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电磁流量计结构演化分析
发布时间：2024-01-25 10:13:00
电磁流量计结构优化的主要方式包括从测量管、励磁线圈结构、测量电极的位置和数量等方面进行改变,从而得到适用复杂工况的电磁流量计。
1.非绝缘测量管电磁流量计
电磁流量计绝缘衬里的作用是防止感应信号被金属测量管短路,提高了流量计的测量精度。国内的电磁流量计的常见衬里材料有聚四氟乙烯、聚三氟氣乙烯、硬橡胶、聚氨酯橡胶、乙烯与四氟氯乙烯共聚物等。但这些绝缘材料在耐磨性、耐高温、耐氧化性、耐酸碱性等方面不能兼得,电磁流量计的绝缘衬里限制了其测量流体的适用范围及适用工况,因此希望电磁流量计能突破绝缘衬里和绝缘测量管的限制，采用非绝缘测量管进行流量的测量。
非绝缘测量管电磁流量计的原理是建立流体与非绝缘金属管壁之间不同的边界条件。通过施加与流体流量成正比的电压,在管壁上形成电势分布,由于电流流过金属管壁,使得管壁上的电势分布与流体中的流动信号电势不同,这就建立了管道与非绝缘金属管壁之间的边界条件,这个边界条件与绝缘衬里同样起到了防止电流经过引起短路的作用。也称这种新的控制方法为“电势补偿法”。非绝缘测量管电磁流量计的结构如图1所示。
2.不同励磁线圈形状的电磁流量计
电磁流量计的励磁系统是由励磁线圈、导磁铁芯和磁轭等部分组成。电磁流量计的磁场特性不仅和励磁电流大小变化有关,还深受励磁线圈的形状、尺寸大小、匝数等因素影响。电磁流量计工作磁场的稳定性和均匀性是设计分析励磁系统最关键的因素。不同的励磁线圈形状对电磁流量计工作磁场的影响也各具特点。
2.1典型励磁线圈
工业生产中广泛应用的励磁线圈的形状主要有圆形线圈、菱形线圈矩形线圈、马鞍形线圈等。4种励磁线圈的仿真几何模型如图2所示。典型的线圈结构仍存在一些不足,如亥姆霍兹线圈中部的工作磁场均匀度较好,而边缘处磁场却减弱;菱形励磁线圈和矩形励磁线圈产生的工作磁场在电极附近的分布均匀度较差;马鞍形励磁线圈的磁场.均匀度最好,但输出感应电动势大小比亥姆霍兹线圈低。
2.2E形框架亥姆霍兹线圈
由于励磁线圈的轴向长度有限,根据电磁感应原理,线圈产生的磁场是一系列圆形的闭环。在线圈弯曲的磁场的边缘处形成非均匀分布的磁场。即电磁场的分布在测量管方向具有边缘效应。ShereliffJA的数学模型中提到当励磁线圈的轴向长度接近测量管半径的3倍时,有限磁场的灵敏度接近1。虽然分析了电磁流量计灵敏度与磁场轴向长度之间的关系,但励磁线圈沿电极方向的长度仍未分析。
E形框架亥姆霍兹线圈是一种在传统的亥姆霍兹线圈中加入导磁材料制成的E形框架来模拟磁场的分布的改进励磁结构。常用的励磁装置亥姆霍兹线圈具有2个平行排列的线圈,并且测量管中的磁流场是2个线圈产生的磁场的叠加。为了减少在线圈边缘漏磁通的影响,一种由导磁材料构成的E形励磁框架,如图3所示。线圈缠绕在E形框架的中心，整个励磁装置由2个彼此相对放置的E形框架组成。线圈形状是矩形的，由于E形框架具有高导磁率,磁力线可以集中在E形框架的中心区域，以提高穿过测量管的磁场的强度和均匀性,并且可以减小激励装置的尺寸。其中,E形框架亥姆霍兹线圈沿着测量管的轴向长度是48mm,即测量管半径的3倍。此种结构具有漏磁小、磁场分布均匀等优点。可将磁通量集中在测量管周围的区域以确保有足够的磁场强度来检测流量流速信号。.
2.3双层励磁线圈
明渠是一种具有自由表面液体流动的渠道。明渠水流也称为重力流和无压流,其靠重力作用产生,表面相对压力为零且具有自由表面，因此,明渠水流流经渠道的截面是时刻变化的。明渠电磁流量计的主要设计问题是通过专门设计的励磁线圈来保证测量区内磁场的均匀分布。线圈的设计还需应对干扰电场的边界效应，达到此需求最简单的方法是在轴向上增加线圈的长度,但这又增加了线圈的制造成本。双层励磁线圈结构为解决明渠电磁流量计的磁场分布问题奠定了基础。
为了使明渠流量计测量区磁场达到最佳均匀性,将双层线圈和亥姆霍兹线圈两种励磁线圈进行仿真比较,图4为双层励磁线圈和亥姆霍兹线圈的仿真模型,发现双层线圈的设计要优于亥姆霍兹线圈,如果在亥姆霍兹线圈中,在流向方向上使线圈长度增加50%,则得到的磁场分布均匀性与在双层线圈中相同。因此,双层励磁线圈结构相比亥姆霍兹励磁线圈更适用于明渠电磁流量计。
3.不同测量电极结构的电磁流量计
根据电极结构的不同,电磁流量计可分为接触式和非接触式两种。接触型电磁流量计使用金属点电极穿透管壁。非接触式电磁流量计是将大面积的金属电极粘贴在测量管上,通过电容耦合的方式获得感应信号,因此,又称电容式电磁流量计。
3.1非接触式电磁流量计
非接触式电磁流量计具有一些突出的优点:一方面避免了被测液体与检测电极直接接触,解决了检测电极容易受到液体腐蚀、磨损等问题;选择合适的衬里材料,电容式电磁流量计也可以实现对浆液型和较高腐蚀性流体的检测,增大了流量仪表的使用范围。另一方面,电磁流量计通过电容耦合的方式获取被测液体流量信号,被测流体与检测电极之间的耦合电容决定了传感器的内阻;增加耦合电容值可以减小传感器的内阻,降低流量信号检出难度，从而使被测流体电导率的下限减小。
非接触式电磁流量计的电极与被测流体间有绝缘衬里隔离或者直接采用绝缘测量管。电极贴于测量管外面或镶嵌于测量管内部。非接触式电磁流量计利用电极与被测流体通过绝缘衬里形成耦合电容来检测被测流体流量信号。主要结构形式按电极的安装位置可分为两种:电极嵌人测量管绝缘衬里(嵌人式)、电极贴在测量管外(外贴式)。嵌入式电磁流量计和外贴式电磁流量计的结构如图5所示,嵌人式结构和普通电磁流量计电极结构类似,而外贴式多是采用陶瓷表面金属化将电极贴在流量计测量管外部。
3.2多电极式电磁流量计
通过理论分析[10]发现，流体测量截面处的速度分布对电磁流量计的测量精度影响十分敏感,所以传统单对电极电磁流量计测量流体时,要求流速分布是轴对称的,因此,需要被测流体满管并具有足够长的直管段。在管径大、流体未满管或测量条件有限时,单对电极电磁流量计的测量结果会存在不同程度的误差，对于非满管流体和非轴对称速度分布流体的测量传统流量计不再适用,多电极式电磁流量计可以通过测量多个点的感应电动势,获得任意流型下的流体平均流速的表达式以及测量管内流体液面高度，适用于非轴对称流动和非满管条件下的流量测量。
1)非满管多电极式电磁流量计。其测量管壁上具有多对电极,其中1对信号注人电极设置在测量管底部,用于满管状态判别的满管指示电极设置在测量管顶部,其余3对电极为测量电极设置在测量管两侧,用于管道流体液.位和流速信号的测量。当对液位进行测量时,将电压幅值恒定的交流信号施加于信号注人电极上,在流体满管情况下,该流量计的功能与普通的电磁流量计相同,因为此时流体流经横截面积是固定的,只需根据感应电动势推出被测流体的流速,进而计算得到流量值。当流体未充满管道时,满管指示电极检测到管道流体为非满管状态,并利用算法对测量值进行修正,此时流量计的测量方式则是测量流体流速和非满管流体液位高度。通过测量管内被测液体的耦合,反映液位高度变化的合成信号可以通过3对测量电极得到,液位高度的准确测量值是通过转换器将合成信号转换获得。非满管多电极电磁流量计结构简图如图6所示。
2)非轴对称速度分布多电极式电磁流量计。由于测量截面所在平面内管壁的感应电动势积分运算的测量结果与流体流速分布无关,因此,多电极式电磁流量计可通过测量多点的感应电动势来测量非轴对称速度分布下的流体流量。非轴对称速度分布多电极式电磁流量计按照测量电极个数可分为四电极式、六电极式、八电极式、十六电极式17等。从理论上讲电极个数越多,流体平均流速的测量精度越高,但是从实际生产制作条件与流量计可靠性来说,测量电极数目不能无限增多,而且随着电极数目的增多,测量系统实时性也会降低。
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