摘要：本文對(duì)插入式電磁流量計(jì)靠近管道壁面時(shí)的工作磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行了計(jì)算。分別對(duì)磁性壁面和非磁性壁面情況進(jìn)行了比較,說(shuō)明磁性管道壁面對(duì)流量測(cè)量結(jié)果的影響。同時(shí),給出了一種修正的方法和有關(guān)的修正曲線。
一、引言
流動(dòng)的電磁感應(yīng)的工作原理是當(dāng)導(dǎo)電流體(如水)流經(jīng)由儀表傳感器的工作磁場(chǎng)時(shí)，由于切割磁力線會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。利用適當(dāng)?shù)碾姌O檢出這一信號(hào)即可測(cè)得流體的流速或流量。常規(guī)的電磁流量計(jì)是管道式的。另一種形式是插入式的,它實(shí)際上是測(cè)量插桿探頭處的流速，稱為電磁流速儀或插入式電磁流量計(jì)，該種儀表除作為測(cè)速外;還可以用于大管道的流量測(cè)量。此時(shí)，它不但可在線裝拆，而且在價(jià)格.上也較便宜，是一種很有競(jìng)爭(zhēng)力的流量?jī)x表。
電磁流速儀自1917年美國(guó)人申請(qǐng)專利以來(lái)，已受到人們的廣泛注意和研究，其中包括利用它測(cè)量管道中流體的流量。但考慮了管壁影響的插入式電磁流量計(jì)三維理論模型，其測(cè)量結(jié)果將因管壁的電或磁性質(zhì)不同而產(chǎn)生誤差。本文將在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究某種設(shè)計(jì)的插入式電磁流量計(jì)工作磁場(chǎng)在探頭靠近管壁時(shí)的詳細(xì)分布，并提出一種可用于修正由于磁場(chǎng)受干擾引起測(cè)量誤差的方法。
二、插人式電磁流計(jì)工作磁場(chǎng)的求解
圖1中，插入式電磁流量計(jì)探頭的端部裝有一對(duì)電極，內(nèi)部裝有一勵(lì)磁線圈，在它的周圍產(chǎn)生工作磁場(chǎng)。為研究磁場(chǎng)的詳細(xì)分布狀況，先考慮單匝線圖。設(shè)其半徑為α1,裝在離端部Z。處，流過(guò)的電流為I,流體中的磁介質(zhì)常數(shù)為μ。采用矢量勢(shì)的表示法有:
長(zhǎng)度,r1為它的內(nèi)半徑,r2為外半徑。
如圖1所示的插入式電磁流量計(jì),當(dāng)考慮來(lái)流速度為X方向,電極安裝在探頭端部沿Y方向,則對(duì)信號(hào)作貢獻(xiàn)的磁場(chǎng)主要是Z方向。為此,我們計(jì)算了磁性和非磁性壁面下工作磁場(chǎng)Bz分量的分布情況見圖3和圖4(因?qū)ΨQ只給出一半空間)。
三、討論
從圖3.4可看到,靠近電磁流量計(jì)的壁面分別為磁性和非磁性時(shí),工作磁場(chǎng)的分布差異明顯。對(duì)非磁性壁面,其分布相當(dāng)于探頭在無(wú)限大均勻介質(zhì)當(dāng)中;而當(dāng)壁面是磁性時(shí),由于探頭內(nèi)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)引起壁面的磁化,加強(qiáng)了探頭附近的磁感強(qiáng)度,相當(dāng)于線圈與它對(duì)壁面的像共同產(chǎn)生的磁場(chǎng)。由于這--變化,使探頭的測(cè)量產(chǎn)生誤差。只有當(dāng)探頭的端部.與壁面的距離大于4倍的插桿半徑時(shí)，壁面對(duì)測(cè)量讀數(shù)產(chǎn)生的誤差才可能小于1%。
一種修正磁性壁面引起測(cè)量誤差的方法是在探頭的適當(dāng)位置裝一霍爾磁場(chǎng)傳感器。考慮到線圈的前面緊接電極,霍爾元件可裝在線圈后面與電極形成對(duì)稱的位置上(參見圖1)。此時(shí)，由霍爾元件測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度一般不等于電極處的值。為此,圖5計(jì)算出當(dāng)探頭接近磁性璧面時(shí),霍爾元件上所測(cè)的磁感強(qiáng)度與電極處磁感強(qiáng)度之比。利用單片機(jī)可以進(jìn)行修正。而對(duì)于非磁性壁面,這一-比值恒為1.圖中B1/B2為霍爾元件測(cè)得磁感應(yīng)與電極處磁感應(yīng)之比,L1/a為探頭與壁面距離與探頭半徑之比。
本文研究了插入式電磁流量計(jì)工作磁場(chǎng)的求解。給出了當(dāng)流量計(jì)探頭靠近磁性和非磁性壁面時(shí)工作磁場(chǎng)的不同分布。進(jìn)而提出的修正磁性壁面引起測(cè)量誤差的方法,可通過(guò)由霍爾元件測(cè)得磁感強(qiáng)度和計(jì)算的修正曲線對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。
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