電磁流量計(jì) 由于具有衆(zhōng)多的優點廣(guǎng)泛應用于工(gōng)業各種場合(hé)，近年來已經(jing)逐步向民用(yòng)領域擴展。傳(chuán)統的電磁流(liú)🔞量計僅能用(yong)于滿管🙇🏻的流(liu)量測量，對于(yu)非滿管流體(tǐ)或者流體在(zài)滿管與非滿(man)管之間變化(hua)的流動時的(de)流量測量研(yan)究較少。非滿(mǎn)管流體流動(dòng)時,由于管内(nèi)💜的流體截面(miàn)積是變化的(de)❌,或者流體流(liu)動一直處于(yú)非滿管狀态(tài)，非滿管流量(liang)的測🈲量需要(yao)測量流❤️體平(píng)均流速和液(yè)位這兩個參(cān)數。非滿管狀(zhuàng)态下,測量管(guan)内流體流速(su)分布不🐇對稱(cheng),導緻權重函(han)數😍的分布和(he)液位有關，同(tóng)時電極上的(de)感應信号是(shi)兩電極橫斷(duan)面内所有質(zhì)點電位的集(ji)合,即電勢一(yi)定⛹🏻‍♀️要處于電(diàn)極可測量範(fan)圍之内,所以(yǐ)進行非滿管(guǎn)的流量測量(liang)電極必須浸(jin)入流體内,否(fou)則電🌈極得不(bu)到感應信号(hao)[17-19] 。
1 非滿管電磁(ci)流量計 的結(jié)構設計
1.1 非滿(mǎn)管電磁流量(liang)計的測量原(yuan)理
　　管道式電(diàn)磁流量計 在(zài)工作的過程(chéng)中，可能會出(chu)現管道中流(liú)體未充滿或(huo)者在流體♈流(liu)動過程中，流(liú)體流動處于(yú)滿管向非滿(man)管道的轉換(huan)狀态中。使管(guǎn)中流體流動(dong)有兩種流動(dòng)狀态🔞。對流體(ti)🔞未充滿🎯管道(dao)式 1，如圖 3-1 所示(shi)，此時如果仍(reng)按傳統流量(liàng)計的測量原(yuán)理，則：
實際值(zhi)=測量值-上部(bu)空氣部分

　　由(you)權重函數的(de)理論可知，感(gǎn)應信号電壓(ya)是兩電極橫(héng)斷面内所🌈有(yǒu)質點電位的(de)集合，不論流(liú)體在管道中(zhong)橫截面如何(he)㊙️變化🚩，流動流(liú)體的質點都(dōu)會有感應電(dian)勢，但是這些(xie)電勢一定要(yào)處于電極的(de)集合範圍内(nèi)，如果電💃極暴(bào)露在空氣中(zhōng)，電極得不到(dao)信号[19]，流體未(wèi)充滿管道式(shì) 2 就是這種📞情(qing)況。當流體未(wei)充滿管道時(shi)，管中流體的(de)🤩實際流量值(zhi)Q實=A實?`V，而管中(zhong)流體👨‍❤️‍👨的截⭐面(miàn)積爲:

　　式中 h 爲(wei)液面高度， D 爲(wei)測量管内徑(jìng)。而不再是由(you)此可知，非滿(man)管電磁流量(liàng)計的流量測(ce)量必須同時(shi)測量平均流(liú)速和液位高(gao)度這兩個物(wù)理量。
1.2 非滿管(guan)電磁流量傳(chuán)感器流速測(cè)量機構
　　根據(ju)電磁流量計(ji)的基本原理(li)，當流體充滿(mǎn)管道時，管中(zhong)流體的平均(jun)流速和兩電(diàn)極之間的感(gan)應電勢之間(jiān)的關系如🐇式(shi)（2-1）所示。當管中(zhong)流體未充滿(mǎn)時，如前👣面所(suo)述，測得的信(xin)号不準确或(huò)者根本得不(bu)到感應電勢(shi)信号。在傳統(tong)電磁流量計(jì)的基礎上👉，将(jiang)流速檢測電(diàn)極在高度方(fang)向上設計在(zài)距測量管底(di)端 10%D處，其中 D 爲(wei)測量管直徑(jing)。這樣能保證(zhèng)管中流體液(yè)位高于 10%D 時，根(gēn)據傳統電磁(cí)流量計基本(běn)原理，傳感器(qi)能準确測得(dé)流體的平均(jun)流速。其結構(gòu)如圖 3-3 所示。

此時，兩極間(jiān)的感應電動(dong)勢 E 與兩電極(ji)間的距離 d 之(zhī)❤️間的關系爲(wèi)：

E =k Bd`V 　　　　　　（3-2）
1.3 非滿管電磁(ci)流量傳感器(qi)液位測量機(ji)構
　　基于電容(róng)式傳感器的(de)基本原理，就(jiu)是将液位的(de)變🐇化轉換成(cheng)電容值的變(bian)化。在測量的(de)過程中測量(liang)電壓、頻率、脈(mo)寬等容易🥰測(ce)量的物理量(liang)，從而實現電(dian)容☎️值的測☂️量(liang)。結合電容式(shi)傳感器和電(diàn)磁流量計的(de)基本原理，流(liu)💃🏻體在管中🚶‍♀️流(liu)動的過程中(zhong)，利用流量計(ji)襯裏和管内(nei)流體作爲介(jiè)質，同時在流(liú)量計襯裏與(yu)管壁之間采(cai)用兩片圓弧(hú)形電極片，電(diàn)極片與襯裏(li)和管中流體(tǐ)形成一電容(róng)器，根據電容(rong)🌏式傳感器的(de)基🎯本☂️原理，液(ye)體作爲一🍓種(zhong)介質，是電容(rong)器的一個組(zǔ)成部分，液體(tǐ)液位的高低(di)☂️，直接影響電(diàn)容器的電容(róng)值🔅，即電容器(qì)的電容量是(shi)液位高度的(de)單值函數。其(qí)相🏃應結構如(ru)圖 3-4 所示。
　　爲了(le)降低信号之(zhī)間的幹擾和(he)便于控制，非(fei)滿管電磁☀️流(liu)量計采用流(liu)速機構和液(yè)位機構分體(tǐ)，但是同時同(tong)步測量，再将(jiang)兩信号進行(háng)整合，得出流(liú)量信号。

2 非(fēi)滿管電磁流(liú)量計原理
2.1 非(fei)滿管電磁流(liu)量計測量原(yuan)理
　　流體在管(guǎn)道内沿與磁(cí)感應線垂直(zhi)的方向流動(dong)時，根據🏃‍♀️法拉(lā)第電磁感應(yīng)定律，會産生(shēng)感應電動勢(shi)，通過感🚶‍♀️應電(dian)動勢㊙️值即可(ke)得到流體的(de)平均流速。在(zai)兩電極片間(jiān)有激勵電壓(ya)的作用下，兩(liang)電極片、襯裏(li)和☀️流體一起(qi)構成電容🍓器(qì)，根據電容式(shi)傳感器基本(ben)原理，此傳感(gǎn)器的等效電(dian)路如圖 3-5 所示(shì)，電極片、襯裏(li)和流體一起(qǐ)構成🚶了一變(bian)介電常數型(xíng)電容器，兩極(ji)片間電容爲(wei)上下兩部分(fèn)電容并聯而(ér)💃成，其中 C1和 C3、C2和(he) C4之間爲串聯(lián)，其總電容的(de)計算如式（3-3）。

　　如(rú)圖 3-6 所示，管中(zhōng)液體将測量(liang)管分爲上下(xià)兩部分，其中(zhong)空氣的介電(dian)常數爲0ε，流體(ti)的介電常數(shu)爲1ε，襯裏的介(jiè)電常數爲2ε，根(gen)據電容式傳(chuán)感器模拟計(ji)算方法可✌️計(ji)算其電容值(zhi)[20],1C 和2C 由于極闆(pan)間間距沒有(you)改變，而且💞兩(liǎng)極闆之間是(shi)單一介質，其(qi)電容值可近(jin)似作爲平行(háng)闆電容器來(lai)計算[21]，如下所(suo)示：

式中，
a 爲襯(chen)裏内半徑， m ；　
h 爲(wei)液位高度，?? m ；　
b 爲(wei)電極内徑，?? m ；　
l 爲(wei)電極片軸向(xiang)長度， m ；
2.2 非滿管(guǎn)電磁流量計(jì)工作原理
　　非(fei)滿管電磁流(liu)量計采用勵(lì)磁激勵和電(diàn)壓激勵雙激(jī)勵😄機制，在勵(li)磁激勵的作(zuo)用下，通過勵(li)磁電路産生(sheng)相應的👈磁感(gǎn)😍應強度，從而(ér)在電極上得(de)到與流速對(dui)應的電勢信(xin)号，經過計算(suàn)得到流體的(de)平均流速值(zhi)。在激勵電極(jí)的作用下，向(xiàng)激勵電極通(tōng)入高頻電壓(ya)，使兩圓弧形(xíng)電極片與其(qí)之間的介質(zhi)形成電容💃🏻式(shì)傳感器，通過(guo)電容量的測(cè)量，經過控制(zhi)系統處理後(hou)得到與電容(róng)對㊙️應的液✍️位(wei)高度信♍号。兩(liǎng)個過程互不(bú)幹涉，然後經(jīng)過控制系統(tǒng)分析處理🔱後(hou)得到管中流(liú)體流量值。整(zheng)個系統框圖(tú)如圖 3-7 所示。

3 信(xin)号轉換電路(lu)的構成
　　傳統(tong)的電磁流量(liang)計的信号轉(zhuan)換電路包含(hán)勵磁電路和(he)信号處理電(diàn)路兩部分組(zǔ)成。非滿管電(dian)磁流量計除(chú)了這兩部分(fèn)以💛外還有激(ji)勵電壓電路(lù)。
3.1 勵磁電路參(cān)數确定
　　勵磁(cí)系統是電磁(cí)流量計的一(yi)個關鍵部分(fèn)，其好壞直接(jie)影響到測量(liang)結果的精确(que)程度高低。勵(lì)磁系統的參(can)數主要是勵(li)磁方式‼️和勵(lì)磁頻率。常用(yòng)的勵磁方式(shi)有以下幾⛷️種(zhǒng)[8]。
1.直流勵磁
　　直(zhí)流勵磁方式(shì)是用直流電(dian)或永久磁鐵(tiě)産生一個恒(héng)定💔的均勻磁(cí)場。直流勵磁(ci)可以忽略流(liú)體中的自感(gan)現象，同☂️時受(shou)交流影響很(hěn)小，但是由于(yu)管中流體電(dian)解質🔞的電離(lí)，直流勵磁易(yì)産🔴生極化⚽現(xiàn)象。極化電壓(ya)和流量信号(hao)混雜在一起(qi)，不容易區分(fèn)。所以，一般在(zai)測量非電解(jiě)質流體的情(qing)況下才采用(yong)這種方式。

2. 交(jiao)流勵磁
　　交流(liu)勵磁方式是(shi)上世紀 50 年代(dài)工業電磁流(liú)量計主要采(cǎi)用的😘勵🍉磁方(fang)式，它的磁場(chǎng)是由正弦交(jiao)變電流産生(sheng)一個交變磁(ci)場：

　　交變磁場(chang)能消除極化(huà)幹擾,同時産(chan)生的交變信(xin)号，經過放大(da)和💋轉換要比(bǐ)直流信号容(róng)易。但是交變(biàn)磁場易産生(shēng)正交（微分）幹(gan)擾：

和同相幹(gàn)擾：

　　這些幹擾(rǎo)降低電磁流(liu)量計的信噪(zao)比，這些幹擾(rǎo)信号與🥰流量(liàng)信号e=emsinωt 混雜在(zai)一起，難以區(qū)分。

3.低頻矩形(xíng)波勵磁
　　上世(shi)紀70-80 年代出現(xiàn)了低頻矩形(xíng)波勵磁，這種(zhong)勵磁方式兼(jiān)有直✉️流✔️勵磁(ci)和交流勵磁(ci)的優點，同時(shí)很好的避免(mian)⚽了它們的缺(que)點。如圖🔞 3-10 所示(shi)。在半個周期(qi)内，磁場是直(zhi)流磁場，低🈲頻(pín)矩形波勵磁(cí)🆚有直流㊙️勵磁(cí)的特點♈，但從(cóng)整個過程來(lai)看磁場又是(shì)處于周期💯性(xing)變化的過程(chéng)中，低頻👅矩形(xing)波又是一個(ge)交變信号，便(bian)于放大🏃和處(chu)理。所以🧑🏽‍🤝‍🧑🏻低頻(pin)方波勵磁現(xian)階段應用非(fēi)常廣泛的勵(lì)磁方⛱️式。

綜合(hé)上面所述，非(fei)滿管電磁流(liu)量計選擇低(di)頻矩形波👉作(zuo)爲勵磁方式(shi)。
　　電磁流量計(jì)采用較高的(de)勵磁頻率可(ke)以有效降低(di)信号源😘内阻(zu)，當頻率提高(gāo)到100Hz 時，信号源(yuan)内阻約爲幾(jǐ)百兆🐇。繼續提(tí)高勵磁🈲頻率(lü)，可以進一步(bu)降低信号源(yuán)内阻和流動(dòng)噪聲。但是随(suí)着勵磁頻率(lü)✉️的提高，由式(shi)（3-7）和式（3-8）可知，正(zhèng)交幹擾和同(tong)相幹擾會變(biàn)得更嚴重，電(dian)極上的渦電(diàn)流也随之增(zēng)大。根據日本(běn)專家 Nakatani 的研究(jiū)成果，流動噪(zao)聲和微分幹(gàn)擾強度随勵(li)磁頻率變化(hua)規律如圖3-11所(suo)示，從中可以(yǐ)看出，使流動(dong)噪聲和正交(jiao)幹擾到達最(zuì)小的最💚佳勵(li)磁頻率應該(gāi)在 100-400Hz 範圍内 [22]。

3.2 信(xin)号處理電路(lu)
　　信号處理電(dian)路的主要作(zuo)用是将傳感(gǎn)器得到是帶(dai)有很多幹擾(rao)🌍而且信号非(fei)常微弱的電(diàn)壓信号轉換(huan)成AD 采樣器🔱可(kě)以接受🧡的直(zhi)流信号，從傳(chuán)感器得到的(de)㊙️信号如下式(shi)所示[23]：

　　ec 是共模(mo)幹擾電壓、ed 是(shi)串模幹擾電(dian)壓、ez 是直流極(ji)化電壓。其中(zhōng)🏃‍♀️正交幹擾和(hé)同相幹擾是(shi)由于磁場的(de)突變引起的(de)主要幹擾源(yuán)，共模和串模(mo)幹擾是由于(yú)電磁幹擾和(he)靜電幹擾産(chan)生的次要幹(gan)擾源💚，可以通(tōng)過靜電屏蔽(bì)和接地加以(yi)抑止，極化電(diàn)壓是直流極(ji)化現象産生(sheng)的，可通過提(tí)高勵磁頻率(lü)消除[24]。電磁流(liu)量計🔞采用低(dī)頻矩形波勵(lì)磁能很好消(xiāo)除直流極化(huà)現象，在低頻(pín)矩形波的📱上(shàng)升沿和下降(jiàng)沿，當勵磁電(dian)流進🧡入穩态(tài)的時候再進(jin)行信号采樣(yàng)，能消除部分(fèn)正交幹擾電(dian)壓? [25] ，但是信号(hào)處理的時♋間(jian)較長。
　　由于傳(chuan)感器得到的(de)信号非常微(wēi)弱并且帶有(yǒu)很多幹擾✔️，所(suǒ)以信号處理(lǐ)電路必須有(you)放大以及抑(yì)制噪聲和幹(gàn)擾的功能，圖(tu) 3-15 表示信号處(chù)理電路的組(zu)成部👅分。

電磁(cí)流量傳感器(qi)的内阻很大(da)，傳感器和轉(zhuǎn)換器的等效(xiao)電路如🛀圖 3-13 所(suo)示，

　　圖中 e 是傳(chuán)感器産生的(de)流量電勢信(xìn)号，r 是傳感器(qi)内阻😄，RL是轉換(huàn)器的輸入阻(zu)抗，eX是轉換器(qi)得到的流量(liang)電勢信号，根(gēn)據歐姆定律(lü)可知：

　　從上式(shi)可以得知RL》r ，所(suǒ)以要使信号(hao)足夠精确，轉(zhuan)換器必須㊙️有(you)很高的輸入(rù)阻抗[2]。
　　從傳感(gan)器出來是非(fēi)常微弱且帶(dài)有幹擾的信(xin)号，信💜号預處(chù)理♊是首先去(qu)除信号中的(de)高頻信号，然(rán)後再用放💔大(da)器💛将信号放(fang)大，同🐇時放大(dà)器能很好地(dì)抑制共模幹(gàn)擾，經過前面(miàn)的處理之⚽後(hòu)，信号中還會(hui)有部分幹擾(rao)噪✍️聲，無法直(zhí)接檢測得到(dao)，濾波器的主(zhǔ)要作用是去(qu)除剩餘部分(fèn)的幹擾和噪(zào)聲，得到模數(shù)轉換能直接(jiē)識别的信号(hao)，然後傳輸給(gěi)單片機控制(zhi)🚶。
3.3 激勵電壓電(dian)路
　　非滿管電(diàn)磁流量計以(yi)電容式傳感(gǎn)器爲基本原(yuan)理，向👉激勵電(diàn)極通入高頻(pin)電壓以形成(cheng)電容式傳感(gan)器，激勵電壓(ya)電路框圖如(ru)圖 3-14 所示。

　　由于(yu)激勵電極安(ān)裝在測量管(guan)和襯裏之間(jiān)，激勵電壓電(dian)路在工作的(de)過程中需要(yao)一定大小的(de)高頻電✉️壓用(yòng)以擊穿襯裏(li)材料，所👉以采(cǎi)用變壓器以(yǐ)得到不同大(da)小的擊穿電(dian)壓值，工控闆(pǎn)用來控制整(zhěng)個激勵電路(lu)。
4小結
　　　非滿管(guǎn)電磁流量計(ji)重點介紹了(le)一種新的非(fēi)滿管電磁流(liu)量計的結構(gou)，該結構是以(yi)電容式傳感(gan)器爲基本原(yuan)理，利用電容(róng)和液位的高(gao)度關系來進(jìn)行測💁量。同時(shí)分析了非滿(man)管電磁流🏃‍♂️量(liàng)計基本的工(gōng)作原理、簡要(yao)介紹了流量(liàng)信号的處理(li)方法，爲後面(mian)實驗❄️方案及(jí)裝置的設計(jì)打下了基礎(chǔ)。

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