流场、磁场及介质电导率对电磁流量计测量的影响分析

    只要管内流速为轴对称分布，则电极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电磁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．因为电极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极的几何位置不同，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．越靠近电极的质点对电动势e的贡献越大．也就是说，电极附近的感生电动势较大，与两电极平面成90°的地方的流体产生的感生电势就小．所以，如果电极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，电极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．电极A和B在磁场中部。则从图中可见：磁场的中间部分，即电极附近大致是均匀的，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，在电极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，电极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，电极A和B之间的感生电动势用e_AB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＝                             （3－47）
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极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，这样才可以使电极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，并导致电极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，对电磁流量计来说，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极高的液态金属时，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，便它相对于电极轴不对称．
    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R_M＝  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R_M值不大，并且磁场边缘离电极不太近的情况下，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R_M值很大，而且磁场边缘离电极又比较近的，则由于工作磁场的畸变将给测量造成严重的影响。所以，电磁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，电磁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极连通的，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，对一个电磁流量计来说，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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