磁場(chǎng)及介質(zhì)電導率對硫酸選用流量計測量的影響分析
點(diǎn)擊次數:1660 發(fā)布時(shí)間:2020-08-11 09:16:24
硫酸選用流量計是一種安裝與使用都相當方便簡(jiǎn)單的流量測量?jì)x表,我們在安裝使用過(guò)程中對于硫酸選用流量計要注意以下三點(diǎn):流速分布、磁場(chǎng)邊緣效應以及被測介質(zhì)電導率,對于基于電磁感應原理工作的流量計類(lèi)型,這三個(gè)方面的因素是在其使用過(guò)程中特別重要的。下面小編針對這三方面加以介紹:
(一)流速分布的影響
只要管內流速為軸對稱(chēng)分布,則電*上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢大小與流動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān),不論它是層流還是紊流,僅與流體的平均流速成正比.因此,流速分布為軸對稱(chēng)是硫酸選用流量計必須滿(mǎn)足的工作條件之一.
假如,流速分布相對管中心為非對稱(chēng)時(shí),測量就會(huì )產(chǎn)生誤差.因為電*上得到的感生電動(dòng)勢e是測量管內所有液體共同貢獻的結果,所以每一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)都有貢獻。但由各個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)相對于電*的幾何位置不同,故即使各質(zhì)點(diǎn)速度一樣,它們對電動(dòng)勢e的貢獻也是不同的.越靠近電*的質(zhì)點(diǎn)對電動(dòng)勢e的貢獻越大.也就是說(shuō),電*附近的感生電動(dòng)勢較大,與兩電*平面成90°的地方的流體產(chǎn)生的感生電勢就?。?,如果電*附近的流速非軸對稱(chēng)的偏大,測得的流量信號就比實(shí)際流量值大;反之,電*附近的流速非軸對稱(chēng)的偏小,測得的流量信號也就偏?。虼?,為了消除由于流速分布而產(chǎn)生的測量誤差,在電磁流量變送器的應有一定長(cháng)度的直管段,以保證流速的鈾對稱(chēng)分布.
(二)磁場(chǎng)邊緣效應的影響
由前述的基本假定可知,e=DB 這一基本表達式是在“長(cháng)筒流量計”的模型條件下推得的,即假定沿流體的流動(dòng)方向上磁場(chǎng)始終是均勻的.實(shí)際上,這意味著(zhù)沿管軸方向上的磁場(chǎng)為無(wú)限長(cháng),而實(shí)際流量計的磁場(chǎng)是有限長(cháng)的,所以就必須考慮有限長(cháng)磁場(chǎng)產(chǎn)生的邊緣效應對測量的影響。
1.絕緣管壁
圖3—34為流量計測量管的縱向視圖.設磁場(chǎng)長(cháng)度為2L,測量管半徑為a.電*A和B在磁場(chǎng)中部。則從圖中可見(jiàn):磁場(chǎng)的中間部分,即電*附近大致是均勻的,兩端則逐漸減弱,形成不均勻的磁場(chǎng)邊線(xiàn),段后下降為零.這樣,在電*附近產(chǎn)生的感生電勢較大,兩端則較小,從而造成液體內部電場(chǎng)外有的不均勻而產(chǎn)生渦電流.由渦電流產(chǎn)生的二次磁通,反過(guò)來(lái)又改變磁場(chǎng)邊緣部分的工作磁通,使磁場(chǎng)的均勻性進(jìn)—步遭到破壞。所以,電*上得到的感生電勢與無(wú)限長(cháng)磁場(chǎng)下的感生電動(dòng)勢有差別,使測量信號產(chǎn)生誤差.
圖3-34磁場(chǎng)邊緣效應
設在磁場(chǎng)軸向長(cháng)度為2L時(shí),電*A和B之間的感生電動(dòng)勢用eAB表示,而無(wú)限長(cháng)磁場(chǎng)時(shí)(L→ )的感應電動(dòng)勢為e.用S來(lái)表示它們的比值,即
S=
顯然,我們希望S值越接近于1越好。也就是說(shuō),希望磁場(chǎng)軸向長(cháng)度為有限長(cháng)時(shí)電*上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢盡可能接近于無(wú)限長(cháng)時(shí)的值.若以L(fǎng)/d表示磁場(chǎng)軸向長(cháng)度與管道內徑之比,則根據計算,在測量管是絕緣管壁的條件下,S與L/d的關(guān)系如圖3—35所示.由圖可知,在保證S=0.99的情況下,L/ d的比值范圍大致為L(cháng)/d=2.8—3.04.這就是說(shuō),為了減少磁場(chǎng)地緣的影響,勵磁線(xiàn)圈的長(cháng)度應為測量管內徑的2. 8—3.04倍,這樣才可以使電*上產(chǎn)生電動(dòng)勢接近于無(wú)限長(cháng)磁場(chǎng)時(shí)的值。
圖3-35 S與L / d的關(guān)系
2.導電管壁
圖3-36 導電管壁S與L / a的關(guān)系
圖3-37液態(tài)金屬磁場(chǎng)邊緣效應
如果測量管是導電的,由于導電管壁的短路作用,磁場(chǎng)邊緣效應就會(huì )更加明顯,并導致電*上感生電動(dòng)勢損失的增加.隨著(zhù)管壁導電率和壁厚的變化,這種影響也將隨之改變.若以 表示管壁厚度,K表示管壁電導率,d和 仍然分別表示測量管內半徑和被測液體電導率,則可用L/d和a= 來(lái)表示不同情況下邊緣效應的影響程度,如圖3—36所示.
由圖可知,同樣的L/d值,測量管的電導率越大,管壁越厚,這種影響也就越大,即感生電動(dòng)勢的損失也就越嚴重a=0即相當于管避絕緣的情況(K=0),其結果與圖3-35所示的一樣.所以,對硫酸選用流量計來(lái)說(shuō),測量管壁絕緣是非常必要的.
3.液態(tài)金屬的邊緣效應
如前所述,由于勵磁線(xiàn)圈兩端的磁感應強度B是逐漸減弱的,形成了不均勻的邊緣,使被測介質(zhì)在磁場(chǎng)的邊緣區域內產(chǎn)生渦電流,對測量產(chǎn)生影響.當被測介質(zhì)是電導率*高的液態(tài)金屬時(shí),這個(gè)渦電流的影響就很大。
如圖3-37所示,由磁場(chǎng)邊緣效應產(chǎn)生的渦電流會(huì )引起二次磁通,使工作磁場(chǎng)的邊緣發(fā)生畸變,出于左側邊緣的磁場(chǎng)是逐漸增強的,所以左側的渦電流就企圖去削弱這種增強;而右側的渦電流,由于右側的磁場(chǎng)逐漸減弱,阻止這種削弱.這樣就造成了整個(gè)磁場(chǎng)的畸變,便它相對于電*軸不對稱(chēng).
上述這種效應在值流勵磁的情況下雖有一定影響,但問(wèn)題不大.如果采用交流勵磁的話(huà),隨著(zhù)勵磁電流頻率的增加,這種邊緣效應的影響就比較嚴重.
如果被測介質(zhì)中含有導磁性物質(zhì),例如含有鐵、鉆、鎳之類(lèi)的金屬時(shí),磁場(chǎng)邊緣效應的影響就更加復雜化.在理論上研究這種效應時(shí),常用一個(gè)純數,即磁雷諾數RM= ud來(lái)表征這個(gè)效應影響的大?。渲?, 和 分別是介質(zhì)的磁導率和電導率;u為介質(zhì)流速;d為測量管半徑.研究表明,如果RM值不大,并且磁場(chǎng)邊緣離電*不太近的情況下,即使介質(zhì)中含有微量的導磁性物質(zhì),對測量的影響仍可忽略.相反RM值很大,而且磁場(chǎng)邊緣離電*又比較近的,則由于工作磁場(chǎng)的畸變將給測量造成嚴重的影響。所以,硫酸選用流量計要求被測介質(zhì)非磁性是必要的.另外,對于液態(tài)金屬,一般采用直流勵磁以減少磁場(chǎng)邊緣效應.
(三)被測介質(zhì)電導率的影響
目前,硫酸選用流量計轉換路的輸入阻抗已有所提高,測量導電性液體時(shí),一般不會(huì )因介質(zhì)電導率稍有變化而引起誤差,但對于一定的轉換器輸入阻抗,被測介質(zhì)的電導率有一個(gè)下限值 min,不能低于該下限值.
被測介質(zhì)的電導率太大也是不允許的。例如當電導率超過(guò)10-1(S/cm)左右時(shí),就會(huì )降低流量信號,改變指示值,即指示流量值小于實(shí)際流量值.這是因為在電磁流量變送器中,磁場(chǎng)為有限長(cháng),被測的導電液體只有流過(guò)有限磁場(chǎng)時(shí),才能產(chǎn)生感生電動(dòng)勢e.所以,代表流量信號的感生電動(dòng)勢e是磁場(chǎng)部分的導電液體切割磁力線(xiàn)的結果,磁場(chǎng)兩端以外的導電液體沒(méi)有對e作出任何貢獻.相反,由于它們也是和兩個(gè)電*連通的,故也就構成了一部分外電路。當變送器與轉換器連接在一起時(shí),這部分外電路就與轉換器輸入阻抗相并聯(lián)而成為變送器的負載.當被測介質(zhì)的電導率很大時(shí),外電路的電阻較小,達時(shí)不管轉換器的輸入阻抗有多高,并聯(lián)的結果將取決于這部分液體外電路,從而減小變送器與轉換器之間的傳輸精度。
所以,對一個(gè)硫酸選用流量計來(lái)說(shuō),測量不受介質(zhì)電導率影響是有一定范圍的,被測介質(zhì)電導串既不能太大,也不能太小。隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展,轉換器輸入阻抗的提高,必將可以降低被測介質(zhì)電導率的下限。
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(一)流速分布的影響
只要管內流速為軸對稱(chēng)分布,則電*上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢大小與流動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān),不論它是層流還是紊流,僅與流體的平均流速成正比.因此,流速分布為軸對稱(chēng)是硫酸選用流量計必須滿(mǎn)足的工作條件之一.
假如,流速分布相對管中心為非對稱(chēng)時(shí),測量就會(huì )產(chǎn)生誤差.因為電*上得到的感生電動(dòng)勢e是測量管內所有液體共同貢獻的結果,所以每一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)都有貢獻。但由各個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)相對于電*的幾何位置不同,故即使各質(zhì)點(diǎn)速度一樣,它們對電動(dòng)勢e的貢獻也是不同的.越靠近電*的質(zhì)點(diǎn)對電動(dòng)勢e的貢獻越大.也就是說(shuō),電*附近的感生電動(dòng)勢較大,與兩電*平面成90°的地方的流體產(chǎn)生的感生電勢就?。?,如果電*附近的流速非軸對稱(chēng)的偏大,測得的流量信號就比實(shí)際流量值大;反之,電*附近的流速非軸對稱(chēng)的偏小,測得的流量信號也就偏?。虼?,為了消除由于流速分布而產(chǎn)生的測量誤差,在電磁流量變送器的應有一定長(cháng)度的直管段,以保證流速的鈾對稱(chēng)分布.
(二)磁場(chǎng)邊緣效應的影響
由前述的基本假定可知,e=DB 這一基本表達式是在“長(cháng)筒流量計”的模型條件下推得的,即假定沿流體的流動(dòng)方向上磁場(chǎng)始終是均勻的.實(shí)際上,這意味著(zhù)沿管軸方向上的磁場(chǎng)為無(wú)限長(cháng),而實(shí)際流量計的磁場(chǎng)是有限長(cháng)的,所以就必須考慮有限長(cháng)磁場(chǎng)產(chǎn)生的邊緣效應對測量的影響。
1.絕緣管壁
圖3—34為流量計測量管的縱向視圖.設磁場(chǎng)長(cháng)度為2L,測量管半徑為a.電*A和B在磁場(chǎng)中部。則從圖中可見(jiàn):磁場(chǎng)的中間部分,即電*附近大致是均勻的,兩端則逐漸減弱,形成不均勻的磁場(chǎng)邊線(xiàn),段后下降為零.這樣,在電*附近產(chǎn)生的感生電勢較大,兩端則較小,從而造成液體內部電場(chǎng)外有的不均勻而產(chǎn)生渦電流.由渦電流產(chǎn)生的二次磁通,反過(guò)來(lái)又改變磁場(chǎng)邊緣部分的工作磁通,使磁場(chǎng)的均勻性進(jìn)—步遭到破壞。所以,電*上得到的感生電勢與無(wú)限長(cháng)磁場(chǎng)下的感生電動(dòng)勢有差別,使測量信號產(chǎn)生誤差.
圖3-34磁場(chǎng)邊緣效應
設在磁場(chǎng)軸向長(cháng)度為2L時(shí),電*A和B之間的感生電動(dòng)勢用eAB表示,而無(wú)限長(cháng)磁場(chǎng)時(shí)(L→ )的感應電動(dòng)勢為e.用S來(lái)表示它們的比值,即
S=
顯然,我們希望S值越接近于1越好。也就是說(shuō),希望磁場(chǎng)軸向長(cháng)度為有限長(cháng)時(shí)電*上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢盡可能接近于無(wú)限長(cháng)時(shí)的值.若以L(fǎng)/d表示磁場(chǎng)軸向長(cháng)度與管道內徑之比,則根據計算,在測量管是絕緣管壁的條件下,S與L/d的關(guān)系如圖3—35所示.由圖可知,在保證S=0.99的情況下,L/ d的比值范圍大致為L(cháng)/d=2.8—3.04.這就是說(shuō),為了減少磁場(chǎng)地緣的影響,勵磁線(xiàn)圈的長(cháng)度應為測量管內徑的2. 8—3.04倍,這樣才可以使電*上產(chǎn)生電動(dòng)勢接近于無(wú)限長(cháng)磁場(chǎng)時(shí)的值。
圖3-35 S與L / d的關(guān)系
2.導電管壁
圖3-36 導電管壁S與L / a的關(guān)系
圖3-37液態(tài)金屬磁場(chǎng)邊緣效應
如果測量管是導電的,由于導電管壁的短路作用,磁場(chǎng)邊緣效應就會(huì )更加明顯,并導致電*上感生電動(dòng)勢損失的增加.隨著(zhù)管壁導電率和壁厚的變化,這種影響也將隨之改變.若以 表示管壁厚度,K表示管壁電導率,d和 仍然分別表示測量管內半徑和被測液體電導率,則可用L/d和a= 來(lái)表示不同情況下邊緣效應的影響程度,如圖3—36所示.
由圖可知,同樣的L/d值,測量管的電導率越大,管壁越厚,這種影響也就越大,即感生電動(dòng)勢的損失也就越嚴重a=0即相當于管避絕緣的情況(K=0),其結果與圖3-35所示的一樣.所以,對硫酸選用流量計來(lái)說(shuō),測量管壁絕緣是非常必要的.
3.液態(tài)金屬的邊緣效應
如前所述,由于勵磁線(xiàn)圈兩端的磁感應強度B是逐漸減弱的,形成了不均勻的邊緣,使被測介質(zhì)在磁場(chǎng)的邊緣區域內產(chǎn)生渦電流,對測量產(chǎn)生影響.當被測介質(zhì)是電導率*高的液態(tài)金屬時(shí),這個(gè)渦電流的影響就很大。
如圖3-37所示,由磁場(chǎng)邊緣效應產(chǎn)生的渦電流會(huì )引起二次磁通,使工作磁場(chǎng)的邊緣發(fā)生畸變,出于左側邊緣的磁場(chǎng)是逐漸增強的,所以左側的渦電流就企圖去削弱這種增強;而右側的渦電流,由于右側的磁場(chǎng)逐漸減弱,阻止這種削弱.這樣就造成了整個(gè)磁場(chǎng)的畸變,便它相對于電*軸不對稱(chēng).
上述這種效應在值流勵磁的情況下雖有一定影響,但問(wèn)題不大.如果采用交流勵磁的話(huà),隨著(zhù)勵磁電流頻率的增加,這種邊緣效應的影響就比較嚴重.
如果被測介質(zhì)中含有導磁性物質(zhì),例如含有鐵、鉆、鎳之類(lèi)的金屬時(shí),磁場(chǎng)邊緣效應的影響就更加復雜化.在理論上研究這種效應時(shí),常用一個(gè)純數,即磁雷諾數RM= ud來(lái)表征這個(gè)效應影響的大?。渲?, 和 分別是介質(zhì)的磁導率和電導率;u為介質(zhì)流速;d為測量管半徑.研究表明,如果RM值不大,并且磁場(chǎng)邊緣離電*不太近的情況下,即使介質(zhì)中含有微量的導磁性物質(zhì),對測量的影響仍可忽略.相反RM值很大,而且磁場(chǎng)邊緣離電*又比較近的,則由于工作磁場(chǎng)的畸變將給測量造成嚴重的影響。所以,硫酸選用流量計要求被測介質(zhì)非磁性是必要的.另外,對于液態(tài)金屬,一般采用直流勵磁以減少磁場(chǎng)邊緣效應.
(三)被測介質(zhì)電導率的影響
目前,硫酸選用流量計轉換路的輸入阻抗已有所提高,測量導電性液體時(shí),一般不會(huì )因介質(zhì)電導率稍有變化而引起誤差,但對于一定的轉換器輸入阻抗,被測介質(zhì)的電導率有一個(gè)下限值 min,不能低于該下限值.
被測介質(zhì)的電導率太大也是不允許的。例如當電導率超過(guò)10-1(S/cm)左右時(shí),就會(huì )降低流量信號,改變指示值,即指示流量值小于實(shí)際流量值.這是因為在電磁流量變送器中,磁場(chǎng)為有限長(cháng),被測的導電液體只有流過(guò)有限磁場(chǎng)時(shí),才能產(chǎn)生感生電動(dòng)勢e.所以,代表流量信號的感生電動(dòng)勢e是磁場(chǎng)部分的導電液體切割磁力線(xiàn)的結果,磁場(chǎng)兩端以外的導電液體沒(méi)有對e作出任何貢獻.相反,由于它們也是和兩個(gè)電*連通的,故也就構成了一部分外電路。當變送器與轉換器連接在一起時(shí),這部分外電路就與轉換器輸入阻抗相并聯(lián)而成為變送器的負載.當被測介質(zhì)的電導率很大時(shí),外電路的電阻較小,達時(shí)不管轉換器的輸入阻抗有多高,并聯(lián)的結果將取決于這部分液體外電路,從而減小變送器與轉換器之間的傳輸精度。
所以,對一個(gè)硫酸選用流量計來(lái)說(shuō),測量不受介質(zhì)電導率影響是有一定范圍的,被測介質(zhì)電導串既不能太大,也不能太小。隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展,轉換器輸入阻抗的提高,必將可以降低被測介質(zhì)電導率的下限。