流場(chǎng)、磁場(chǎng)及介質(zhì)電導(dǎo)率對(duì)測(cè)量鹽水流量計(jì)測(cè)量的影響分析

測(cè)量鹽水流量計(jì)是一種安裝與使用都相當(dāng)方便簡(jiǎn)單的流量測(cè)量?jī)x表，我們?cè)诎惭b使用過程中對(duì)于測(cè)量鹽水流量計(jì)要注意以下三點(diǎn)：流速分布、磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)以及被測(cè)介質(zhì)電導(dǎo)率，對(duì)于基于電磁感應(yīng)原理工作的流量計(jì)類型，這三個(gè)方面的因素是在其使用過程中特別重要的。下面小編針對(duì)這三方面加以介紹：
（一）流速分布的影響
只要管內(nèi)流速為軸對(duì)稱分布，則電*上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)大小與流動(dòng)狀態(tài)無關(guān)，不論它是層流還是紊流，僅與流體的平均流速成正比．因此，流速分布為軸對(duì)稱是測(cè)量鹽水流量計(jì)必須滿足的工作條件之一．
假如，流速分布相對(duì)管中心為非對(duì)稱時(shí)，測(cè)量就會(huì)產(chǎn)生誤差．因?yàn)殡?上得到的感生電動(dòng)勢(shì)e是測(cè)量管內(nèi)所有液體共同貢獻(xiàn)的結(jié)果，所以每一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)都有貢獻(xiàn)。但由各個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于電*的幾何位置不同，故即使各質(zhì)點(diǎn)速度一樣，它們對(duì)電動(dòng)勢(shì)e的貢獻(xiàn)也是不同的．越靠近電*的質(zhì)點(diǎn)對(duì)電動(dòng)勢(shì)e的貢獻(xiàn)越大．也就是說，電*附近的感生電動(dòng)勢(shì)較大，與兩電*平面成90°的地方的流體產(chǎn)生的感生電勢(shì)就?。裕绻?附近的流速非軸對(duì)稱的偏大，測(cè)得的流量信號(hào)就比實(shí)際流量值大；反之，電*附近的流速非軸對(duì)稱的偏小，測(cè)得的流量信號(hào)也就偏?。虼耍瑸榱讼捎诹魉俜植级a(chǎn)生的測(cè)量誤差，在電磁流量變送器的應(yīng)有一定長(zhǎng)度的直管段，以保證流速的鈾對(duì)稱分布．
 (二)磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)的影響
由前述的基本假定可知，e＝DB  這一基本表達(dá)式是在“長(zhǎng)筒流量計(jì)”的模型條件下推得的，即假定沿流體的流動(dòng)方向上磁場(chǎng)始終是均勻的．實(shí)際上，這意味著沿管軸方向上的磁場(chǎng)為無限長(zhǎng)，而實(shí)際流量計(jì)的磁場(chǎng)是有限長(zhǎng)的，所以就必須考慮有限長(zhǎng)磁場(chǎng)產(chǎn)生的邊緣效應(yīng)對(duì)測(cè)量的影響。
1．絕緣管壁
圖3—34為流量計(jì)測(cè)量管的縱向視圖．設(shè)磁場(chǎng)長(zhǎng)度為2L，測(cè)量管半徑為a．電*A和B在磁場(chǎng)中部。則從圖中可見：磁場(chǎng)的中間部分，即電*附近大致是均勻的，兩端則逐漸減弱，形成不均勻的磁場(chǎng)邊線，段后下降為零．這樣，在電*附近產(chǎn)生的感生電勢(shì)較大，兩端則較小，從而造成液體內(nèi)部電場(chǎng)外有的不均勻而產(chǎn)生渦電流．由渦電流產(chǎn)生的二次磁通，反過來又改變磁場(chǎng)邊緣部分的工作磁通，使磁場(chǎng)的均勻性進(jìn)—步遭到破壞。所以，電*上得到的感生電勢(shì)與無限長(zhǎng)磁場(chǎng)下的感生電動(dòng)勢(shì)有差別，使測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生誤差．

圖3－34磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)
設(shè)在磁場(chǎng)軸向長(zhǎng)度為2L時(shí)，電*A和B之間的感生電動(dòng)勢(shì)用eAB表示，而無限長(zhǎng)磁場(chǎng)時(shí)(L→  )的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為e．用S來表示它們的比值，即
S＝
顯然，我們希望S值越接近于1越好。也就是說，希望磁場(chǎng)軸向長(zhǎng)度為有限長(zhǎng)時(shí)電*上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)盡可能接近于無限長(zhǎng)時(shí)的值．若以L／d表示磁場(chǎng)軸向長(zhǎng)度與管道內(nèi)徑之比，則根據(jù)計(jì)算，在測(cè)量管是絕緣管壁的條件下，S與L／d的關(guān)系如圖3—35所示．由圖可知，在保證S＝0．99的情況下，L/ d的比值范圍大致為L(zhǎng)／d＝2．8—3．04．這就是說，為了減少磁場(chǎng)地緣的影響，勵(lì)磁線圈的長(zhǎng)度應(yīng)為測(cè)量管內(nèi)徑的2. 8—3．04倍，這樣才可以使電*上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)接近于無限長(zhǎng)磁場(chǎng)時(shí)的值。

圖3－35 S與L / d的關(guān)系
2．導(dǎo)電管壁

圖3－36 導(dǎo)電管壁S與L / a的關(guān)系
圖3－37液態(tài)金屬磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)
如果測(cè)量管是導(dǎo)電的，由于導(dǎo)電管壁的短路作用，磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)就會(huì)更加明顯，并導(dǎo)致電*上感生電動(dòng)勢(shì)損失的增加．隨著管壁導(dǎo)電率和壁厚的變化，這種影響也將隨之改變．若以  表示管壁厚度，K表示管壁電導(dǎo)率，d和  仍然分別表示測(cè)量管內(nèi)半徑和被測(cè)液體電導(dǎo)率，則可用L／d和a＝  來表示不同情況下邊緣效應(yīng)的影響程度，如圖3—36所示．
由圖可知，同樣的L／d值，測(cè)量管的電導(dǎo)率越大，管壁越厚，這種影響也就越大，即感生電動(dòng)勢(shì)的損失也就越嚴(yán)重a＝0即相當(dāng)于管避絕緣的情況(K＝0)，其結(jié)果與圖3－35所示的一樣．所以，對(duì)測(cè)量鹽水流量計(jì)來說，測(cè)量管壁絕緣是非常必要的．
3．液態(tài)金屬的邊緣效應(yīng)
如前所述，由于勵(lì)磁線圈兩端的磁感應(yīng)強(qiáng)度B是逐漸減弱的，形成了不均勻的邊緣，使被測(cè)介質(zhì)在磁場(chǎng)的邊緣區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生渦電流，對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響．當(dāng)被測(cè)介質(zhì)是電導(dǎo)率*高的液態(tài)金屬時(shí)，這個(gè)渦電流的影響就很大。
如圖3－37所示，由磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的渦電流會(huì)引起二次磁通，使工作磁場(chǎng)的邊緣發(fā)生畸變，出于左側(cè)邊緣的磁場(chǎng)是逐漸增強(qiáng)的，所以左側(cè)的渦電流就企圖去削弱這種增強(qiáng)；而右側(cè)的渦電流，由于右側(cè)的磁場(chǎng)逐漸減弱，阻止這種削弱．這樣就造成了整個(gè)磁場(chǎng)的畸變，便它相對(duì)于電*軸不對(duì)稱．
上述這種效應(yīng)在值流勵(lì)磁的情況下雖有一定影響，但問題不大．如果采用交流勵(lì)磁的話，隨著勵(lì)磁電流頻率的增加，這種邊緣效應(yīng)的影響就比較嚴(yán)重．
如果被測(cè)介質(zhì)中含有導(dǎo)磁性物質(zhì)，例如含有鐵、鉆、鎳之類的金屬時(shí)，磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)的影響就更加復(fù)雜化．在理論上研究這種效應(yīng)時(shí)，常用一個(gè)純數(shù)，即磁雷諾數(shù)RM＝  ud來表征這個(gè)效應(yīng)影響的大小．其中，  和  分別是介質(zhì)的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率；u為介質(zhì)流速；d為測(cè)量管半徑．研究表明，如果RM值不大，并且磁場(chǎng)邊緣離電*不太近的情況下，即使介質(zhì)中含有微量的導(dǎo)磁性物質(zhì)，對(duì)測(cè)量的影響仍可忽略．相反RM值很大，而且磁場(chǎng)邊緣離電*又比較近的，則由于工作磁場(chǎng)的畸變將給測(cè)量造成嚴(yán)重的影響。所以，測(cè)量鹽水流量計(jì)要求被測(cè)介質(zhì)非磁性是必要的．另外，對(duì)于液態(tài)金屬，一般采用直流勵(lì)磁以減少磁場(chǎng)邊緣效應(yīng)．
(三)被測(cè)介質(zhì)電導(dǎo)率的影響
目前，測(cè)量鹽水流量計(jì)轉(zhuǎn)換路的輸入阻抗已有所提高，測(cè)量導(dǎo)電性液體時(shí)，一般不會(huì)因介質(zhì)電導(dǎo)率稍有變化而引起誤差，但對(duì)于一定的轉(zhuǎn)換器輸入阻抗，被測(cè)介質(zhì)的電導(dǎo)率有一個(gè)下限值  min，不能低于該下限值．
被測(cè)介質(zhì)的電導(dǎo)率太大也是不允許的。例如當(dāng)電導(dǎo)率超過10－1(S／cm)左右時(shí)，就會(huì)降低流量信號(hào)，改變指示值，即指示流量值小于實(shí)際流量值．這是因?yàn)樵陔姶帕髁孔兯推髦?，磁?chǎng)為有限長(zhǎng)，被測(cè)的導(dǎo)電液體只有流過有限磁場(chǎng)時(shí)，才能產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)e．所以，代表流量信號(hào)的感生電動(dòng)勢(shì)e是磁場(chǎng)部分的導(dǎo)電液體切割磁力線的結(jié)果，磁場(chǎng)兩端以外的導(dǎo)電液體沒有對(duì)e作出任何貢獻(xiàn)．相反，由于它們也是和兩個(gè)電*連通的，故也就構(gòu)成了一部分外電路。當(dāng)變送器與轉(zhuǎn)換器連接在一起時(shí)，這部分外電路就與轉(zhuǎn)換器輸入阻抗相并聯(lián)而成為變送器的負(fù)載．當(dāng)被測(cè)介質(zhì)的電導(dǎo)率很大時(shí)，外電路的電阻較小，達(dá)時(shí)不管轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗有多高，并聯(lián)的結(jié)果將取決于這部分液體外電路，從而減小變送器與轉(zhuǎn)換器之間的傳輸精度。
所以，對(duì)一個(gè)測(cè)量鹽水流量計(jì)來說，測(cè)量不受介質(zhì)電導(dǎo)率影響是有一定范圍的，被測(cè)介質(zhì)電導(dǎo)串既不能太大，也不能太小。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)換器輸入阻抗的提高，必將可以降低被測(cè)介質(zhì)電導(dǎo)率的下限。

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