電磁(ci)流量計 由(yóu)于具有衆(zhōng)多的優點(dian)廣泛應用(yong)于工業各(ge)種場合🔅，近(jìn)❤️年來已經(jing)💃🏻逐步向民(mín)用領域擴(kuo)展。傳統的(de)電磁流量(liang)計僅能✊用(yòng)于滿管的(de)流量測量(liàng)，對于非滿(man)管流體或(huò)者流體在(zài)滿管與非(fei)滿管之間(jiān)變化的流(liú)動時的🐉流(liú)量測量研(yan)究較少。非(fei)滿管流體(tǐ)流動時,由(yóu)于管内💛的(de)流體截面(miàn)積是變化(hua)的,或者流(liú)體流動一(yi)直處于🔴非(fei)滿管狀态(tai)，非滿管流(liu)量的測量(liàng)需要測量(liang)流體平均(jun1)流速和🙇‍♀️液(yè)位這兩個(gè)參數。非滿(mǎn)管狀态下(xia),測量管内(nèi)流體流速(su)分布不💘對(duì)稱,導緻權(quán)重函數🈚的(de)分布和液(yè)位有關，同(tong)時電極上(shang)🌈的感應信(xìn)号是兩電(dian)極橫斷🔆面(miàn)内所有質(zhì)點電🧑🏽‍🤝‍🧑🏻位的(de)集合,即電(dian)勢一定要(yao)處于電🔱極(ji)可測量範(fan)圍之内,所(suǒ)以進行非(fēi)滿管的流(liu)量測量電(dian)極必須浸(jin)入流體内(nei),否則電極(ji)得不到感(gan)應信号[17-19] 。
1 非(fēi)滿管電磁(ci)流量計 的(de)結構設計(jì)
1.1 非滿管電(dian)磁流量計(jì)的測量原(yuán)理
　　管道式(shì)電磁流量(liang)計 在工作(zuo)的過程中(zhōng)，可能會出(chu)現管道中(zhong)流體未充(chōng)滿或者在(zài)流體💯流動(dong)過程中，流(liú)體流動處(chu)于滿管向(xiang)非滿管道(dào)的轉換狀(zhuang)态中。使管(guan)中流體流(liú)動有兩種(zhǒng)流❤️動狀态(tài)。對流體未(wèi)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(yuán)理，則：
實際(ji)值=測量值(zhi)-上部空氣(qì)部分

　　由權(quan)重函數的(de)理論可知(zhi)，感應信号(hao)電壓是兩(liang)電極橫斷(duan)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(he)變化，流動(dòng)流體的質(zhì)點都會有(you)感應電勢(shì)，但💃🏻是這些(xie)電勢一定(ding)要處于電(diàn)極的集合(he)範圍内，如(rú)果電極暴(bao)露在空氣(qi)中，電🛀極得(de)不到信号(hào)[19]，流體未充(chong)滿管道式(shi) 2 就是這種(zhong)⭐情況。當流(liu)體♋未充滿(man)管道時，管(guǎn)中流體📞的(de)♊實際流量(liang)值Q實=A實?`V，而(ér)管中流體(tǐ)的截面積(jī)爲:

　　式中 h 爲(wèi)液面高度(dù)， D 爲測量管(guan)内徑。而不(bu)再是由此(ci)可知，非滿(man)管電磁流(liú)量計的流(liú)量測量必(bì)須同時測(cè)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(dian)磁流量傳(chuan)感器流速(su)測量機構(gòu)
　　根據電磁(cí)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(dian)極之間的(de)感應電勢(shi)之間的關(guān)🍓系如式（2-1）所(suo)🔴示。當管中(zhong)流體未充(chong)滿時，如前(qián)面所述，測(ce)得的信号(hào)不準确或(huo)者根本得(de)不到感應(yīng)電勢信号(hào)。在傳統電(diàn)磁流量計(ji)💜的基礎上(shang)，将流速檢(jiǎn)🈲測電極在(zài)高度方向(xiang)上設計在(zai)距測量管(guan)底端 10%D處，其(qí)中 D 爲測量(liàng)管直🔞徑。這(zhe)樣能保證(zhèng)管中流體(ti)液位高于(yu) 10%D 時，根據傳(chuan)統電磁流(liú)量計基本(běn)原理，傳感(gǎn)器能準确(què)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(jí)間的感應(yīng)電動勢 E 與(yu)兩電極間(jian)的距離 d 之(zhī)間的關系(xì)爲：

E =k Bd`V 　　　　　　（3-2）
1.3 非滿管(guǎn)電磁流量(liang)傳感器液(yè)位測量機(ji)構
　　基于電(diàn)容式傳感(gǎn)器的基本(běn)原理，就是(shì)将液位的(de)變📧化轉換(huan)成🈚電容值(zhi)的變化。在(zài)測量的過(guo)程中測量(liàng)電壓、頻率(lü)、脈寬等容(rong)易測量的(de)物理量，從(cóng)而實現電(dian)容💰值的測(ce)量。結合電(diàn)容式傳感(gǎn)器和電磁(cí)流量計的(de)基本原理(lǐ)，流♻️體在管(guǎn)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(tóng)時在流量(liang)計襯裏與(yu)管🤟壁之間(jian)采用兩片(pian)圓弧形電(dian)極片，電極(ji)片與襯裏(lǐ)和管中流(liú)體⭐形成一(yī)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻電容器，根(gen)據電容式(shì)傳感器的(de)基👌本🐆原理(lǐ)，液體作爲(wei)一種介質(zhì)，是電容器(qi)的一個組(zǔ)成部分，液(yè)體🈲液位的(de)高低❓，直接(jie)影響電容(róng)器的電容(rong)值，即電容(rong)器的電容(rong)量是液💋位(wèi)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(jian)的幹擾和(he)便于控制(zhi)，非滿管電(diàn)磁流量計(jì)采🔴用流速(su)機構和液(ye)位機構分(fèn)體，但是同(tóng)時同步測(ce)量，再将兩(liang)信号進行(hang)整合，得出(chū)流量信号(hào)。

2 非滿管電(diàn)磁流量計(ji)原理
2.1 非滿(mǎn)管電磁流(liú)量計測量(liang)原理
　　流體(ti)在管道内(nèi)沿與磁感(gǎn)應線垂直(zhi)的方向流(liu)動時，根據(ju)法拉第電(dian)磁感應定(dìng)律，會産生(sheng)感應電動(dòng)勢，通過感(gan)應電動勢(shì)值即可得(dé)🔞到流體的(de)平均流速(su)。在兩🈲電極(jí)片間有激(jī)勵電壓的(de)作用下，兩(liǎng)電極片、襯(chèn)裏和流體(ti)一起🍉構成(chéng)電容🐉器，根(gen)據電容式(shì)傳感器基(ji)本原✂️理，此(cǐ)傳感器的(de)等效電路(lu)如圖 3-5 所示(shì)，電極片、襯(chen)裏和流體(tǐ)一起構成(chéng)了一變介(jie)電常數型(xing)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(he) C3、C2和 C4之間🆚爲(wèi)串聯，其總(zǒng)電容的計(ji)算如式（3-3）。

　　如(ru)圖 3-6 所示，管(guǎn)中液體将(jiang)測量管分(fèn)爲上下兩(liǎng)部分，其中(zhong)✂️空氣的介(jiè)電常數爲(wei)0ε，流體的介(jiè)電常數爲(wei)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(suan)方法可計(jì)算其電容(rong)值🔞[20],1C 和2C 由于(yu)極闆間間(jian)距沒有改(gǎi)變，而且兩(liang)極闆之間(jian)是單一介(jiè)質，其電容(rong)值可近似(si)作爲平行(hang)闆電容器(qi)來計算[21]，如(ru)下所示：

式(shì)中，
a 爲襯裏(li)内半徑， m ；　
h 爲(wei)液位高度(du)，?? m ；　
b 爲電極内(nei)徑，?? m ；　
l 爲電極(jí)片軸向長(zhǎng)度， m ；
2.2 非滿管(guan)電磁流量(liang)計工作原(yuan)理
　　非滿管(guǎn)電磁流量(liang)計采用勵(li)磁激勵和(he)電壓激勵(li)雙激勵機(jī)制💔，在勵磁(ci)激勵的作(zuo)用下，通過(guo)勵磁電路(lù)産生相應(yīng)的磁感應(ying)強度，從而(er)在電極上(shang)得到與流(liú)速💛對應的(de)⁉️電勢信🔅号(hao)，經過計算(suan)得到流體(tǐ)的平均流(liu)速值。在激(jī)勵電極的(de)作用下，向(xiang)激🌈勵電極(jí)通入高頻(pin)電壓，使兩(liang)圓弧形電(dian)極片與其(qi)之間的介(jie)✌️質形成電(diàn)容🈲式傳感(gan)器，通過電(diàn)容量的測(ce)量，經過控(kòng)制系統處(chù)理後得到(dào)與電容對(duì)應的液位(wèi)高度信✂️号(hao)。兩個過程(cheng)互不幹涉(shè)，然後經過(guò)控🛀🏻制系統(tǒng)分析處理(li)後得到管(guan)中流體流(liu)量值。整個(ge)系統框圖(tu)如圖 3-7 所示(shi)。

3 信号轉換(huàn)電路的構(gou)成
　　傳統的(de)電磁流量(liàng)計的信号(hào)轉換電路(lù)包含勵磁(cí)電路🏃和信(xìn)号處理電(dian)路兩部分(fèn)組成。非滿(mǎn)管電磁流(liú)量計除了(le)這兩部分(fen)以外還有(yǒu)激勵電壓(yā)電路。
3.1 勵磁(cí)電路參數(shù)确定
　　勵磁(ci)系統是電(dian)磁流量計(jì)的一個關(guān)鍵部分，其(qi)好壞🈲直接(jie)影響到🌂測(cè)量結果的(de)精确程度(du)高低。勵磁(ci)系統的參(can)數主要是(shì)🈲勵磁方式(shì)和勵磁頻(pin)率。常用的(de)勵磁方式(shì)有以下幾(ji)種[8]。
1.直流勵(li)磁
　　直流勵(lì)磁方式是(shì)用直流電(dian)或永久磁(ci)鐵産生一(yi)個♌恒定🔞的(de)均勻磁場(chǎng)。直流勵磁(cí)可以忽略(luè)流體中的(de)自感現象(xiang)，同時受📞交(jiāo)流影響很(hen)小，但是由(yóu)于管中流(liú)體電解質(zhì)的電離，直(zhi)流勵磁易(yi)産生極化(hua)現象。極化(huà)電壓和流(liú)量信号混(hùn)雜在一起(qi)，不容易區(qū)分。所以，一(yi)般在測量(liàng)非電解質(zhi)流體的☂️情(qíng)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(shì)上世紀 50 年(nián)代工業電(dian)磁流量計(jì)主要采用(yòng)的勵磁方(fāng)式，它的磁(cí)場是由正(zheng)弦交變電(diàn)流産生㊙️一(yī)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(huàn)要比直流(liú)信号容易(yì)。但是交變(biàn)磁場易✉️産(chan)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(zhe)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(bo)勵磁
　　上世(shi)紀70-80 年代出(chū)現了低頻(pin)矩形波勵(li)磁，這種勵(lì)磁方式兼(jian)有🛀🏻直流勵(li)磁和交流(liu)勵磁的優(you)點，同時很(hěn)好的☀️避免(mian)了它們的(de)缺點。如圖(tú)🌍 3-10 所示。在半(bàn)個周期内(nèi)，磁場是直(zhi)流磁場，低(di)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(chǎng)又是處于(yu)周期性變(biàn)化的🔞過程(cheng)中，低頻矩(jǔ)形波又是(shì)📐一個交變(biàn)信号，便于(yu)放大🈲和處(chu)理。所以低(di)頻方波勵(li)磁現階段(duan)應用非常(cháng)廣泛的勵(li)磁方式。

綜(zōng)合上面所(suǒ)述，非滿管(guan)電磁流量(liang)計選擇低(dī)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(lü)可以有效(xiào)降低🈚信号(hào)源内阻☁️，當(dāng)頻率提高(gao)到100Hz 時，信号(hao)源内阻約(yue)爲幾百兆(zhao)🔞。繼續提高(gao)勵磁頻率(lü)，可以進一(yi)步降低信(xìn)号源🐕内阻(zǔ)和流動噪(zao)聲。但是随(suí)着勵👅磁頻(pin)率的提高(gao)，由式🔴（3-7）和式(shì)（3-8）可知，正交(jiāo)幹擾和同(tong)相幹擾會(huì)變得更嚴(yan)重，電極上(shang)的渦電流(liú)也随之增(zēng)大。根據日(ri)本專家 Nakatani 的(de)研究成果(guǒ)，流動噪👅聲(shēng)和微分幹(gàn)擾強度随(suí)勵磁頻率(lǜ)變化規律(lü)如圖3-11所示(shì)，從中可以(yi)☁️看出，使流(liú)🈲動噪聲和(he)正交幹🌈擾(rao)到達最小(xiǎo)的最佳勵(lì)磁頻率應(ying)該✍️在 100-400Hz 範圍(wéi)内 [22]。

3.2 信号處(chù)理電路
　　信(xìn)号處理電(dian)路的主要(yao)作用是将(jiang)傳感器得(de)到是帶有(yǒu)很多幹擾(rǎo)而且信号(hao)非常微弱(ruo)的電壓信(xin)号轉換成(cheng)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(qi)的主要幹(gàn)🈚擾源，共模(mo)㊙️和串模幹(gàn)擾是由于(yu)電磁幹擾(rǎo)和靜電幹(gan)擾産生的(de)次要幹擾(rao)源🔅，可以通(tōng)過靜電屏(ping)蔽和接地(dì)加以抑止(zhǐ)，極化電壓(ya)是直流極(ji)化現象産(chan)生的，可通(tōng)過提高勵(li)磁頻率消(xiāo)除[24]。電磁流(liú)量計采用(yong)低頻矩形(xing)💛波勵磁能(néng)很好消除(chú)直流極化(hua)現象，在低(dī)頻矩🤟形波(bo)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(xìn)号采樣，能(néng)消除📧部分(fèn)正交幹擾(rao)電壓? [25] ，但是(shi)信号處理(li)的時間較(jiào)長。
　　由于傳(chuan)感器得到(dào)的信号非(fēi)常微弱并(bìng)且帶有很(hen)多幹擾📐，所(suǒ)以✉️信号處(chu)理電路必(bì)須有放大(dà)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(dian)路的組成(cheng)部🌈分。

電磁(cí)流量傳感(gǎn)器的内阻(zu)很大，傳感(gǎn)器和轉換(huan)器的等效(xiào)電路如圖(tú) 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(gǎn)器内阻，RL是(shi)轉換器的(de)輸入阻抗(kàng)，eX是轉換器(qi)得到的流(liú)量電勢信(xìn)🔱号，根據歐(ōu)姆定律可(ke)知：

　　從上式(shì)可以得知(zhi)RL》r ，所以要使(shǐ)信号足夠(gòu)精确，轉換(huàn)器💛必🤞須有(yǒu)很📧高的輸(shū)入阻抗[2]。
　　從(cong)傳感器出(chū)來是非常(cháng)微弱且帶(dài)有幹擾的(de)信号，信号(hao)預處理是(shi)首先去除(chú)信号中的(de)高頻信号(hao)，然後再用(yong)放❗大器将(jiang)信号放大(da)，同時放大(dà)器能很好(hǎo)地抑制❗共(gòng)模幹擾，經(jing)過前面的(de)處理之後(hou)，信号中還(hai)會有部分(fèn)幹擾噪♋聲(sheng)，無法直接(jiē)檢測得到(dao)，濾波器的(de)主要作⛷️用(yong)是去除剩(sheng)餘部分的(de)幹擾和噪(zào)聲，得🔴到模(mó)數轉換能(neng)直接識别(bié)的信号，然(rán)後傳輸給(gěi)單片機控(kòng)制。
3.3 激勵電(dian)壓電路
　　非(fei)滿管電磁(cí)流量計以(yi)電容式傳(chuán)感器爲基(ji)本原理🍓，向(xiàng)激勵電極(ji)✊通入高頻(pin)電壓以形(xíng)成電容式(shì)傳感器，激(jī)勵電壓電(dian)路框圖👅如(ru)圖 3-14 所示。

　　由(you)于激勵電(dian)極安裝在(zai)測量管和(hé)襯裏之間(jiān)，激勵電壓(ya)電路在工(gong)作的過程(cheng)中需要一(yi)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(yǐ)得到不同(tóng)大小的擊(jī)穿電壓值(zhí)，工控闆用(yòng)來控制整(zhěng)個激勵電(dian)路。
4小結
　　　非(fēi)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(ji)🌍的結構，該(gāi)結構是以(yǐ)電容式傳(chuan)感器爲基(jī)本原理，利(lì)用電容和(he)液位的高(gāo)度關系來(lai)進行測量(liang)。同時分析(xī)了非滿管(guan)電磁流量(liàng)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(fāng)案及裝置(zhì)🥵的設計打(dǎ)下了基礎(chu)。

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