摘要本文對插入式電磁流量計(jì)靠近管道壁面時的工作磁場分布情況進(jìn)行了計(jì)算。分別對磁性壁面和非磁性壁面情況進(jìn)行了比較,說明磁性管道壁面對流量測量結(jié)果的影響。同時,給出了一種修正的方法和有關(guān)的修正曲線。
一、引言
流動的電磁感應(yīng)的工作原理是當(dāng)導(dǎo)電流體(如水)流經(jīng)由儀表傳感器的工作磁場時,由于切割磁力線會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。利用適當(dāng)?shù)碾姌O檢出這一信號即可測得流體的流速或流量。常規(guī)的電磁流量計(jì)是管道式的。另一種形式是插入式的,它實(shí)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(jì),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(jì)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(dāng)探頭靠近管道的壁面時,其測量結(jié)果將因管壁的電或磁性質(zhì)不同而產(chǎn)生誤差。本文將在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究某種設(shè)計(jì)的插入式電磁流量計(jì)工作磁場在探頭靠近管壁時的詳細(xì)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(jì)工作磁場的求解
圖1中,插入式電磁流量計(jì)探頭的端部裝有一對電極,內(nèi)部裝有一勵磁線圈,在它的周圍產(chǎn)生工作磁場。為研究磁場的詳細(xì)分布狀況,先考慮單匝線圖。設(shè)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(zhì)常數(shù)為產(chǎn)。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(nèi)半徑,r:為外半徑。
如圖1所示的插入式電磁流量計(jì),當(dāng)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(xiàn)的磁場主要是Z方向。為此,我們計(jì)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?qū)ΨQ只給出一半空間）。
三、討論
從圖3、4可看到,靠近電磁流量計(jì)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(dāng)于探頭在無限大均勻介質(zhì)當(dāng)中;而當(dāng)壁面是磁性時,由于探頭內(nèi)線圈產(chǎn)生的磁場引起壁面的磁化,加強(qiáng)了探頭附近的磁感強(qiáng)度,相當(dāng)于線圈與它對壁面的像共同產(chǎn)生的磁場。由于這一變化,使探頭的測量產(chǎn)生誤差。文獻(xiàn)「2]指出,只有當(dāng)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(shù)產(chǎn)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(dāng)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(qiáng)度一般不等于電極處的值。為此,圖5計(jì)算出當(dāng)探頭接近磁性壁面時,霍爾元件上所測的磁感強(qiáng)度與電極處磁感強(qiáng)度之比。利用單片機(jī)可以進(jìn)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(yīng)與電極處磁感應(yīng)之比,Lla為探頭與壁面距離與探頭半徑之比。
四、小結(jié)
本文研究了插入式電磁流量計(jì)工作磁場的求解。給出了當(dāng)流量計(jì)探頭靠近磁性和非磁性壁面時工作磁場的不同分布。進(jìn)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(qiáng)度和計(jì)算的修正曲線對測量結(jié)果進(jìn)行修正。
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