流量計的應用問題

1.電磁流量計的基本原理

(一)測量原理

根據法拉第電磁感應定律，當一導體在磁場中運動切割磁力線時，在導體的兩端即產生感生電勢e，其方向由右手定則確定，其大小與磁場的磁感應強度B，導體在磁場內的長度L及導體的運動速度u成正比，如果B， L，u三者互相垂直，則

e＝Blu (3－35)

與此相仿．在磁感應強度為B的均勻磁場中，垂直于磁場方向放一個內徑為D的不導磁管道，當導電液體在管道中以流速u流動時，導電流體就切割磁力線．如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極(圖3—17)則可以證明，只要管道內流速分布為軸對稱分布，兩電極之間也特產生感生電動勢：

e＝BD (3－36)

式中， 為管道截面上的平均流速．由此可得管道的體積流量為：

qv＝πDUˉ ＝ （3－37）

由上式可見，體積流量qv與感應電動勢e和測量管內徑D成線性關系，與磁場的磁感應強度B成反比，與其它物理參數無關．這就是電磁流量計的測量原理．

需要說明的是，要使式（3—37）嚴格成立，必須使測量條件滿足下列假定：

①磁場是均勻分布的恒定磁場；

②被測流體的流速軸對稱分布；

③被測液體是非磁性的；

④被測液體的電導率均勻且各向同性。

圖3－17 電磁流量計原理簡圖

1－磁極；2－電極；3－管道

(二)勵磁方式

勵磁方式即產生磁場的方式．由前述可知，為使式(3—37)嚴格成立，*個必須滿足的條件就是要有一個均勻恒定的磁場．為此，就需要選擇一種合適的勵磁方式。目前，一般有三種勵碰方式，即直流勵磁、交流勵磁和低頻方波勵磁．現分別予以介紹．

1．直流勵磁

直流勵磁方式用直流電產生磁場或采用*磁鐵，它能產生一個恒定的均勻磁場．這種直流勵磁變送器的zui大優點是受交流電磁場干擾影響很小，因而可以忽略液體中的自感現象的影響．但是，使用直流磁場易使通過測量管道的電解質液體被極化，即電解質在電場中被電解，產生正負離子．在電場力的作用下，負離子跑向正極，正離子跑向負極．如圖3—18所示．這樣，將導致正負電極分別被相反極性的離子所包圍，嚴重影響儀表的正常工作．所以，直流勵磁一般只用于測量非電解質液體，如液態金屬等．

圖3－18 直流勵磁方式

2．交流勵磁

目前，工業上使用的電磁流量計，大都采用工頻(50Hz)電源交流勵磁方式，即它的磁場是由正弦交變電流產生的，所以產生的磁場也是一個交變磁場．交變磁場變送器的主要優點是消除了電極表面的極化于擾．另外，由于磁場是交變的，所以輸出信號也是交變信號，放大和轉換低電平的交流信號要比直流信號容易得多．

如果交流磁場的磁感應強度為

B＝Bm sin t （3－38）

則電極上產生的感生電動勢為

e＝Bm D sin t （3－39）

被測體積流量為

qv= D （3－40）

式中 Bm――磁場磁感應強度的zui大值；

――勵磁電流的角頻率， ＝2 f；

t――時間；

f――電源頻率．

由式(3－40)可知，當測量管內徑D不變，磁感應強度Bm為一定值時，兩電極上輸出的感生電動勢e與流量qv成正比．這就是交流磁場電磁流量變送器的基本工作原理．

值得注意的是，用交流磁場會帶來一系列的電磁干擾問題．例如正交干擾．同相干擾等，這些干擾信號與有用的流量信號混雜在一起．因此，如何正確區分流量信號與干擾信號，并如何有效地抑制和排除各種干擾信號，就成為交流勵磁電磁流量計研制的重要課題。

3．低頻方波勵磁

直流勵磁方式和交流勵滋方式各有優缺點，為了充分發揮它們的優點，盡量避免它們的缺點，70年代以來，人們開始采用低頻方波勵磁方式．它的勵磁電流波形如所示，其頻率通常為工頻的1／4－l／10．

方波勵磁電流波形

在半個周期內，磁場是恒穩的直流磁場，它具有直流勵磁的特點，受電磁干擾影響很小．從整個時間過程看，方波信號又是一個交變的信號，所以它能克服直流勵滋易產生的極化現象．因此，低頻方波勵磁是一種比較好的勵磁方式，目前已在電磁流量計上廣泛的應用．概括一下，它具有如下幾個優點：
①能避免交流磁場的正交電磁干擾；
②消除由分布電容引起的工頻干擾；
③抑制交流磁場在管壁和流體內部引起的電渦流；
④排除直流勵磁的極化現象．
參考資料:

2.標準孔板:
是測量流量的差壓發生裝置，配合各種差壓計或差壓變送器可測量管道中各種流體的流量。孔板流量計節流裝置包括環室孔板，噴嘴等。智能節流裝置（孔板流量計）是集流量、溫度、壓力檢測功能于一體，并能進行溫度、壓力自動補償的新一代流量計，該孔板流量計采用先進的微機技術與微功耗新技術，功能強，結構緊湊，操作簡單，使用方便。孔板流量計節流裝置與差壓變送器配套使用，可測量液體、蒸汽、氣體的流量，孔板流量計廣泛應用于石油、化工、冶金、電力、輕工等部門。


3.渦街流量計原理:
在流體中設置三角柱型旋渦發生體，則從旋渦發生體兩側交替地產生有規則的旋渦，這種旋渦稱為卡門旋渦，如右圖所示，旋渦列在旋渦發生體下游非對稱地排列。
設旋渦的發生頻率為f，被測介質平均流速為 ，旋渦發生體迎流面寬度為d，表體通徑為D，即可得到以下關系式： f=SrU1/d=SrU/md （1）
式中 U1--旋渦發生體兩側平均流速，m/s；
Sr--斯特勞哈爾數；
m--旋渦發生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比
管道內體積流量qv為
qv=πD2U/4=πD2mdf/4Sr (2)
K=f/qv=[πD2md/4Sr]-1 (3)
式中 K--流量計的儀表系數，脈沖數/m3（P/m3）。
K除與旋渦發生體、管道的幾何尺寸有關外，還與斯特勞哈爾數有關。斯特勞哈爾數為無量綱參數，它與旋渦發生體形狀及雷諾數有關，圖2所示為圓柱狀旋渦發生體的斯特勞哈爾數與管道雷諾數的關系圖。由圖可見，在ReD=2×104～7×106范圍內，Sr可視為常數，這是儀表正常工作范圍。當測量氣體流量時，VSF的流量計算式為
斯特勞哈爾數與雷諾數關系曲線式中 qVn，qV--分別為標準狀態下（0oC或20oC，101.325kPa）和工況下的體積流量，m3/h；
Pn，P--分別為標準狀態下和工況下的壓力，Pa；
Tn，T--分別為標準狀態下和工況下的熱力學溫度，K；
Zn，Z--分別為標準狀態下和工況下氣體壓縮系數。
由上式可見，VSF輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響，即儀表系數在一定雷諾數范圍內僅與旋渦發生體及管道的形狀尺寸等有關。但是作為流量計在物料平衡及能源計量中需檢測質量流量，這時流量計的輸出信號應同時監測體積流量和流體密度，流體物性和組分對流量計量還是有直接影響的。 渦街流量計便是依據卡門旋渦原理進行封閉管道流體流量測量的新型流量計。因其具有良好的介質適應能力，無需溫度壓力補償即可直接測量蒸汽、空氣、氣體、水、液體的工況體積流量，配備溫度、壓力傳感器可測量標況體積流量和質量流量，是節流式流量計的理想替代產品。
為提高渦街流量計的耐高溫及抗振動性能，我公司新近開發出了HLUG改進型渦街流量傳感器，因其*的結構和選材使該傳感器可在高溫（350℃）、強振動（≤1g）的惡劣工況下使用。