摘要本文對插入式電磁流量計靠近管道壁面時的工作磁場分布情況進行了計算。分別對磁性壁面和非磁性壁面情況進行了比較,說明磁性管道壁面對流量測量結果的影響。同時,給出了一種修正的方法和有關的修正曲線。
一、引言
流動的電磁感應的工作原理是當導電流體(如水)流經由儀表傳感器的工作磁場時,由于切割磁力線會產生感應電動勢。利用適當的電極檢出這一信號即可測得流體的流速或流量。常規的電磁流量計是管道式的。另一種形式是插入式的,它實際上是測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,該種儀表除作為測速外;還可以用于大管道的流量測量。此時,它不但可在線裝拆,而且在價格上也較便宜,是一種很有競爭力的流量儀表。
電磁流速儀自1917年美國人申請專利lj[以來,已受到人們的廣泛注意和研究,其中包括利用它測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三維理論模型,卻在近年才建立。ZhangX.Z和HempJ.在建立了理論模型2j[、3j[之后,提出了值得注意的問題,即當探頭靠近管道的壁面時,其測量結果將因管壁的電或磁性質不同而產生誤差。本文將在此基礎上,進一步研究某種設計的插入式電磁流量計工作磁場在探頭靠近管壁時的詳細分布,并提出一種可用于修正由于磁場受干擾引起測量誤差的方法。
二、插人式電磁流量計工作磁場的求解
圖1中,插入式電磁流量計探頭的端部裝有一對電極,內部裝有一勵磁線圈,在它的周圍產生工作磁場。為研究磁場的詳細分布狀況,先考慮單匝線圖。設其半徑為al,裝在離端部Z。處,流過的電流為I,流體中的磁介質常數為產。采用矢量勢的表示法有:
其中A,如式(9)或式(10),Z。是螺線管的長度,rl為它的內半徑,r:為外半徑。
如圖1所示的插入式電磁流量計,當考慮來流速度為X方向,電極安裝在探頭端部沿y方向,則對信號作貢獻的磁場主要是Z方向。為此,我們計算了磁性和非磁性壁面下工作磁場BZ分量的分布情況見圖3和圖4(因對稱只給出一半空間）。
三、討論
從圖3、4可看到,靠近電磁流量計的壁面分別為磁性和非磁性時,工作磁場的分布差異明顯。對非磁性壁面,其分布相當于探頭在無限大均勻介質當中;而當壁面是磁性時,由于探頭內線圈產生的磁場引起壁面的磁化,加強了探頭附近的磁感強度,相當于線圈與它對壁面的像共同產生的磁場。由于這一變化,使探頭的測量產生誤差。文獻「2]指出,只有當探頭的端部與壁面的距離大于4倍的插桿半徑時,壁面對測量讀數產生的誤差才可能小于1%。
一種修正磁性壁面引起測量誤差的方法是在探頭的適當位置裝一霍爾磁場傳感器。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稱的位置上(參見圖1)。此時,由霍爾元件測得的磁場強度一般不等于電極處的值。為此,圖5計算出當探頭接近磁性壁面時,霍爾元件上所測的磁感強度與電極處磁感強度之比。利用單片機可以進行修正。而對于非磁性壁面,這一比值恒為1。圖中Bl/B:為霍爾元件測得磁感應與電極處磁感應之比,Lla為探頭與壁面距離與探頭半徑之比。
四、小結
本文研究了插入式電磁流量計工作磁場的求解。給出了當流量計探頭靠近磁性和非磁性壁面時工作磁場的不同分布。進而提出的修正磁性壁面引起測量誤差的方法,可通過由霍爾元件測得磁感強度和計算的修正曲線對測量結果進行修正。
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