電磁流量計的工作原理

電磁流量計（Eletromagnetic Flowmeters，簡稱EMF）是20世紀(jì)50~60年代隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型流量測量儀表。電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制成的，電磁流量計用來測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。由于其獨特的優(yōu)點，電磁流量計目前已廣泛地被應(yīng)用于工業(yè)過程中各種導(dǎo)電液體的流量測量，如各種酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì)；電磁流量計各種漿液流量測量，形成了獨特的應(yīng)用領(lǐng)域。
在結(jié)構(gòu)上，電磁流量計由電磁流量傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。傳感器安裝在工業(yè)過程管道上，它的作用是將流進(jìn)管道內(nèi)的液體體積流量值線性地變換成感生電勢信號，并通過傳輸線將此信號送到轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器安裝在離傳感器不太遠(yuǎn)的地方，它將傳感器送來的流量信號進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成流量信號成正比的標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出，以進(jìn)行顯示，累積和調(diào)節(jié)控制。
電磁流量計的基本原理
(一)測量原理
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)一導(dǎo)體在磁場中運動切割磁力線時，在導(dǎo)體的兩端即產(chǎn)生感生電勢e，其方向由右手定則確定，其大小與磁場的磁感應(yīng)強度B，導(dǎo)體在磁場內(nèi)的長度L及導(dǎo)體的運動速度u成正比，如果B， L，u三者互相垂直，則
e＝Blu                          (3－35)
與此相仿．在磁感應(yīng)強度為B的均勻磁場中，垂直于磁場方向放一個內(nèi)徑為D的不導(dǎo)磁管道，當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中以流速u流動時，導(dǎo)電流體就切割磁力線．如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極(圖3—17)則可以證明，只要管道內(nèi)流速分布為軸對稱分布，兩電極之間也特產(chǎn)生感生電動勢：
e＝BD                           (3－36)
式中，  為管道截面上的平均流速．由此可得管道的體積流量為：
qv＝πDUˉ   ＝                          （3－37）
由上式可見，體積流量qv與感應(yīng)電動勢e和測量管內(nèi)徑D成線性關(guān)系，與磁場的磁感應(yīng)強度B成反比，與其它物理參數(shù)無關(guān)．這就是電磁流量計的測量原理．
需要說明的是，要使式（3—37）嚴(yán)格成立，必須使測量條件滿足下列假定：
①磁場是均勻分布的恒定磁場；
②被測流體的流速軸對稱分布；
③被測液體是非磁性的；
④被測液體的電導(dǎo)率均勻且各向同性。
圖3－17    電磁流量計原理簡圖
1－磁極；2－電極；3－管道
(二)勵磁方式
勵磁方式即產(chǎn)生磁場的方式．由前述可知，為使式(3—37)嚴(yán)格成立，個必須滿足的條件就是要有一個均勻恒定的磁場．為此，就需要選擇一種合適的勵磁方式。目前，一般有三種勵碰方式，即直流勵磁、交流勵磁和低頻方波勵磁．現(xiàn)分別予以介紹．
1．直流勵磁
直流勵磁方式用直流電產(chǎn)生磁場或采用磁鐵，它能產(chǎn)生一個恒定的均勻磁場．這種直流勵磁變送器的優(yōu)點是受交流電磁場干擾影響很小，因而可以忽略液體中的自感現(xiàn)象的影響．但是，使用直流磁場易使通過測量管道的電解質(zhì)液體被極化，即電解質(zhì)在電場中被電解，產(chǎn)生正負(fù)離子．在電場力的作用下，負(fù)離子跑向正極，正離子跑向負(fù)極．如圖3—18所示．這樣，將導(dǎo)致正負(fù)電極分別被相反極性的離子所包圍，嚴(yán)重影響電磁流量計的正常工作．所以，直流勵磁一般只用于測量非電解質(zhì)液體，如液態(tài)金屬等．
圖3－18  直流勵磁方式
2．交流勵磁
目前，工業(yè)上使用的電磁流量計，大都采用工頻(50Hz)電源交流勵磁方式，即它的磁場是由正弦交變電流產(chǎn)生的，所以產(chǎn)生的磁場也是一個交變磁場．交變磁場變送器的主要優(yōu)點是消除了電極表面的極化于擾．另外，由于磁場是交變的，所以輸出信號也是交變信號，放大和轉(zhuǎn)換低電平的交流信號要比直流信號容易得多．
如果交流磁場的磁感應(yīng)強度為
B＝Bm sin  t                                    （3－38）
則電極上產(chǎn)生的感生電動勢為
e＝Bm D  sin  t                                  （3－39）
被測體積流量為
qv= D                                     （3－40）
式中  Bm――磁場磁感應(yīng)強度的值；
――勵磁電流的角頻率，  ＝2  f；
t――時間；
f――電源頻率．
由式(3－40)可知，當(dāng)測量管內(nèi)徑D不變，磁感應(yīng)強度Bm為一定值時，兩電極上輸出的感生電動勢e與流量qv成正比．這就是交流磁場電磁流量變送器的基本工作原理．
值得注意的是，用交流磁場會帶來一系列的電磁干擾問題．例如正交干擾．同相干擾等，這些干擾信號與有用的流量信號混雜在一起．因此，如何正確區(qū)分流量信號與干擾信號，并如何有效地抑制和排除各種干擾信號，就成為交流勵磁電磁流量計研制的重要課題。
3．低頻方波勵磁
直流勵磁方式和交流勵滋方式各有優(yōu)缺點，為了充分發(fā)揮它們的優(yōu)點，盡量避免它們的缺點，70年代以來，人們開始采用低頻方波勵磁方式．它的勵磁電流波形如圖3—19所示，其頻率通常為工頻的1／4－l／10．
圖3－19   方波勵磁電流波形
從圖3－19可見，在半個周期內(nèi)，磁場是恒穩(wěn)的直流磁場，它具有直流勵磁的特點，受電磁干擾影響很?。畯恼麄€時間過程看，方波信號又是一個交變的信號，所以它能克服直流勵滋易產(chǎn)生的極化現(xiàn)象．因此，低頻方波勵磁是一種比較好的勵磁方式，目前已在電磁流量計上廣泛的應(yīng)用．概括一下，電磁流量計具有如下幾個優(yōu)點：
①電磁流量計能避免交流磁場的正交電磁干擾；
②電磁流量計消除由分布電容引起的工頻干擾；
③電磁流量計抑制交流磁場在管壁和流體內(nèi)部引起的電渦流；
④電磁流量計排除直流勵磁的極化現(xiàn)象．