電磁流量計(jì) 由于具有衆(zhong)多的優點廣(guang)泛應用于工(gong)業各種場合(he)，近年來已經(jing)🎯逐步向民用(yòng)領域擴展。傳(chuan)統的電磁流(liu)量計僅能⁉️用(yong)于滿管的流(liu)量測量，對于(yú)非滿管流體(tǐ)或者流體在(zai)滿🏃‍♀️管與非滿(man)管之間變化(hua)的流動時的(de)流量測量研(yán)究較少。非滿(man)管流體流動(dòng)時,由于管内(nei)的流體截面(mian)♈積是變化的(de)☂️,或者流體流(liú)動一直處于(yú)🤟非滿管狀态(tai)😍，非滿管流量(liang)的測🐪量需要(yào)測量流體平(píng)均流速和液(yè)位這兩個參(can)數。非滿管狀(zhuàng)态下,測量管(guan)内流體流速(su)分布不對稱(chēng),導緻權重函(han)數的分布和(hé)☔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(zhi)點電位的集(ji)合,即電勢一(yī)定要處于電(dian)極可測量範(fan)圍之内,所以(yǐ)⛱️進行非滿管(guan)的流量測量(liàng)🙇🏻電極必須浸(jìn)入流體内,否(fǒu)則電極得不(bú)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(yuán)理
　　管道式電(dian)磁流量計 在(zai)工作的過程(chéng)中，可能會出(chū)現管道中流(liú)體未充滿或(huo)者在流體流(liú)動過程中，流(liu)體流動處于(yu)滿管向非滿(mǎn)管😍道的轉換(huan)狀态中。使管(guǎn)中流體流動(dong)有兩種流動(dong)狀态。對流體(ti)未充滿管道(dao)式 1，如圖 3-1 所示(shì)，此時如果💛仍(réng)按傳統流量(liang)計的🈲測量原(yuán)理🌂，則：
實際值(zhi)=測量值-上部(bù)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(you)質點電位的(de)集合，不論流(liú)體在管道中(zhōng)橫截面如何(he)變化，流動流(liu)體的質點都(dou)會有感應電(diàn)勢，但是這些(xie)電勢一定要(yao)處于電極🐆的(de)集合範圍内(nèi)，如果電極暴(bào)露在空氣中(zhong)，電極得不到(dào)信号[19]，流體♊未(wei)充滿管道式(shi) 2 就是這種情(qing)況。當流體未(wei)充滿管道時(shí)，管中流體💛的(de)實際流量值(zhi)Q實👉=A實?`V，而管中(zhōng)流體的截面(mian)積爲:

　　式中 h 爲(wèi)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(cè)量必須同時(shi)💁測量平💃🏻均✂️流(liu)速和液位高(gao)度這兩個物(wù)理量。
1.2 非滿管(guǎn)電磁流量傳(chuan)感器流速測(cè)量機構
　　根據(jù)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(jun1)流速和兩電(diàn)極之間的感(gǎn)應電勢之間(jian)的關🌈系如☀️式(shì)（2-1）所示。當管中(zhōng)流體未充滿(man)時，如前面所(suǒ)述，測得的信(xin)号不準确或(huo)者根本得不(bú)到感應電勢(shì)信号。在傳統(tǒng)電✊磁流量計(ji)的基礎上，将(jiāng)流速檢🔞測電(dian)極在高度方(fāng)向上設計在(zài)距測量管底(dǐ)端 10%D處，其🚶中 D 爲(wèi)測量管直🔴徑(jìng)。這樣能保證(zheng)管中流體液(yè)位🌐高于 10%D 時，根(gen)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(gou)如圖 3-3 所🤞示。

此時，兩極間(jiān)的感應電動(dòng)勢 E 與兩電極(jí)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(cí)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(jiù)是将液位的(de)變化轉換成(chéng)電容值的變(biàn)化。在測量的(de)過程中測量(liàng)電🏃‍♀️壓、頻率、脈(mò)寬等容易測(cè)量的物理量(liang)，從而實現電(dian)容值的測量(liàng)。結合電容式(shì)傳感器和電(dian)磁流量計的(de)基本原理，流(liú)體在管中流(liú)動的過程中(zhōng)，利用流量計(ji)襯裏和管内(nei)流體作爲介(jiè)質，同時在流(liu)量計襯裏與(yǔ)管壁之間采(cai)用兩片圓弧(hu)形電極片，電(dian)極片與襯裏(lǐ)和管中流體(ti)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(róng)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(rong)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(rú)圖 3-4 所示。
　　爲了(le)降低信号之(zhi)間的幹擾和(he)便于控制，非(fei)滿管電磁流(liú)量計采用流(liu)速機構和液(yè)位機構分體(ti)，但是同時同(tong)🚶‍♀️步測量，再将(jiang)兩信号進行(hang)整合，得出流(liú)量信号。

2 非(fei)滿管電磁流(liú)量計原理
2.1 非(fei)滿管電磁流(liú)量計測量原(yuán)理
　　流體在管(guǎn)道内沿與磁(ci)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(sheng)感應電動勢(shì)，通過感應電(dian)動勢值即可(kě)得到流體的(de)平均流速。在(zài)兩電極片間(jiān)有激勵電壓(ya)的作用下，兩(liǎng)電極片、襯裏(li)和流體一起(qi)構成電容器(qi)，根據電🏃🏻‍♂️容式(shì)傳感✉️器基本(ben)原理，此傳感(gan)器的等效電(diàn)路如圖 3-5 所示(shi)，電🐉極片、襯裏(li)和流體一起(qi)構成了一變(bian)介電常🏃‍♂️數型(xing)電容器，兩極(jí)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(ru)圖 3-6 所示，管中(zhong)液體将測量(liang)管分爲上下(xia)兩部分，其中(zhong)空氣🤞的介電(dian)常數爲0ε，流體(ti)的介電常數(shù)爲1ε，襯裏的✏️介(jiè)電常數爲2ε，根(gēn)據電容式傳(chuan)感器模拟計(ji)算方法可計(jì)算其電容值(zhí)[20],1C 和2C 由于極闆(pǎn)間㊙️間距沒有(yǒu)改變，而且兩(liang)極闆之🧑🏽‍🤝‍🧑🏻間是(shi)單一介質，其(qi)電容值可近(jìn)似作爲平行(hang)闆電容器來(lai)計算[21]，如下所(suo)示：

式中，
a 爲襯(chèn)裏内半徑， m ；　
h 爲(wèi)液位高度，?? m ；　
b 爲(wei)電極内徑，?? m ；　
l 爲(wèi)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(fēi)滿管電磁流(liu)量計采用勵(li)磁激勵和電(diàn)壓激勵雙激(ji)勵機制，在🌐勵(lì)磁激勵的作(zuò)用下，通過勵(li)磁電路産🌏生(shēng)相應的磁感(gan)🐕應強度，從而(er)在電極上得(de)到與流速對(dui)應的電勢信(xìn)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(yā)，使兩圓弧形(xíng)電極片與💘其(qí)之間的介質(zhì)形成電容式(shì)傳感器，通過(guo)電容量的測(ce)量，經過控制(zhì)系統處理後(hou)得到與電容(róng)對應的液位(wei)高度信号。兩(liang)個過程互不(bú)幹涉，然後經(jing)過控♈制系統(tǒng)分析處理後(hou)得到管中🧡流(liu)體流量🔅值。整(zhěng)個系統框圖(tú)如圖 3-7 所示。

3 信(xin)号轉換電路(lù)的構成
　　傳統(tong)的電磁流量(liàng)計的信号轉(zhuan)換電路包含(han)勵磁電💯路和(he)信号處理電(diàn)路兩部分組(zǔ)成。非滿管電(diàn)磁流量計除(chú)🚩了這😄兩部分(fèn)以🏃🏻外還♌有激(ji)勵電壓電路(lu)。
3.1 勵磁電路參(cān)數确定
　　勵磁(ci)系統是電磁(ci)流量計的一(yi)個關鍵部分(fèn)，其好壞直🤟接(jiē)影響到測量(liàng)結果的精确(que)程度高低。勵(lì)磁系統🔞的參(cān)🙇‍♀️數主要是勵(lì)磁💚方式和勵(li)磁頻率。常用(yong)的勵磁♌方式(shì)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(diàn)或永久磁鐵(tie)産生一個恒(héng)定的均勻磁(ci)場。直流勵磁(cí)可以忽略流(liu)體中的自感(gǎn)現象，同時受(shou)交流影響很(hen)小，但是由于(yu)管中流體🔞電(diàn)解質的電離(li)，直流勵磁易(yì)産生極化現(xian)象。極化電壓(yā)和流量信号(hao)混雜在一起(qi)，不容易區分(fen)。所以，一般在(zài)測量非電解(jie)質流體的情(qíng)況下才采用(yòng)這種方式。

2. 交(jiao)流勵磁
　　交流(liú)勵磁方式是(shì)上世紀 50 年代(dài)工業電磁流(liu)量計主要采(cǎi)用的勵☎️磁方(fang)式，它的磁場(chang)是由正弦交(jiao)變電流産生(shēng)🌈一個交變磁(cí)場：

　　交變磁場(chǎng)能消除極化(huà)幹擾,同時産(chǎn)生的交變信(xin)号，經✌️過放大(dà)和轉換要比(bǐ)直流信号容(rong)易。但是交變(bian)磁🍉場易🌈産生(sheng)正交（微分）幹(gàn)擾🥰：

和同相幹(gan)擾：

　　這些幹擾(rǎo)降低電磁流(liu)量計的信噪(zào)比，這些幹擾(rao)信号‼️與流量(liàng)信号e=emsinωt 混雜在(zai)一起，難以區(qu)分。

3.低頻矩形(xíng)波勵磁
　　上世(shì)紀70-80 年代出現(xiàn)了低頻矩形(xing)波勵磁，這種(zhong)勵磁方式兼(jian)有直流🔞勵磁(cí)和交流勵磁(cí)的優點，同時(shí)很好的避免(mian)了它們的缺(quē)點❌。如圖 3-10 所示(shi)。在半個周期(qī)内，磁場是直(zhi)流磁場，低頻(pin)矩形🐇波勵磁(ci)有直流勵磁(ci)的特點，但從(cong)整個過程來(lái)看磁場又是(shì)🏒處于周期性(xìng)變化的過程(cheng)中，低頻矩形(xíng)波又是一個(ge)交變信🛀号，便(biàn)于放大和處(chu)理。所以🧡低頻(pin)方波勵磁現(xiàn)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(liú)量計選擇低(di)頻矩形波作(zuo)爲☁️勵⛷️磁🌈方式(shì)。
　　電磁流量計(ji)采用較高的(de)勵磁頻率可(kě)以有效降低(dī)信号源内👨‍❤️‍👨阻(zǔ)，當頻率提高(gao)到100Hz 時，信号源(yuan)内阻約爲幾(jǐ)🍉百兆❌。繼續提(tí)高勵磁⭕頻率(lǜ)，可以進一步(bù)降低信号源(yuán)内阻和流動(dong)噪聲。但是随(suí)着勵磁頻率(lü)♍的提高，由式(shì)（3-7）和式（3-8）可知，正(zheng)交幹擾和同(tóng)相幹👅擾會變(biàn)得更嚴重，電(diàn)極上的渦電(diàn)流也随之增(zeng)大。根據日本(ben)專家 Nakatani 的研究(jiū)成果，流動噪(zào)🌍聲🔴和微分幹(gan)擾強度随勵(li)磁頻率變化(hua)🈲規律如圖3-11所(suǒ)示，從中可以(yi)看出，使流動(dòng)噪聲和正交(jiao)幹🐪擾到達最(zui)小的最🔅佳勵(lì)磁頻率應該(gai)在 100-400Hz 範圍内 [22]。

3.2 信(xin)号處理電路(lu)
　　信号處理電(diàn)路的主要作(zuò)用是将傳感(gan)器得到是帶(dài)有很多幹擾(rǎo)而且信号非(fēi)常微弱的電(diàn)壓信号轉換(huàn)成AD 采樣器可(ke)以接受的直(zhí)流信号，從傳(chuan)感器得到的(de)信号如下式(shì)所😄示[23]：

　　ec 是共模(mó)幹擾電壓、ed 是(shi)串模幹擾電(diàn)壓、ez 是直流極(ji)化電壓。其中(zhong)😄正♋交🙇‍♀️幹擾和(hé)同相幹擾是(shì)由于磁場的(de)突變引起的(de)主要幹擾源(yuán)，共模和串模(mó)幹擾是由于(yu)電磁幹擾和(he)靜電幹擾産(chan)生的次要幹(gàn)擾源，可以通(tong)過靜電屏蔽(bì)和接地加以(yǐ)抑止，極化電(diàn)壓是直流極(ji)化現象産生(sheng)的，可通過提(ti)高勵磁頻率(lǜ)消除[24]。電磁流(liú)量計👉采用低(dī)頻矩🏃🏻‍♂️形波勵(lì)磁能很好消(xiao)除直流極化(huà)現象，在低頻(pín)矩形波的上(shang)升沿和下降(jiàng)沿，當勵磁電(diàn)流進入穩态(tài)的時候再進(jin)行信号采樣(yang)，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(chuán)感器得到的(de)信号非常微(wei)弱并且帶有(yǒu)很多幹擾，所(suo)🛀🏻以信👌号處理(li)電路必須有(you)放大以及抑(yi)制噪🛀🏻聲和幹(gan)擾的功能，圖(tú) 3-15 表示信号處(chù)理電路的組(zǔ)成部🌏分。

電磁(ci)流量傳感器(qì)的内阻很大(dà)，傳感器和轉(zhuan)換器的等效(xiào)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(xin)号，r 是傳感器(qì)内阻，RL是轉換(huàn)器的輸入阻(zǔ)抗，eX是轉換器(qì)得到的流量(liang)電✨勢信号，根(gen)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(hào)足夠精确，轉(zhuǎn)換器必👅須🐆有(you)💃🏻很高的輸入(rù)阻抗[2]。
　　從傳感(gǎn)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(qù)除信号中的(de)高頻信号，然(ran)後再用放大(dà)器将信号放(fang)大，同時放大(da)器能很好地(dì)抑制共模幹(gan)🌈擾，經過前面(mian)的處理之後(hou)，信号中還會(huì)有部💔分幹擾(rao)噪聲，無法直(zhi)接檢測得到(dào)，濾波器的主(zhǔ)要作用是去(qù)除剩餘部分(fen)的幹擾和噪(zào)聲，得到模數(shu)轉換能直接(jie)識别的信号(hào)，然後傳輸給(gěi)單片機控制(zhi)。
3.3 激勵電壓電(diàn)路
　　非滿管電(dian)磁流量計以(yi)電容式傳感(gǎn)器爲基本原(yuán)理，向激勵⁉️電(dian)🐆極通入高頻(pín)電壓以形成(cheng)電容式傳感(gǎn)器，激勵電壓(yā)電路框圖如(rú)圖 3-14 所示。

　　由于(yu)激勵電極安(ān)裝在測量管(guǎn)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(lǐ)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(pan)用來控制整(zheng)個激勵電路(lu)。
4小結
　　　非滿管(guan)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(gòu)，該結構是以(yi)電容式傳感(gǎn)器爲基本原(yuán)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(gong)作原理、簡要(yào)介紹了流量(liàng)信号的處理(li)方法，爲後面(miàn)實驗方案及(jí)裝置的設計(jì)打下⭐了基礎(chǔ)。

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