流量计系列产品
 
 

电磁流量计综述(上)

发布时间:2017-10-31
 

随着社会生产力的发展,流速和流量测量领域不断扩大,从水文测量到工业用水排水、生活用水、环境监测、农业排灌,从单相流速流童测量到多相流速流量测量,提出了许多复杂而困难的课题。这就要求流速流测最仪器具有新的性能与功能,这些新的功能大致可以归纳为以下几个方面:
(1)能实现非接触测量,以适应一些特殊环境与特殊流场的测量需要,例如,有毒、有味、有危险性的测量环境和封闭性流场;
(2)能适应不同水质和多相流质的测量,,以适应不同的领域对不同流质的测量需求;
(3)能连续长期工作,并具有自动控制功能,以适应现代化生产和调度的总趋势。
社会的需求是科技发展的原动力。十几年来,一些新型的流速、流量测量设备不断出现。这些新的测量仪器设备的共同特征,是利用辐射波的形式来传递流速流量信号,以实现非接触式测量。例如,激光流速仪、电波流速仪、超声波流速仪、电磁流量计等。
电磁流量计较其他几种应用辐射波的仪器性能具有以下特点:
(1)电磁流量计直接应用的是面上的平均流速或流量,而不是点流速或线平均流速,所以它能够适应各种流态的测量要求,例如,不要求测量管道截面上游和下游之间有一定的直线距离,不要求知道准确的管径或截面积;
(2)对不同流质适应性较强,从而具有更大的实用价值。据美国、日本及西欧六国的统计资料表明:在产品开发进度、产量产值、销售额及年增长速度方面,电磁流量计名列所有新型流速流量测量仪器设备之首,正在迅速占领并扩大自己的市场。
1、电磁流量计的测量原理
电磁流量计的测量原理就是发电机原理;当导体在磁场中作切割磁力线运动时,在导体内部产生电动势,电动势的方向与磁力线及导体运动方向间的相互关系由右手定则确定。根据这一定则,若磁力线方向垂直入射右手掌,大姆指代表导体运动方向,则其余四个手指的方向,三个方向互相正交。
在管道中,流体沿管轴方向流动,相当于导体运动方向V(图1),在管内S部位截面内有一磁场,其磁力线方向垂直人射图面,则在管壁的AA'部位产生感应电动势,方向为A'A。

感应电动势E的大小取决于单位时间内切割磁力线的多少,在磁场强度一定的情况下,它与管道的截面积和面平均流速之积成正比,也就是与流量成正比。
根据上述基本原理,电磁流量计主要由两部分组成:
(1)能够形成一个稳定的、分布均匀的磁场,该磁场与管轴正交,方向一致;
(2)能够将感应电动势提取出来,并经过技术处理,直接显示所需要的面平均流速或流量。前者称为磁路系统;后者称为信号处理系统。下面就这两部分作进一步介绍。
2、磁路系统    
如前所述,电磁流量计磁路系统的作用是产生一个稳定的、分布均匀的磁场,该磁场应与流向正交、方向一致。根据发电机的原理,其产生的电动势与流向和磁力线相互正交,它的幅值与流量成正比。
为了形成这样一个系统,可以采取不同的途径和结构形式。一种可以想象得到的简便途径是采用永久磁铁来形成一个恒定的磁场。但是,实践证明:由于永久磁铁产生的电势使流经两个电极(图1中的AA')的电流是长时段的直流讯号而使其极化,极化幅度与极化电流时面积分成正比,从而影响仪器检测精度;其次,感应电势是一种直流讯号,要实现讯号的线性放大,其技术性难度很大。因此,现在通常都采用交流驱动电磁场的方式,其基本结构如图2、图3所示。

根据磁路系统的技术要求,可以有各种不同的结构形式。目前在美、英、日等国家都有各种不同的专利结构。衡量一种结构是否合理,除了良好的技术性能外,通常还应考虑下列几个因素:
(1)能耗小,即在形成相同磁场强度的情况下,激励电功率相对较低;
(2)性能价格(成本)比高;
(3)具有一个短界面距离,以便在不同的测量条件下安装使用。
为了说明问题,我们参照美国的专利文件作进一步说明。
如图3所示,一对电极12在测量管上相对放置,测量管由非磁性管制成,内表面有一个绝缘材料(如橡胶或四氟乙烯),制成的衬垫Ua。测量管口的外部放置一个与管道同轴的柱形磁核(磁芯)14,两者之间有一空隙,四个线圈15a、15b、15c、15d环绕在磁核14周围,并按照相对于流体轴线和电极形成的平面对称分布(图3B)。
图4是线圈部分示意图。四个分隔的线圈15a、15b、15c和15d的引线19a、19b、19c和19d可以进行内部连接,或引出后进行外部连接。

在上述的磁路系统中,由于线圈绕在磁核14上,在磁核内产生很强的磁场。分别由线圈15a、15b、15c和15d产生的磁通量,在磁核的仁核部分相互排斥,并从磁核溢出,因而形成如图5所示的磁力线分布形式,这就是所需要的磁场。

该结构的特点是采用圆筒形磁芯作为线圈磁核,因此它可以在激励电功耗较小的情况下产生较强的磁场,减少了线圈匝数和直流绕阻,比较图2与图4,后者比前者的轴向长度大为缩短,这样就获得了短界面距离的磁路系统,它在一些大型管道的应用中是非常重要的。
图3所示的是该专利结构的基本形式,根据不同的需要还可以作许多局部改进,一个值得参考的改进方面是将磁核部分分成四块,每一块都分别绕有独自的线圈部分(图6)。

因此,整个线圈分为第一象限线圈31、第二象限线圈32、第三象限线圈33和第四象限线圈34。这样,每个象限的磁通强度便可人为设置。
图7是与图6相连接的检波器方框图。

它包括转换电路31,接收来自电极12的电动势信号,并将其转换成低阻抗信号;激励电路22用于激励四个线圈15a、15b、15c和15d;控制单元230用于四个线圈的激励控制和对函数处理单元240的控制;函数处理单元240在控制单元230的控制下执行下列操作;从转换电路210来的具有不同激励图形的电动势信号与预存的“激励图形、电动势和偏移值(已通过实际检测或理论计算获得)的相关数据”相比较来判断偏移值的有/无。当处理函数单元针针对每个激励图形测定偏移值时,测定的偏移值与存在的“偏移值与在给定激励图形状态,即产生均匀分布磁场的激励状态(通过实际检测或理论计算获得)中对流率的补偿值之间的相关数据”进行比较,以获取补偿值,一旦从处理函数单元来的信号表示补偿值已经测定,控制单元230就控制激励电路220,驱动激励线圈产生均匀磁场,处理单元240在接收来自转换电路210的电动势信号计算流率的基础上,再根据上述的补偿值对流率信号进行补偿,然后输出一个正确的流率讯号。应用这种方法后,不管是在测量管11的那个象限区域内产生的偏移都可以得到补偿,这样就可以正确地测定流率。
图8表示通过控制单元230控制而产生的不同激励图形,参照图5线圈结构图,若只有线圈15c被激励,则磁通量分布如图8a;若只有线圈15a被激励,则磁通量分布如图8b;若只有线圈15b被激励,则磁通量分布如图8c;若只有线圈15d被激励,则磁通量 分布如图8d;若同时激励两个线圈,或改变某线圈的激励电流,则可建立不同的磁场图形。

下面简单介绍具有另一结构形式的磁路系统。如前所述,永久磁铁存在极化现象,并且极化幅度与极化电流时间积分成正比。然而,永久磁铁不需要激励功率,而且磁场强度稳定。以下介绍的专利结构形式只需要极小的激励功率,又避免了极化现象的产生。这种结构的主要特点是用硬磁材料制成磁极。硬磁材料具有很高的磁能,它被磁化后的性能就相当于永久性磁体,而在反向的磁化中又可以改变其极性。为了避免产生上述永久磁铁的极化现象,这种结构的另一特点是有一磁体驱动器,以使磁极的极性交替变化,其原理如图9所示。

在图9中,10为流量管;12和13为电极,它固定在管道的内壁上,并相对管轴对称,流率信号由此引出,供给信号处理系统处理。
14为软磁圆柱外架。在管道与外架之间有一对由硬磁材料制成的磁极片15和16,它们安装在外架上,磁极片在流量管的径向相对放置。电极12和13的轴线与流量管轴线垂直,通过外架14、磁极片15、16和流量管形成一个磁路。
线圈17和18分别缠绕在电极片15和16上,而线圈相互串联,其一端与交流电的火线L相连,另一端与(+)驱动器19和(-)驱动器20相连。
当一个由(+)驱动器19产生的正脉冲加至线圈17和18时,电极片15和16倍磁化,电极片15是N极,电极片16是S极,两个电极片之间产生一个磁场,其磁力线与流体流动方向垂直;当(-)驱动器产生的反向脉冲加到线圈17和18时,电磁片去磁,并从反方向重新磁化,此时电极片15是S极性,而电极片16是N极性,磁场的磁力线也反向。如此周期性地改变磁场方向,以避免极化现象的产生。
为了使两个电极片的极性去磁,并在相反方向磁化,且达到饱和程度,需要在线圈两端加上高安匝脉冲,由于脉冲时间很短,线圈需的激励功率仍然很小。例如,假设20安的电流通过一个250匝的线圈,激励每秒10次,每次100微秒,则所需平均电流为0.02安培。
在图9中,AC为交流电源,21为整流电源,输出6V直流电压供信号处理系统使用。
22为移相器,22的移相器输出加到方波形成器23上;24为分频器,将方波形成器送来的方波作奇数分频,奇数分频的目的,是使驱动器产生的正负脉冲与交流电源(如市电220V、50Hz)正负峰值交替同步(图10);25为脉冲逻辑电路,它按一定的周期和脉冲宽度产生触发脉冲,取激励驱动器19和20。

上述两种结构的磁路系统,其共同的要求是能产生一个强度稳定、分布均匀的磁场,并要求考虑到功耗的多少、界面的长短及成本材料费的多少。上诉两种结构形式的磁路系统,其不同点是前者用软磁材料作磁核,线圈环绕环形磁核缠绕,而且线圈可以分成几个独立的部分,通过不同的激励方式产生不同的磁场分布图形,很好地解决了短界面的测量问题,并能对流率信号进行自动补偿;后者采用硬磁材料作磁核,线圈轴与测量管轴线垂直,采用驱动电路脉冲改变磁极的极性,达到低功耗的目的。