電磁流量(liàng)計 由于具有衆(zhōng)多的優點廣泛(fan)應用于工業各(ge)種場合，近年💛來(lai)已經♋逐步向民(mín)用領域擴展。傳(chuán)統的電磁流量(liang)計僅能用于滿(mǎn)管☀️的流量測量(liàng)，對于非滿管流(liu)體或者流🛀體在(zài)滿管與非滿管(guan)之間變化的流(liu)動時的流量測(cè)量研究較少。非(fēi)滿管流♍體流動(dòng)時,由于管内👨‍❤️‍👨的(de)流體截面積是(shì)變化的🏃🏻,或者流(liu)體流動一直處(chu)于非滿管狀态(tai)✂️，非㊙️滿管流量的(de)測量需要測量(liàng)流體平均流速(su)和液位這✨兩個(ge)參數。非滿管🔴狀(zhuàng)态下,測量管内(nèi)流體流速分布(bù)不😄對稱,導緻權(quan)重函數的分布(bu)和㊙️液位有關，同(tong)時電極上的感(gǎn)應信号是兩電(diàn)極👄橫斷🙇🏻面内所(suǒ)有質點電位的(de)集合,即電勢一(yī)定要處于電🐪極(jí)可測量範圍之(zhī)内,所以❗進行非(fēi)滿管的流量測(ce)量電極必須浸(jin)入流體内,否則(zé)電極得不到感(gǎn)應信号[17-19] 。
1 非滿管(guǎn)電磁流量計 的(de)結構設計
1.1 非滿(mǎn)管電磁流量計(ji)的測量原理
　　管(guan)道式電磁流量(liàng)計 在工作的過(guo)程中，可能會出(chū)現管道中流體(ti)未充滿或者❓在(zài)流體流動過程(chéng)中，流體流動處(chu)于滿管向非滿(man)管道的轉換👌狀(zhuang)态中。使管中流(liu)體流動有兩種(zhong)流動狀态。對流(liú)體未充滿管道(dào)式 1，如圖 3-1 所示，此(cǐ)時如果仍按傳(chuan)統流量計的測(ce)量原理，則：
實際(ji)值=測量值-上部(bu)空氣部分

　　由權(quan)重函數的理論(lun)可知，感應信号(hào)電壓是兩電極(ji)橫斷面内所有(you)質點電位的集(ji)合，不論流體在(zai)管道中橫截面(miàn)如何⚽變化，流動(dong)流體的質點都(dou)會有感應🏃‍♂️電勢(shì)，但🏃‍♂️是這些電勢(shì)一🐇定要處于電(diàn)極的集合範圍(wéi)😄内，如果電極暴(bào)露在空氣中，電(diàn)極得不到信号(hào)[19]，流體✂️未充滿管(guan)道式 2 就是這種(zhong)情況。當流體未(wei)充滿管道🧑🏾‍🤝‍🧑🏼時，管(guǎn)中流體的實際(ji)流量值Q實=A實?`V，而(er)管中流體的截(jie)面積爲:

　　式中 h 爲(wei)液面高度， D 爲測(ce)量管内徑。而不(bú)再是由此可知(zhī)，非滿管電磁流(liú)量計的流量測(ce)量必須同時🔞測(cè)量平🈲均流速和(hé)液位高度這兩(liang)個物理量。
1.2 非滿(mǎn)管電磁流量傳(chuán)感器流速測量(liàng)機構
　　根據電磁(ci)流量計的基本(ben)原理，當流體充(chong)滿管道時，管中(zhong)流體的平均流(liú)速和兩電極之(zhi)間的感應電勢(shi)之間🙇🏻的關系如(ru)🏃式（2-1）所示。當管中(zhōng)流體未充滿時(shí)，如前☎️面所述，測(ce)得的信号不準(zhun)确或者根本得(dé)不到感應電勢(shì)信号。在傳統電(diàn)磁流量計的基(jī)礎上，将流速檢(jiǎn)測電極在高度(du)方向上設✉️計在(zai)距測量管底端(duan) 10%D處，其中 D 爲測量(liang)管直📱徑。這樣能(néng)保證管中流體(tǐ)液位高于 10%D 時，根(gēn)據傳統電磁流(liú)量計基本原理(li)，傳感器能準确(que)測得流體的平(ping)均流速。其結構(gòu)如圖 3-3 所示。

此時，兩極(jí)間的感應電動(dong)勢 E 與兩電極間(jiān)的距離 d 之間的(de)💔關系爲：

E =k Bd`V 　　　　　　（3-2）
1.3 非滿管(guan)電磁流量傳感(gǎn)器液位測量機(ji)構
　　基于電容式(shì)傳感器的基本(běn)原理，就是将液(yè)位的變⭐化轉換(huan)成電容值的變(biàn)化。在測量的過(guo)程中測量電壓(ya)、頻率、脈寬等容(róng)易測量的物理(lǐ)量，從而實現電(dian)容值的測量。結(jié)合電容式傳感(gan)器和電磁流量(liàng)計的基本原理(lǐ)，流體在管中流(liú)動的過程中，利(lì)用流量計襯裏(lǐ)和管内流體作(zuò)爲介質，同時在(zai)流量計襯裏與(yǔ)管壁之間采用(yòng)兩☀️片圓弧形電(dian)極片，電極片與(yǔ)襯裏和管中流(liú)體形成一電容(rong)器，根據電容式(shi)傳感器的基💋本(běn)原理，液體作爲(wèi)一種介質，是電(diàn)容器的一個組(zǔ)成部分，液體液(yè)位的高低⁉️，直接(jiē)影響電容器的(de)電容值❄️，即電容(róng)器的電容量是(shì)液🌐位高度的單(dan)值函數。其相🈲應(ying)結構如圖 3-4 所示(shi)。
　　爲了降低信号(hào)之間的幹擾和(he)便于控制，非滿(man)管電🌈磁流量計(ji)采用流速機構(gou)和液位機構分(fen)體，但是同時同(tong)步測🔱量，再将兩(liang)✉️信号進行整合(hé)，得出流量信号(hào)。

2 非滿(man)管電磁流量計(ji)原理
2.1 非滿管電(diàn)磁流量計測量(liang)原理
　　流體在管(guan)道内沿與磁感(gǎn)應線垂直的方(fāng)向流動時⭕，根據(jù)💚法拉第電磁感(gan)應定律，會産生(shēng)感應電動勢，通(tōng)過感應電動勢(shi)值即可得到流(liú)體的平均流速(su)。在兩電極片間(jiān)有激勵電壓⛹🏻‍♀️的(de)作用下，兩電極(jí)片、襯裏和✊流體(tǐ)一起構成電容(róng)器，根據電容式(shì)傳感器基本原(yuan)理，此傳感器的(de)等效電路如圖(tu) 3-5 所示，電極片、襯(chèn)裏和流體一起(qi)構成了一變介(jie)電常數型電容(rong)器，兩極片㊙️間電(diàn)容爲上下兩部(bù)分電容并聯而(ér)🔞成，其中 C1和 C3、C2和 C4之(zhī)間爲串聯，其總(zong)電容👌的計算如(ru)式（3-3）。

　　如圖 3-6 所示，管(guan)中液體将測量(liàng)管分爲上下兩(liang)部分，其中空氣(qì)的介電常數爲(wei)0ε，流體的介電常(cháng)數爲1ε，襯裏的介(jie)電常數爲2ε，根🌈據(ju)電✍️容式傳感器(qi)模拟計算方法(fa)可計算其電容(róng)值[20],1C 和2C 由于🔞極闆(pǎn)間㊙️間距沒🔱有改(gai)變，而且兩極闆(pǎn)之間是單一介(jie)質，其電容值可(ke)近似作爲平行(háng)闆電容器來計(jì)算[21]，如下所示：

式(shi)中，
a 爲襯裏内半(ban)徑， m ；　
h 爲液位高度(du)，?? m ；　
b 爲電極内徑，?? m ；　
l 爲(wèi)電極片軸向長(zhang)度， m ；
2.2 非滿管電磁(ci)流量計工作原(yuán)理
　　非滿管電磁(ci)流量計采用勵(li)磁激勵和電壓(yā)激勵雙激勵機(jī)制⁉️，在勵磁激勵(li)的作用下，通過(guò)勵磁電路産生(sheng)相♋應的磁感♈應(yīng)強度，從🐅而在電(diàn)極上得到與流(liú)速對應的😍電勢(shi)信号，經過計算(suan)得☂️到流體💋的平(ping)均流速🍓值。在激(jī)勵電極的作💚用(yong)下，向激勵電極(jí)通入高頻電壓(yā)，使兩圓弧形電(diàn)極片與其之間(jian)的介😄質形成電(diàn)容式傳感器，通(tōng)過電容量的測(ce)量，經過控制系(xì)統處理後得到(dào)與電容對🧑🏽‍🤝‍🧑🏻應的(de)液位高度信号(hao)。兩個過程互不(bú)幹涉，然後經過(guo)控🈲制系統分析(xi)處理後🏃🏻‍♂️得到管(guan)中流體流量值(zhi)。整個系統框圖(tu)如圖 3-7 所示。

3 信号(hao)轉換電路的構(gou)成
　　傳統的電磁(cí)流量計的信号(hao)轉換電路包含(hán)勵磁電路和信(xin)📧号處理電路兩(liang)部分組成。非滿(mǎn)管電磁流量計(jì)除了這兩部分(fen)以外還有激勵(lì)電壓電路。
3.1 勵磁(ci)電路參數确定(ding)
　　勵磁系統是電(diàn)磁流量計的一(yi)個關鍵部分，其(qí)好壞直接影🔞響(xiǎng)到測量結果的(de)精确程度高低(dī)。勵磁系統的參(can)數主要是勵磁(ci)方式和勵磁頻(pín)率。常用的勵磁(cí)方式有以下幾(ji)🌂種[8]。
1.直流勵磁
　　直(zhí)流勵磁方式是(shi)用直流電或永(yǒng)久磁鐵産生一(yi)個恒定的均勻(yún)磁場。直流勵磁(ci)可以忽略流體(ti)中的自感現🌈象(xiàng)，同時受交流影(yǐng)響很小，但是由(yóu)于管中流體電(diàn)解質的電離，直(zhi)流勵磁易産生(shēng)極化現象。極化(huà)電🌏壓和流量信(xin)号混雜在一起(qǐ)，不容易區分。所(suǒ)以，一般在測量(liàng)非電解質流體(ti)的🛀🏻情況下才采(cai)用這種方式。

2. 交(jiāo)流勵磁
　　交流勵(li)磁方式是上世(shì)紀 50 年代工業電(dian)磁流量計主要(yào)☁️采🤞用‼️的勵磁方(fāng)式，它的磁場是(shi)由正弦交變電(diàn)流産生一個交(jiao)變磁場🈲：

　　交變磁(cí)場能消除極化(huà)幹擾,同時産生(sheng)的交變信号❤️，經(jīng)🌈過放大和轉換(huan)要比直流信号(hao)容易。但是交變(biàn)磁場易産生⛷️正(zhèng)交（微分）幹擾：

和(hé)同相幹擾：

　　這些(xie)幹擾降低電磁(cí)流量計的信噪(zào)比，這些幹擾信(xin)号與流量🌈信号(hào)e=emsinωt 混雜在一起，難(nán)以區分。

3.低頻矩(jǔ)形波勵磁
　　上世(shi)紀70-80 年代出現了(le)低頻矩形波勵(lì)磁，這種勵磁方(fāng)式兼有🐪直流勵(li)磁和交流勵磁(cí)的優點，同時很(hen)好的避免了它(ta)們的缺點。如圖(tu) 3-10 所示。在半個周(zhou)期内，磁場是直(zhí)流磁場，低☂️頻矩(jǔ)形波勵磁有直(zhi)流勵磁的特點(dian)，但從整個過程(cheng)來看磁場又是(shì)處于周期性變(bian)化的過程中，低(di)頻矩形波又是(shi)一個交變信🧑🏾‍🤝‍🧑🏼号(hào)，便于放大和處(chu)理。所以✍️低頻方(fang)波勵磁現階段(duàn)應用非常廣泛(fan)🤩的勵磁方式。

綜(zōng)合上面所述，非(fēi)滿管電磁流量(liang)計選擇低頻矩(jǔ)形波作🐅爲勵🌏磁(ci)方式。
　　電磁流量(liàng)計采用較高的(de)勵磁頻率可以(yǐ)有效降低信号(hào)源内阻，當頻率(lü)提高到100Hz 時，信号(hao)源内阻約爲幾(jǐ)百兆。繼續🥵提高(gao)㊙️勵磁頻率，可以(yi)進一步降低信(xìn)号源内阻和流(liú)動噪聲。但是随(sui)着勵磁頻率的(de)提高，由式（3-7）和式(shì)（3-8）可知，正交幹擾(rao)和同相幹㊙️擾會(hui)變得更嚴重，電(dian)極上的渦電🏃🏻流(liu)也随之增大。根(gēn)據日本☔專家 Nakatani 的(de)研究💚成果，流動(dong)噪聲和微分幹(gan)擾強🔱度随勵磁(ci)頻率變化規律(lǜ)如圖♋3-11所示，從中(zhong)可以看出，使流(liú)動噪聲和正交(jiao)幹擾到達最小(xiǎo)的最佳勵磁頻(pín)率應該在 100-400Hz 範圍(wei)内 [22]。

3.2 信号處理電(diàn)路
　　信号處理電(diàn)路的主要作用(yong)是将傳感器得(dé)到是帶有很多(duō)幹擾而且信号(hào)非常微弱的電(dian)壓信号轉換成(cheng)AD 采樣器🈚可以接(jiē)受的直流信号(hao)，從傳感器得到(dao)的💃信号如下式(shì)所示[23]：

　　ec 是共模幹(gan)擾電壓、ed 是串模(mo)幹擾電壓、ez 是直(zhí)流極化電壓🙇🏻。其(qi)中正交幹擾和(he)同相幹擾是由(yóu)于磁場的突變(biàn)引起的主要幹(gan)擾源，共模和串(chuàn)模幹擾是由于(yu)電磁幹擾和❤️靜(jìng)電幹擾産生的(de)次要幹擾源，可(ke)以通過靜電屏(ping)蔽和接地加以(yǐ)抑止，極化電壓(ya)是直流極化現(xian)象産生的，可通(tōng)過提高勵📱磁頻(pín)率消除🛀🏻[24]。電磁流(liú)量計采用低頻(pín)矩形🤟波勵磁能(néng)很好消除直流(liu)極化現象，在低(dī)頻矩形波的上(shang)升沿和下降沿(yan)，當勵磁電流進(jìn)入❄️穩态的時候(hou)再進行信号采(cǎi)樣，能消除部分(fèn)正交幹擾電壓(ya)? [25] ，但是信号處理(lǐ)的時間較長。
　　由(you)于傳感器得到(dao)的信号非常微(wei)弱并且帶有很(hen)多🏒幹擾，所以📐信(xìn)号處理電路必(bì)須有放大以及(jí)抑制噪聲和幹(gan)擾的功能，圖 3-15 表(biǎo)示信号處理電(diàn)路的組成部分(fèn)。

電磁流量傳感(gǎn)器的内阻很大(da)，傳感器和轉換(huan)器的等效電路(lù)如圖 3-13 所示，

　　圖中(zhōng) e 是傳感器産生(sheng)的流量電勢信(xin)号，r 是傳感器内(nèi)♍阻，RL是轉換器的(de)輸入阻抗，eX是轉(zhuǎn)換器得到的流(liú)量電勢信号，根(gēn)據歐✂️姆定律可(kě)知：

　　從上式可以(yǐ)得知RL》r ，所以要使(shǐ)信号足夠精确(que)，轉換器必須有(yǒu)很高的輸入阻(zu)抗[2]。
　　從傳感器出(chu)來是非常微弱(ruo)且帶有幹擾的(de)信号，信号預處(chù)❤️理是首先去除(chú)信号中的高頻(pín)信号，然後再用(yong)放大器将信号(hao)放大，同時放大(dà)器能很好地抑(yi)制共模幹🍓擾，經(jing)過前面的處理(lǐ)之後，信号中還(hai)會有部分幹擾(rǎo)噪✔️聲，無法直接(jiē)檢測得到，濾波(bo)器🐪的主要作❓用(yong)是去除剩餘部(bù)分的幹🈲擾和噪(zao)聲，得到模數轉(zhuan)換能直接識别(bié)的信号，然後傳(chuán)輸給單片機控(kong)制。
3.3 激勵電壓電(diàn)路
　　非滿管電磁(ci)流量計以電容(rong)式傳感器爲基(ji)本原理，向激勵(li)電🔅極通入高頻(pin)電壓以形成電(diàn)容式傳感器，激(ji)勵電壓電路框(kuàng)圖⛱️如圖 3-14 所示。

　　由(yóu)于激勵電極安(an)裝在測量管和(he)襯裏之間，激勵(li)電壓電☎️路在工(gōng)作的過程中需(xū)要一定大小的(de)高頻電壓用以(yǐ)擊穿襯裏材料(liào)，所❄️以采用變壓(ya)器以得到不同(tóng)大小的擊穿電(diàn)壓值，工控闆🆚用(yòng)來控制整個激(ji)勵電路。
4小結
　　　非(fēi)滿管電磁流量(liang)計重點介紹了(le)一種新的非滿(man)管電🌂磁流量🤟計(ji)的結構，該結構(gòu)是以電容式傳(chuan)感器爲♻️基本原(yuan)理，利用電容和(hé)液位的高度關(guān)系來進行測量(liàng)。同時分析了非(fēi)滿管電磁流量(liang)計基本的工作(zuo)原🌈理、簡要介🈲紹(shào)了流量‼️信号的(de)處🔅理方法，爲後(hou)面實驗🔞方案及(jí)裝置的設計打(dǎ)下了基礎。

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