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量管、勵(lì)磁線圈結(jié)構(gòu)、測量電極的位置和數(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)信號被金屬測量管短路,提高了流量計(jì)的測量精度。國內(nèi)的電磁流量計(jì)的常見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量管的限制，采用非絕緣測量管進(jìn)行流量的測量。
非絕緣測量管電磁流量計(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。通過施加與流體流量成正比的電壓,在管壁上形成電勢分布,由于電流流過金屬管壁,使得管壁上的電勢分布與流體中的流動(dòng)信號電勢不同,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)過引起短路的作用。也稱這種新的控制方法為“電勢補(bǔ)償法”。非絕緣測量管電磁流量計(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)磁線圈、導(dǎo)磁鐵芯和磁軛等部分組成。電磁流量計(jì)的磁場特性不僅和勵(lì)磁電流大小變化有關(guān),還深受勵(lì)磁線圈的形狀、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)磁線圈形狀對電磁流量計(jì)工作磁場的影響也各具特點(diǎn)。
2.1典型勵(lì)磁線圈
工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的勵(lì)磁線圈的形狀主要有圓形線圈、菱形線圈矩形線圈、馬鞍形線圈等。4種勵(lì)磁線圈的仿真幾何模型如圖2所示。典型的線圈結(jié)構(gòu)仍存在一些不足,如亥姆霍茲線圈中部的工作磁場均勻度較好,而邊緣處磁場卻減弱;菱形勵(lì)磁線圈和矩形勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的工作磁場在電極附近的分布均勻度較差;馬鞍形勵(lì)磁線圈的磁場.均勻度最好,但輸出感應(yīng)電動(dòng)勢大小比亥姆霍茲線圈低。
2.2E形框架亥姆霍茲線圈
由于勵(lì)磁線圈的軸向長度有限,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,線圈產(chǎn)生的磁場是一系列圓形的閉環(huán)。在線圈彎曲的磁場的邊緣處形成非均勻分布的磁場。即電磁場的分布在測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)磁線圈的軸向長度接近測量管半徑的3倍時(shí),有限磁場的靈敏度接近1。雖然分析了電磁流量計(jì)靈敏度與磁場軸向長度之間的關(guān)系,但勵(lì)磁線圈沿電極方向的長度仍未分析。
E形框架亥姆霍茲線圈是一種在傳統(tǒng)的亥姆霍茲線圈中加入導(dǎo)磁材料制成的E形框架來模擬磁場的分布的改進(jìn)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)。常用的勵(lì)磁裝置亥姆霍茲線圈具有2個(gè)平行排列的線圈,并且測量管中的磁流場是2個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場的疊加。為了減少在線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)彼此相對放置的E形框架組成。線圈形狀是矩形的，由于E形框架具有高導(dǎo)磁率,磁力線可以集中在E形框架的中心區(qū)域，以提高穿過測量管的磁場的強(qiáng)度和均勻性,并且可以減小激勵(lì)裝置的尺寸。其中,E形框架亥姆霍茲線圈沿著測量管的軸向長度是48mm,即測量管半徑的3倍。此種結(jié)構(gòu)具有漏磁小、磁場分布均勻等優(yōu)點(diǎn)?？蓪⒋磐考性跍y量管周圍的區(qū)域以確保有足夠的磁場強(qiáng)度來檢測流量流速信號。.
2.3雙層勵(lì)磁線圈
明渠是一種具有自由表面液體流動(dòng)的渠道。明渠水流也稱為重力流和無壓流,其靠重力作用產(chǎn)生,表面相對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)問題是通過專門設(shè)計(jì)的勵(lì)磁線圈來保證測量區(qū)內(nèi)磁場的均勻分布。線圈的設(shè)計(jì)還需應(yīng)對干擾電場的邊界效應(yīng)，達(dá)到此需求最簡單的方法是在軸向上增加線圈的長度,但這又增加了線圈的制造成本。雙層勵(lì)磁線圈結(jié)構(gòu)為解決明渠電磁流量計(jì)的磁場分布問題奠定了基礎(chǔ)。
為了使明渠流量計(jì)測量區(qū)磁場達(dá)到最佳均勻性,將雙層線圈和亥姆霍茲線圈兩種勵(lì)磁線圈進(jìn)行仿真比較,圖4為雙層勵(lì)磁線圈和亥姆霍茲線圈的仿真模型,發(fā)現(xiàn)雙層線圈的設(shè)計(jì)要優(yōu)于亥姆霍茲線圈,如果在亥姆霍茲線圈中,在流向方向上使線圈長度增加50%,則得到的磁場分布均勻性與在雙層線圈中相同。因此,雙層勵(lì)磁線圈結(jié)構(gòu)相比亥姆霍茲勵(lì)磁線圈更適用于明渠電磁流量計(jì)。
3.不同測量電極結(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量管上,通過電容耦合的方式獲得感應(yīng)信號,因此,又稱電容式電磁流量計(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):一方面避免了被測液體與檢測電極直接接觸,解決了檢測電極容易受到液體腐蝕、磨損等問題;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)對漿液型和較高腐蝕性流體的檢測,增大了流量儀表的使用范圍。另一方面,電磁流量計(jì)通過電容耦合的方式獲取被測液體流量信號,被測流體與檢測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,降低流量信號檢出難度，從而使被測流體電導(dǎo)率的下限減小。
非接觸式電磁流量計(jì)的電極與被測流體間有絕緣襯里隔離或者直接采用絕緣測量管。電極貼于測量管外面或鑲嵌于測量管內(nèi)部。非接觸式電磁流量計(jì)利用電極與被測流體通過絕緣襯里形成耦合電容來檢測被測流體流量信號。主要結(jié)構(gòu)形式按電極的安裝位置可分為兩種:電極嵌人測量管絕緣襯里(嵌人式)、電極貼在測量管外(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)測量管外部。
3.2多電極式電磁流量計(jì)
通過理論分析[10]發(fā)現(xiàn)，流體測量截面處的速度分布對電磁流量計(jì)的測量精度影響十分敏感,所以傳統(tǒng)單對電極電磁流量計(jì)測量流體時(shí),要求流速分布是軸對稱的,因此,需要被測流體滿管并具有足夠長的直管段。在管徑大、流體未滿管或測量條件有限時(shí),單對電極電磁流量計(jì)的測量結(jié)果會(huì)存在不同程度的誤差，對于非滿管流體和非軸對稱速度分布流體的測量傳統(tǒng)流量計(jì)不再適用,多電極式電磁流量計(jì)可以通過測量多個(gè)點(diǎn)的感應(yīng)電動(dòng)勢,獲得任意流型下的流體平均流速的表達(dá)式以及測量管內(nèi)流體液面高度，適用于非軸對稱流動(dòng)和非滿管條件下的流量測量。
1)非滿管多電極式電磁流量計(jì)。其測量管壁上具有多對電極,其中1對信號注人電極設(shè)置在測量管底部,用于滿管狀態(tài)判別的滿管指示電極設(shè)置在測量管頂部,其余3對電極為測量電極設(shè)置在測量管兩側(cè),用于管道流體液.位和流速信號的測量。當(dāng)對液位進(jìn)行測量時(shí),將電壓幅值恒定的交流信號施加于信號注人電極上,在流體滿管情況下,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)勢推出被測流體的流速,進(jìn)而計(jì)算得到流量值。當(dāng)流體未充滿管道時(shí),滿管指示電極檢測到管道流體為非滿管狀態(tài),并利用算法對測量值進(jìn)行修正,此時(shí)流量計(jì)的測量方式則是測量流體流速和非滿管流體液位高度。通過測量管內(nèi)被測液體的耦合,反映液位高度變化的合成信號可以通過3對測量電極得到,液位高度的準(zhǔn)確測量值是通過轉(zhuǎn)換器將合成信號轉(zhuǎn)換獲得。非滿管多電極電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示。
2)非軸對稱速度分布多電極式電磁流量計(jì)。由于測量截面所在平面內(nèi)管壁的感應(yīng)電動(dòng)勢積分運(yùn)算的測量結(jié)果與流體流速分布無關(guān),因此,多電極式電磁流量計(jì)可通過測量多點(diǎn)的感應(yīng)電動(dòng)勢來測量非軸對稱速度分布下的流體流量。非軸對稱速度分布多電極式電磁流量計(jì)按照測量電極個(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)可靠性來說,測量電極數(shù)目不能無限增多,而且隨著電極數(shù)目的增多,測量系統(tǒng)實(shí)時(shí)性也會(huì)降低。
