流場、磁場及介質(zhì)電導(dǎo)率對膠水專用計量表測量的影響分析
點(diǎn)擊次數(shù)：2691 發(fā)布時間：2021-01-16 13:26:46
膠水專用計量表是一種安裝與使用都相當(dāng)方便簡單的流量測量儀表，我們在安裝使用過程中對于膠水專用計量表要注意以下三點(diǎn)：流速分布、磁場邊緣效應(yīng)以及被測介質(zhì)電導(dǎo)率，對于基于電磁感應(yīng)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(nèi)流速為軸對稱分布，則電極上產(chǎn)生的感生電動勢大小與流動狀態(tài)無關(guān)，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膠水專用計量表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(chǎn)生誤差．因?yàn)殡姌O上得到的感生電動勢e是測量管內(nèi)所有液體共同貢獻(xiàn)的結(jié)果，所以每一個流體質(zhì)點(diǎn)都有貢獻(xiàn)。但由各個流體質(zhì)點(diǎn)相對于電極的幾何位置不同，故即使各質(zhì)點(diǎn)速度一樣，它們對電動勢e的貢獻(xiàn)也是不同的．越靠近電極的質(zhì)點(diǎn)對電動勢e的貢獻(xiàn)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(chǎn)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(shí)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(chǎn)生的測量誤差，在電磁流量變送器的應(yīng)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(yīng)的影響
由前述的基本假定可知，e＝DB 這一基本表達(dá)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(shí)際上，這意味著沿管軸方向上的磁場為無限長，而實(shí)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(chǎn)生的邊緣效應(yīng)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(shè)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(chǎn)生的感生電勢較大，兩端則較小，從而造成液體內(nèi)部電場外有的不均勻而產(chǎn)生渦電流．由渦電流產(chǎn)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(jìn)—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(chǎn)生誤差．
圖3－34磁場邊緣效應(yīng)
設(shè)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(yīng)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(chǎn)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(nèi)徑之比，則根據(jù)計算，在測量管是絕緣管壁的條件下，S與L／d的關(guān)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(yīng)為測量管內(nèi)徑的2. 8—3．04倍，這樣才可以使電極上產(chǎn)生電動勢接近于無限長磁場時的值。
圖3－35 S與L / d的關(guān)系
2．導(dǎo)電管壁
圖3－36 導(dǎo)電管壁S與L / a的關(guān)系
圖3－37液態(tài)金屬磁場邊緣效應(yīng)
如果測量管是導(dǎo)電的，由于導(dǎo)電管壁的短路作用，磁場邊緣效應(yīng)就會更加明顯，并導(dǎo)致電極上感生電動勢損失的增加．隨著管壁導(dǎo)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(dǎo)率，d和 仍然分別表示測量管內(nèi)半徑和被測液體電導(dǎo)率，則可用L／d和a＝ 來表示不同情況下邊緣效應(yīng)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(dǎo)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(yán)重a＝0即相當(dāng)于管避絕緣的情況(K＝0)，其結(jié)果與圖3－35所示的一樣．所以，對膠水專用計量表來說，測量管壁絕緣是非常必要的．
3．液態(tài)金屬的邊緣效應(yīng)
如前所述，由于勵磁線圈兩端的磁感應(yīng)強(qiáng)度B是逐漸減弱的，形成了不均勻的邊緣，使被測介質(zhì)在磁場的邊緣區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生渦電流，對測量產(chǎn)生影響．當(dāng)被測介質(zhì)是電導(dǎo)率極高的液態(tài)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(yīng)產(chǎn)生的渦電流會引起二次磁通，使工作磁場的邊緣發(fā)生畸變，出于左側(cè)邊緣的磁場是逐漸增強(qiáng)的，所以左側(cè)的渦電流就企圖去削弱這種增強(qiáng)；而右側(cè)的渦電流，由于右側(cè)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(yīng)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(yīng)的影響就比較嚴(yán)重．
如果被測介質(zhì)中含有導(dǎo)磁性物質(zhì)，例如含有鐵、鉆、鎳之類的金屬時，磁場邊緣效應(yīng)的影響就更加復(fù)雜化．在理論上研究這種效應(yīng)時，常用一個純數(shù)，即磁雷諾數(shù)RM＝ ud來表征這個效應(yīng)影響的大小．其中， 和 分別是介質(zhì)的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率；u為介質(zhì)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(zhì)中含有微量的導(dǎo)磁性物質(zhì)，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(yán)重的影響。所以，膠水專用計量表要求被測介質(zhì)非磁性是必要的．另外，對于液態(tài)金屬，一般采用直流勵磁以減少磁場邊緣效應(yīng)．
(三)被測介質(zhì)電導(dǎo)率的影響
目前，膠水專用計量表轉(zhuǎn)換路的輸入阻抗已有所提高，測量導(dǎo)電性液體時，一般不會因介質(zhì)電導(dǎo)率稍有變化而引起誤差，但對于一定的轉(zhuǎn)換器輸入阻抗，被測介質(zhì)的電導(dǎo)率有一個下限值 min，不能低于該下限值．
被測介質(zhì)的電導(dǎo)率太大也是不允許的。例如當(dāng)電導(dǎo)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(shí)際流量值．這是因?yàn)樵陔姶帕髁孔兯推髦校艌鰹橛邢揲L，被測的導(dǎo)電液體只有流過有限磁場時，才能產(chǎn)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(dǎo)電液體切割磁力線的結(jié)果，磁場兩端以外的導(dǎo)電液體沒有對e作出任何貢獻(xiàn)．相反，由于它們也是和兩個電極連通的，故也就構(gòu)成了一部分外電路。當(dāng)變送器與轉(zhuǎn)換器連接在一起時，這部分外電路就與轉(zhuǎn)換器輸入阻抗相并聯(lián)而成為變送器的負(fù)載．當(dāng)被測介質(zhì)的電導(dǎo)率很大時，外電路的電阻較小，達(dá)時不管轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗有多高，并聯(lián)的結(jié)果將取決于這部分液體外電路，從而減小變送器與轉(zhuǎn)換器之間的傳輸精度。
所以，對一個膠水專用計量表來說，測量不受介質(zhì)電導(dǎo)率影響是有一定范圍的，被測介質(zhì)電導(dǎo)串既不能太大，也不能太小。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)換器輸入阻抗的提高，必將可以降低被測介質(zhì)電導(dǎo)率的下限。
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（一）流速分布的影響
只要管內(nèi)流速為軸對稱分布，則電極上產(chǎn)生的感生電動勢大小與流動狀態(tài)無關(guān)，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膠水專用計量表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(chǎn)生誤差．因?yàn)殡姌O上得到的感生電動勢e是測量管內(nèi)所有液體共同貢獻(xiàn)的結(jié)果，所以每一個流體質(zhì)點(diǎn)都有貢獻(xiàn)。但由各個流體質(zhì)點(diǎn)相對于電極的幾何位置不同，故即使各質(zhì)點(diǎn)速度一樣，它們對電動勢e的貢獻(xiàn)也是不同的．越靠近電極的質(zhì)點(diǎn)對電動勢e的貢獻(xiàn)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(chǎn)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(shí)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(chǎn)生的測量誤差，在電磁流量變送器的應(yīng)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(yīng)的影響
由前述的基本假定可知，e＝DB 這一基本表達(dá)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(shí)際上，這意味著沿管軸方向上的磁場為無限長，而實(shí)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(chǎn)生的邊緣效應(yīng)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(shè)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(chǎn)生的感生電勢較大，兩端則較小，從而造成液體內(nèi)部電場外有的不均勻而產(chǎn)生渦電流．由渦電流產(chǎn)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(jìn)—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(chǎn)生誤差．
圖3－34磁場邊緣效應(yīng)
設(shè)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(yīng)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(chǎn)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(nèi)徑之比，則根據(jù)計算，在測量管是絕緣管壁的條件下，S與L／d的關(guān)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(yīng)為測量管內(nèi)徑的2. 8—3．04倍，這樣才可以使電極上產(chǎn)生電動勢接近于無限長磁場時的值。
圖3－35 S與L / d的關(guān)系
2．導(dǎo)電管壁
圖3－36 導(dǎo)電管壁S與L / a的關(guān)系
圖3－37液態(tài)金屬磁場邊緣效應(yīng)
如果測量管是導(dǎo)電的，由于導(dǎo)電管壁的短路作用，磁場邊緣效應(yīng)就會更加明顯，并導(dǎo)致電極上感生電動勢損失的增加．隨著管壁導(dǎo)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(dǎo)率，d和 仍然分別表示測量管內(nèi)半徑和被測液體電導(dǎo)率，則可用L／d和a＝ 來表示不同情況下邊緣效應(yīng)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(dǎo)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(yán)重a＝0即相當(dāng)于管避絕緣的情況(K＝0)，其結(jié)果與圖3－35所示的一樣．所以，對膠水專用計量表來說，測量管壁絕緣是非常必要的．
3．液態(tài)金屬的邊緣效應(yīng)
如前所述，由于勵磁線圈兩端的磁感應(yīng)強(qiáng)度B是逐漸減弱的，形成了不均勻的邊緣，使被測介質(zhì)在磁場的邊緣區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生渦電流，對測量產(chǎn)生影響．當(dāng)被測介質(zhì)是電導(dǎo)率極高的液態(tài)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(yīng)產(chǎn)生的渦電流會引起二次磁通，使工作磁場的邊緣發(fā)生畸變，出于左側(cè)邊緣的磁場是逐漸增強(qiáng)的，所以左側(cè)的渦電流就企圖去削弱這種增強(qiáng)；而右側(cè)的渦電流，由于右側(cè)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(yīng)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(yīng)的影響就比較嚴(yán)重．
如果被測介質(zhì)中含有導(dǎo)磁性物質(zhì)，例如含有鐵、鉆、鎳之類的金屬時，磁場邊緣效應(yīng)的影響就更加復(fù)雜化．在理論上研究這種效應(yīng)時，常用一個純數(shù)，即磁雷諾數(shù)RM＝ ud來表征這個效應(yīng)影響的大小．其中， 和 分別是介質(zhì)的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率；u為介質(zhì)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(zhì)中含有微量的導(dǎo)磁性物質(zhì)，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(yán)重的影響。所以，膠水專用計量表要求被測介質(zhì)非磁性是必要的．另外，對于液態(tài)金屬，一般采用直流勵磁以減少磁場邊緣效應(yīng)．
(三)被測介質(zhì)電導(dǎo)率的影響
目前，膠水專用計量表轉(zhuǎn)換路的輸入阻抗已有所提高，測量導(dǎo)電性液體時，一般不會因介質(zhì)電導(dǎo)率稍有變化而引起誤差，但對于一定的轉(zhuǎn)換器輸入阻抗，被測介質(zhì)的電導(dǎo)率有一個下限值 min，不能低于該下限值．
被測介質(zhì)的電導(dǎo)率太大也是不允許的。例如當(dāng)電導(dǎo)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(shí)際流量值．這是因?yàn)樵陔姶帕髁孔兯推髦校艌鰹橛邢揲L，被測的導(dǎo)電液體只有流過有限磁場時，才能產(chǎn)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(dǎo)電液體切割磁力線的結(jié)果，磁場兩端以外的導(dǎo)電液體沒有對e作出任何貢獻(xiàn)．相反，由于它們也是和兩個電極連通的，故也就構(gòu)成了一部分外電路。當(dāng)變送器與轉(zhuǎn)換器連接在一起時，這部分外電路就與轉(zhuǎn)換器輸入阻抗相并聯(lián)而成為變送器的負(fù)載．當(dāng)被測介質(zhì)的電導(dǎo)率很大時，外電路的電阻較小，達(dá)時不管轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗有多高，并聯(lián)的結(jié)果將取決于這部分液體外電路，從而減小變送器與轉(zhuǎn)換器之間的傳輸精度。
所以，對一個膠水專用計量表來說，測量不受介質(zhì)電導(dǎo)率影響是有一定范圍的，被測介質(zhì)電導(dǎo)串既不能太大，也不能太小。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)換器輸入阻抗的提高，必將可以降低被測介質(zhì)電導(dǎo)率的下限。
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