電磁流量計結構演化分析
發(fā)布時間：2024-01-25 10:13:00
電磁流量計結構優(yōu)化的主要方式包括從測量管、勵磁線圈結構、測量電極的位置和數(shù)量等方面進行改變,從而得到適用復雜工況的電磁流量計。
1.非絕緣測量管電磁流量計
電磁流量計絕緣襯里的作用是防止感應信號被金屬測量管短路,提高了流量計的測量精度。國內的電磁流量計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行流量的測量。
非絕緣測量管電磁流量計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,這個邊界條件與絕緣襯里同樣起到了防止電流經過引起短路的作用。也稱這種新的控制方法為“電勢補償法”。非絕緣測量管電磁流量計的結構如圖1所示。
2.不同勵磁線圈形狀的電磁流量計
電磁流量計的勵磁系統(tǒng)是由勵磁線圈、導磁鐵芯和磁軛等部分組成。電磁流量計的磁場特性不僅和勵磁電流大小變化有關,還深受勵磁線圈的形狀、尺寸大小、匝數(shù)等因素影響。電磁流量計工作磁場的穩(wěn)定性和均勻性是設計分析勵磁系統(tǒng)最關鍵的因素。不同的勵磁線圈形狀對電磁流量計工作磁場的影響也各具特點。
2.1典型勵磁線圈
工業(yè)生產中廣泛應用的勵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種勵磁線圈的仿真幾何模型如圖2所示。典型的線圈結構仍存在一些不足,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;菱形勵磁線圈和矩形勵磁線圈產生的工作磁場在電極附近的分布均勻度較差;馬鞍形勵磁線圈的磁場.均勻度最好,但輸出感應電動勢大小比亥姆霍茲線圈低。
2.2E形框架亥姆霍茲線圈
由于勵磁線圈的軸向長度有限,根據電磁感應原理,線圈產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。ShereliffJA的數(shù)學模型中提到當勵磁線圈的軸向長度接近測量管半徑的3倍時,有限磁場的靈敏度接近1。雖然分析了電磁流量計靈敏度與磁場軸向長度之間的關系,但勵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磁材料制成的E形框架來模擬磁場的分布的改進勵磁結構。常用的勵磁裝置亥姆霍茲線圈具有2個平行排列的線圈,并且測量管中的磁流場是2個線圈產生的磁場的疊加。為了減少在線圈邊緣漏磁通的影響,一種由導磁材料構成的E形勵磁框架,如圖3所示。線圈纏繞在E形框架的中心，整個勵磁裝置由2個彼此相對放置的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度和均勻性,并且可以減小激勵裝置的尺寸。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。此種結構具有漏磁小、磁場分布均勻等優(yōu)點。可將磁通量集中在測量管周圍的區(qū)域以確保有足夠的磁場強度來檢測流量流速信號。.
2.3雙層勵磁線圈
明渠是一種具有自由表面液體流動的渠道。明渠水流也稱為重力流和無壓流,其靠重力作用產生,表面相對壓力為零且具有自由表面，因此,明渠水流流經渠道的截面是時刻變化的。明渠電磁流量計的主要設計問題是通過專門設計的勵磁線圈來保證測量區(qū)內磁場的均勻分布。線圈的設計還需應對干擾電場的邊界效應，達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。雙層勵磁線圈結構為解決明渠電磁流量計的磁場分布問題奠定了基礎。
為了使明渠流量計測量區(qū)磁場達到最佳均勻性,將雙層線圈和亥姆霍茲線圈兩種勵磁線圈進行仿真比較,圖4為雙層勵磁線圈和亥姆霍茲線圈的仿真模型,發(fā)現(xiàn)雙層線圈的設計要優(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,雙層勵磁線圈結構相比亥姆霍茲勵磁線圈更適用于明渠電磁流量計。
3.不同測量電極結構的電磁流量計
根據電極結構的不同,電磁流量計可分為接觸式和非接觸式兩種。接觸型電磁流量計使用金屬點電極穿透管壁。非接觸式電磁流量計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信號,因此,又稱電容式電磁流量計。
3.1非接觸式電磁流量計
非接觸式電磁流量計具有一些突出的優(yōu)點: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,電容式電磁流量計也可以實現(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阻;增加耦合電容值可以減小傳感器的內阻,降低流量信號檢出難度，從而使被測流體電導率的下限減小。
非接觸式電磁流量計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部。非接觸式電磁流量計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。主要結構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)。嵌入式電磁流量計和外貼式電磁流量計的結構如圖5所示,嵌人式結構和普通電磁流量計電極結構類似,而外貼式多是采用陶瓷表面金屬化將電極貼在流量計測量管外部。
3.2多電極式電磁流量計
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測量流體時,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,單對電極電磁流量計的測量結果會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)流量計不再適用,多電極式電磁流量計可以通過測量多個點的感應電動勢,獲得任意流型下的流體平均流速的表達式以及測量管內流體液面高度，適用于非軸對稱流動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。其測量管壁上具有多對電極,其中1對信號注人電極設置在測量管底部,用于滿管狀態(tài)判別的滿管指示電極設置在測量管頂部,其余3對電極為測量電極設置在測量管兩側,用于管道流體液.位和流速信號的測量。當對液位進行測量時,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,該流量計的功能與普通的電磁流量計相同,因為此時流體流經橫截面積是固定的,只需根據感應電動勢推出被測流體的流速,進而計算得到流量值。當流體未充滿管道時,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行修正,此時流量計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,液位高度的準確測量值是通過轉換器將合成信號轉換獲得。非滿管多電極電磁流量計結構簡圖如圖6所示。
2)非軸對稱速度分布多電極式電磁流量計。由于測量截面所在平面內管壁的感應電動勢積分運算的測量結果與流體流速分布無關,因此,多電極式電磁流量計可通過測量多點的感應電動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按照測量電極個數(shù)可分為四電極式、六電極式、八電極式、十六電極式17等。從理論上講電極個數(shù)越多,流體平均流速的測量精度越高,但是從實際生產制作條件與流量計可靠性來說,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)實時性也會降低。
