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磁场及介质电导率对热水流量计测量的影响分析

发布时间:2021-09-01 09:57:03

热水流量计是一种安装与使用都相当方便简单的流量测量仪表,我们在安装使用过程中对于热水流量计要注意以下三点:流速分布、磁场边缘效应以及被测介质电导率,对于基于电磁感应原理工作的流量计类型,这三个方面的因素是在其使用过程中特别重要的。下面小编针对这三方面加以介绍:
(一)流速分布的影响
只要管内流速为轴对称分布,则电*上产生的感生电动势大小与流动状态无关,不论它是层流还是紊流,仅与流体的平均流速成正比.因此,流速分布为轴对称是热水流量计必须满足的工作条件之一.
假如,流速分布相对管中心为非对称时,测量就会产生误差.因为电*上得到的感生电动势e是测量管内所有液体共同贡献的结果,所以每一个流体质点都有贡献。但由各个流体质点相对于电*的几何位置不同,故即使各质点速度一样,它们对电动势e的贡献也是不同的.越靠近电*的质点对电动势e的贡献越大.也就是说,电*附近的感生电动势较大,与两电*平面成90°的地方的流体产生的感生电势就小.所以,如果电*附近的流速非轴对称的偏大,测得的流量信号就比实际流量值大;反之,电*附近的流速非轴对称的偏小,测得的流量信号也就偏小.因此,为了消除由于流速分布而产生的测量误差,在电磁流量变送器的应有一定长度的直管段,以保证流速的铀对称分布.
 (二)磁场边缘效应的影响
由前述的基本假定可知,e=DB  这一基本表达式是在“长筒流量计”的模型条件下推得的,即假定沿流体的流动方向上磁场始终是均匀的.实际上,这意味着沿管轴方向上的磁场为无限长,而实际流量计的磁场是有限长的,所以就必须考虑有限长磁场产生的边缘效应对测量的影响。
1.绝缘管壁
图3—34为流量计测量管的纵向视图.设磁场长度为2L,测量管半径为a.电*A和B在磁场中部。则从图中可见:磁场的中间部分,即电*附近大致是均匀的,两端则逐渐减弱,形成不均匀的磁场边线,段后下降为零.这样,在电*附近产生的感生电势较大,两端则较小,从而造成液体内部电场外有的不均匀而产生涡电流.由涡电流产生的二次磁通,反过来又改变磁场边缘部分的工作磁通,使磁场的均匀性进—步遭到破坏。所以,电*上得到的感生电势与无限长磁场下的感生电动势有差别,使测量信号产生误差.

图3-34磁场边缘效应
设在磁场轴向长度为2L时,电*A和B之间的感生电动势用eAB表示,而无限长磁场时(L→  )的感应电动势为e.用S来表示它们的比值,即
S=
显然,我们希望S值越接近于1越好。也就是说,希望磁场轴向长度为有限长时电*上产生的感生电动势尽可能接近于无限长时的值.若以L/d表示磁场轴向长度与管道内径之比,则根据计算,在测量管是绝缘管壁的条件下,S与L/d的关系如图3—35所示.由图可知,在保证S=0.99的情况下,L/ d的比值范围大致为L/d=2.8—3.04.这就是说,为了减少磁场地缘的影响,励磁线圈的长度应为测量管内径的2. 8—3.04倍,这样才可以使电*上产生电动势接近于无限长磁场时的值。

图3-35 S与L / d的关系
2.导电管壁

图3-36 导电管壁S与L / a的关系
图3-37液态金属磁场边缘效应
如果测量管是导电的,由于导电管壁的短路作用,磁场边缘效应就会更加明显,并导致电*上感生电动势损失的增加.随着管壁导电率和壁厚的变化,这种影响也将随之改变.若以  表示管壁厚度,K表示管壁电导率,d和  仍然分别表示测量管内半径和被测液体电导率,则可用L/d和a=  来表示不同情况下边缘效应的影响程度,如图3—36所示.
由图可知,同样的L/d值,测量管的电导率越大,管壁越厚,这种影响也就越大,即感生电动势的损失也就越严重a=0即相当于管避绝缘的情况(K=0),其结果与图3-35所示的一样.所以,对热水流量计来说,测量管壁绝缘是非常必要的.
3.液态金属的边缘效应
如前所述,由于励磁线圈两端的磁感应强度B是逐渐减弱的,形成了不均匀的边缘,使被测介质在磁场的边缘区域内产生涡电流,对测量产生影响.当被测介质是电导率*高的液态金属时,这个涡电流的影响就很大。
如图3-37所示,由磁场边缘效应产生的涡电流会引起二次磁通,使工作磁场的边缘发生畸变,出于左侧边缘的磁场是逐渐增强的,所以左侧的涡电流就企图去削弱这种增强;而右侧的涡电流,由于右侧的磁场逐渐减弱,阻止这种削弱.这样就造成了整个磁场的畸变,便它相对于电*轴不对称.
上述这种效应在值流励磁的情况下虽有一定影响,但问题不大.如果采用交流励磁的话,随着励磁电流频率的增加,这种边缘效应的影响就比较严重.
如果被测介质中含有导磁性物质,例如含有铁、钻、镍之类的金属时,磁场边缘效应的影响就更加复杂化.在理论上研究这种效应时,常用一个纯数,即磁雷诺数RM=  ud来表征这个效应影响的大小.其中,  和  分别是介质的磁导率和电导率;u为介质流速;d为测量管半径.研究表明,如果RM值不大,并且磁场边缘离电*不太近的情况下,即使介质中含有微量的导磁性物质,对测量的影响仍可忽略.相反RM值很大,而且磁场边缘离电*又比较近的,则由于工作磁场的畸变将给测量造成严重的影响。所以,热水流量计要求被测介质非磁性是必要的.另外,对于液态金属,一般采用直流励磁以减少磁场边缘效应.
(三)被测介质电导率的影响
目前,热水流量计转换路的输入阻抗已有所提高,测量导电性液体时,一般不会因介质电导率稍有变化而引起误差,但对于一定的转换器输入阻抗,被测介质的电导率有一个下限值  min,不能低于该下限值.
被测介质的电导率太大也是不允许的。例如当电导率超过10-1(S/cm)左右时,就会降低流量信号,改变指示值,即指示流量值小于实际流量值.这是因为在电磁流量变送器中,磁场为有限长,被测的导电液体只有流过有限磁场时,才能产生感生电动势e.所以,代表流量信号的感生电动势e是磁场部分的导电液体切割磁力线的结果,磁场两端以外的导电液体没有对e作出任何贡献.相反,由于它们也是和两个电*连通的,故也就构成了一部分外电路。当变送器与转换器连接在一起时,这部分外电路就与转换器输入阻抗相并联而成为变送器的负载.当被测介质的电导率很大时,外电路的电阻较小,达时不管转换器的输入阻抗有多高,并联的结果将取决于这部分液体外电路,从而减小变送器与转换器之间的传输精度。
所以,对一个热水流量计来说,测量不受介质电导率影响是有一定范围的,被测介质电导串既不能太大,也不能太小。随着电子技术的发展,转换器输入阻抗的提高,必将可以降低被测介质电导率的下限。
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