電(dian)磁流量(liàng)計 由于(yú)具有衆(zhōng)多的優(yōu)點廣泛(fan)應用于(yu)工業各(ge)種場合(hé)👄，近年來(lái)已經逐(zhú)步向民(min)用領域(yù)擴展。傳(chuan)統的電(dian)磁流量(liàng)計僅能(néng)✉️用于滿(man)管🌂的流(liú)量測量(liang)，對于非(fēi)滿管流(liú)體或者(zhě)流體在(zài)滿管與(yǔ)非♊滿管(guǎn)之間變(bian)化的流(liú)動時的(de)流量測(cè)量研究(jiu)較少。非(fēi)滿管流(liú)體流動(dong)時,由于(yu)管内的(de)流體截(jié)面積是(shì)變化的(de),或者流(liu)體流動(dong)一直處(chù)于🔱非滿(man)管狀态(tai)，非滿管(guan)流量的(de)測💋量需(xū)要測量(liàng)流🏃‍♀️體平(píng)🔆均流速(su)和液位(wèi)這兩個(ge)參數。非(fēi)滿管狀(zhuang)态下,測(ce)量管内(nei)流體流(liu)速分布(bù)不對稱(cheng),導緻權(quan)重函數(shù)的分布(bù)和液位(wei)有關💛，同(tong)時電極(ji)上的感(gan)應信号(hao)是兩電(dian)極橫斷(duàn)🈲面内所(suǒ)有質點(diǎn)電🌍位的(de)集🌈合,即(jí)電勢一(yi)定要處(chù)于電極(ji)可測量(liang)範圍之(zhī)内,所以(yi)進行非(fei)滿管的(de)流量測(ce)量💃電極(ji)❌必須浸(jin)入流體(tǐ)内,否則(zé)電極🐅得(de)不到感(gǎn)應信号(hào)⁉️[17-19] 。
1 非滿管(guǎn)電磁流(liu)量計 的(de)結構設(shè)計
1.1 非滿(man)管電磁(cí)流量計(jì)的測量(liang)原理
　　管(guan)道式電(diàn)磁流量(liang)計 在工(gong)作的過(guo)程中，可(ke)能會出(chu)現管道(dao)中流體(tǐ)未充滿(man)或🙇🏻者💰在(zài)㊙️流體流(liú)動過程(cheng)中，流體(ti)流動處(chù)于滿管(guan)向非滿(mǎn)管道的(de)轉換狀(zhuàng)态中。使(shi)管中流(liu)體流動(dòng)有兩種(zhong)流動狀(zhuàng)态。對流(liu)體未充(chong)滿管道(dao)式 1，如圖(tu) 3-1 所🔴示，此(cǐ)時如果(guǒ)仍按傳(chuán)統流量(liàng)計的測(cè)量原理(lǐ)，則：
實際(jì)值=測量(liang)值-上部(bù)空氣部(bù)分

　　由權(quán)重函數(shù)的理論(lùn)可知，感(gǎn)應信号(hao)電壓是(shì)兩電極(jí)🈲橫斷面(mian)内所有(yǒu)質點電(diàn)位的集(jí)合，不論(lun)流體在(zài)管道中(zhōng)橫截面(mian)如何㊙️變(biàn)化，流動(dong)流體的(de)質點都(dōu)會有感(gǎn)應電勢(shì)，但是這(zhe)些電勢(shì)一定要(yào)處于電(diàn)極的集(ji)合範圍(wéi)内，如果(guǒ)電極暴(bào)露在空(kōng)氣中，電(dian)極得不(bú)到信号(hao)[19]，流體😄未(wèi)充滿管(guǎn)道式 2 就(jiu)是這種(zhong)情況。當(dang)流體♈未(wèi)充滿管(guan)道時，管(guan)中流體(ti)的實際(ji)流量值(zhi)Q實⭐=A實?`V，而(ér)管中流(liu)體的截(jie)☎️面積爲(wèi):

　　式中 h 爲(wèi)液面高(gao)度， D 爲測(cè)量管内(nei)徑。而不(bú)再是由(you)此可知(zhi)，非滿管(guan)電磁流(liu)量計的(de)流量測(cè)量必須(xu)同時測(cè)量平均(jun1)流速和(he)液位高(gao)度這兩(liǎng)個物理(li)量。
1.2 非滿(man)管電磁(cí)流量傳(chuán)感器流(liú)速測量(liàng)機構
　　根(gen)據電磁(ci)流量計(jì)的基本(běn)原理，當(dang)流體充(chong)滿管道(dào)時，管中(zhōng)流體的(de)平均流(liu)速和兩(liang)電極之(zhi)間的感(gǎn)應電勢(shi)㊙️之間的(de)關系如(rú)式（2-1）所🐉示(shi)。當🌈管中(zhong)流體未(wei)充滿時(shí)，如前面(mian)所述，測(ce)得的🌈信(xin)号不準(zhun)确或🤞者(zhě)根本得(de)不到感(gǎn)應電勢(shi)信号。在(zai)傳統電(diàn)磁流量(liàng)計的基(jī)礎上，将(jiang)流速檢(jian)測電極(jí)在高度(du)方向上(shang)設♻️計在(zài)距測量(liàng)管底端(duān) 10%D處，其💔中(zhong) D 爲測量(liang)管直徑(jìng)。這樣能(néng)保證管(guan)中流體(tǐ)液位高(gāo)于 10%D 時，根(gēn)據傳統(tǒng)電磁流(liú)量計🌍基(jī)本原理(lǐ)，傳感器(qì)能準确(que)🔱測得流(liu)體的平(píng)均流速(sù)。其結構(gou)如圖 3-3 所(suo)示。

此(ci)時，兩極(ji)間的感(gǎn)應電動(dong)勢 E 與兩(liang)電極間(jian)的距離(li) d 之🌂間的(de)❄️關♈系爲(wei)：

E =k Bd`V 　　　　　　（3-2）
1.3 非滿管(guan)電磁流(liu)量傳感(gan)器液位(wèi)測量機(jī)構
　　基于(yú)電容式(shi)傳感器(qi)的基本(ben)原理，就(jiù)是将液(ye)位的變(bian)化👌轉♊換(huàn)成電容(róng)值的變(bian)化。在測(ce)量的過(guò)程中測(cè)量電壓(yā)、頻率、脈(mo)寬等容(róng)易測量(liàng)☔的物理(lǐ)量，從而(ér)實現電(diàn)容值的(de)測量。結(jie)合電容(rong)式傳感(gan)器和電(diàn)磁流量(liang)計的基(ji)本原理(li)，流體在(zài)管中流(liu)動的過(guo)程中，利(lì)用📞流量(liàng)計襯💚裏(lǐ)和管内(nèi)流體作(zuò)爲介質(zhi)🌐，同時在(zai)流量計(jì)襯裏與(yu)管㊙️壁之(zhī)間采用(yòng)兩片圓(yuan)弧形電(diàn)極片，電(diàn)極片與(yu)襯裏和(he)管中流(liú)體形成(chéng)一電容(rong)器，根據(ju)電容式(shi)傳感器(qi)的基本(ben)👨‍❤️‍👨原理，液(yè)體作爲(wei)一🔴種介(jiè)質，是電(dian)容器的(de)💔一個組(zǔ)成部分(fèn)，液體液(ye)位的高(gāo)低☂️，直接(jie)影響電(dian)容器的(de)電容值(zhí)🔆，即電容(rong)器的電(diàn)容量是(shi)液🏒位高(gāo)度的單(dān)值🏃🏻‍♂️函數(shu)。其相應(yīng)結構如(rú)圖 3-4 所示(shi)。
　　爲了降(jiàng)低信号(hào)之間的(de)幹擾和(he)便于控(kong)制，非滿(mǎn)管電磁(ci)流量🌈計(ji)采用流(liú)速機構(gou)和液位(wèi)機構分(fèn)體，但是(shì)同時同(tóng)步測量(liang)，再🔴将兩(liang)信号✏️進(jin)行整合(he)，得出流(liu)量信号(hao)♊。

2 非滿(man)管電磁(cí)流量計(jì)原理
2.1 非(fēi)滿管電(dian)磁流量(liang)計測量(liàng)原理
　　流(liu)體在管(guǎn)道内沿(yan)與磁感(gǎn)應線垂(chuí)直的方(fang)向流動(dong)時，根據(jù)🌈法✉️拉第(dì)🔅電磁感(gǎn)應定律(lǜ)，會産生(sheng)感應電(diàn)動勢，通(tong)過感應(ying)電🧡動勢(shì)值即可(ke)得到流(liu)體的平(píng)均流速(su)。在兩電(diàn)極片間(jian)有激✌️勵(lì)電壓的(de)作用下(xià)，兩電🐕極(jí)片、襯裏(lǐ)和流體(tǐ)一起構(gòu)成電容(róng)器，根據(ju)電容式(shì)傳感器(qì)基本原(yuán)📞理，此傳(chuan)感器的(de)等效電(dian)路🙇‍♀️如圖(tú) 3-5 所示，電(diàn)極片、襯(chèn)裏和流(liu)體一起(qi)構成了(le)一變介(jie)電常數(shu)型電容(rong)器，兩🌈極(jí)片間電(diàn)容爲上(shang)下兩部(bu)分電容(róng)并聯而(er)成，其中(zhong) C1和 C3、C2和 C4之(zhī)間爲串(chuàn)聯，其總(zǒng)電容♻️的(de)計算如(ru)式（3-3）。

　　如圖(tu) 3-6 所示，管(guǎn)中液體(tǐ)将測量(liang)管分爲(wei)上下兩(liǎng)部分，其(qi)中空氣(qì)🌐的介電(diàn)常數爲(wei)0ε，流體的(de)介電常(cháng)數爲1ε，襯(chen)裏的介(jie)電常數(shu)爲2ε，根🌐據(ju)電🔴容式(shì)傳感器(qì)模拟計(ji)算方法(fa)可計算(suan)其電容(rong)值[20],1C 和2C 由(you)于♊極闆(pǎn)間間距(ju)沒有改(gai)變，而且(qiě)兩極闆(pǎn)之間是(shì)單一介(jiè)質，其電(diàn)容值可(ke)近似作(zuo)爲平行(háng)闆電容(róng)器來計(ji)算[21]，如下(xià)所示：

式(shi)中，
a 爲襯(chen)裏内半(bàn)徑， m ；　
h 爲液(yè)位高度(du)，?? m ；　
b 爲電極(jí)内徑，?? m ；　
l 爲(wei)電極片(piàn)軸向長(zhang)度， m ；
2.2 非滿(mǎn)管電磁(cí)流量計(jì)工作原(yuán)理
　　非滿(man)管電磁(cí)流量計(jì)采用勵(lì)磁激勵(li)和電壓(yā)激勵雙(shuang)🐉激勵機(jī)制，在📧勵(lì)磁激勵(lì)的作用(yong)下，通過(guo)勵磁電(diàn)路産生(sheng)相應的(de)磁感應(yīng)強🔞度，從(cong)而在電(diàn)極上得(dé)到與流(liú)速對應(yīng)的電勢(shì)信号，經(jīng)過計算(suàn)得🙇🏻到流(liu)體的平(ping)均流速(sù)值。在激(jī)勵電極(ji)的作用(yòng)下，向激(ji)勵電極(jí)通☎️入高(gao)頻電✔️壓(ya)，使兩圓(yuán)弧形電(dian)極片與(yǔ)其之間(jiān)的介質(zhì)形成電(dian)容式傳(chuan)感器，通(tōng)過電容(rong)量的測(cè)量♻️，經過(guò)控制系(xi)統處理(li)後得到(dào)與🛀電容(róng)對應的(de)液👌位高(gao)度信号(hào)。兩個過(guo)程互不(bú)幹涉，然(ran)後經過(guò)控制系(xi)統分析(xi)處理後(hou)得到管(guǎn)中流體(ti)流量值(zhí)。整個系(xì)統💘框圖(tu)如圖 3-7 所(suo)示。

3 信号(hao)轉換電(dian)路的構(gòu)成
　　傳統(tǒng)的電磁(ci)流量計(jì)的信号(hao)轉換電(dian)路包含(han)勵磁電(diàn)路和信(xin)号處理(li)電路兩(liang)部分組(zǔ)成。非滿(man)管電磁(cí)流量計(ji)除了這(zhe)兩部分(fèn)以外還(hái)有激勵(li)電壓電(diàn)路。
3.1 勵磁(ci)電路參(cān)數确定(ding)
　　勵磁系(xi)統是電(diàn)磁流量(liang)計的一(yi)個關鍵(jian)部分，其(qí)好壞直(zhí)接影響(xiang)到☀️測量(liang)結果的(de)精确程(cheng)度高低(di)。勵磁系(xì)統🐇的參(cān)數主要(yào)是勵磁(ci)方式㊙️和(he)勵磁頻(pín)率。常用(yong)的勵磁(cí)方式有(yǒu)⛷️以下幾(jǐ)種[8]。
1.直流(liú)勵磁
　　直(zhi)流勵磁(cí)方式是(shi)用直流(liu)電或永(yǒng)久磁鐵(tie)産生一(yi)個恒定(dìng)的♌均😘勻(yún)磁場。直(zhí)流勵磁(ci)可以忽(hū)略流體(tǐ)中的自(zì)感現象(xiàng)，同時受(shou)交流♻️影(yǐng)響很小(xiǎo)，但是由(you)于管中(zhōng)流體電(diàn)解質的(de)電離，直(zhí)流勵磁(ci)易産生(shēng)極化現(xian)象。極化(huà)電壓和(he)流量💁信(xin)号混雜(za)在一起(qi)，不容易(yi)區分。所(suo)以，一般(bān)⛹🏻‍♀️在測量(liàng)非電解(jie)質流體(tǐ)的情況(kuang)下才采(cǎi)♍用這種(zhǒng)方式。

2. 交(jiāo)流勵磁(cí)
　　交流勵(li)磁方式(shi)是上世(shi)紀 50 年代(dai)工業電(diàn)磁流量(liàng)計主要(yào)采用的(de)勵🐉磁方(fāng)式，它的(de)磁場是(shì)由正弦(xián)交變電(dian)流産生(shēng)一個交(jiāo)變磁場(chǎng)☔：

　　交變磁(cí)場能消(xiāo)除極化(hua)幹擾,同(tóng)時産生(sheng)的交變(bian)信号，經(jīng)過放大(dà)和轉換(huàn)要比直(zhí)流信号(hao)容易。但(dàn)是交變(biàn)磁場易(yi)♻️産生⚽正(zheng)交（微分(fen)）幹擾：

和(hé)同相幹(gan)擾：

　　這些(xiē)幹擾降(jiang)低電磁(ci)流量計(ji)的信噪(zào)比，這些(xiē)幹擾信(xin)号🐕與流(liú)量信号(hào)e=emsinωt 混雜在(zài)一起，難(nán)以區分(fen)。

3.低頻矩(jǔ)形波勵(lì)磁
　　上世(shì)紀70-80 年代(dai)出現了(le)低頻矩(jǔ)形波勵(li)磁，這種(zhong)勵磁方(fāng)式兼有(yǒu)直流勵(li)磁和交(jiāo)流勵磁(cí)的優點(diǎn)，同時很(hěn)好的避(bì)免📞了它(tā)們的缺(quē)點。如圖(tú) 3-10 所示。在(zài)半個周(zhou)期内，磁(ci)場是直(zhi)流磁場(chang)，低頻矩(ju)形波勵(lì)磁有直(zhi)流勵磁(cí)的特點(dian)，但從整(zheng)個♍過程(chéng)來看磁(cí)場又是(shì)處于周(zhou)期性變(bian)化的過(guò)程中，低(di)頻矩形(xing)波又是(shi)一個交(jiāo)變信号(hao)，便于放(fàng)大和處(chu)理。所以(yi)👣低頻方(fang)波勵磁(cí)現♉階段(duàn)應用非(fei)常廣泛(fàn)的勵磁(ci)方式。

綜(zong)合上面(miàn)所述，非(fei)滿管電(dian)磁流量(liang)計選擇(ze)低頻矩(jǔ)形🤞波👈作(zuò)爲勵磁(ci)方式。
　　電(diàn)磁流量(liàng)計采用(yong)較高的(de)勵磁頻(pin)率可以(yǐ)有效降(jiàng)低信号(hào)源内阻(zǔ)，當頻率(lǜ)提高到(dao)100Hz 時，信号(hào)源内阻(zǔ)約爲幾(jǐ)百兆。繼(jì)續💃提高(gāo)勵磁頻(pín)率♊，可以(yǐ)進一步(bù)降低信(xin)号源🏃内(nei)阻和流(liú)動噪聲(shēng)。但是🔆随(sui)着勵磁(cí)頻率的(de)提高，由(yóu)式（3-7）和式(shì)（3-8）可知🔞，正(zhèng)交幹擾(rǎo)🏃‍♀️和同相(xiàng)幹擾會(hui)變得更(geng)嚴重，電(diàn)🌈極上的(de)渦電流(liú)也随之(zhī)增大。根(gēn)據日本(ben)專家 Nakatani 的(de)研究成(chéng)果，流動(dong)噪聲和(hé)微分幹(gàn)擾強度(dù)随勵磁(cí)頻率變(biàn)化規律(lü)如圖3-11所(suo)示，從中(zhōng)可以看(kàn)出，使流(liú)動噪聲(shēng)和正交(jiao)幹擾到(dao)達最小(xiǎo)的最佳(jia)勵磁頻(pín)率應該(gai)在🤞 100-400Hz 範圍(wei)内 [22]。

3.2 信号(hao)處理電(dian)路
　　信号(hao)處理電(dian)路的主(zhu)要作用(yong)是将傳(chuan)感器得(de)到是帶(dài)有很⛹🏻‍♀️多(duō)幹擾而(ér)且信号(hao)非常微(wei)弱的電(diàn)壓信号(hao)轉換🏃‍♂️成(chéng)AD 采樣器(qi)🏃🏻‍♂️可以接(jie)受的直(zhí)流信号(hao)，從傳感(gan)器得到(dao)的信号(hào)如下式(shì)所示[23]：

　　ec 是(shi)共模幹(gàn)擾電壓(ya)、ed 是串模(mo)幹擾電(diàn)壓、ez 是直(zhi)流極化(huà)電⭐壓。其(qí)❌中✔️正交(jiāo)🚶幹擾和(hé)同相幹(gàn)擾是由(yóu)于磁場(chǎng)的突變(bian)引起的(de)主要幹(gan)擾源，共(gòng)模和串(chuàn)模幹擾(rǎo)是由于(yú)電磁幹(gàn)擾和靜(jing)電幹擾(rao)産生的(de)次要幹(gan)擾源，可(kě)以通過(guo)靜電屏(ping)蔽和接(jie)地加以(yi)抑止，極(jí)化🙇🏻電壓(yā)是直流(liú)極化現(xian)象産生(sheng)的，可通(tōng)過提高(gāo)勵磁頻(pin)率消除(chú)[24]。電磁流(liú)量計采(cǎi)用低頻(pin)矩形波(bō)勵磁能(neng)很好消(xiao)除直流(liu)極化現(xian)象，在低(dī)頻矩形(xing)波的🔴上(shang)升沿和(hé)下降沿(yán)，當勵磁(ci)電流進(jìn)🔱入穩态(tài)的時候(hòu)再進行(hang)信号采(cǎi)樣，能消(xiao)除部分(fèn)正交幹(gàn)擾電壓(ya)? [25] ，但是信(xin)号處♊理(lǐ)的時間(jiān)較長。
　　由(you)于傳感(gǎn)器得到(dào)的信号(hào)非常微(wēi)弱并且(qie)帶有很(hen)多♈幹擾(rǎo)，所以信(xìn)号處理(li)電路必(bi)須有放(fang)大以及(ji)抑制噪(zào)聲和幹(gan)擾的功(gōng)能，圖 3-15 表(biǎo)示信号(hao)處理電(dian)路的組(zu)成部分(fen)。

電磁流(liu)量傳感(gǎn)器的内(nèi)阻很大(da)，傳感器(qì)和轉換(huàn)器的✊等(deng)效電🚩路(lu)如圖 3-13 所(suǒ)示，

　　圖中(zhong) e 是傳感(gan)器産生(shēng)的流量(liang)電勢信(xin)号，r 是傳(chuan)感器内(nei)阻，RL是轉(zhuǎn)👉換器的(de)輸入阻(zu)抗，eX是轉(zhuan)換器得(de)到的流(liú)量電勢(shi)信号，根(gen)據歐⚽姆(mǔ)定律可(kě)知：

　　從上(shang)式可以(yi)得知RL》r ，所(suǒ)以要使(shi)信号足(zu)夠精确(què)，轉換器(qi)必須有(you)很高的(de)輸入阻(zu)抗[2]。
　　從傳(chuán)感器出(chu)來是非(fei)常微弱(ruò)且帶有(yǒu)幹擾的(de)信号，信(xin)🔴号預處(chù)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻理是首(shou)先去除(chú)信号中(zhong)的高頻(pin)信号，然(ran)後再用(yòng)放大器(qì)将信号(hao)放大，同(tóng)時放大(dà)器能很(hěn)好地抑(yi)制共模(mó)幹擾，經(jing)過🐆前面(mian)的處理(lǐ)之😄後，信(xìn)号中還(hái)會有部(bù)分幹擾(rǎo)噪✏️聲，無(wú)法直接(jiē)檢測得(de)到，濾波(bō)器的主(zhǔ)要作🤟用(yong)是去除(chu)剩餘部(bù)分的幹(gan)擾和噪(zao)聲，得到(dao)模數轉(zhuan)換💚能直(zhi)接識别(bie)的💞信号(hao)，然後傳(chuan)輸😍給單(dan)片機控(kong)制。
3.3 激勵(lì)電壓電(diàn)路
　　非滿(mǎn)管電磁(cí)流量計(jì)以電容(rong)式傳感(gan)器爲基(jī)本原理(lǐ)，向激勵(li)電極🚩通(tong)入高頻(pin)電壓以(yǐ)形成電(dian)容式傳(chuán)感器，激(jī)勵電壓(ya)電路框(kuàng)圖如圖(tú)👣 3-14 所示。

　　由(yóu)于激勵(lì)電極安(an)裝在測(ce)量管和(hé)襯裏之(zhi)間，激勵(lì)電壓🐆電(diàn)路⛷️在工(gong)作的過(guò)程中需(xū)要一定(dìng)大小的(de)高頻電(dian)🐕壓用以(yi)擊穿襯(chèn)裏材料(liào)，所以采(cǎi)用變壓(yā)器以得(dé)到不同(tóng)大小的(de)擊穿電(dian)壓值，工(gōng)控闆用(yòng)來控制(zhì)整個激(ji)勵電路(lù)。
4小結
　　　非(fēi)滿管電(diàn)磁流量(liang)計重點(diǎn)介紹了(le)一種新(xin)的非滿(mǎn)管電磁(ci)流量計(jì)的結構(gou)，該結構(gòu)是以電(diàn)容式傳(chuán)感器爲(wèi)基本原(yuan)理，利用(yòng)電容和(hé)液🔴位的(de)高度關(guan)系來進(jin)行測量(liang)。同時🏃🏻分(fèn)析了👈非(fēi)滿管電(diàn)磁流量(liang)計基本(ben)的工作(zuò)原理、簡(jiǎn)要介♌紹(shao)了流量(liàng)信号的(de)處🈚理方(fang)法，爲後(hòu)面實驗(yan)🌈方案及(jí)裝置㊙️的(de)設計打(da)下了基(ji)礎。

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