磁場及介質電導率對熱水流量計測量的影響分析
點擊次數：2428 發布時間：2021-09-01 09:57:03
熱水流量計是一種安裝與使用都相當方便簡單的流量測量儀表，我們在安裝使用過程中對于熱水流量計要注意以下三點：流速分布、磁場邊緣效應以及被測介質電導率，對于基于電磁感應原理工作的流量計類型，這三個方面的因素是在其使用過程中特別重要的。下面小編針對這三方面加以介紹：
（一）流速分布的影響
只要管內流速為軸對稱分布，則電極上產生的感生電動勢大小與流動狀態無關，不論它是層流還是紊流，僅與流體的平均流速成正比．因此，流速分布為軸對稱是熱水流量計必須滿足的工作條件之一．
假如，流速分布相對管中心為非對稱時，測量就會產生誤差．因為電極上得到的感生電動勢e是測量管內所有液體共同貢獻的結果，所以每一個流體質點都有貢獻。但由各個流體質點相對于電極的幾何位置不同，故即使各質點速度一樣，它們對電動勢e的貢獻也是不同的．越靠近電極的質點對電動勢e的貢獻越大．也就是說，電極附近的感生電動勢較大，與兩電極平面成90°的地方的流體產生的感生電勢就小．所以，如果電極附近的流速非軸對稱的偏大，測得的流量信號就比實際流量值大；反之，電極附近的流速非軸對稱的偏小，測得的流量信號也就偏小．因此，為了消除由于流速分布而產生的測量誤差，在電磁流量變送器的應有一定長度的直管段，以保證流速的鈾對稱分布．
(二)磁場邊緣效應的影響
由前述的基本假定可知，e＝DB 這一基本表達式是在“長筒流量計”的模型條件下推得的，即假定沿流體的流動方向上磁場始終是均勻的．實際上，這意味著沿管軸方向上的磁場為無限長，而實際流量計的磁場是有限長的，所以就必須考慮有限長磁場產生的邊緣效應對測量的影響。
1．絕緣管壁
圖3—34為流量計測量管的縱向視圖．設磁場長度為2L，測量管半徑為a．電極A和B在磁場中部。則從圖中可見：磁場的中間部分，即電極附近大致是均勻的，兩端則逐漸減弱，形成不均勻的磁場邊線，段后下降為零．這樣，在電極附近產生的感生電勢較大，兩端則較小，從而造成液體內部電場外有的不均勻而產生渦電流．由渦電流產生的二次磁通，反過來又改變磁場邊緣部分的工作磁通，使磁場的均勻性進—步遭到破壞。所以，電極上得到的感生電勢與無限長磁場下的感生電動勢有差別，使測量信號產生誤差．
圖3－34磁場邊緣效應
設在磁場軸向長度為2L時，電極A和B之間的感生電動勢用eAB表示，而無限長磁場時(L→ )的感應電動勢為e．用S來表示它們的比值，即
S＝
顯然，我們希望S值越接近于1越好。也就是說，希望磁場軸向長度為有限長時電極上產生的感生電動勢盡可能接近于無限長時的值．若以L／d表示磁場軸向長度與管道內徑之比，則根據計算，在測量管是絕緣管壁的條件下，S與L／d的關系如圖3—35所示．由圖可知，在保證S＝0．99的情況下，L/ d的比值范圍大致為L／d＝2．8—3．04．這就是說，為了減少磁場地緣的影響，勵磁線圈的長度應為測量管內徑的2. 8—3．04倍，這樣才可以使電極上產生電動勢接近于無限長磁場時的值。
圖3－35 S與L / d的關系
2．導電管壁
圖3－36 導電管壁S與L / a的關系
圖3－37液態金屬磁場邊緣效應
如果測量管是導電的，由于導電管壁的短路作用，磁場邊緣效應就會更加明顯，并導致電極上感生電動勢損失的增加．隨著管壁導電率和壁厚的變化，這種影響也將隨之改變．若以 表示管壁厚度，K表示管壁電導率，d和 仍然分別表示測量管內半徑和被測液體電導率，則可用L／d和a＝ 來表示不同情況下邊緣效應的影響程度，如圖3—36所示．
由圖可知，同樣的L／d值，測量管的電導率越大，管壁越厚，這種影響也就越大，即感生電動勢的損失也就越嚴重a＝0即相當于管避絕緣的情況(K＝0)，其結果與圖3－35所示的一樣．所以，對熱水流量計來說，測量管壁絕緣是非常必要的．
3．液態金屬的邊緣效應
如前所述，由于勵磁線圈兩端的磁感應強度B是逐漸減弱的，形成了不均勻的邊緣，使被測介質在磁場的邊緣區域內產生渦電流，對測量產生影響．當被測介質是電導率極高的液態金屬時，這個渦電流的影響就很大。
如圖3－37所示，由磁場邊緣效應產生的渦電流會引起二次磁通，使工作磁場的邊緣發生畸變，出于左側邊緣的磁場是逐漸增強的，所以左側的渦電流就企圖去削弱這種增強；而右側的渦電流，由于右側的磁場逐漸減弱，阻止這種削弱．這樣就造成了整個磁場的畸變，便它相對于電極軸不對稱．
上述這種效應在值流勵磁的情況下雖有一定影響，但問題不大．如果采用交流勵磁的話，隨著勵磁電流頻率的增加，這種邊緣效應的影響就比較嚴重．
如果被測介質中含有導磁性物質，例如含有鐵、鉆、鎳之類的金屬時，磁場邊緣效應的影響就更加復雜化．在理論上研究這種效應時，常用一個純數，即磁雷諾數RM＝ ud來表征這個效應影響的大?。渲校? 和 分別是介質的磁導率和電導率；u為介質流速；d為測量管半徑．研究表明，如果RM值不大，并且磁場邊緣離電極不太近的情況下，即使介質中含有微量的導磁性物質，對測量的影響仍可忽略．相反RM值很大，而且磁場邊緣離電極又比較近的，則由于工作磁場的畸變將給測量造成嚴重的影響。所以，熱水流量計要求被測介質非磁性是必要的．另外，對于液態金屬，一般采用直流勵磁以減少磁場邊緣效應．
(三)被測介質電導率的影響
目前，熱水流量計轉換路的輸入阻抗已有所提高，測量導電性液體時，一般不會因介質電導率稍有變化而引起誤差，但對于一定的轉換器輸入阻抗，被測介質的電導率有一個下限值 min，不能低于該下限值．
被測介質的電導率太大也是不允許的。例如當電導率超過10－1(S／cm)左右時，就會降低流量信號，改變指示值，即指示流量值小于實際流量值．這是因為在電磁流量變送器中，磁場為有限長，被測的導電液體只有流過有限磁場時，才能產生感生電動勢e．所以，代表流量信號的感生電動勢e是磁場部分的導電液體切割磁力線的結果，磁場兩端以外的導電液體沒有對e作出任何貢獻．相反，由于它們也是和兩個電極連通的，故也就構成了一部分外電路。當變送器與轉換器連接在一起時，這部分外電路就與轉換器輸入阻抗相并聯而成為變送器的負載．當被測介質的電導率很大時，外電路的電阻較小，達時不管轉換器的輸入阻抗有多高，并聯的結果將取決于這部分液體外電路，從而減小變送器與轉換器之間的傳輸精度。
所以，對一個熱水流量計來說，測量不受介質電導率影響是有一定范圍的，被測介質電導串既不能太大，也不能太小。隨著電子技術的發展，轉換器輸入阻抗的提高，必將可以降低被測介質電導率的下限。
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（一）流速分布的影響
只要管內流速為軸對稱分布，則電極上產生的感生電動勢大小與流動狀態無關，不論它是層流還是紊流，僅與流體的平均流速成正比．因此，流速分布為軸對稱是熱水流量計必須滿足的工作條件之一．
假如，流速分布相對管中心為非對稱時，測量就會產生誤差．因為電極上得到的感生電動勢e是測量管內所有液體共同貢獻的結果，所以每一個流體質點都有貢獻。但由各個流體質點相對于電極的幾何位置不同，故即使各質點速度一樣，它們對電動勢e的貢獻也是不同的．越靠近電極的質點對電動勢e的貢獻越大．也就是說，電極附近的感生電動勢較大，與兩電極平面成90°的地方的流體產生的感生電勢就小．所以，如果電極附近的流速非軸對稱的偏大，測得的流量信號就比實際流量值大；反之，電極附近的流速非軸對稱的偏小，測得的流量信號也就偏小．因此，為了消除由于流速分布而產生的測量誤差，在電磁流量變送器的應有一定長度的直管段，以保證流速的鈾對稱分布．
(二)磁場邊緣效應的影響
由前述的基本假定可知，e＝DB 這一基本表達式是在“長筒流量計”的模型條件下推得的，即假定沿流體的流動方向上磁場始終是均勻的．實際上，這意味著沿管軸方向上的磁場為無限長，而實際流量計的磁場是有限長的，所以就必須考慮有限長磁場產生的邊緣效應對測量的影響。
1．絕緣管壁
圖3—34為流量計測量管的縱向視圖．設磁場長度為2L，測量管半徑為a．電極A和B在磁場中部。則從圖中可見：磁場的中間部分，即電極附近大致是均勻的，兩端則逐漸減弱，形成不均勻的磁場邊線，段后下降為零．這樣，在電極附近產生的感生電勢較大，兩端則較小，從而造成液體內部電場外有的不均勻而產生渦電流．由渦電流產生的二次磁通，反過來又改變磁場邊緣部分的工作磁通，使磁場的均勻性進—步遭到破壞。所以，電極上得到的感生電勢與無限長磁場下的感生電動勢有差別，使測量信號產生誤差．
圖3－34磁場邊緣效應
設在磁場軸向長度為2L時，電極A和B之間的感生電動勢用eAB表示，而無限長磁場時(L→ )的感應電動勢為e．用S來表示它們的比值，即
S＝
顯然，我們希望S值越接近于1越好。也就是說，希望磁場軸向長度為有限長時電極上產生的感生電動勢盡可能接近于無限長時的值．若以L／d表示磁場軸向長度與管道內徑之比，則根據計算，在測量管是絕緣管壁的條件下，S與L／d的關系如圖3—35所示．由圖可知，在保證S＝0．99的情況下，L/ d的比值范圍大致為L／d＝2．8—3．04．這就是說，為了減少磁場地緣的影響，勵磁線圈的長度應為測量管內徑的2. 8—3．04倍，這樣才可以使電極上產生電動勢接近于無限長磁場時的值。
圖3－35 S與L / d的關系
2．導電管壁
圖3－36 導電管壁S與L / a的關系
圖3－37液態金屬磁場邊緣效應
如果測量管是導電的，由于導電管壁的短路作用，磁場邊緣效應就會更加明顯，并導致電極上感生電動勢損失的增加．隨著管壁導電率和壁厚的變化，這種影響也將隨之改變．若以 表示管壁厚度，K表示管壁電導率，d和 仍然分別表示測量管內半徑和被測液體電導率，則可用L／d和a＝ 來表示不同情況下邊緣效應的影響程度，如圖3—36所示．
由圖可知，同樣的L／d值，測量管的電導率越大，管壁越厚，這種影響也就越大，即感生電動勢的損失也就越嚴重a＝0即相當于管避絕緣的情況(K＝0)，其結果與圖3－35所示的一樣．所以，對熱水流量計來說，測量管壁絕緣是非常必要的．
3．液態金屬的邊緣效應
如前所述，由于勵磁線圈兩端的磁感應強度B是逐漸減弱的，形成了不均勻的邊緣，使被測介質在磁場的邊緣區域內產生渦電流，對測量產生影響．當被測介質是電導率極高的液態金屬時，這個渦電流的影響就很大。
如圖3－37所示，由磁場邊緣效應產生的渦電流會引起二次磁通，使工作磁場的邊緣發生畸變，出于左側邊緣的磁場是逐漸增強的，所以左側的渦電流就企圖去削弱這種增強；而右側的渦電流，由于右側的磁場逐漸減弱，阻止這種削弱．這樣就造成了整個磁場的畸變，便它相對于電極軸不對稱．
上述這種效應在值流勵磁的情況下雖有一定影響，但問題不大．如果采用交流勵磁的話，隨著勵磁電流頻率的增加，這種邊緣效應的影響就比較嚴重．
如果被測介質中含有導磁性物質，例如含有鐵、鉆、鎳之類的金屬時，磁場邊緣效應的影響就更加復雜化．在理論上研究這種效應時，常用一個純數，即磁雷諾數RM＝ ud來表征這個效應影響的大?。渲校? 和 分別是介質的磁導率和電導率；u為介質流速；d為測量管半徑．研究表明，如果RM值不大，并且磁場邊緣離電極不太近的情況下，即使介質中含有微量的導磁性物質，對測量的影響仍可忽略．相反RM值很大，而且磁場邊緣離電極又比較近的，則由于工作磁場的畸變將給測量造成嚴重的影響。所以，熱水流量計要求被測介質非磁性是必要的．另外，對于液態金屬，一般采用直流勵磁以減少磁場邊緣效應．
(三)被測介質電導率的影響
目前，熱水流量計轉換路的輸入阻抗已有所提高，測量導電性液體時，一般不會因介質電導率稍有變化而引起誤差，但對于一定的轉換器輸入阻抗，被測介質的電導率有一個下限值 min，不能低于該下限值．
被測介質的電導率太大也是不允許的。例如當電導率超過10－1(S／cm)左右時，就會降低流量信號，改變指示值，即指示流量值小于實際流量值．這是因為在電磁流量變送器中，磁場為有限長，被測的導電液體只有流過有限磁場時，才能產生感生電動勢e．所以，代表流量信號的感生電動勢e是磁場部分的導電液體切割磁力線的結果，磁場兩端以外的導電液體沒有對e作出任何貢獻．相反，由于它們也是和兩個電極連通的，故也就構成了一部分外電路。當變送器與轉換器連接在一起時，這部分外電路就與轉換器輸入阻抗相并聯而成為變送器的負載．當被測介質的電導率很大時，外電路的電阻較小，達時不管轉換器的輸入阻抗有多高，并聯的結果將取決于這部分液體外電路，從而減小變送器與轉換器之間的傳輸精度。
所以，對一個熱水流量計來說，測量不受介質電導率影響是有一定范圍的，被測介質電導串既不能太大，也不能太小。隨著電子技術的發展，轉換器輸入阻抗的提高，必將可以降低被測介質電導率的下限。