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探究脉冲励磁电源用于电磁流量计管线圈的利弊

来源:    发布日期:2020-01-17 16:46:30    作者:

    当电导体垂直于磁场运动时,在该导体中感应出既垂直于磁通线又运动方向的电压。

    这种现象称为电磁感应,它是所有电动发电机工作的基本原理。

    在发电机机构中,所讨论的导体通常是由铜线制成的线圈(或一组线圈)。但是,没有理由导体必须由铜线制成。

    运动中的任何导电物质都足以电磁感应电压,即使该物质是液体也是如此。

    因此,电磁感应是适用于液体流量的测量的技术。

    实际上,使用这种技术只能测量液体流量。气体必须先过热到等离子状态,然后才能导电,因此电磁流量计不能用于大多数工业气体流。

    考虑流过管道的水,磁场垂直穿过管道:
 
    液体的流动方向通过磁力线垂直切开,沿垂直于两者的轴产生电压。

    管壁中彼此相对的金属电极会截获此电压,从而使其可被电子电路读取。

    导体通过磁场的线性运动感应的电压称为运动EMF,其大小由以下公式预测(假设速度方向,磁通线的方向和轴之间具有理想的垂直度)电压测量):
    ε=大道
    其中,
    ε=运动电动势(伏特)
    B =磁通密度(特斯拉)
    l =导体通过磁场的长度(米)
    v =导体的速度(米/秒)

    假设固定的磁场强度(常数B)和电极间距等于管道的固定直径(常数l = d),那么唯一能够影响感应电压大小的变量就是速度(v)。

    在我们的示例中,v不是金属丝段的速度,而是液体流(v)的平均速度。由于我们看到该电压将与平均流体速度成比例,因此它也必须与体积流率成比例,因为体积流率也与平均流率成比例。

    因此,我们这里是一种基于电磁感应的流量计。这些流量计通常被称为电磁流量计或者干脆MAGFLOW米。


    我们可以通过代数替换更精确地陈述体积流量(Q)和运动EMF(ε)之间的关系。首先,我们将写出将体积流量与平均速度相关的公式,然后对其进行处理以求出平均速度:

    Q =平均

    Q / A = v

    接下来,我们重新陈述运动电动势方程,然后用Q / A代替v以得出一个将运动电动势与体积流量(Q),磁通密度(B),管道直径(d)和管道相关的方程式区域(A):

    电磁流量计方程
    既然我们知道这是一个圆管,我们知道,面积和直径由式A =πD直接相关的相互2 /4进行。

    因此,我们可以将面积的此定义替换为最后一个方程式,以得出一个变量少(仅d,而不是d和A)的公式:

    电磁流量计方程式-1
    如果我们希望有一个公式来定义基于运动EMF(ε)的流量Q,我们可以简单地操纵最后一个方程来求解Q:

    电磁流量计方程式-2
    该公式仅在绝对完美的情况下才能成功预测流量。为了补偿不可避免的缺陷,通常在公式中包含“比例常数”(k):

    电磁流量计方程式-3
    其中,
    Q =体积流量(立方米每秒)
    ε=运动电动势(伏特)
    B =磁通密度(特斯拉)
    d =流量管的直径(米)
    k =比例常数

    注意该方程的线性。在电磁流量计的方程中,我们在任何地方都不会遇到幂,根或其他非线性数学函数。

    这意味着计算体积流量不需要特殊的表征。

    该公式必须满足一些条件才能从感应电压成功推断出体积流量:

    液体必须是合理的良好电导体(注意:如果导电流体包含一些非导电固体是可以的;围绕非导电固体物质的导电流体仍可在感应所需的电极之间提供电连续性)管道必须完全充满液体,以确保与两个探头接触并确保流过管道的整个横截面流量管必须正确接地以避免液体中杂散电流引起的误差通过在安装之前仔细考虑处理液,可以满足第一个条件。电磁流量计制造商将指定要测量的液体的最小电导率值。

    通过在管道中正确安装磁流管,可以满足第二和第三条件。安装时必须确保流量管完全充满(无气穴)。

    流量管通常安装时电极水平彼此交叉(切勿垂直!),因此即使是瞬间气泡也不会破坏电极头与液体流之间的电接触。

    电磁流量计与其他类型的流量计相比具有几个优点。由于感应电压仅与导体的垂直速度成正比,在这种情况下,流体沿流管中心线的速度成正比,因此它们对涡旋和其他大规模的湍流行为具有相当的容忍度。

    因此,电磁流量计不需要孔板那样长的上游和下游直管,这在许多管道系统中都是很大的优势。

    典型的上游直管要求为5个直径,下游直管要求为3个直径。

    此外,电磁流量计管的全开孔意味着绝对没有限制流量的功能,从而导致极低的永久压力损失。

    流体流动路径中没有任何障碍物,这意味着电磁流量计对液体流中的固体相当宽容,使其非常适合于测量废水,泥浆,木浆和可能堵塞的食品等工艺液体其他类型的流量计。

    实际上,由于这个原因,电磁流量计是废水,木浆和食品加工行业中使用的主要流量计技术。

    处理液的电导率必须满足一定的最小值,仅此而已。对于某些技术人员而言,令人惊讶的是,液体电导率的变化对流量测量精度几乎没有影响。

    好像液体电导率加倍不会导致感应电压加倍!运动电动势严格取决于物理尺寸,磁场强度和流体速度。

    电导率较差的液体在电压测量电路中比电导率良好的液体具有更大的电阻,但这几乎没有意义,因为检测电路的输入阻抗非常高。

    液体电导率对流量计操作的影响可以通过以下直流电路来建模:

    电磁流量计方程
    在这里,液体电阻的十倍(一个数量级)变化几乎不会影响所测电压(49.995 mV对49.95 mV),因为流量变送器的电压感应电子电路具有如此高的输入阻抗。

    液体的等效电阻值必须大大超出此示例中显示的值,然后才能对流量测量精度产生重大影响。

    实际上,电磁流量计唯一的问题是流体的电导率可忽略不计。

    这些流体包括去离子水(例如蒸汽锅炉给水,用于制药和半导体制造的超纯水)和油。大多数水性(水基)流体在电磁流量计上都能正常工作。

    流量计的正确接地对于电磁流量计非常重要。大多数液体流产生的运动电动势非常弱(1毫伏或更低!),因此很容易被管道和/或液体中杂散电流产生的噪声电压所掩盖。

 
    为了解决这个问题,电磁流量计通常配备有接地导体,该接地导体放置成在流管周围分流(旁路)杂散电流,因此电极截获的唯一电压将是液体流动产生的运动电动势,而不是杂散产生的电压降。电流通过液体的电阻。

    电磁流量管
    下图显示了罗斯蒙特8700型电磁流量管,其中清晰可见两条编织线接地带:

    注:编织导体在分流射频电流方面做得更好,因为在非常高的频率下,集肤效应使导体的表面积比其截面积更大。

    电磁流量管图片
    请注意两个接地带如何连接到流量管外壳上的公共连接点。当流量管安装在生产线中时,该公共连接点也应与功能接地相连。

    在此特定的流量管上,您可以在近法兰的表面看到一个不锈钢接地环,该接地环已连接到一根编织的接地带。

    另一个法兰上有一个相同的接地环,但在这张照片中看不到。这些环在管道由塑料制成或管道为金属但内衬塑料以防腐蚀的装置中提供与液体的电接触点。

    如果连接到电磁流量计流量管的管道是导电的(例如金属),则可以通过将金属管道的法兰和接地带连接到流量管主体上的公共接地点来实现接地:

    流量计杂散电流
    如果连接到电磁流量计流量管的管道不导电(例如,塑料)或带有绝缘衬里(例如,带有塑料衬里的金属管道)是导电的,则管道法兰的接地将毫无意义。

    为了使流管接地有效,接地导体必须与流体本身具有电连续性。

    特殊的接地环可以夹在非导电管的法兰之间,以提供与流体的电接触点。

    然后,将这些接地环与接地带一起连接到流量管本体上的公共接地点,如下所示:

    电磁流量计接地
    一些电磁流量计的信号调节电子设备位于流量管组件的整体中。

    电磁流量计图片
    这里显示了几个示例(左侧是一对小型Endress + Hauser流量计,右侧是一个大型Toshiba流量计):

    电磁流量计的图片
    其他电磁流量计具有单独的电子设备和流量管组件,通过屏蔽电缆连接在一起。

    在这些安装中,电子组件称为流量变送器(FT),而流量管称为流量元件(FE):

    电磁流量变送器
    下一张照片显示了一个巨大的(36英寸直径!)电磁流量元件(黑色)和流量变送器(蓝色,显示在人的手后面以显示刻度),用于测量市政污水处理厂的废水流量:

    磁流元件
    注意垂直的管道方向,以确保在流动条件下电极和水之间保持恒定的接触。

    从理论上讲,永磁体应该能够为电磁流量计提供必要的磁通量,但在工业实践中从来没有这样做过。其原因与被称为极化的现象有关,当在包含离子(带电分子)的液体上施加直流电压时,就会发生极化现象。

    带电分子(离子)趋向于聚集在带相反电荷的电极附近,在这种情况下,这将是流量计电极。

    如果电磁流量计使用恒定磁通量(例如由永磁体产生的磁通量),则这种“极化”将很快干扰运动EMF的检测。

    解决此问题的一个简单方法是改变磁场的极性,因此运动EMF极性也会发生改变,并且永远不会给流体离子足够的时间来极化。

    这就是电磁流量计管始终使用电磁线圈代替永久磁铁来产生磁通量的原因。

    流量计的电子组件通过交替极性的电流为这些线圈通电,从而使运动流体上的感应电压极性交替变化。

    永磁体具有不变的磁极性,只能产生恒定极性的感应电压,从而导致离子极化和随后的流量测量误差。

    电磁流量计的构造
    卸下保护盖之一的Foxboro电磁流量管的照片清楚地显示了这些线圈(蓝色):

    电磁流量计零件
    线圈励磁的最简单形式可能是当使用从线路电源获得的60 Hz交流电为线圈供电时,例如Foxboro流量管的情况。

    由于运动电动势与流体速度和磁场的通量密度成正比,因此这种线圈的感应电压也将是60 Hz正弦波,其振幅会随着体积流量的变化而变化。

    不幸的是,如果有任何杂散电流流过液体,从而在电极之间产生错误的电压降,那么很可能也是60 Hz AC。

    在线圈以60 Hz AC通电的情况下,任何此类噪声电压都可能被错误地解释为流体流动,因为传感器电子设备无法区分流体中的60 Hz噪声和流体流动引起的60 Hz运动电动势。

    对于此问题的更复杂的解决方案是将脉冲励磁电源用于流量管线圈。电磁流量计制造商将此称为直流激励,这有点误导,因为这些“直流”激励信号通常极性相反,在示波器显示屏上看起来更像是交流方波。

    这些流量计之一的运动电动势将显示相同的波形,其振幅再次成为体积流量的指标。

    传感器电子器件可以更轻松地抑制任何交流噪声电压,因为噪声的频率和波形(60 Hz,正弦波)将与流量感应的运动EMF信号的频率和波形不匹配。

    脉冲直流电磁流量计的最大缺点是对流速变化的响应时间较慢。

为了实现“两全其美”的结果,一些电磁流量计制造商生产了双频流量计,该双频流量计以两种混合频率为流量计线圈通电:一种低于60 Hz,另一种高于60 Hz。电极截获的所得电压信号被解调并解释为流速。

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