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电磁流量计权重函数的实际应用

电磁流量计权重函数的实际应用
    权重函数是对电磁流量计信号静电场分布的数学解析提出来的。它的存在使我们能够从理论上认识电极间感应的流量信号的本质,通过权重函数能够把电磁场和流速紧密地联系起来。因此,研究权重函数不仅仅是为了认识它,更重要的是掌握它,应用它。
    根据前面阐明的结论,任意一点流体微元流经测量管内某一点p(x, y,z)时,产生的感应电势不仅与该点的流速及该点的磁场成正比,而且与该点的权重函数Wy成正比。对于长筒型磁场均匀的流量传感器,当流速为轴对称分布时,因权重函数所起的作用正好等效为1,权重函数W对测量管截面产生的感应电势不起作用,见图2一10(a)。

电磁流量计

图2一10各部分平均权重函数

当流速为非对称分布时,由于权重函数所起的作用不能等效于1,则会带来测量误差。我们把图2一5的权重函数分成图2一10(b)那样的四个扇形,每个扇形的权重函数的平均值列于其中。可以看到,尽管流量不变,当流体集中在电极附近的扇形截面S1或S3通过时,由于电极附近的W值大.因而产生的感应电势大.造成+ 30%的误差;如图图2一10各部分平均权重函数2一10(b)所示,当流体集中在电极附近的扇形截面S2或S4通过时,由于电极附近的W小,因而产生的感应电势小,造成一30%的误差。如图2- 10(c)所示,假如扇形面以x轴和Y轴分割,每个扇形面积内的权重函数的平均值均等于I。这就是说,当电极断面内权重函数W=1,电极上的感应信号符合公式2-2。利用这一点,当在电磁流量传感器的进口端安装闸阀、旋塞阀或弯头时,且流经阀、弯头后的流速在电极轴线与管中心轴成45°角.直管段长度不足因素带来的误差较小(参阅第六章)。
    对权重函数研究可看出,在工作磁场的有效区域内,测量管中电位积分产生的两电极间流量信号受流速分布的影响,并不像其他流速式流量仪表对流速分布那么敏感。这就是电磁流量计比其他如涡轮式、涡街式、超声式、节流装置差压式等流量仪表的优越之处。同时,完全可以应用权重函数的理论来研究解决电磁流量计流速分布非轴对称问题。

电磁流量计

图2一11矩形截面的测量管


    通过简单的数学分析可以证明,在均匀磁场的条件下,应用如图2一I 1的矩形截面的测量管,能够作到侧量输出不受流速分布的影响。图中,矩形截面的测量管的ab和cd边衬有电绝缘的衬里.bc和da边的内壁装有金属板制成的电极。从图中可以看出,测量什内的电力线都平行于电极连线,等势线都垂直于电极连线。所以,各点的权重函数Wy是一个常数。这样,对于均匀磁场WyB=常数,代人式((2一33)得dE=BvWydτ=cvdτ,式中c为常数。由此可见,矩形管道板式电极间的感应电势,与断面的流速积分值成正比.而与断面内的速度分布无关。
    同样,我们可以设想,对圆形管道传感器磁场能够按B = Bo/Wy规律分布(B。为电极所处截面中心处的磁感应强度),即权重函数W值大的地方,设计的磁感应强度B弱一些,W'y小的地方,设计的磁感应强度B强一些,使B ·W=常数C。如图2一12所示,式(2一31)可得 

电磁流量计

图2一12权重分布磁场

电磁流量计


由此可见,在这样的分布规律磁场的圆管道中,点电极间的感应电势与断面的流速积分值成正比,而与断面内的速度分布无关。也就是说,按权重磁场分布规律的传感器,在流体速度改变时,感应电势只与流速积分值成正比,而与速度的分布无关。这就是所谓的“非均匀磁场电磁流最计”的设计思想。

电磁流量计

图2一13权重函数在Y轴上的分布

    所讨论的“非均匀磁场”满足Wy·B=常数的分布规律是在电极截面X" Y轴坐标范围内。为了获得这样磁场的非均匀分布,对z轴的磁场均匀分布要求变得无意义了。图2一13是“非均匀磁场”条件下管轴Z方向上Wy的分布情况。从图中可知,Wy随着离开电极所在截面的距离(z)增大而迅速衰减,当距离z>0.25D(D是管道直径)时,Wy实际上达到零。这说明在离电极平面较远处的管内空间,流体产生的感应电势对电极间的输出信号基本上没有什么贡献。因此,.非均匀磁场”的传感器长度可以缩短,从而使整个传感器的尺寸和体积大大缩小,重量也大大减轻。
    前面分析过,权重函数与流体微元的位置有关,与电极形状、大小有关。我们也可以通过弧形板状电极来改善权重函数的分布。图2一14是弧形板状电极结构形式传感器的权重函数分布图,图2一15是采用四个点电极结构形式传感器的权重函数分布(由于对称,图中只画处直角坐标的一个象限)。

电磁流量计

图2一14弧形板状电极的权重函数分布

电磁流量计

图2一15 四电极权重函数


    有了权重函数理论,可以指导设计出不受流速分布影响.或者受流速分布影响较小的电磁流量传感器结构,最大限度地发挥电磁流量计对流速分布不敏感这一优点。当然,利用权重函数的理论,也可以开发电磁流量计新的产品和开拓新的使用领域。非满管电磁流量计的测量原理,就是流体在管道内的不同液面下,图2一14弧形板状电极的权重函数分布依据不同的权重函数产生信号的不同来检测流速和流体截面积,从而测量流量。再臂如,有一种泥水输送的管路堵塞预先报警测量系统,就是根据图2一5所示,量系统,就是根据图2一5所示原理,当泥水输送的固体沉淀发生在y轴的方向(即与电极垂直的方向)与沉淀发生在:轴的方向(即与电极相平行的方向)安装的电磁流量计,相同流量下电极间得到的电势却不一样。按此理论,在同一管路中,安装一台电极呈水平状态的电磁流量计管路和一台电极呈垂直状态的电磁流量计.它们所测量的流量比,与管路中固体沉淀的高度成比例,由此可以用来判断输送管路堵塞与否。

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