電磁(ci)流量計 由于具有衆(zhong)多的(de)優點(dian)廣泛(fan)應用(yong)于工業各(ge)種場合，近(jin)年來已(yi)經(jing)逐步(bu)向民用領(ling)域擴(kuo)展。傳統(tong)的(de)電磁流量(liang)計僅(jin)能用(yong)于滿(man)管的流量測量(liang)，對于非滿(man)管流體或(huo)者流體在(zai)滿(man)管與非(fei)滿管之間變化的流動時的流(liu)量測(ce)量研(yan)究較(jiao)少。非(fei)滿(man)管流體(ti)流動時,由(you)于管(guan)内的(de)流體截面(mian)積是(shi)變(bian)化的,或(huo)者流(liu)體(ti)流動一(yi)直處(chu)于非滿管狀态(tai)，非(fei)滿管流(liu)量的(de)測量需要測量(liang)流體平均(jun)流速和液(ye)位這(zhe)兩個參(can)數。非滿(man)管狀态下(xia),測量管内流體流速(su)分布(bu)不對(dui)稱,導(dao)緻權(quan)重函(han)數的(de)分布(bu)和液(ye)位有(you)關，同(tong)時(shi)電極上(shang)的感應信号是(shi)兩電(dian)極(ji)橫斷面(mian)内所(suo)有質(zhi)點電(dian)位的集(ji)合,即電(dian)勢一定要(yao)處于(yu)電極可測量範(fan)圍之内(nei),所(suo)以進行非(fei)滿管的流(liu)量測量(liang)電極必(bi)須浸(jin)入(ru)流(liu)體内(nei),否則電(dian)極得不到感(gan)應(ying)信(xin)号[17-19] 。
1 非(fei)滿管(guan)電磁(ci)流量(liang)計 的(de)結構設計(ji)
1.1 非滿管電磁流(liu)量計(ji)的測量原(yuan)理
　　管道式電磁流量(liang)計(ji) 在工作(zuo)的過程中，可能(neng)會出(chu)現管道中(zhong)流體未充滿或(huo)者在流(liu)體流動(dong)過程(cheng)中，流體流(liu)動處(chu)于滿管向(xiang)非滿(man)管(guan)道(dao)的轉(zhuan)換狀态中。使管(guan)中流體流(liu)動有(you)兩種(zhong)流動狀态(tai)。對流體未(wei)充滿(man)管道(dao)式 1，如(ru)圖 3-1 所(suo)示，此(ci)時如(ru)果仍(reng)按傳(chuan)統(tong)流(liu)量計(ji)的測量原(yuan)理，則(ze)：
實際(ji)值=測(ce)量值(zhi)-上部空氣(qi)部分(fen)

　　由權重函(han)數的(de)理論(lun)可知(zhi)，感應(ying)信号電(dian)壓是兩(liang)電極(ji)橫斷面内(nei)所有質(zhi)點電位(wei)的集合，不論流(liu)體在管(guan)道(dao)中橫(heng)截面如何(he)變化(hua)，流動(dong)流(liu)體(ti)的質(zhi)點都會有感應(ying)電勢(shi)，但是(shi)這些(xie)電勢一定(ding)要處(chu)于電極的集合(he)範圍内，如果電(dian)極暴露(lu)在空氣(qi)中，電極得(de)不到(dao)信号(hao)[19]，流體未充(chong)滿管道(dao)式(shi) 2 就是這種情(qing)況。當流(liu)體未充滿管道(dao)時，管(guan)中(zhong)流(liu)體的(de)實際(ji)流量值Q實(shi)=A實?`V，而(er)管中流體(ti)的截面積(ji)爲:

　　式(shi)中 h 爲(wei)液(ye)面(mian)高度(du)， D 爲測量管(guan)内徑(jing)。而不再是(shi)由此(ci)可知，非滿(man)管電磁流量計的流(liu)量測(ce)量(liang)必(bi)須同(tong)時測(ce)量平(ping)均流(liu)速和液位高度(du)這兩(liang)個物(wu)理量(liang)。
1.2 非滿管(guan)電(dian)磁流(liu)量傳感(gan)器流速(su)測量(liang)機構(gou)
　　根據電磁(ci)流(liu)量(liang)計的(de)基本(ben)原理(li)，當流體充(chong)滿管道時(shi)，管中(zhong)流(liu)體(ti)的平(ping)均流(liu)速(su)和兩電(dian)極之間的感應(ying)電勢(shi)之間的關(guan)系如(ru)式(shi)（2-1）所示。當(dang)管中流體未充(chong)滿時(shi)，如前(qian)面所述，測得的(de)信号(hao)不準(zhun)确(que)或者根(gen)本得(de)不到感應(ying)電勢(shi)信(xin)号(hao)。在傳(chuan)統電(dian)磁流(liu)量計(ji)的基礎(chu)上，将流(liu)速檢(jian)測(ce)電極在(zai)高度方向(xiang)上設(she)計在(zai)距測(ce)量管(guan)底端 10%D處，其中 D 爲測量(liang)管直(zhi)徑。這(zhe)樣能保證管中流體液位高于(yu) 10%D 時，根據傳統電(dian)磁流(liu)量計基本(ben)原理，傳(chuan)感(gan)器能(neng)準确測(ce)得流體(ti)的平均(jun)流(liu)速。其(qi)結構如圖(tu) 3-3 所示(shi)。

此時(shi)，兩極(ji)間的感應(ying)電動勢(shi) E 與(yu)兩電(dian)極間(jian)的距離 d 之(zhi)間的關系爲：

E =k Bd`V 　　　　　　（3-2）
1.3 非(fei)滿管(guan)電磁(ci)流量(liang)傳感器液(ye)位測(ce)量機構(gou)
　　基于電(dian)容式(shi)傳感器的(de)基本(ben)原理，就是(shi)将液(ye)位的(de)變化轉換(huan)成電容值(zhi)的變化。在(zai)測量(liang)的過程(cheng)中測量(liang)電壓、頻率(lü)、脈寬等容(rong)易(yi)測(ce)量的(de)物理量(liang)，從(cong)而實(shi)現電(dian)容值的測(ce)量。結合電(dian)容式傳感(gan)器和(he)電磁(ci)流量計(ji)的(de)基本(ben)原理(li)，流體在管(guan)中流動的過程中，利(li)用(yong)流(liu)量計(ji)襯裏和管(guan)内流(liu)體作(zuo)爲介質，同(tong)時在流量(liang)計襯裏與(yu)管壁之間(jian)采用(yong)兩片(pian)圓弧形電極(ji)片，電極(ji)片與襯(chen)裏(li)和管(guan)中流(liu)體形成一(yi)電容(rong)器，根(gen)據電(dian)容式(shi)傳(chuan)感器的(de)基本原理，液體作爲(wei)一(yi)種介質(zhi)，是電容器(qi)的一個組成(cheng)部分，液(ye)體液位的(de)高低，直接(jie)影響電容(rong)器的電容(rong)值，即電容(rong)器的(de)電容(rong)量是液(ye)位高度(du)的單(dan)值(zhi)函數。其(qi)相應結構如圖(tu) 3-4 所示(shi)。
　　爲了(le)降低(di)信号之(zhi)間(jian)的幹擾和(he)便于(yu)控制(zhi)，非滿管電(dian)磁流(liu)量計采用(yong)流速(su)機構和液(ye)位機(ji)構分(fen)體(ti)，但是同(tong)時同步測(ce)量，再将兩(liang)信(xin)号進行(hang)整合，得出(chu)流量(liang)信号。

2 非滿管(guan)電(dian)磁流(liu)量計(ji)原理
2.1 非滿(man)管電磁流量計(ji)測量(liang)原理
　　流體(ti)在管道(dao)内(nei)沿與(yu)磁感應線垂直(zhi)的方向流(liu)動時，根據(ju)法(fa)拉第電(dian)磁感(gan)應(ying)定律，會(hui)産生(sheng)感應電動(dong)勢，通(tong)過感(gan)應電(dian)動勢(shi)值即可得(de)到流體(ti)的(de)平均流速。在兩電極(ji)片間有激勵電(dian)壓的(de)作(zuo)用(yong)下，兩(liang)電極片、襯(chen)裏和流體(ti)一(yi)起構成(cheng)電容(rong)器，根(gen)據電(dian)容式傳感(gan)器基(ji)本原(yuan)理，此(ci)傳感器的(de)等效電路(lu)如圖 3-5 所示(shi)，電極片、襯(chen)裏(li)和(he)流體(ti)一起構成(cheng)了一變介(jie)電常(chang)數型(xing)電容器(qi)，兩(liang)極片(pian)間電(dian)容爲上下(xia)兩部分電(dian)容并(bing)聯而成，其(qi)中 C1和(he) C3、C2和 C4之(zhi)間爲串聯(lian)，其總(zong)電(dian)容(rong)的計(ji)算如式（3-3）。

　　如圖 3-6 所示，管(guan)中液體将(jiang)測量管(guan)分(fen)爲上(shang)下兩(liang)部分，其中(zhong)空氣(qi)的介(jie)電常(chang)數爲0ε，流體的介(jie)電常(chang)數爲(wei)1ε，襯裏的介(jie)電(dian)常數爲(wei)2ε，根據(ju)電容式傳(chuan)感器(qi)模拟計算(suan)方法(fa)可計(ji)算其(qi)電容(rong)值(zhi)[20],1C 和(he)2C 由于(yu)極闆間間(jian)距沒有改(gai)變(bian)，而且兩(liang)極闆(pan)之間(jian)是單(dan)一介質(zhi)，其電容(rong)值可近似作爲平行(hang)闆電容器(qi)來計算(suan)[21]，如下所(suo)示：

式(shi)中，
a 爲襯裏(li)内半(ban)徑， m ；　
h 爲液位(wei)高度(du)，?? m ；　
b 爲(wei)電極内(nei)徑，?? m ；　
l 爲電極片軸(zhou)向長度， m ；
2.2 非滿管(guan)電磁流量(liang)計工作原(yuan)理(li)
　　非(fei)滿管(guan)電磁(ci)流(liu)量計采用勵(li)磁(ci)激(ji)勵和(he)電壓激勵(li)雙激(ji)勵機制(zhi)，在勵磁(ci)激勵的作用下，通過勵(li)磁電路(lu)産生相應的磁(ci)感應(ying)強度，從而(er)在電(dian)極上(shang)得到(dao)與流速對應的(de)電勢信(xin)号(hao)，經過(guo)計算(suan)得到(dao)流體(ti)的平均流(liu)速值(zhi)。在激(ji)勵電(dian)極的(de)作用下，向激勵電極通入高頻(pin)電壓(ya)，使兩圓弧(hu)形電(dian)極片(pian)與其(qi)之間(jian)的(de)介(jie)質形(xing)成電容(rong)式傳感(gan)器，通過電容量(liang)的測量，經過控(kong)制系統(tong)處理後(hou)得到(dao)與(yu)電容對(dui)應的液(ye)位高度(du)信号。兩(liang)個(ge)過程(cheng)互不幹涉(she)，然後(hou)經過控制系統(tong)分析(xi)處理(li)後得(de)到管(guan)中(zhong)流體流(liu)量值。整(zheng)個(ge)系統(tong)框圖(tu)如圖 3-7 所示(shi)。

3 信号(hao)轉換電路的構(gou)成
　　傳(chuan)統的(de)電磁(ci)流(liu)量(liang)計的信号(hao)轉換電路(lu)包含勵磁(ci)電路和信(xin)号處(chu)理電(dian)路兩部(bu)分(fen)組成(cheng)。非滿管(guan)電(dian)磁流(liu)量計(ji)除了(le)這兩部分(fen)以外(wai)還有(you)激勵電(dian)壓電路(lu)。
3.1 勵磁(ci)電路參數(shu)确定(ding)
　　勵磁系統(tong)是電(dian)磁流量計(ji)的一(yi)個關(guan)鍵部(bu)分，其(qi)好(hao)壞直接(jie)影響到(dao)測量結(jie)果的(de)精(jing)确程度(du)高低(di)。勵磁(ci)系統(tong)的參(can)數主(zhu)要是(shi)勵磁方式(shi)和勵(li)磁頻(pin)率(lü)。常用的(de)勵磁方(fang)式(shi)有以下幾(ji)種[8]。
1.直流勵(li)磁
　　直流勵(li)磁方(fang)式是(shi)用直流電(dian)或永久磁(ci)鐵産生一個恒定的(de)均勻磁(ci)場(chang)。直流(liu)勵磁(ci)可(ke)以忽略(lue)流體(ti)中的自感(gan)現象(xiang)，同時受交(jiao)流影響很(hen)小，但是由(you)于管中流(liu)體電解質的電(dian)離，直(zhi)流(liu)勵磁易(yi)産生(sheng)極(ji)化(hua)現象(xiang)。極化(hua)電(dian)壓(ya)和流(liu)量信号混(hun)雜在(zai)一起(qi)，不(bu)容易區(qu)分。所(suo)以，一(yi)般在測量(liang)非電解質(zhi)流體的情(qing)況下才采(cai)用(yong)這種方(fang)式。

2. 交流勵(li)磁
　　交流勵(li)磁(ci)方式是(shi)上世紀 50 年代工業電磁流量計(ji)主要采用(yong)的勵磁方式(shi)，它的磁(ci)場是由(you)正(zheng)弦交(jiao)變電(dian)流産生一(yi)個交變磁(ci)場：

　　交(jiao)變磁(ci)場能消除(chu)極化(hua)幹擾,同時(shi)産生(sheng)的交變信(xin)号，經過放(fang)大和轉換(huan)要(yao)比直流(liu)信号容易(yi)。但是(shi)交變(bian)磁場易産(chan)生正交（微分）幹擾：

和(he)同相幹擾(rao)：

　　這些幹(gan)擾降低(di)電磁(ci)流量計的(de)信噪(zao)比(bi)，這(zhe)些幹(gan)擾信号與流量(liang)信号(hao)e=emsinωt 混雜在一(yi)起，難以區分。

3.低(di)頻矩形(xing)波(bo)勵磁(ci)
　　上世紀70-80 年(nian)代出(chu)現了低頻(pin)矩形(xing)波勵磁(ci)，這種勵(li)磁方式(shi)兼(jian)有直(zhi)流勵磁和交流(liu)勵磁的(de)優(you)點，同時很(hen)好的避免(mian)了它們(men)的(de)缺點(dian)。如圖(tu) 3-10 所(suo)示。在半(ban)個周(zhou)期内(nei)，磁場(chang)是直流(liu)磁場，低(di)頻矩(ju)形波(bo)勵磁(ci)有直(zhi)流勵(li)磁的(de)特點(dian)，但從整個過程(cheng)來看磁場(chang)又是處于周期(qi)性變(bian)化(hua)的(de)過程(cheng)中，低頻矩(ju)形波又是(shi)一個交變(bian)信号，便于(yu)放大(da)和處理。所(suo)以低(di)頻方波(bo)勵(li)磁現階段應用(yong)非常(chang)廣泛的勵(li)磁方(fang)式。

綜合(he)上面所(suo)述，非滿管電磁(ci)流量(liang)計選擇低(di)頻矩形波作爲(wei)勵磁方式。
　　電磁(ci)流量(liang)計采(cai)用較(jiao)高的勵(li)磁(ci)頻率(lü)可以有(you)效降低(di)信号(hao)源内阻，當(dang)頻率(lü)提(ti)高到100Hz 時(shi)，信号(hao)源(yuan)内阻約(yue)爲幾(ji)百(bai)兆(zhao)。繼續(xu)提高勵磁頻率(lü)，可以進一(yi)步降低信号源内阻(zu)和流動噪聲。但(dan)是随着勵磁頻(pin)率的提高，由式(shi)（3-7）和式（3-8）可知(zhi)，正交(jiao)幹擾和同(tong)相幹(gan)擾會(hui)變得(de)更嚴(yan)重，電極上(shang)的渦電流也随之增(zeng)大。根據日(ri)本專(zhuan)家 Nakatani 的研(yan)究成果(guo)，流動噪(zao)聲(sheng)和微(wei)分幹擾強度随(sui)勵磁頻率(lü)變化(hua)規律(lü)如圖3-11所示(shi)，從中(zhong)可以看出(chu)，使流(liu)動(dong)噪聲和(he)正交(jiao)幹擾(rao)到達(da)最小(xiao)的最佳勵(li)磁頻率應(ying)該在 100-400Hz 範圍(wei)内 [22]。

3.2 信(xin)号處(chu)理電(dian)路(lu)
　　信号處(chu)理電(dian)路的主要(yao)作用是将傳感(gan)器得(de)到(dao)是帶有(you)很多幹擾(rao)而且(qie)信号非常(chang)微弱(ruo)的電壓信号轉(zhuan)換成(cheng)AD 采樣(yang)器可(ke)以接(jie)受的(de)直流(liu)信号(hao)，從(cong)傳感器(qi)得到(dao)的信(xin)号如下式(shi)所示[23]：

　　ec 是共(gong)模幹擾電(dian)壓、ed 是(shi)串模(mo)幹擾電壓(ya)、ez 是直(zhi)流極(ji)化電壓。其中正(zheng)交幹(gan)擾和(he)同相幹擾(rao)是由于磁場的(de)突變引起的主(zhu)要幹(gan)擾(rao)源，共模(mo)和串模幹(gan)擾是(shi)由于電磁幹擾(rao)和靜(jing)電(dian)幹(gan)擾産(chan)生的(de)次要幹擾(rao)源，可以(yi)通(tong)過靜(jing)電屏(ping)蔽(bi)和(he)接地(di)加以(yi)抑止(zhi)，極化(hua)電壓(ya)是直(zhi)流極(ji)化現象(xiang)産生的(de)，可通(tong)過提(ti)高勵(li)磁頻率(lü)消(xiao)除[24]。電磁流(liu)量計(ji)采用(yong)低頻(pin)矩形波勵(li)磁能(neng)很好消除(chu)直流(liu)極(ji)化(hua)現象(xiang)，在低頻矩形波(bo)的上(shang)升沿和下(xia)降沿，當勵(li)磁電(dian)流進(jin)入(ru)穩(wen)态的時候再進行信(xin)号采樣(yang)，能(neng)消除部分(fen)正(zheng)交(jiao)幹擾(rao)電壓? [25] ，但是信号(hao)處理(li)的時間較(jiao)長。
　　由于傳(chuan)感器(qi)得到(dao)的信(xin)号非(fei)常微弱并(bing)且帶(dai)有很多幹擾，所(suo)以信号(hao)處(chu)理電(dian)路必須(xu)有放大(da)以及(ji)抑(yi)制(zhi)噪聲(sheng)和幹(gan)擾的功能(neng)，圖 3-15 表(biao)示(shi)信号處理電路的組成(cheng)部分。

電(dian)磁(ci)流量(liang)傳感(gan)器(qi)的(de)内阻(zu)很大，傳感(gan)器和(he)轉換(huan)器(qi)的等效(xiao)電路如(ru)圖(tu) 3-13 所示(shi)，

　　圖中 e 是傳感器(qi)産生的流(liu)量電勢信(xin)号，r 是傳感(gan)器内阻(zu)，RL是(shi)轉換(huan)器的輸入阻抗(kang)，eX是轉換(huan)器(qi)得到(dao)的流(liu)量電(dian)勢信(xin)号，根據(ju)歐(ou)姆定律可(ke)知(zhi)：

　　從(cong)上式(shi)可以得(de)知RL》r ，所以(yi)要使(shi)信号足夠(gou)精确，轉(zhuan)換器必(bi)須有很高的輸(shu)入阻抗[2]。
　　從(cong)傳感(gan)器出(chu)來是非常(chang)微弱且帶有幹擾的(de)信(xin)号，信号(hao)預處理是(shi)首先(xian)去除信号中的(de)高頻(pin)信号，然後再用(yong)放(fang)大器将(jiang)信号放(fang)大，同時(shi)放大(da)器(qi)能很好(hao)地抑制共(gong)模幹(gan)擾，經(jing)過前(qian)面的(de)處理之後，信号中還(hai)會有(you)部分(fen)幹擾(rao)噪聲，無法直接(jie)檢(jian)測得到(dao)，濾波器的主要作用是(shi)去除剩(sheng)餘部分的(de)幹擾和噪(zao)聲(sheng)，得到模(mo)數轉換(huan)能(neng)直接識别(bie)的信号，然(ran)後傳輸(shu)給(gei)單片(pian)機控制(zhi)。
3.3 激勵電(dian)壓電路
　　非(fei)滿管(guan)電磁(ci)流量(liang)計以(yi)電容式傳感器(qi)爲基(ji)本(ben)原理，向(xiang)激勵電極(ji)通入(ru)高頻電(dian)壓(ya)以形(xing)成電(dian)容式(shi)傳感(gan)器，激勵電(dian)壓電(dian)路框圖如(ru)圖 3-14 所(suo)示。

　　由于激勵電(dian)極安裝(zhuang)在(zai)測量(liang)管和襯裏之間(jian)，激勵電(dian)壓(ya)電路(lu)在工作的(de)過程(cheng)中需要一定大小的(de)高頻電壓(ya)用以(yi)擊穿(chuan)襯裏(li)材料(liao)，所以(yi)采用(yong)變壓(ya)器以(yi)得到(dao)不同(tong)大小的擊(ji)穿電壓值(zhi)，工控闆用(yong)來控制整(zheng)個激勵電(dian)路。
4小(xiao)結
　　　非(fei)滿管(guan)電磁(ci)流量(liang)計重(zhong)點介紹了一種新的(de)非滿管電磁流(liu)量計的(de)結構，該(gai)結構是(shi)以(yi)電容(rong)式傳(chuan)感器爲基(ji)本原(yuan)理(li)，利(li)用電(dian)容和(he)液位的高(gao)度關系(xi)來(lai)進行測量。同(tong)時分析(xi)了非滿管(guan)電磁流量計基本的(de)工作原(yuan)理(li)、簡要(yao)介紹(shao)了流(liu)量信(xin)号的處(chu)理(li)方法(fa)，爲後面實驗方(fang)案及(ji)裝置(zhi)的設(she)計打(da)下(xia)了(le)基礎(chu)。

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