電磁(ci)流量計 由(you)于具有衆(zhong)多的優點(diǎn)廣泛應用(yong)于工業各(gè)種場合，近(jìn)年來已經(jing)逐步向民(min)用領域擴(kuò)展。傳統的(de)電磁流🤟量(liang)計僅能用(yong)于滿管的(de)流🙇🏻量測量(liàng)，對于非滿(mǎn)管流體或(huò)者流體在(zài)滿管與非(fēi)滿管之間(jiān)變化的流(liú)動時的流(liu)量測量研(yán)究較少。非(fēi)滿管流體(ti)流動時,由(you)于管内的(de)流體截面(mian)積是變化(hua)的,或者流(liu)體流動一(yī)直處于非(fēi)滿管狀态(tai)，非滿管流(liu)量的測量(liang)需要測量(liàng)流❤️體平均(jun1)流速和液(ye)位這🔆兩個(gè)參數。非滿(mǎn)管狀态下(xia),測量管内(nei)💛流體流速(sù)分布不🏃對(duì)稱,導緻權(quán)重函數🥰的(de)分布和液(ye)位有關，同(tong)時電極上(shàng)的感應📧信(xin)号是兩電(dian)極橫斷面(mian)内所有質(zhì)點電位的(de)集合,即電(dian)勢一定要(yao)處于電極(jí)可測量範(fàn)圍之内,所(suo)以進行非(fei)滿管的流(liu)量測量♻️電(dian)極必須浸(jin)入流體内(nei),否則電極(jí)得不到感(gan)應信号[17-19] 。
1 非(fei)滿管電磁(cí)流量計 的(de)結構設計(ji)
1.1 非滿管電(dian)磁流量計(ji)的測量原(yuán)理
　　管道式(shi)電磁流量(liang)計 在工作(zuò)的過程中(zhong)，可能會出(chū)現管道中(zhong)流體未充(chōng)滿或者在(zai)流體流動(dòng)過程中，流(liu)體流動處(chu)于滿管向(xiang)非滿管道(dào)的轉換狀(zhuàng)态中。使管(guan)中流體流(liú)動有兩種(zhǒng)流動狀态(tai)。對流體未(wei)充滿🚶‍♀️管道(dao)式 1，如圖 3-1 所(suo)示，此時如(rú)果💃仍按傳(chuán)統流量計(jì)的測量原(yuan)理，則：
實際(ji)值=測量值(zhi)-上部空氣(qì)部分

　　由權(quán)重函數的(de)理論可知(zhī)，感應信号(hao)電壓是兩(liang)電極橫斷(duàn)面内所有(yǒu)質點電位(wei)的集合，不(bu)論流體在(zài)管道中橫(héng)截面🔴如何(hé)變化㊙️，流動(dong)流體的質(zhì)點都會有(yǒu)感應電勢(shi)，但是這些(xiē)電勢一定(ding)要處于電(diàn)極的集合(hé)範圍内，如(ru)果電極暴(bao)露在💜空氣(qì)中，電極得(dé)不到信号(hào)[19]，流體未充(chong)滿管道式(shì) 2 就是這種(zhong)情況。當流(liu)體未充滿(man)管道時，管(guan)中流體🚶的(de)實際流量(liàng)值Q實=A實?`V，而(ér)管中流體(ti)☁️的截面積(ji)爲:

　　式中 h 爲(wei)液面高度(dù)， D 爲測量管(guǎn)内徑。而不(bu)再是由此(ci)可知，非滿(man)管電磁流(liu)量計的流(liú)量測量必(bi)須同時測(ce)量平均✨流(liu)速和液位(wèi)高度這兩(liang)個物理量(liang)。
1.2 非滿管電(diàn)磁流量傳(chuán)感器流速(su)測量機構(gou)
　　根據電磁(ci)流量計的(de)基本原理(lǐ)，當流體充(chong)滿管道時(shi)，管中流體(ti)👄的平均流(liú)速和兩電(diàn)極之間的(de)感應電勢(shì)♻️之間的關(guān)系如式（2-1）所(suo)示。當管中(zhong)流體未充(chōng)滿時，如前(qian)面所述，測(cè)得的信号(hao)不準确或(huo)者根本得(dé)不到感應(ying)🏃‍♀️電勢信号(hao)。在傳統電(diàn)磁流量計(ji)的基礎上(shàng)，将流速檢(jiǎn)測電極在(zài)高度方向(xiàng)上設🌈計在(zài)距測量管(guǎn)底端 10%D處，其(qí)中 D 爲測量(liàng)管直徑。這(zhe)樣能保證(zheng)⭕管中流體(ti)液位高于(yu) 10%D 時，根據傳(chuán)統電磁流(liú)量計基本(ben)原理，傳感(gǎn)器能準确(que)測❌得流體(ti)的平均流(liu)速。其結構(gòu)如圖 3-3 所示(shì)。

此時，兩極(ji)間的感應(ying)電動勢 E 與(yǔ)兩電極間(jian)的距離 d 之(zhi)間的關系(xì)爲：

E =k Bd`V 　　　　　　（3-2）
1.3 非滿管(guan)電磁流量(liàng)傳感器液(yè)位測量機(ji)構
　　基于電(diàn)容式傳感(gan)器的基本(běn)原理，就是(shi)将液位的(de)變化轉換(huan)成㊙️電容值(zhi)的變化。在(zài)測量的過(guò)程中測量(liàng)電⭐壓、頻率(lü)、脈寬等✔️容(róng)易🔴測量的(de)物理量，從(cóng)而實現電(dian)容💞值的測(ce)💁量。結合電(dian)容式🤟傳感(gǎn)器和電磁(cí)流量計的(de)基本原理(lǐ)，流體在管(guan)中流動的(de)過程中，利(lì)用流量計(ji)襯裏和管(guǎn)内流體作(zuò)爲介質，同(tong)時在流量(liàng)計襯裏與(yǔ)管壁之間(jian)采用🔞兩片(piàn)圓弧形電(diàn)極片，電極(ji)片與襯裏(lǐ)和管中流(liu)體形成一(yi)電容器，根(gēn)據電容🙇🏻式(shi)傳感器的(de)基本原理(li)，液體作爲(wei)一👅種介質(zhi)，是電容器(qi)的一個組(zǔ)成👨‍❤️‍👨部分，液(yè)體液位的(de)高低，直接(jiē)影響電容(róng)器的電容(rong)值，即電容(rong)器的電容(rong)量是液㊙️位(wei)高度的單(dān)值函數。其(qí)相應結構(gòu)如圖 3-4 所示(shi)。
　　爲了降低(di)信号之間(jiān)的幹擾和(hé)便于控制(zhi)，非滿管電(diàn)磁流㊙️量計(jì)🔴采用流速(sù)機構和液(yè)位機構分(fen)體，但是同(tong)時同步測(ce)量，再🤞将兩(liang)信号🏒進行(háng)整合，得出(chu)流量信号(hào)。

2 非滿管電(diàn)磁流量計(jì)原理
2.1 非滿(mǎn)管電磁流(liú)量計測量(liàng)原理
　　流體(tǐ)在管道内(nei)沿與磁感(gan)應線垂直(zhi)的方向流(liú)動時，根據(ju)✨法拉第電(dian)磁感應定(ding)律，會産生(shēng)感應電動(dòng)勢，通⁉️過感(gǎn)☀️應電動勢(shi)值即可得(dé)🌈到流體的(de)平均流速(su)。在兩電極(ji)片間有激(jī)勵電壓的(de)作用下，兩(liǎng)電❄️極片、襯(chen)裏和流體(tǐ)一起構成(chéng)電容器，根(gēn)據電容式(shi)傳感器基(jī)本原理，此(cǐ)傳感器的(de)等效電路(lù)如圖 3-5 所示(shi)，電極片、襯(chèn)裏和🚩流體(tǐ)一起構✨成(chéng)了一變介(jie)電常數型(xíng)電容器，兩(liang)極片✉️間電(dian)容爲上下(xia)兩部分電(dian)容并聯而(er)成，其中 C1和(hé) C3、C2和 C4之間爲(wèi)串聯，其總(zǒng)電容的計(ji)算如式（3-3）。

　　如(rú)圖 3-6 所示，管(guan)中液體将(jiang)測量管分(fèn)爲上下兩(liǎng)部分，其中(zhōng)空氣的介(jiè)電常數爲(wèi)0ε，流體的介(jiè)電常數爲(wèi)1ε，襯裏的介(jie)電🛀常數爲(wei)2ε，根據電容(rong)式傳感器(qì)模拟計算(suàn)方法可計(jì)算其電容(róng)值[20],1C 和2C 由于(yu)極闆間間(jiān)距沒有改(gǎi)變，而且兩(liǎng)極闆之間(jiān)是單一介(jie)質，其電容(róng)值可近㊙️似(sì)作爲平🔴行(hang)闆電容器(qì)來計算[21]，如(rú)下所示：

式(shì)中，
a 爲襯裏(li)内半徑， m ；　
h 爲(wèi)液位高度(dù)，?? m ；　
b 爲電極内(nèi)徑，?? m ；　
l 爲電極(ji)片軸向長(zhang)度， m ；
2.2 非滿管(guan)電磁流量(liang)計工作原(yuán)理
　　非滿管(guǎn)電磁流量(liàng)計采用勵(li)磁激勵和(he)電壓激勵(li)雙激勵🔆機(jī)㊙️制，在勵磁(cí)激勵的作(zuo)用下，通過(guò)勵磁電路(lu)産♈生相應(ying)的磁感應(yīng)強度，從而(er)在電極上(shàng)得到與流(liu)速🐉對應的(de)電勢信号(hào)，經過計算(suan)得💋到流體(tǐ)的平均流(liu)速值。在激(ji)勵電極的(de)作㊙️用下，向(xiang)激📧勵電極(jí)通入高頻(pin)電壓，使兩(liǎng)圓弧形電(dian)極片與其(qi)之間的介(jie)質形成電(dian)容🌈式傳感(gan)器，通過電(dian)容量的測(cè)量，經過控(kong)制系統🙇‍♀️處(chù)理後得到(dao)與電容對(duì)應的液位(wei)高度信🥵号(hao)。兩個過程(cheng)互不幹涉(she)，然後經過(guò)控☎️制系統(tǒng)分析處理(li)後得到管(guǎn)中流體流(liú)量值。整個(gè)系統框圖(tu)如圖 3-7 所示(shì)。

3 信号轉換(huàn)電路的構(gòu)成
　　傳統的(de)電磁流量(liang)計的信号(hao)轉換電路(lu)包含勵磁(ci)電路和信(xìn)号處理電(diàn)路兩部分(fen)組成。非滿(man)管電磁流(liu)量🔆計除了(le)這兩部分(fen)以外還有(yǒu)激勵電壓(ya)電路。
3.1 勵磁(cí)電路參數(shù)确定
　　勵磁(cí)系統是電(diàn)磁流量計(ji)的一個關(guan)鍵部分，其(qí)好壞直接(jiē)影響到測(ce)量結果的(de)精确程度(du)高低。勵磁(ci)系統❗的參(can)😘數主要是(shi)勵磁方式(shì)👈和勵磁頻(pín)率。常用的(de)勵磁方式(shi)有以下幾(jǐ)種[8]。
1.直流勵(li)磁
　　直流勵(li)磁方式是(shì)用直流電(dian)或永久磁(ci)鐵産生一(yī)個恒定的(de)均🈲勻磁場(chang)。直流勵磁(cí)可以忽略(lue)流體中的(de)自感現💚象(xiàng)，同時受交(jiao)流影響很(hěn)小，但是由(yóu)于管中流(liu)體電解質(zhì)的電離，直(zhi)流勵磁易(yì)産生極化(huà)現象。極化(hua)電💰壓和流(liú)量⭐信号混(hùn)雜在一起(qǐ)，不容易區(qū)分。所以，一(yi)般在測量(liang)非電解質(zhi)流體的情(qing)況下才采(cai)用這種方(fāng)式🌈。

2. 交流勵(lì)磁
　　交流勵(lì)磁方式是(shi)上世紀 50 年(nián)代工業電(dian)磁流量計(ji)主要采👈用(yong)的勵磁方(fang)式，它的磁(ci)場是由正(zhèng)弦交變電(diàn)流産生一(yi)個🏃🏻‍♂️交變磁(ci)場：

　　交變磁(ci)場能消除(chu)極化幹擾(rǎo),同時産生(shēng)的交變信(xìn)号，經過放(fàng)大和轉換(huan)要比直流(liu)信号容易(yi)。但是交變(bian)磁場易産(chǎn)生正交（微(wēi)分）幹擾：

和(hé)同相幹擾(rao)：

　　這些幹擾(rao)降低電磁(cí)流量計的(de)信噪比，這(zhè)些幹擾信(xin)号與流量(liàng)信号e=emsinωt 混雜(zá)在一起，難(nan)以區分。

3.低(dī)頻矩形波(bō)勵磁
　　上世(shì)紀70-80 年代出(chu)現了低頻(pín)矩形波勵(lì)磁，這種勵(lì)磁方式㊙️兼(jian)有直流勵(lì)磁和交流(liu)勵磁的優(you)點，同時很(hen)好的避免(miǎn)了它們的(de)缺點。如圖(tú) 3-10 所示。在半(ban)個周期内(nèi)，磁場👈是直(zhi)流磁場，低(dī)🌍頻矩形波(bo)勵磁有直(zhi)流勵磁的(de)特點，但從(cóng)整個過程(cheng)來看🌈磁場(chang)又是處于(yú)周期性變(biàn)化的過程(chéng)中，低頻矩(ju)形波又是(shì)一個交變(biàn)信🔞号，便于(yú)放大和處(chu)理。所以⭐低(di)頻方波勵(lì)磁現階段(duan)應用非常(cháng)廣泛的勵(lì)磁方式。

綜(zōng)合上面所(suo)述，非滿管(guan)電磁流量(liàng)計選擇低(di)頻矩形波(bo)作爲勵磁(cí)方式。
　　電磁(ci)流量計采(cai)用較高的(de)勵磁頻率(lǜ)可以有效(xiào)降低🌈信号(hao)源👈内♈阻，當(dang)頻率提高(gao)到100Hz 時，信号(hào)源内阻約(yue)爲幾百兆(zhao)。繼續提高(gāo)勵磁頻率(lü)，可以進一(yi)步降低信(xìn)号源内阻(zu)和流動噪(zào)聲。但是随(sui)着勵磁頻(pin)率的提高(gāo)，由式（3-7）和式(shi)（3-8）可知，正交(jiao)幹擾和同(tong)相幹擾會(hui)變得更嚴(yan)重，電極上(shang)的渦電流(liu)也随之增(zēng)大。根據日(rì)本專家 Nakatani 的(de)研究成果(guǒ)，流動噪聲(shēng)和微分幹(gan)擾強度随(suí)勵磁頻率(lǜ)變化規律(lǜ)如圖3-11所示(shì)，從中可以(yi)看出，使流(liú)動噪聲和(hé)正交🚶幹擾(rǎo)到達最小(xiao)的最佳勵(lì)磁頻率應(ying)該在 100-400Hz 範圍(wei)内 [22]。

3.2 信号處(chu)理電路
　　信(xìn)号處理電(diàn)路的主要(yào)作用是将(jiāng)傳感器得(de)到是帶有(you)很多幹擾(rao)而且信号(hao)非常微弱(ruò)的電壓信(xin)号轉換成(chéng)AD 采📐樣器可(kě)以❄️接受的(de)直流信号(hao)，從傳感器(qi)得到的信(xìn)号如🙇‍♀️下式(shi)所示[23]：

　　ec 是共(gong)模幹擾電(diàn)壓、ed 是串模(mó)幹擾電壓(yā)、ez 是直流極(ji)化電壓。其(qí)中正✊交幹(gan)擾和同相(xiàng)幹擾是由(you)于磁場的(de)突變引起(qǐ)的主要幹(gan)擾源，共模(mo)和串模幹(gan)擾是由于(yú)電磁幹擾(rao)和靜電幹(gàn)擾産生的(de)次要幹擾(rao)源，可以通(tong)過靜☔電屏(píng)蔽和接地(dì)加以抑止(zhǐ)，極化🈲電壓(yā)是直流極(ji)化現象産(chǎn)生的，可☔通(tōng)過提高勵(li)磁頻率消(xiāo)除[24]。電磁流(liu)量計采用(yòng)低頻矩形(xing)波勵磁能(neng)很好消除(chu)直流極化(huà)現象，在低(dī)頻矩形波(bō)的上升沿(yán)和下降沿(yan)，當勵磁電(diàn)流進入穩(wěn)态的時候(hou)再進行信(xin)号采樣，能(neng)消除部分(fen)正交幹擾(rao)電壓? [25] ，但是(shi)信号處理(lǐ)的時間較(jiao)長。
　　由于傳(chuán)感器得到(dao)的信号非(fēi)常微弱并(bìng)且帶有很(hen)多幹擾，所(suo)以信号處(chu)理電路必(bi)須有放大(da)以及抑制(zhì)噪聲和幹(gan)擾的功能(neng)，圖 3-15 表示⛷️信(xin)号處理電(diàn)路的組成(chéng)部分。

電磁(ci)流量傳感(gǎn)器的内阻(zǔ)很大，傳感(gan)器和轉換(huàn)器的等效(xiào)電路如圖(tu) 3-13 所示，

　　圖中(zhong) e 是傳感器(qi)産生的流(liú)量電勢信(xin)号，r 是傳感(gan)器内阻，RL是(shi)轉♊換器的(de)輸入阻抗(kang)，eX是轉換器(qì)得到的流(liú)量電勢信(xìn)号，根據歐(ōu)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼姆定律可(ke)知：

　　從上式(shi)可以得知(zhī)RL》r ，所以要使(shi)信号足夠(gòu)精确，轉換(huan)器必須💞有(yǒu)🐕很高的輸(shu)入阻抗[2]。
　　從(cóng)傳感器出(chu)來是非常(cháng)微弱且帶(dài)有幹擾的(de)信号，信号(hào)💘預處理是(shi)首先去除(chu)信号中的(de)高頻信号(hao)，然後再用(yòng)放大器将(jiāng)信号放大(dà)，同時放大(da)器能很好(hao)地抑制共(gong)模幹⭐擾，經(jing)過前面的(de)處理之後(hou)，信号中還(hái)會有部分(fen)幹擾噪聲(sheng)，無法直接(jiē)檢測得到(dao)，濾波器的(de)主要作用(yòng)是去除剩(sheng)餘部分的(de)幹擾和噪(zao)聲，得到模(mó)數轉換🚶‍♀️能(néng)直接識别(bié)的信号，然(rán)後傳輸給(gei)單片機控(kòng)制❄️。
3.3 激勵電(diàn)壓電路
　　非(fei)滿管電磁(ci)流量計以(yǐ)電容式傳(chuán)感器爲基(ji)本原理❤️，向(xiang)激勵電💞極(ji)通入高頻(pin)電壓以形(xing)成電容式(shì)傳感器，激(jī)勵電壓電(diàn)路框圖😄如(ru)圖🐉 3-14 所示。

　　由(yóu)于激勵電(diàn)極安裝在(zai)測量管和(hé)襯裏之間(jian)，激勵電壓(yā)電🈲路在工(gōng)作的過程(cheng)中需要一(yī)定大小的(de)高頻電壓(yā)用以擊穿(chuan)襯🈲裏材料(liao)，所以采用(yòng)變壓器以(yi)得到不同(tóng)大小⁉️的擊(jī)穿🔴電壓值(zhi)，工控闆用(yong)來控制整(zhěng)個激勵電(dian)路。
4小結
　　　非(fei)滿管電磁(cí)流量計重(zhòng)點介紹了(le)一種新的(de)非滿管電(diàn)磁流量♍計(jì)的結構，該(gai)結構是以(yi)電容式傳(chuán)感器爲基(ji)本原理🎯，利(lì)用電容和(hé)液位的高(gao)度關系來(lai)進行測量(liang)。同時🎯分析(xī)了非滿管(guǎn)電磁流量(liang)計基本的(de)工作原理(li)、簡要介紹(shào)了流量信(xin)号的處理(lǐ)方法，爲後(hòu)面實驗🌈方(fang)案及裝置(zhi)的設計打(dǎ)下了基礎(chǔ)。

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