0 引言
電磁流量計(jì)作為流量測量儀表在工業(yè)檢測中占有十分重要的地位，在城市用水、工業(yè)廢水、漿液測量及食品等多方面得到廣泛應(yīng)用。但是高精度的電磁流量計(jì)價(jià)格昂貴，特別是大管徑的，不僅加工困難，而且給安裝、維修帶來很多不便。因此在大管徑管道的流量測量方面用插入式電磁流量計(jì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的管道式流量計(jì)是很有必要的。
1 電磁流量計(jì)的工作原理及特點(diǎn)
電磁流量計(jì)的工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。按照該定律，當(dāng)導(dǎo)電流體流過電磁流量計(jì)磁場時(shí)，在與流速和磁場兩者相垂直的方向就會(huì)產(chǎn)生與平均流速成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由電磁流量計(jì)管壁上的一對(duì)電極檢測到，其值為：
E=K•B •
•D （1）
式中：E 為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，V；
B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；
D 為測量管內(nèi)徑，m；
為平均流速，m/s；
K 為與磁場分布及軸向長度有關(guān)的系數(shù)。
由式（1）可知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E 不受流體的溫度、壓力、密度、電導(dǎo)率（高于某閾值）變化的影響，具有很大的性[1]。
電磁流量計(jì)具有以下特點(diǎn)：
（1）其測量不受流體溫度、壓力、密度、黏度的影響。
（2）流量計(jì)內(nèi)部直通光滑，不對(duì)流體產(chǎn)生阻力，無壓力損失。
（3）直接進(jìn)行電測量，響應(yīng)速度快。
（4）檢測部無運(yùn)動(dòng)部件，不會(huì)發(fā)生滴漏現(xiàn)象。
（5）可以測量正反向流體流量而不損害流量計(jì)。
（6）輸出電壓正比于流量，計(jì)量精度高。
（7）內(nèi)襯可采用聚四氟乙烯塑料和氧化鋁陶瓷，具有很強(qiáng)的抗腐蝕性，可以測量強(qiáng)酸強(qiáng)堿等流體。
（8）量程比寬[2]。
插入式電磁流量計(jì)的工作原理實(shí)際上同管道式是一樣的，只是公式中的D指兩電極之間的距離，但不再是測量管道的直徑了。
相對(duì)管道式電磁流量計(jì)來說，插入式電磁流量計(jì)有如下特點(diǎn)：
（1）傳感器（探頭）直接插入被測管道，具有體積小、安裝方便、投資少等優(yōu)點(diǎn)。
（2）傳感器插入深度僅為管道直徑的10% ~12.5%，無壓損，特別適用于大口徑管道中的流量測量，有的性能價(jià)格比。
（3）精度較低，一般為±1% ~2%。但是采取一定的措施后，有可能提高精度，從而降低成本，替代管道式。
2 插入式電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
現(xiàn)在某些插入式電磁流量計(jì)，雖然也是將線圈和電極都納入一個(gè)探頭中，但是探頭體積較大，以至于兩個(gè)探頭就可產(chǎn)生布滿整個(gè)管道的磁場，（一般插入式電磁流量計(jì)往往只在電極周圍產(chǎn)生一個(gè)局部磁場）。因此對(duì)于特大管徑的電磁流量計(jì)來說，此種插入式和傳統(tǒng)的管道式在成本和加工難易程度方面都改善不了多少，實(shí)際上這種插入式結(jié)構(gòu)不適合特大口徑的電磁流量計(jì)。因此將設(shè)計(jì)定位在一般性的（探頭體積較小）、能夠應(yīng)用于特大口徑的插入式結(jié)構(gòu)。
與管道式電磁流量計(jì)相比，插入式所產(chǎn)生磁場的線圈要小得多，插入式的難點(diǎn)之一在于探頭內(nèi)部的線圈怎樣才能在電極周圍產(chǎn)生均勻磁場。
為達(dá)此目的，采取了以下措施：（1）將線圈設(shè)計(jì)成扁平型，使得線圈形狀與工作區(qū)形狀達(dá)到的吻合，同時(shí)可以減少探頭的用材和重量。（2）線圈內(nèi)放置鐵芯，線圈外圍和頂上（非電極工作面一端）加上磁軛（緊貼線圈）來增強(qiáng)磁場。（3）在保證強(qiáng)度的情況下，探頭殼體的壁面盡量做薄，使得電線極工作面盡可能地和線圈接近。線圈電磁鐵結(jié)構(gòu)見圖2，兩工作電極置于線圈中。
用簡化的圓柱型模來替代設(shè)計(jì)的扁平型進(jìn)行磁場仿真，在兩電極連線上的磁場強(qiáng)度曲線如圖3所示，可見其磁場效果，不管是強(qiáng)度還是均勻度都比一般的螺線管要好很多。而實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明扁平型結(jié)構(gòu)電磁鐵所產(chǎn)生的磁場大約為圓柱型的2倍，而且在工作區(qū)域也有一定的均勻度。可見，該電磁鐵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是能夠滿足要求的。
插入式電磁流量計(jì)的難點(diǎn)之二在于插入式的探頭對(duì)管道中的流場有一定的影響，探頭背部可能會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)，從而影響測量的重復(fù)性[3]。
3 二次儀表軟硬件
為了簡化軟件和保證檢測電路的快速響應(yīng)，前端信號(hào)處理部分采用硬件電路的模擬處理方法。與管道式相比，插入式的由于信號(hào)更加微弱，所以電路放大倍數(shù)要求更大，抗干擾能力要求更高，應(yīng)該采用共模抑制比性能更好的運(yùn)放。在前置放大級(jí)上，采用零點(diǎn)隔離法，通過電容耦合來隔離零點(diǎn)漂移干擾。采用反饋，做到零點(diǎn)自動(dòng)檢測。該電路采用MSP430芯片作為微控制器，為低功耗的實(shí)現(xiàn)提供可能。
所設(shè)計(jì)的二次表頭軟件部分的智能化模塊立足于插人式電磁流量計(jì)，但并不局限于插人式電磁流量計(jì)，而是拓展開來適合所有的電磁流量計(jì)，基本上實(shí)現(xiàn)了智能電磁流量計(jì)的一般功能：具有良好的界面顯示、多種功能參數(shù)輸入、多種控制信號(hào)輸出及網(wǎng)絡(luò)通信功能，同時(shí)還具有零點(diǎn)檢測、故障診斷、參數(shù)保護(hù)等功能。其原理框圖如圖4所示。
4 試驗(yàn)結(jié)果
最后，用水流量標(biāo)定裝置進(jìn)行了5個(gè)流量點(diǎn)的標(biāo)定，各特性曲線如圖5所示。
5 結(jié)論
為設(shè)計(jì)插入式電磁流量計(jì)，首行了電磁鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過采用的線圈電磁鐵結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了滿足要求的磁場。所研制的樣機(jī)能較準(zhǔn)確地測出實(shí)際流量，示值誤差為1.59%。但重復(fù)性有待進(jìn)一步提高。
參考文獻(xiàn)：
[1] 范紅衛(wèi)，江增延，黃良榮.電磁流量計(jì)在工程中的應(yīng)用[J].礦冶，2001，10（3）：78- 81
[2] 戴忠明，郝瑞云.電磁流量計(jì)的應(yīng)用與發(fā)展[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2003，13（8）：121
[3] J.F.Dougla，J.M.Gasiorek，等著，湯全明譯.流體力學(xué)[M].高等教育出版社，1992.
會(huì)員1.png)