電磁(ci)流量計(ji) 由于具(ju)有衆多(duo)的優點(dian)廣泛應(ying)用于工(gong)業各種(zhong)場合👄，近(jin)💔年來已(yi)🔞經逐步(bu)向民用(yong)領域擴(kuo)展。傳統(tong)的電磁(ci)流量計(ji)僅能用(yong)于🎯滿管(guan)🈚的流量(liang)測量，對(dui)于非滿(man)管流體(ti)或者流(liu)體在滿(man)管與非(fei)🐅滿管之(zhi)間變化(hua)的流動(dong)時的流(liu)量測量(liang)研究較(jiao)少。非滿(man)管流🎯體(ti)流動時(shi),由于管(guan)内❌的流(liu)體截面(mian)🏒積是變(bian)化的,或(huo)者流體(ti)流☔動一(yi)直處于(yu)非滿管(guan)狀态，非(fei)💋滿管流(liu)量的測(ce)量需要(yao)測量流(liu)體平均(jun)流速和(he)🆚液位這(zhe)兩個參(can)數。非滿(man)管狀态(tai)下,測量(liang)管✌️内流(liu)體流速(su)分布不(bu)對稱,導(dao)緻權重(zhong)函數的(de)分布和(he)液位有(you)關，同時(shi)電極上(shang)的感應(ying)信号是(shi)兩電極(ji)橫斷🌐面(mian)内所有(you)質點電(dian)位的集(ji)合,即電(dian)勢一定(ding)要處于(yu)電極可(ke)測量範(fan)圍之内(nei),所以進(jin)行非滿(man)管的流(liu)量測量(liang)🏃🏻‍♂️電極必(bi)須浸入(ru)流體内(nei),否則電(dian)極得不(bu)到感應(ying)信号[17-19] 。
1 非(fei)滿管電(dian)磁流量(liang)計 的結(jie)構設計(ji)
1.1 非滿管(guan)電磁流(liu)量計的(de)測量原(yuan)理
　　管道(dao)式電磁(ci)流量計(ji) 在工作(zuo)的過程(cheng)中，可能(neng)會出現(xian)管道中(zhong)流體未(wei)充滿或(huo)者在流(liu)體流動(dong)過程中(zhong)，流體流(liu)動處于(yu)滿管向(xiang)非滿管(guan)道的轉(zhuan)換狀态(tai)中。使管(guan)中流體(ti)流動有(you)兩種流(liu)動狀态(tai)。對流體(ti)未充滿(man)🤟管道式(shi) 1，如圖 3-1 所(suo)示，此時(shi)如果仍(reng)按傳統(tong)❓流量計(ji)的測量(liang)原理，則(ze)：
實際值(zhi)=測量值(zhi)-上部空(kong)氣部分(fen)

　　由權重(zhong)函數的(de)理論可(ke)知，感應(ying)信号電(dian)壓是兩(liang)電極橫(heng)斷面🏃🏻‍♂️内(nei)所有質(zhi)點電位(wei)的集合(he)，不論流(liu)體在管(guan)道中橫(heng)截面如(ru)何變化(hua)，流動👈流(liu)體的質(zhi)點都會(hui)有感應(ying)電勢，但(dan)🔞是這些(xie)電勢一(yi)🍓定要處(chu)于電極(ji)的集合(he)範圍内(nei)，如果電(dian)極暴露(lu)在空氣(qi)中，電極(ji)得不到(dao)信号[19]，流(liu)體未充(chong)滿管道(dao)式 2 就是(shi)這種情(qing)況。當流(liu)體未充(chong)滿管道(dao)🔞時，管中(zhong)流體的(de)實際流(liu)量值Q實(shi)🚩=A實?`V，而管(guan)中流體(ti)🈚的截面(mian)積爲:

　　式(shi)中 h 爲液(ye)面高度(du)， D 爲測量(liang)管内徑(jing)。而不再(zai)是由此(ci)可知，非(fei)滿管電(dian)磁流量(liang)計的流(liu)量測量(liang)必須同(tong)時測量(liang)平均流(liu)速和液(ye)位高度(du)這兩個(ge)物理量(liang)。
1.2 非滿管(guan)電磁流(liu)量傳感(gan)器流速(su)測量機(ji)構
　　根據(ju)電磁流(liu)量計的(de)基本原(yuan)理，當流(liu)體充滿(man)管道時(shi)✉️，管🍉中流(liu)體😍的平(ping)均流速(su)和兩電(dian)極之間(jian)的感應(ying)電勢之(zhi)間的關(guan)系如🥵式(shi)（2-1）所🐕示。當(dang)管中流(liu)體未充(chong)滿時，如(ru)前面所(suo)述，測得(de)的信号(hao)不✌️準确(que)或者根(gen)本得不(bu)到感應(ying)電勢信(xin)号🔞。在傳(chuan)統電磁(ci)流量計(ji)♻️的基礎(chu)上，将流(liu)速檢測(ce)電極在(zai)高度方(fang)向上設(she)計在距(ju)測量⁉️管(guan)底端 10%D處(chu)，其🐇中 D 爲(wei)測量管(guan)直☔徑。這(zhe)樣能保(bao)證管中(zhong)流體液(ye)位高于(yu) 10%D 時，根據(ju)傳統電(dian)磁🧡流量(liang)計基本(ben)原理，傳(chuan)感器能(neng)準确測(ce)❄️得流體(ti)的平均(jun)流速。其(qi)結構如(ru)圖 3-3 所示(shi)💃🏻。

此時(shi)，兩極間(jian)的感應(ying)電動勢(shi) E 與兩電(dian)極間的(de)距離 d 之(zhi)間的關(guan)♍系爲：

E =k Bd`V 　　　　　　（3-2）
1.3 非(fei)滿管電(dian)磁流量(liang)傳感器(qi)液位測(ce)量機構(gou)
　　基于電(dian)容式傳(chuan)感器的(de)基本原(yuan)理，就是(shi)将液位(wei)的變化(hua)轉換成(cheng)🌏電容值(zhi)的變化(hua)。在測量(liang)的過程(cheng)中測量(liang)電壓、頻(pin)♊率、脈寬(kuan)等容易(yi)測量🌈的(de)物理量(liang)，從而實(shi)現電容(rong)值的測(ce)量。結合(he)電容式(shi)傳感器(qi)🐅和電磁(ci)💁流量計(ji)的基本(ben)原理，流(liu)體在管(guan)中💰流動(dong)的過程(cheng)中，利用(yong)流量計(ji)襯裏和(he)管内流(liu)體作爲(wei)介質，同(tong)時在流(liu)量計襯(chen)裏與管(guan)🥵壁之間(jian)采用兩(liang)片圓弧(hu)形電極(ji)片，電極(ji)片與襯(chen)🔱裏和管(guan)中流體(ti)形成一(yi)電容器(qi)，根據電(dian)容式傳(chuan)感器的(de)基本♍原(yuan)理，液體(ti)作爲一(yi)種介質(zhi)，是電容(rong)器的一(yi)個組成(cheng)部分，液(ye)體液位(wei)的高低(di)🤟，直接影(ying)響電容(rong)器的電(dian)㊙️容值，即(ji)電容器(qi)的電容(rong)量是液(ye)位高度(du)的單值(zhi)函數。其(qi)相應結(jie)構如圖(tu) 3-4 所示。
　　爲(wei)了降低(di)信号之(zhi)間的幹(gan)擾和便(bian)于控制(zhi)，非滿管(guan)電磁㊙️流(liu)量計🏃🏻‍♂️采(cai)✊用流速(su)機構和(he)液位機(ji)構分體(ti)，但是同(tong)時同步(bu)測☂️量，再(zai)将兩信(xin)号進行(hang)整合，得(de)出流量(liang)信号。

2 非滿管(guan)電磁流(liu)量計原(yuan)理
2.1 非滿(man)管電磁(ci)流量計(ji)測量原(yuan)理
　　流體(ti)在管道(dao)内沿與(yu)磁感應(ying)線垂直(zhi)的方向(xiang)流動時(shi)🌏，根據法(fa)拉第電(dian)磁感應(ying)定律，會(hui)産生感(gan)應電動(dong)勢，通過(guo)感應電(dian)動勢🌈值(zhi)即可得(de)到流體(ti)的平均(jun)流速。在(zai)兩電極(ji)片🌈間有(you)激勵電(dian)壓的作(zuo)用下，兩(liang)電🤩極片(pian)、襯裏和(he)流體一(yi)起✂️構成(cheng)電容器(qi)，根據電(dian)容式傳(chuan)感器基(ji)本原理(li)，此傳感(gan)器🈚的等(deng)效電路(lu)如圖 3-5 所(suo)示，電極(ji)片、襯裏(li)和流體(ti)一起構(gou)⭕成了一(yi)變介電(dian)常❤️數型(xing)電容器(qi)，兩🏒極片(pian)間電容(rong)爲上下(xia)兩部分(fen)電容并(bing)聯而成(cheng)，其中 C1和(he) C3、C2和 C4之間(jian)爲串聯(lian)，其總電(dian)容的計(ji)算如式(shi)（3-3）。

　　如圖 3-6 所(suo)示，管中(zhong)液體将(jiang)測量管(guan)分爲上(shang)下兩部(bu)分，其中(zhong)👅空氣的(de)介電常(chang)數爲0ε，流(liu)體的介(jie)電常數(shu)爲1ε，襯裏(li)的介電(dian)常數爲(wei)2ε，根據電(dian)容式傳(chuan)感器模(mo)拟計算(suan)方法可(ke)計算其(qi)電容值(zhi)😘[20],1C 和2C 由于(yu)極闆間(jian)間距沒(mei)有改變(bian)，而且兩(liang)極闆之(zhi)間是單(dan)一介質(zhi)，其電✊容(rong)值可近(jin)似作爲(wei)平👨‍❤️‍👨行闆(pan)電容器(qi)來計算(suan)[21]，如下所(suo)示：

式中(zhong)，
a 爲襯裏(li)内半徑(jing)， m ；　
h 爲液位(wei)高度，?? m ；　
b 爲(wei)電極内(nei)徑，?? m ；　
l 爲電(dian)極片軸(zhou)向長度(du)， m ；
2.2 非滿管(guan)電磁流(liu)量計工(gong)作原理(li)
　　非滿管(guan)電磁流(liu)量計采(cai)用勵磁(ci)激勵和(he)電壓激(ji)勵雙激(ji)勵機制(zhi)，在勵磁(ci)激勵的(de)作用下(xia)，通過勵(li)磁電路(lu)産生相(xiang)應的磁(ci)感應強(qiang)度，從而(er)在電極(ji)上得到(dao)與流速(su)❌對應的(de)電勢信(xin)号，經過(guo)🔞計算得(de)到流體(ti)的平均(jun)流速值(zhi)。在激勵(li)電極的(de)作用下(xia)，向激勵(li)電極通(tong)入高頻(pin)電🙇🏻壓，使(shi)兩圓弧(hu)形電極(ji)片與其(qi)之間的(de)介質形(xing)成電容(rong)式傳感(gan)器，通過(guo)電容量(liang)的測量(liang)，經過控(kong)制系統(tong)處理♋後(hou)得到與(yu)電容對(dui)應的液(ye)位高度(du)信号。兩(liang)個過程(cheng)互不幹(gan)涉，然後(hou)經過控(kong)制系統(tong)分析處(chu)理👄後得(de)到管中(zhong)㊙️流體流(liu)量♈值。整(zheng)個系統(tong)框圖如(ru)圖 3-7 所示(shi)。

3 信号轉(zhuan)換電路(lu)的構成(cheng)
　　傳統的(de)電磁流(liu)量計的(de)信号轉(zhuan)換電路(lu)包含勵(li)磁電🚩路(lu)和信号(hao)處📧理電(dian)路兩部(bu)分組成(cheng)。非滿管(guan)電磁流(liu)量計除(chu)了這🔴兩(liang)部分以(yi)外還有(you)激勵電(dian)壓電路(lu)。
3.1 勵磁電(dian)路參數(shu)确定
　　勵(li)磁系統(tong)是電磁(ci)流量計(ji)的一個(ge)關鍵部(bu)分，其好(hao)壞直接(jie)影響到(dao)測量結(jie)果的精(jing)确程度(du)高低。勵(li)磁系統(tong)的參數(shu)主要是(shi)勵磁方(fang)式和勵(li)磁頻率(lü)。常用的(de)勵磁方(fang)式有以(yi)下幾種(zhong)[8]。
1.直流勵(li)磁
　　直流(liu)勵磁方(fang)式是用(yong)直流電(dian)或永久(jiu)磁鐵産(chan)生一個(ge)恒定的(de)均勻磁(ci)場。直流(liu)勵磁可(ke)以忽略(lue)流體中(zhong)的自感(gan)現❤️象，同(tong)時受交(jiao)流🌈影響(xiang)很小，但(dan)是由于(yu)管中流(liu)體電解(jie)質☎️的電(dian)離，直流(liu)勵🍉磁易(yi)産♊生極(ji)化現象(xiang)。極化電(dian)壓和流(liu)量信号(hao)混雜🌈在(zai)一起，不(bu)容易區(qu)分。所以(yi)，一般在(zai)測量非(fei)電♊解質(zhi)流體的(de)情況下(xia)才采♌用(yong)這種方(fang)式。

2. 交流(liu)勵磁
　　交(jiao)流勵磁(ci)方式是(shi)上世紀(ji) 50 年代工(gong)業電磁(ci)流量計(ji)主☔要采(cai)用的勵(li)磁方式(shi)，它的磁(ci)場是由(you)正弦交(jiao)變電流(liu)産生一(yi)個交變(bian)磁場：

　　交(jiao)變磁場(chang)能消除(chu)極化幹(gan)擾,同時(shi)産生的(de)交變信(xin)号，經過(guo)放🔱大和(he)轉換要(yao)比直流(liu)信号容(rong)易。但是(shi)交變磁(ci)場易産(chan)生正交(jiao)💁（微分）幹(gan)擾：

和同(tong)相幹擾(rao)：

　　這些幹(gan)擾降低(di)電磁流(liu)量計的(de)信噪比(bi)，這些幹(gan)擾信号(hao)❓與流量(liang)信🤟号e=emsinωt 混(hun)雜在一(yi)起，難以(yi)區分。

3.低(di)頻矩形(xing)波勵磁(ci)
　　上世紀(ji)70-80 年代出(chu)現了低(di)頻矩形(xing)波勵磁(ci)，這種勵(li)磁方式(shi)🆚兼有直(zhi)流勵磁(ci)和交流(liu)勵磁的(de)優點，同(tong)時很好(hao)的🥵避免(mian)了它♉們(men)的🥵缺點(dian)🔱。如圖 3-10 所(suo)示。在半(ban)個周期(qi)内，磁場(chang)是直流(liu)磁場，低(di)頻矩形(xing)波勵磁(ci)有直流(liu)勵磁的(de)特點⛹🏻‍♀️，但(dan)從整個(ge)過程來(lai)看磁場(chang)又是處(chu)于周期(qi)性變化(hua)的過程(cheng)中，低頻(pin)矩形波(bo)又是一(yi)個交變(bian)信号，便(bian)于放大(da)和處理(li)。所以低(di)頻方波(bo)勵磁現(xian)🛀🏻階段應(ying)用非常(chang)廣泛的(de)勵磁方(fang)式。

綜合(he)上面所(suo)述，非滿(man)管電磁(ci)流量計(ji)選擇低(di)頻矩形(xing)波作爲(wei)勵⭐磁方(fang)式。
　　電磁(ci)流量計(ji)采用較(jiao)高的勵(li)磁頻率(lü)可以有(you)效降低(di)信号源(yuan)⛹🏻‍♀️内阻，當(dang)頻率提(ti)高到100Hz 時(shi)，信号源(yuan)内阻約(yue)爲幾百(bai)兆。繼續(xu)提高勵(li)磁頻率(lü)，可以進(jin)一步降(jiang)低信号(hao)源内阻(zu)和流動(dong)噪聲。但(dan)是随着(zhe)勵磁頻(pin)率的提(ti)高，由式(shi)（3-7）和式（3-8）可(ke)知，正交(jiao)幹擾和(he)同相幹(gan)📐擾會變(bian)得更嚴(yan)重，電⭐極(ji)上的渦(wo)電流也(ye)随之增(zeng)大。根據(ju)日本專(zhuan)家 Nakatani 的研(yan)究🔴成果(guo)，流動噪(zao)聲和微(wei)分幹擾(rao)強🚩度随(sui)勵磁頻(pin)率變化(hua)規律如(ru)圖✔️3-11所示(shi)，從中可(ke)以看出(chu)，使流動(dong)噪聲和(he)正交幹(gan)擾到達(da)最小的(de)最🌈佳勵(li)磁頻率(lü)應該在(zai) 100-400Hz 範圍内(nei) [22]。

3.2 信号處(chu)理電路(lu)
　　信号處(chu)理電路(lu)的主要(yao)作用是(shi)将傳感(gan)器得到(dao)是帶有(you)很多幹(gan)擾而且(qie)信号非(fei)常微弱(ruo)的電壓(ya)信号轉(zhuan)換成AD 采(cai)樣器🍉可(ke)以🔞接受(shou)的直流(liu)信号，從(cong)傳感器(qi)得到的(de)信号如(ru)💔下式所(suo)示[23]：

　　ec 是共(gong)模幹擾(rao)電壓、ed 是(shi)串模幹(gan)擾電壓(ya)、ez 是直流(liu)極化電(dian)壓🐇。其中(zhong)正交幹(gan)擾和同(tong)相幹擾(rao)是由于(yu)磁場的(de)突變引(yin)起的主(zhu)要幹🛀擾(rao)源，共模(mo)和串模(mo)幹擾是(shi)由于電(dian)磁幹擾(rao)和靜電(dian)幹擾産(chan)生🚶‍♀️的次(ci)要🐅幹擾(rao)源，可以(yi)通過靜(jing)🐕電屏蔽(bi)和接地(di)加以抑(yi)止，極化(hua)電壓是(shi)直流極(ji)化現象(xiang)産生的(de)，可通過(guo)提高勵(li)💘磁頻率(lü)消除[24]。電(dian)磁流量(liang)計采用(yong)低頻矩(ju)✔️形波勵(li)磁能很(hen)好消除(chu)直流極(ji)化現象(xiang)，在低頻(pin)矩形波(bo)的上升(sheng)沿和下(xia)降沿✔️，當(dang)勵磁電(dian)流進入(ru)穩态的(de)時候再(zai)進行信(xin)号采樣(yang)，能消除(chu)部分正(zheng)交幹擾(rao)電壓? [25] ，但(dan)是信号(hao)處理的(de)時間較(jiao)長。
　　由于(yu)傳感器(qi)得到的(de)信号非(fei)常微弱(ruo)并且帶(dai)有很多(duo)⭕幹擾，所(suo)以信☀️号(hao)處理電(dian)路必須(xu)有放大(da)以及抑(yi)制噪聲(sheng)和幹擾(rao)的功能(neng)，圖 3-15 表示(shi)✉️信号處(chu)理電路(lu)的組成(cheng)部⛱️分。

電(dian)磁流量(liang)傳感器(qi)的内阻(zu)很大，傳(chuan)感器和(he)轉換器(qi)的等效(xiao)電路如(ru)圖 3-13 所示(shi)，

　　圖中 e 是(shi)傳感器(qi)産生的(de)流量電(dian)勢信号(hao)，r 是傳感(gan)器内阻(zu)，RL是轉換(huan)器的輸(shu)入阻抗(kang)，eX是轉換(huan)器得到(dao)的流量(liang)電勢信(xin)号，根據(ju)歐姆定(ding)律可知(zhi)：

　　從上式(shi)可以得(de)知RL》r ，所以(yi)要使信(xin)号足夠(gou)精确，轉(zhuan)換器必(bi)👣須有很(hen)高的輸(shu)入阻抗(kang)[2]。
　　從傳感(gan)器出來(lai)是非常(chang)微弱且(qie)帶有幹(gan)擾的信(xin)号，信㊙️号(hao)預處理(li)是首先(xian)去除信(xin)号中的(de)高頻信(xin)号，然後(hou)再用放(fang)大器将(jiang)信号放(fang)大，同時(shi)放大器(qi)能很好(hao)地抑制(zhi)共模幹(gan)擾，經過(guo)前面的(de)處理之(zhi)後，信号(hao)中還會(hui)有部分(fen)幹擾噪(zao)🌈聲，無法(fa)直接檢(jian)測得到(dao)，濾波器(qi)👌的主要(yao)作用是(shi)去除剩(sheng)餘部分(fen)的幹擾(rao)和噪聲(sheng)，得到模(mo)數轉換(huan)能直接(jie)識别🔞的(de)信号，然(ran)後傳輸(shu)給單片(pian)機控制(zhi)。
3.3 激勵電(dian)壓電路(lu)
　　非滿管(guan)電磁流(liu)量計以(yi)電容式(shi)傳感器(qi)爲基本(ben)原理，向(xiang)激🚩勵電(dian)極☔通入(ru)高頻電(dian)壓以形(xing)成電容(rong)式傳感(gan)器，激勵(li)電壓電(dian)路框圖(tu)🐅如圖 3-14 所(suo)示。

　　由于(yu)激勵電(dian)極安裝(zhuang)在測量(liang)管和襯(chen)裏之間(jian)，激勵電(dian)壓電🌈路(lu)在工作(zuo)的過程(cheng)中需要(yao)一定大(da)小的高(gao)頻電🔴壓(ya)用以擊(ji)穿襯裏(li)材⛱️料，所(suo)以采用(yong)變壓器(qi)以得到(dao)不同大(da)小的擊(ji)穿電壓(ya)值，工控(kong)闆用來(lai)控制整(zheng)個激勵(li)電路。
4小(xiao)結
　　　非滿(man)管電磁(ci)流量計(ji)重點介(jie)紹了一(yi)種新的(de)非滿管(guan)㊙️電磁流(liu)量計的(de)結構，該(gai)結構是(shi)以電容(rong)式傳感(gan)器爲😘基(ji)本💚原理(li)，利用🌏電(dian)容⛹🏻‍♀️和液(ye)位的高(gao)度關系(xi)來進行(hang)測量。同(tong)時♊分析(xi)了🏃非滿(man)管電磁(ci)流量計(ji)基❌本的(de)工作原(yuan)理、簡要(yao)介🙇‍♀️紹了(le)流量信(xin)号的處(chu)理方法(fa)，爲後面(mian)實驗🙇‍♀️方(fang)案及裝(zhuang)置的設(she)計打下(xia)🔅了基礎(chu)。

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