhì)系統處理💛後(hou)得到與電容(rong)對應的液位(wei)高度信号。兩(liang)個過程互不(bú)幹涉，然後經(jing)過控🔱制系統(tǒng)分析處理後(hòu)得到管中流(liú)體流量🔱值。整(zheng)個系統框圖(tu)如🔞圖 3-7 所示。

3 信(xìn)号轉換電路(lu)的構成
　　傳統(tǒng)的電磁流量(liang)計的信号轉(zhuǎn)換電路包含(hán)勵磁電❓路和(he)信号處理電(dian)路兩部分組(zu)成。非滿管電(dian)磁流量計除(chu)了這兩部分(fèn)以外還有激(jī)勵電壓電路(lu)。
3.1 勵磁電路參(cān)數确定
　　勵磁(ci)系統是電磁(cí)流量計的一(yi)個關鍵部分(fen)，其好壞直接(jiē)影💜響到測量(liàng)結果的精确(que)程度高低。勵(li)磁系統的參(cān)數主要是🍓勵(li)磁🛀方式🌏和勵(lì)磁頻率。常用(yòng)的勵磁⛱️方式(shì)有以下幾種(zhong)[8]。
1.直流勵磁
　　直(zhi)流勵磁方式(shì)是用直流電(dian)或永久磁鐵(tiě)産生一個恒(heng)⁉️定的均勻磁(cí)場。直流勵磁(cí)可以忽略流(liu)體中的自感(gǎn)現👈象，同時受(shou)交流影響很(hen)小，但是由于(yú)管中流體電(dian)解質📞的電離(li)，直流勵磁易(yì)産🌈生極化現(xian)象。極化電壓(yā)和流量信号(hào)混雜在一起(qǐ)，不容易區分(fèn)。所以，一般☂️在(zai)測量非電解(jie)質流體的情(qing)況下才采😄用(yong)這種方式❌。

2. 交(jiao)流勵磁
　　交流(liú)勵磁方式是(shì)上世紀 50 年代(dai)工業電磁流(liú)量計主要采(cǎi)用的勵磁方(fang)式，它的磁場(chang)是由正弦交(jiao)變電流産生(sheng)一個交變磁(ci)場：

　　交變磁場(chǎng)能消除極化(hua)幹擾,同時産(chǎn)生的交變信(xìn)号，經✌️過放大(da)和轉換要比(bi)直流信号容(rong)易。但是交變(bian)磁場易産生(sheng)正交（微分）幹(gàn)擾：

和同相幹(gàn)擾：

　　這些幹擾(rao)降低電磁流(liú)量計的信噪(zao)比，這些幹擾(rǎo)信号與流🈚量(liàng)信号e=emsinωt 混雜在(zai)一起，難以區(qū)分。

3.低頻矩形(xing)波勵磁
　　上世(shì)紀70-80 年代出現(xian)了低頻矩形(xing)波勵磁，這種(zhǒng)勵磁方🈲式兼(jian)有📐直流♊勵磁(cí)和交流勵磁(cí)的優點，同時(shí)很好的避免(mian)了它🌏們的缺(quē)點。如圖 3-10 所示(shì)。在半個周期(qī)内，磁場是直(zhi)流磁場，低頻(pin)矩形波勵磁(cí)有直流勵磁(cí)的特點，但從(cong)整個過程來(lai)看磁場又是(shì)處于周期👉性(xìng)變化的過程(chéng)中，低頻矩形(xíng)波又是一個(gè)交變信号，便(bian)于放大和處(chu)理。所以低頻(pín)方波勵磁現(xiàn)階段應用非(fēi)常廣泛的勵(li)磁方式。

綜合(hé)上面所述，非(fēi)滿管電磁流(liú)量計選擇低(dī)頻矩形波作(zuò)👣爲勵磁方式(shi)。
　　電磁流量計(jì)采用較高的(de)勵磁頻率可(ke)以有效降低(di)信号源内阻(zǔ)，當頻率提高(gāo)到100Hz 時，信号源(yuán)内阻約爲幾(ji)百兆。繼續提(tí)高⚽勵磁頻率(lü)，可以進一步(bù)降低信号源(yuan)💔内阻和流動(dòng)噪聲。但是随(sui)着勵磁頻率(lü)的提高，由式(shì)（3-7）和式（3-8）可知⛷️，正(zhèng)交幹擾和同(tóng)相幹😄擾會變(biàn)得更嚴重，電(dian)💋極上的渦電(diàn)流也随之增(zēng)大。根據日本(ben)專家 Nakatani 的研究(jiū)成果，流動噪(zào)聲和微分幹(gan)擾強度随勵(lì)磁頻率變化(huà)🌏規律如圖3-11所(suo)示，從中可以(yǐ)看出，使流動(dong)噪聲和正交(jiāo)幹擾到達最(zui)小的最佳勵(lì)磁頻率應該(gai)在 100-400Hz 範圍内 [22]。

3.2 信(xin)号處理電路(lu)
　　信号處理電(diàn)路的主要作(zuo)用是将傳感(gan)器得到是帶(dai)有很多幹擾(rǎo)而且信号非(fei)常微弱的電(dian)壓信号轉換(huan)成AD 采樣器可(ke)以接受的直(zhí)流信号，從傳(chuán)感器得到的(de)信号如🌂下式(shì)所🌍示[23]：

　　ec 是共模(mo)幹擾電壓、ed 是(shì)串模幹擾電(dian)壓、ez 是直流極(ji)化電🐇壓。其中(zhōng)正交幹擾和(hé)同相幹擾是(shi)由于磁場的(de)突變引起的(de)主要幹擾源(yuan)，共模和串模(mó)幹擾是由于(yu)電磁幹擾和(hé)靜電幹擾産(chan)生的次要幹(gan)擾源，可以通(tong)過靜電屏蔽(bì)和接地加以(yi)抑止，極化電(dian)壓是直流極(ji)化現👅象産生(shēng)的，可通過提(tí)高勵磁頻率(lü)消除[24]。電磁流(liú)量計采用低(dī)頻矩🏃‍♂️形波勵(li)磁能很好消(xiāo)除直流極化(huà)👉現象，在低頻(pin)矩形波的上(shàng)升沿和下降(jiàng)沿，當勵磁電(diàn)流進入穩态(tài)的時候再進(jìn)行信号采樣(yang)，能消除🐪部分(fèn)正交幹擾電(diàn)壓? [25] ，但是信号(hao)處理的時間(jiān)較長。
　　由于傳(chuan)感器得到的(de)信号非常微(wēi)弱并且帶有(you)很多幹擾❌，所(suo)以🈲信号處理(li)電路必須有(yǒu)放大以及抑(yi)制噪聲和幹(gan)擾的功能，圖(tu)🌍 3-15 表示🐪信号處(chù)理電路的組(zǔ)成部分。

電磁(cí)流量傳感器(qi)的内阻很大(dà)，傳感器和轉(zhuan)換器的💰等☎️效(xiao)電🈲路如圖 3-13 所(suǒ)示，

　　圖中 e 是傳(chuán)感器産生的(de)流量電勢信(xìn)号，r 是傳感器(qi)内阻，RL是轉換(huàn)器的輸入阻(zu)抗，eX是轉換器(qi)得到的流量(liàng)電勢信号，根(gēn)據歐姆定律(lǜ)可知：

　　從上式(shì)可以得知RL》r ，所(suo)以要使信号(hao)足夠精确，轉(zhuǎn)換器必須有(yǒu)很高🌈的輸入(rù)阻抗[2]。
　　從傳感(gǎn)器出來是非(fēi)常微弱且帶(dai)有幹擾的信(xin)号，信号預🛀處(chu)理是首先去(qù)除信号中的(de)高頻信号，然(rán)後再用放☁️大(dà)器将信🆚号放(fàng)大，同時放大(da)器能很好地(di)抑制共模幹(gàn)擾，經過前面(miàn)的❤️處理之後(hòu)，信号中還會(hui)有部分幹擾(rao)噪聲，無法直(zhí)接檢測得到(dao)，濾波器💜的主(zhu)要作用是去(qu)除剩餘部分(fèn)的幹擾和噪(zao)聲，得到模數(shù)轉換能直接(jie)識别的信号(hào)，然後傳輸🌍給(gěi)單片機控制(zhì)🈚。
3.3 激勵電壓電(diàn)路
　　非滿管電(diàn)磁流量計以(yǐ)電容式傳感(gan)器爲基本原(yuan)理，向激勵電(diàn)極通入高頻(pín)電壓以形成(chéng)電容式傳感(gan)器，激勵電壓(ya)電路㊙️框圖⚽如(ru)圖♻️ 3-14 所示。

　　由于(yu)激勵電極安(ān)裝在測量管(guǎn)和襯裏之間(jian)，激勵電壓電(diàn)路在工作的(de)過程中需要(yào)一定大小的(de)高頻電壓用(yong)以擊穿襯裏(li)材料，所🔞以采(cai)用變壓器以(yi)得到不🛀🏻同大(dà)小的擊穿💋電(dian)壓值，工控闆(pan)用來控制整(zhěng)個激勵電路(lù)。
4小結
　　　非滿管(guan)電磁流量計(ji)重點介紹了(le)一種新的非(fei)滿管❗電🔆磁流(liú)量🈲計的結構(gòu)，該結構是以(yǐ)電容式傳感(gǎn)器爲基本原(yuán)理，利用電容(róng)💃和液位的高(gāo)度關系來進(jìn)行測👣量。同時(shí)分析了🎯非滿(man)管電磁流量(liàng)計基本的工(gong)作原理、簡要(yao)介紹了流量(liang)🙇‍♀️信号的處理(lǐ)方法，爲後面(mian)實驗方案及(jí)裝置的設計(ji)打下了基礎(chu)。

以上内容源(yuan)于網絡，如有(you)侵權聯系即(ji)删除!