摘要本文对插入式电磁流量计靠近管道壁面时的工作磁场分布情况进行了计算。分别对磁性壁面和非磁性壁面情况进行了比较,说明磁性管道壁面对流量测量结果的影响。同时,给出了一种修正的方法和有关的修正曲线。
一、引言
流动的电磁感应的工作原理是当导电流体(如水)流经由仪表传感器的工作磁场时,由于切割磁力线会产生感应电动势。利用适当的电极检出这一信号即可测得流体的流速或流量。常规的电磁流量计是管道式的。另一种形式是插入式的,它实际上是测量插杆探头处的流速,称为电磁流速仪或插入式电磁流量计,该种仪表除作为测速外;还可以用于大管道的流量测量。此时,它不但可在线装拆,而且在价格上也较便宜,是一种很有竞争力的流量仪表。
电磁流速仪自1917年美国人申请专利lj[以来,已受到人们的广泛注意和研究,其中包括利用它测量管道中流体的流量。但考虑了管壁影响的插入式电磁流量计三维理论模型,却在近年才建立。ZhangX.Z和HempJ.在建立了理论模型2j[、3j[之后,提出了值得注意的问题,即当探头靠近管道的壁面时,其测量结果将因管壁的电或磁性质不同而产生误差。本文将在此基础上,进一步研究某种设计的插入式电磁流量计工作磁场在探头靠近管壁时的详细分布,并提出一种可用于修正由于磁场受干扰引起测量误差的方法。
二、插人式电磁流量计工作磁场的求解
图1中,插入式电磁流量计探头的端部装有一对电极,内部装有一励磁线圈,在它的周围产生工作磁场。为研究磁场的详细分布状况,先考虑单匝线图。设其半径为al,装在离端部Z。处,流过的电流为I,流体中的磁介质常数为产。采用矢量势的表示法有:
其中A,如式(9)或式(10),Z。是螺线管的长度,rl为它的内半径,r:为外半径。
如图1所示的插入式电磁流量计,当考虑来流速度为X方向,电极安装在探头端部沿y方向,则对信号作贡献的磁场主要是Z方向。为此,我们计算了磁性和非磁性壁面下工作磁场BZ分量的分布情况见图3和图4(因对称只给出一半空间）。
三、讨论
从图3、4可看到,靠近电磁流量计的壁面分别为磁性和非磁性时,工作磁场的分布差异明显。对非磁性壁面,其分布相当于探头在无限大均匀介质当中;而当壁面是磁性时,由于探头内线圈产生的磁场引起壁面的磁化,加强了探头附近的磁感强度,相当于线圈与它对壁面的像共同产生的磁场。由于这一变化,使探头的测量产生误差。文献「2]指出,只有当探头的端部与壁面的距离大于4倍的插杆半径时,壁面对测量读数产生的误差才可能小于1%。
一种修正磁性壁面引起测量误差的方法是在探头的适当位置装一霍尔磁场传感器�？悸堑较呷Φ那懊娼艚拥缂�,霍尔元件可装在线圈后面与电极形成对称的位置上(参见图1)。此时,由霍尔元件测得的磁场强度一般不等于电极处的值。为此,图5计算出当探头接近磁性壁面时,霍尔元件上所测的磁感强度与电极处磁感强度之比。利用单片机可以进行修正。而对于非磁性壁面,这一比值恒为1。图中Bl/B:为霍尔元件测得磁感应与电极处磁感应之比,Lla为探头与壁面距离与探头半径之比。
四、小结
本文研究了插入式电磁流量计工作磁场的求解。给出了当流量计探头靠近磁性和非磁性壁面时工作磁场的不同分布。进而提出的修正磁性壁面引起测量误差的方法,可通过由霍尔元件测得磁感强度和计算的修正曲线对测量结果进行修正。
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