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电磁流量计励磁线圈的形状


    励磁系统由励磁线圈和导磁的铁芯组成。从物理学的知识知道,通电线圈周围产生磁场,磁场的大小与线圈的匝数、通电电流的大小有关。为了减小磁阻和漏磁,磁路中使用导磁性能好的铁磁材料以减小空气隙长度和磁阻,改变磁通的分布,获得所需要的工作磁场,这就是铁芯(磁扼)的作用。
    上面曾提到,电磁流量计有均匀分布磁场和权重分布磁场之分,而测量管内的磁感应强度的分布是由励磁线圈的形状和尺寸决定的,下面分别叙述。
1.均匀磁场传感器的励磁线圈  
(1)集中绕组
    第二章曾讨论到当传感器磁场有效长度在侧量管直径的2.8一3倍以上时,测量管电极附近一段距离内的磁场分布是均匀的。所以,均匀磁场的线圈应该是长方形的。如图3一9所示,长方形线圈的长边安装在与测量管中心轴平行的位置、测量管内磁感应强度(磁通密度)大小主要决定于线圈的两条长边通电产生磁力线的密度,线圈的两条短边周围的磁力线多形成漏磁通,较小地影响测量管电极测量部位的磁感应强度。我们讨论的均匀磁场正是指与测量管中心轴垂直、靠电极附近的磁场分布。线圈的长边磁通决定磁感应强度大小的假设,可以通过比奥一萨伐定律给予解释。

电磁流量计
图3一9(a), (b)的线圈结构被称为集中绕组结构。


图3 -9(a)是变压器铁芯型绕组。它的结构犹如两个“E'’字型的变压器铁芯相连而成,测量管安装在两个磁极之间,磁极的宽度大于测量管的直径。因此,保证了电极附近区域的磁感应强度是均匀分布的。插人线圈的“E"型铁芯中间舌部形成的磁极,上下磁极紧贴测量管,空气隙较短.磁感应强度也较强,在一定流速下获得的信号比较大。由于结构和制造的问题.变压器型结构仅使用于小口径传感器。
    图3一9(b)是磁扼式集中绕组型。这种结构的励磁线圈是在测量管的上、下各安装一只无骨架的马鞍形线圈,线圈的外侧采用多层电工硅钢片制成磁扼代替“E”型铁芯,并且在线圈中间部分平行安装两块导磁体作为磁极,产生的磁场比较均匀,这种励磁结构比较适合于中小口径的传感器。
(2)分段绕组
    磁扼式分段绕组型的结构是把励磁线圈分成若干个小线圈,然后把它们串联一起,安装在测最管上、下侧,外面用电工硅钢片制成的半圆形磁扼,把线圈紧箍在测量管上。所以,这种形式的励磁结构紧凑,适合中、大口径传感器。

电磁流量计


    因为用两个平面的磁极,保证测量管处于等长的空气隙长度.得到相同的磁感应强度。所以,变压器铁芯结构和磁扼式集中绕组结构的磁场分布均匀。磁扼式分段绕组的空气隙长度,如图3-10所示,L的长是圆内平行于y轴直径的无数条弦长,这些弦长是不相等的。也就是说,磁扼式分段绕组的空气隙长度是不相等的。安培环路定律告诉我们.测量管内磁场大小和通电线圈电流与匝数的乘积成正比,与空气隙长度成反比。串联线圈的电流是相等的。当线圈的匝数按余弦规律分布时。靠近电极处空气隙长度最短,影响该处磁场强度是其周围线圈产生的磁力线;离开电极,尽管靠近测量管中心(y轴)处的空气隙长度最长。但该处的磁场强度会受整个线圈磁力线的影响。从效果看,空气隙长度长的地方,线圈的匝数多;空气隙长度短的地方,线圈匝数少,总是维持不同地方的磁通密度相同,使得处于测量管内的磁场强度呈均匀分布状态。下面用磁路分析给予说明。考虑到测量管直径较大,也就是空气隙较长,通常用远大于空气磁导率的电工硅钢片制成的磁扼。其磁压降可以忽路不计

电磁流量计

   
式(3-5)说明:在Y轴的方向不同位置的磁感应强度B与线圈的安匝数成正比,与直径成反比。也就是说,测量管内x轴方向的磁场是均匀的。实际线圈绕制时,按余弦分布的规律绕制比较困难,于是就采用按余弦分布的分段绕组形式,近似地达到均匀磁场的要求。一般将励磁线圈分成五段,各段线圈的间隔为15º (见图3-11)。

电磁流量计


2权重转换磁场传感器的励磁线圈
(1)短矩形、鞍状线圈

电磁流量计


    第二章曾经讨论过“权重转换磁场”流量计,它应满足在电极截面x、y轴坐标内,W·B=常数 的磁场分布规律。为此,除了在电极形状与结构上设法满足这一条件外,可以从励磁线圈的形状上设法达到这一要求。于是,就出现了菱形、鞍状线圈、圆筒形线圈、方形平面线圈以及短矩形、鞍状线圈等。权重函数W的分布规律是:在电极附近大(电极处为无穷大);电极断面的中心W=1;最小为紧贴线圈的部位W=0.5。根据W·B=常数的要求,如果电极断面中心的磁感应强度为B,那么,要求电极处的磁感应强度为零,紧贴线圈的部位磁感应强度最大。图3一12所示为短矩形、鞍状线圈,线圈长为a。文献[2〕分析表明,一般a≈0.6D, D为测量管直径。电极断面在马鞍状线圈下磁场最长的空气隙是中心轴,慢慢地到电极处空气隙长度接近于零。线圈圆弧是120 º,线圈的短边投影到x轴的距离为原点至0.866 R处。尽管该处的空气隙长度短,但是这里的磁力线只有上、下线圈的两个短边通电所提供,因此磁感应强度比较低。虽然y轴线的空气隙最长,由于两个通电线圈的八个边产生的磁力线都向这里集中,所以磁感应强度比较大。离开x轴中心点的地方,通电线圈的八个边的投影距离变长,即气隙长度加大。与中心点相比,总的磁通量将减小,磁感应强度相对降低。y轴紧贴线圈的地方,通电线圈的四个边距这里的距离最近,磁感应强度最大。这样,短矩形鞍状的励磁线圈能够近似地获得权重分布磁场。尽管这种解释磁场强度分布非常近似与粗糙,但是可以看到有符合W·B=常数要求的趋势。短矩形、鞍状励磁线圈适用于中等口径和大口径传感器。   
(2)菱形、鞍状线圈

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    菱形、鞍状线圈如图3一13所示。菱形、鞍状线圈励磁形成的权重分布磁场,同样可以用比奥一萨伐定律和短矩形鞍状的励磁线圈的方法分析。
(3)圆筒形励磁线圈

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    如图3一14所示,通电圆筒形励磁线圈产生的磁力线通过铁芯能够在电极截面的一定区域获得权重分布磁场,这种圆筒形线圈的结构被用于小口径传感器。

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