在進(jìn)行流量測(cè)量時(shí)，如果被測(cè)介質(zhì)具有導(dǎo)電性，則可以使用電磁流量計(jì)來測(cè)量。4.6電磁流量計(jì)

圖4-12電磁流量計(jì)原理圖

電磁流量計(jì)由變送器和顯示儀組成。被測(cè)流體由傳感器變換成感應(yīng)電勢(shì)，然后再由轉(zhuǎn)換器將感應(yīng)電勢(shì)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的直流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。

一、工作原理

電磁流量計(jì)是依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來測(cè)量流量的。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)一導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí)，在導(dǎo)體的兩端即產(chǎn)生感生電勢(shì)E，其方向由右手定則確定，其大小與磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，導(dǎo)體在磁場內(nèi)的長度及導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度成正比。當(dāng)導(dǎo)電的液體在磁場中作垂直于磁力線方向的流動(dòng)而切割磁力線時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。將一個(gè)直徑為D的管道放在一個(gè)均勻磁場中，并使之垂直于磁力線方向。管道由非導(dǎo)磁材料制成，如果是金屬管道，內(nèi)壁上要裝有絕緣襯里。當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中流動(dòng)時(shí)，便會(huì)切割磁磁力線。如果在管道兩側(cè)各插入一根電極，則可以引出感應(yīng)電勢(shì)。只要管道內(nèi)流速分布為軸對(duì)稱分布，兩電極之間也特產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，其大小與磁場、管道和液體流速有關(guān)。：管道截面上的平均流速由此得出流體的體積流量與感應(yīng)電勢(shì)的關(guān)系為：式中：Ex——感應(yīng)電勢(shì)；

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度；

D——管道內(nèi)徑。需要說明的是，要使上面的流量公式嚴(yán)格成立，必須使測(cè)量條件滿足下列假定：

①磁場是均勻分布的恒定磁場；

②被測(cè)流體的流速軸對(duì)稱分布；③被測(cè)液體是非磁性的；④被測(cè)液體的電導(dǎo)率均勻且各向同性。二、變送器的結(jié)構(gòu)及特性磁路系統(tǒng)、電極、測(cè)量導(dǎo)管、絕緣襯里、外殼等構(gòu)成。（1）磁路系統(tǒng)磁路系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生均勻的直流或交流磁場。

勵(lì)磁方式

勵(lì)磁方式即產(chǎn)生磁場的方式．由前述可知，為使上述流量公式嚴(yán)格成立，第一個(gè)必須滿足的條件就是要有一個(gè)均勻恒定的磁場．為此，就需要選擇一種合適的勵(lì)磁方式。目前，一般有三種勵(lì)磁方式，即直流勵(lì)磁、交流勵(lì)磁和低頻方波勵(lì)磁。（a）直流勵(lì)磁直流勵(lì)磁方式：采用永久磁鐵，它能產(chǎn)生一個(gè)恒定的均勻磁場．優(yōu)點(diǎn)：受交流電磁場干擾影響很小，可忽略液體中的自感現(xiàn)象的影響．缺點(diǎn)：使用直流磁場易使通過測(cè)量管道的電解質(zhì)液體被極化，即電解質(zhì)在電場中被電解，產(chǎn)生正負(fù)離子．在電場力的作用下，負(fù)離子跑向正極，正離子跑向負(fù)極．這樣，將導(dǎo)致正負(fù)電極分別被相反極性的離子所包圍，嚴(yán)重影響儀表的正常工作．直流勵(lì)磁一般只用于測(cè)量非電解質(zhì)液體，如液態(tài)金屬等。

直流勵(lì)磁方式（b）交流勵(lì)磁目前，工業(yè)上使用的電磁流量計(jì)，大都采用工頻(50Hz)電源交流勵(lì)磁方式，即它的磁場是由正弦交變電流產(chǎn)生的，所以產(chǎn)生的磁場也是一個(gè)交變磁場。主要優(yōu)點(diǎn)：消除了電極表面的極化于擾．另外，由于磁場是交變的，輸出信號(hào)也是交變信號(hào)，放大和轉(zhuǎn)換低電平的交流信號(hào)要比直流信號(hào)容易得多。交流磁場會(huì)帶來一系列的電磁干擾問題．例如正交干擾．同相干擾等，這些干擾信號(hào)與有用的流量信號(hào)混雜在一起。如何，并如何有效地抑制和排除各正確區(qū)分流量信號(hào)與干擾信號(hào)種干擾信號(hào)，就成為交流勵(lì)磁電磁流量計(jì)研制的重要課題。

（c）低頻方波勵(lì)磁20世紀(jì)70年代以來，人們開始采用低頻方波勵(lì)磁方式．它的勵(lì)磁電流波形右所示，其頻率通常為工頻的1／4－l／10．方波勵(lì)磁電流波形低頻方波勵(lì)磁具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①能避免交流磁場的正交電磁干擾；②消除由分布電容引起的工頻干擾；③抑制交流磁場在管壁和流體內(nèi)部引起的電渦流；④排除直流勵(lì)磁的極化現(xiàn)象．（2）電極電極一般是由非導(dǎo)磁的不銹鋼材料制成。而用于測(cè)量腐蝕性流體時(shí)，電極材料多用鉑銥合金、耐酸鎢基合金或鎳基合金等。要求電極與內(nèi)襯齊平，以便流體通過時(shí)不受阻礙。（3）測(cè)量導(dǎo)管流過被測(cè)流體，兩端設(shè)有法蘭，用做連接管道。測(cè)量導(dǎo)管采用非導(dǎo)磁、低電導(dǎo)率、低熱導(dǎo)率和具有一定機(jī)械強(qiáng)度的材料制成，可選用不銹鋼、玻璃鋼，也有用剛玉管的。

（4）絕緣襯里用不銹鋼等導(dǎo)電材料做導(dǎo)管時(shí)，在測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)壁與電極之間必須有絕緣襯里，以防止感應(yīng)電勢(shì)被短路。為防止導(dǎo)管被腐蝕并使內(nèi)壁光滑，常常在整個(gè)測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)壁涂上絕緣襯里，襯里材料視工作溫度不同而不同，一般常用搪瓷或?qū)ｉT的橡膠、環(huán)氧樹脂等材料。三、變送器的信號(hào)處理電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是處理變送器輸出的交變信號(hào)，放大有用信號(hào)，消除干擾，并轉(zhuǎn)換成4-20mA的統(tǒng)一直流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。（1）

交流正弦波勵(lì)磁方式帶來的各種干擾使用交流正弦波產(chǎn)生勵(lì)磁信號(hào)，可以克服直流勵(lì)磁產(chǎn)生的極化干擾，但又會(huì)帶來正交干擾和共模干擾，因此需要利用轉(zhuǎn)換器消除這類干擾。（a）正交干擾的產(chǎn)生采用交變磁場時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度，則感應(yīng)電勢(shì)的方程式為：式中，為磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大幅值；為交變磁場的角頻率。在電磁流量計(jì)工作時(shí)，管道內(nèi)充滿導(dǎo)電液體，因而交變磁通也要穿過由電極引線、被測(cè)液體和轉(zhuǎn)換部分的輸入阻抗構(gòu)成的閉合回路（圖4-19所示），從而在該回路內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)干擾電勢(shì)，干擾電勢(shì)的大小為：圖4-19電極引出線形成的閉合回路圖信號(hào)電勢(shì)Ex與干擾電勢(shì)et的頻率相同，而相位相差90°，所以習(xí)慣上稱此項(xiàng)干擾為正交干擾（或90°干擾）。一般是在變送器部分的結(jié)構(gòu)上注意使電極引線所形成的平面保持與磁力線平行，避免磁力線穿過此閉合回路，并設(shè)有機(jī)械調(diào)整裝置，以減小干擾電勢(shì)。此外設(shè)有調(diào)零電位器。圖4-20調(diào)零電位器示意圖（b）共模干擾在兩個(gè)電極上同時(shí)出現(xiàn)的、幅值和相位都相同的干擾，一般稱為共模干擾，即兩級(jí)對(duì)地共同產(chǎn)生一個(gè)電位變化。產(chǎn)生的原因如下：抑制共模干擾的方法：對(duì)付靜電感應(yīng)引起的共模干擾，應(yīng)對(duì)電極和勵(lì)磁繞組進(jìn)行嚴(yán)格的靜電屏蔽，以降低勵(lì)磁繞組與電極間的分布電容。降低勵(lì)磁電壓也降低共模干擾。更重要的是用一根導(dǎo)線將變送器的殼體、轉(zhuǎn)換器的殼體、被測(cè)液體、管道等連在一起并接地，也就是使得它們“共地”，此時(shí)減至最小。此外轉(zhuǎn)換器的前置放大器應(yīng)選擇抑制共模干擾能力強(qiáng)的線路。（3）勵(lì)磁電壓的幅值和頻率變化引起的干擾當(dāng)勵(lì)磁電壓的幅值變化時(shí)，勵(lì)磁電流變化，造成磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化。這時(shí)雖然被測(cè)液體的流速?zèng)]有變化，感應(yīng)電勢(shì)卻發(fā)生了變化，造成測(cè)量誤差。勵(lì)磁電壓的頻率一旦發(fā)生變化，由于勵(lì)磁繞組是感性負(fù)載，阻抗也隨之發(fā)生變化，同樣造成勵(lì)磁電流的變化，也引起測(cè)量誤差。必須對(duì)信號(hào)電壓進(jìn)行除以磁感應(yīng)強(qiáng)度的運(yùn)算，一旦由于上述干擾引起的B增加（減少），造成的Ex增加（減少），但Ex/B卻沒有變化，即可消除此項(xiàng)干擾。這種運(yùn)算功能也是由轉(zhuǎn)換器電路實(shí)現(xiàn)。2.轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)及信號(hào)處理圖4-22正弦波勵(lì)磁轉(zhuǎn)換器構(gòu)成原理1—前置放大器；2—主放大器；3—相敏整流器；4—功率放大器5—正交干擾抑制器；6—霍爾乘法器；7—電源圖4-23轉(zhuǎn)換器方框圖方波勵(lì)磁采用交流正弦波勵(lì)磁存在難以完全消除的90°干擾電壓，而完全采用直流磁場又有極化的弊端，因此目前電磁流量計(jì)廣泛采用低頻二態(tài)矩形波、三態(tài)矩形波及雙頻波勵(lì)磁方式。（a）二態(tài)矩形波（b）三態(tài)矩形波（c）雙頻波圖4-24勵(lì)磁波形四、電磁流量計(jì)的使用特點(diǎn)a.測(cè)量管道內(nèi)沒有可動(dòng)部件或突出于管內(nèi)的部件，所以幾乎沒有壓力損失，可以測(cè)量各種腐蝕性液體以及帶有懸浮顆粒的漿液。b.輸出電流與介質(zhì)流量呈線性關(guān)系，且不受液體物理性質(zhì)（溫度、壓力、粘