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

點(diǎn)擊次數(shù):1901 發(fā)布時(shí)間:2021-09-01 09:57:03
熱水流量計(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(guò)程中對(duì)于熱水流量計(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(lèi)型,這三個(gè)方面的因素是在其使用過(guò)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(wú)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)稱是熱水流量計(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(shuō),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?。?,如果電*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?,為了消除由于流速分布而產(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(wú)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(jiàn):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(guò)來(lái)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(wú)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(wú)限長(zhǎng)磁場(chǎng)時(shí)(L→  )的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為e.用S來(lái)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(shuō),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(wú)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(shuō),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(wú)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(lái)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)熱水流量計(jì)來(lái)說(shuō),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(wèn)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(lèi)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(lái)表征這個(gè)效應(yīng)影響的大?。渲?,  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,熱水流量計(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,熱水流量計(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(guò)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(guò)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(méi)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)熱水流量計(jì)來(lái)說(shuō),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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