【正文】 eReReRRRRrWnnnnininnninnininiiii2c o s1121Re1Re121Re11Re11212c o s212c o s1),(21221222422222????????????????? ?????????????????????????????????????????????? （ 217 ） 按式 （ 27 ）展開式，對(duì) Wη (r， θ ) 中的 θ 從 0到 2п 進(jìn)行積分，則該式第二項(xiàng)以下都為 0，因?yàn)? ? ?? ? ????? 2,20 drW （ 218 ） 所以，由式 （ 216 ） 可得： ? ?rdrrvaBe a?? 04 （ 219 ） 平均流速為： ? ? ? ?r drrvar drrvav aa ?? ?? 0202 221 ?? （ 220 ） 由上兩式可得： dvBavBe ?? 2 （ 221 ） 就 是說，如果是軸對(duì)稱流動(dòng)，則電動(dòng)勢(shì)與流速分布無關(guān)，而正比于平均流速 [9]。 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 2 章 電磁流量計(jì) 信號(hào)轉(zhuǎn)換器 整體設(shè)計(jì) 178。 17 178。 并可得通過管道的體積流量： Bedvdqv ??? 44 2 ?? （ 222 ） 公式 （ 221 ）是對(duì)直流磁場(chǎng)的描述，對(duì)于交流磁場(chǎng)而言，如果 tBB m ?sin?? ，可得： dvtBavtBe mm ?????? ?? s i ns i n2 （ 223 ） 電磁流量計(jì)整體設(shè)計(jì) 一般電磁流量計(jì)的構(gòu)成 實(shí)際的 EMF 由流量傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器兩大部分組成。如 圖 為分體電磁流量計(jì)， 一般情況下，傳感器和轉(zhuǎn)換器是分體的，傳感器安裝在生產(chǎn)過程工藝管道上感受流量信號(hào)；轉(zhuǎn)換器將傳感器送來的流量信號(hào)進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，以便進(jìn)行顯示、記錄、積算和調(diào)節(jié)控制。也有的電磁流量計(jì)將轉(zhuǎn)換器和傳感器裝在一起，組成一體型電磁流量計(jì)，可就地顯示和遠(yuǎn)傳顯示和控制。電磁流量計(jì)傳 感器主要由測(cè)量管組件、磁路系統(tǒng)、電極及干擾調(diào)整機(jī)構(gòu)部分組成。為了使傳感器穩(wěn)定可靠地工作，準(zhǔn)確地感受流量信號(hào)，傳感器應(yīng)滿足如下要求。 1. 能提供一個(gè)足夠大的且與流量成正比的電勢(shì)信號(hào)； 2. 能把干擾信號(hào)抑制到最小程度，使信噪比足夠大； 3. 能適應(yīng)惡劣環(huán)境條件，工作可靠。 測(cè)量管組件測(cè)量管位于傳感器中心，兩端帶有連接法蘭或其它形式的聯(lián)結(jié)裝置，被測(cè)流體通過測(cè)量管。為了讓磁力線能順利地穿過測(cè)量管進(jìn)入被測(cè)介質(zhì)， 首先，測(cè)量管必須由非導(dǎo)磁材料制； 其次，為了減少電渦流，測(cè)量管一般應(yīng)選用高阻抗材料，在滿足強(qiáng)苛求的前提下，管壁應(yīng)盡量??； 第三，為了防止電極上的流量信號(hào)被金屬管壁所短路，所以在測(cè)量管內(nèi)側(cè)應(yīng)東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 2 章 電磁流量計(jì) 信號(hào)轉(zhuǎn)換器 整體設(shè)計(jì) 178。 18 178。 有一完整的絕緣襯里。 襯里材料應(yīng)根據(jù)被測(cè)介質(zhì)，選擇有耐腐蝕，耐磨損，耐高溫等性能的材料，如聚四氟乙烯、耐酸橡膠等。 圖 一般電磁流量計(jì)構(gòu)成 Fig. Normal EMF constitution 影響電磁流量計(jì)性能的因素 1. 被測(cè)介質(zhì)物理性能 1. 被測(cè)介質(zhì)電導(dǎo)率 [25] 應(yīng) 用 電磁流量計(jì) 的前提是被測(cè)液體必須是導(dǎo)電的，不能低于 一定 閾值。電導(dǎo)率低于閾值會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差直至不能使用，超過閾值即使變化也可以測(cè)量，示值誤差變化不大，通用型 EMF的閾值在 （ 104～ 5179。10 6） s/cm之間，視型 號(hào)不同 。 電磁流量計(jì)不能用于電導(dǎo)率更低的液體是因?yàn)閭鞲衅髋c變送器阻抗的匹配問題。變送器內(nèi)阻與液體電導(dǎo)率的關(guān)系是一個(gè)反比例的關(guān)系，例如，對(duì)于圓盤形的電極來說，如果電極的直徑 d 相對(duì)于兩電極間 的距離 D 很小時(shí)，則可以近似地認(rèn)為變送器的內(nèi)阻為： 傳感器 信號(hào)轉(zhuǎn)換器 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 2 章 電磁流量計(jì) 信號(hào)轉(zhuǎn)換器 整體設(shè)計(jì) 178。 19 178。 dri ???1 ） （ 224 ） 式中， ? 為液體的電導(dǎo)率 （ s/cm） ， d為電極的直徑 （ cm） 。 對(duì)于電磁流量計(jì)來說，變送器產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)只有幾 mV，能否進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，還要取決于轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗，通常要求轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變送器內(nèi)阻，才可以保證儀表的測(cè)量精度。目前，轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗一般達(dá)到 100～200MΩ ，即要保證 %傳輸精度的傳感器內(nèi)阻必須小于 100～ 200KΩ 。假 設(shè)電極直徑為 1cm，那么根據(jù)上式可得被測(cè)介質(zhì)最低電導(dǎo)率為 (～ 1)179。10 5s/m。故 使用時(shí)還取決于傳感器和轉(zhuǎn)換器間流量信號(hào)線長(zhǎng)度及其分布電容。非接觸電容耦合大面積電極的儀表則可測(cè)電導(dǎo)率低至 5179。10 8s/cm的液體。 工業(yè)用水及其水溶液的電導(dǎo)率大于 104s /cm，酸、堿、鹽液的電導(dǎo)率在 104～101s /cm之間，使用不存在問題，低度蒸餾水為 105s /cm也不存在問題。石油制品和有機(jī)溶劑電導(dǎo)率過低就不能使用。實(shí)際 測(cè)量 的液體電導(dǎo)率最好要比儀表制造廠規(guī)定的閾值至少大一個(gè)數(shù)量級(jí)。因?yàn)橹圃鞆S儀表規(guī) 范規(guī)定的下限值是在各種使用條件較好狀態(tài)下測(cè)量的最低值。受到一些使用條件限制，如電導(dǎo)率均勻性、連接信號(hào)線、外界噪聲等，否則會(huì)出現(xiàn)輸出晃動(dòng)現(xiàn)象等。 2. 被測(cè)介質(zhì) 粘度影響 通常認(rèn)為電磁流量計(jì)流量測(cè)量值不受液體粘度影響。但從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，結(jié)果正好是相反的。根據(jù)荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織 (TNO)和 DSM Research 對(duì) 8 家制造廠 20臺(tái) EMF歷時(shí) 、粘度、溫度和環(huán)境溫度影響的試驗(yàn)，與常溫水粘度流量相比較，平均變化在 %— %之間。 3. 被測(cè)介質(zhì) 溫度影響 當(dāng)介質(zhì)溫度升高時(shí)，離子的水化作用減弱， 溶液粘度也會(huì)減小。這樣介質(zhì)的電導(dǎo)率就會(huì)隨介質(zhì)溫度的變化而變化。一般來說．隨著介質(zhì)溫度的上升，電導(dǎo)率也上升，其大致的情況是介質(zhì)溫度升高一度，電導(dǎo)率約增大 ％。按照這種關(guān)系，如果介質(zhì)溫度上升 200C時(shí)，電導(dǎo)率就要提高一倍左右。同時(shí)，由于變送器的內(nèi)阻與被測(cè)介質(zhì)電導(dǎo)率成反比關(guān)系。被測(cè)介質(zhì)電導(dǎo)率愈低，變送器的內(nèi)阻就越大。因此，介質(zhì)溫度上升，變送器的內(nèi)阻就變小，它總是隨被測(cè)介質(zhì)電導(dǎo)率的變化而東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 2 章 電磁流量計(jì) 信號(hào)轉(zhuǎn)換器 整體設(shè)計(jì) 178。 20 178。 變化。而為了保證測(cè)量精度，在這種情況下，就要求電磁流量轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗必須大于變送器內(nèi)阻許多倍，才能保證在介質(zhì)電導(dǎo)率在一定 范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，對(duì)測(cè)量精度不至于造成很大的影響。所以，介質(zhì)的溫度的變化也是值得注意的。 2. 被測(cè)介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài) 由流體力學(xué)可知，液體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，在管道橫截面上各點(diǎn)的流速是不等的。通常，管內(nèi)流動(dòng)呈層流或者紊流狀態(tài)，兩者的速度分布雖不相同，但只要經(jīng)過一定距離的直管段，軸不對(duì)稱流速分布即變成軸對(duì)稱分布。且只要流速分布相對(duì)測(cè)量管中心軸為對(duì)稱時(shí)，則在電極上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與各點(diǎn)的流速分布狀態(tài) (層流或者紊流狀態(tài) )無關(guān)，而只與被測(cè)液體的平均流速成正比，見式 （ 223） 。 3. 磁場(chǎng)邊緣效應(yīng) 在推導(dǎo)電磁流量計(jì)相關(guān)計(jì)算公式時(shí)，經(jīng)常假設(shè)磁場(chǎng)分布為無限長(zhǎng)（ L→∞ ），也就是說磁場(chǎng)的邊緣效應(yīng)可以忽略的?？墒牵@種假定條件對(duì)所有實(shí)際的流量計(jì)都是難于做得到的，因而也是不現(xiàn)實(shí)的。在實(shí)際應(yīng)用中，總是希望激磁線圈和測(cè)量管的長(zhǎng)度越短越好。這樣就會(huì)出現(xiàn)所謂的磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)，即磁場(chǎng)軸向長(zhǎng)度對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值的影響和激磁線圈兩端的磁感應(yīng)強(qiáng)度不均勻測(cè)量的影響。 假設(shè)絕緣的電磁流量計(jì)測(cè)量管內(nèi)壁磁場(chǎng)線圈的長(zhǎng)度為 2L，測(cè)量管半徑為 a，根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果， L/a的比值范圍大致為 L/a=— ，在電極上所測(cè)得的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與無限長(zhǎng)磁場(chǎng)下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小比較接近。也就是說，為了減小磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)的影響，激磁線圈的長(zhǎng)度應(yīng)為測(cè)量管內(nèi)徑的 — 倍。這樣，才可以使電極上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)接近于無限長(zhǎng)磁場(chǎng)時(shí)的理論計(jì)算值 4. 附著和沉淀 測(cè)量易在管壁附著和沉淀物質(zhì)的流體時(shí)，若附著的是比液體電導(dǎo)率高的導(dǎo)電物質(zhì)，信號(hào)電勢(shì)將被短路而不能工作，若是非導(dǎo)電層則首先應(yīng)注意電極的污染，譬如選用不易附著的尖形或半球形突出電極以及可更換式電極、刮刀式清垢電極等。刮刀式電極可在傳感器外定期手動(dòng)刮出沉垢。國(guó)外產(chǎn)品曾有電極上裝超聲波換能器，以清除表 面垢層，但現(xiàn)已少見。也有暫時(shí)斷開測(cè)量電路，在電極簡(jiǎn)短時(shí)間內(nèi)流過低壓大電流，焚燒清除附著油脂類附著層。容易產(chǎn)生附著的環(huán)境可通過提高流速以達(dá)到清掃的目的，還可以采取較方便的易清洗管道連接，可不拆卸清東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 2 章 電磁流量計(jì) 信號(hào)轉(zhuǎn)換器 整體設(shè)計(jì) 178。 21 178。 洗傳感器。 采用非接觸型電磁流量計(jì)附著非導(dǎo)電膜層，儀表仍能工作，但若為高導(dǎo)電層則同樣不能工作。 電磁流量信號(hào)轉(zhuǎn)換器的整體設(shè)計(jì)分析 除了上一節(jié)所考慮的影響電磁流量計(jì)性能的因素，才用交流勵(lì)磁的電磁流量計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換器電磁干擾的處理，就成了很麻煩的問題，而且電磁干擾信號(hào)與有用的流量信號(hào)混雜在一起，成份復(fù)雜且有時(shí)還會(huì)比流量信號(hào)大 得多。通常，在液體的平均流速為 1m/s時(shí)，變送器產(chǎn)生的流量信號(hào)為 1mV左右，作大流量也只有幾 mV，而干擾信號(hào)的幅值嚴(yán)重時(shí)，能達(dá)到即使 mV，在這種情況下電磁流量計(jì)如果不具備相應(yīng)的抑制干擾能力 [16]，就無法精確的完成測(cè)量，因此，怎樣抑制和排除這些干擾信號(hào)，提高信噪比就成了研制和使用電磁流量計(jì)的一個(gè)重要的技術(shù)關(guān)鍵，通過多年的實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明 [22]，盡管這些干擾信號(hào)的 成分復(fù)雜，產(chǎn)生的原因和來源也很多，但是干擾信號(hào)基本上可以歸納為兩大類：一類是 90176。 干擾信號(hào)；一類是同相干擾信號(hào)。 1. EMF 信號(hào)轉(zhuǎn)換器正交干擾分析 90176。 干擾，也稱為正交干擾，這是指在相位上與流量信號(hào)相差 90176。 的干擾信號(hào)，其幅值與被測(cè)介質(zhì)的流量大小無關(guān)，而只與磁場(chǎng)的變化速度有關(guān)。一般來說，產(chǎn)生 90176。 干擾信號(hào)主要來源以下兩種。 1． 由變壓器效應(yīng)產(chǎn)生的 90176。干擾 在電磁流量變送器中，由于兩電極的引線處于交變磁場(chǎng)中，如圖 31 所示，從電極 A→ 引出線 → 輸入電路（ rsr） → 另一引出線 → 電極 B→ 被測(cè)介質(zhì) → 電極 A,形成一個(gè)閉合回 路。變送器的勵(lì)磁線圈相當(dāng)于變壓器的初級(jí)繞組，這個(gè)閉合回路相當(dāng)于變壓器的一個(gè)匝數(shù)為 1 的次級(jí)繞組。這個(gè)次級(jí)繞組不可能與變送器的磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁力線完全平行，總會(huì)有一部分交變的磁力線穿過這個(gè)閉合回路所組成的平面，這就形成了“變壓器效應(yīng)”。 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 2 章 電磁流量計(jì) 信號(hào)轉(zhuǎn)換器 整體設(shè)計(jì) 178。 22 178。 B r s轉(zhuǎn)換器r s rIAB 圖 變壓器效應(yīng)次級(jí)回路示意圖 Fig. Demonstration of secondarycoil circuit effect of transformer 根據(jù)楞次定律可知，當(dāng)變送器通電后，在閉合回路內(nèi)就產(chǎn)生出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) el,這就是 90176。 干擾電動(dòng)勢(shì)，可用楞次定律表示如下： )2s i n(c os tBtBdtdBe mml ????? ??????? （ 225 ） 式中負(fù)號(hào)表示楞次定律感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與磁場(chǎng)變化的方向相反，即抵制dB/dt變化的方向而加。如果將 （ 223 ）式與 （ 225 ）式比較可以看出： 90176。干擾 el與流量信號(hào) e 的相位相差 90176。 。由于閉合回路與磁通交鏈的方向不同， 90176。干擾 el與勵(lì)磁電壓 U 可以近似地看作同相位或相位相反，如 圖 所示。同時(shí)由（ 225 ）式可以看到， el與電源的頻率有關(guān)，而與流量大小和變送器的口徑無關(guān)。所以電源頻率越高，這種“變壓器效應(yīng)”所產(chǎn)生的 90176。 干擾 el也越強(qiáng)；降 低勵(lì)磁電流的頻率，可以減少這種 90176。 干擾。 2． 渦電流造成的 90176。干擾 [15] 由于變送器工作在交變磁場(chǎng)中，變送器內(nèi)會(huì)產(chǎn)生渦電流造成 90176。 干擾。這種干擾大致有以下兩種可能的情況： 流量計(jì)測(cè)量管管壁中的渦電流： 電磁流量計(jì)的測(cè)量管一般采用不銹鋼管，內(nèi)襯以絕緣襯里，如 圖 。由于測(cè)量管處于交變磁場(chǎng)中，因此，管壁的金屬材料中也會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生渦電流。這種渦電流的相位與流量信號(hào) e相差