0 引言

      電磁流量計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價格昂貴，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代替?zhèn)鹘y(tǒng)的管道式流量計是很有必要的。

      1 電磁流量計的工作原理及特點

      電磁流量計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磁場時，在與流速和磁場兩者相垂直的方向就會產(chǎn)生與平均流速成正比的感應(yīng)電動勢。該感應(yīng)電動勢由電磁流量計管壁上的一對電極檢測到，其值為：

      E=K•B •

      式中：E 為感應(yīng)電動勢，V；
               B 為磁感應(yīng)強度，T；
               D 為測量管內(nèi)徑，m；
              

      由式（1）可知，感應(yīng)電動勢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，具有很大的優(yōu)越性^[1]。

      電磁流量計具有以下特點：

      （1）其測量不受流體溫度、壓力、密度、黏度的影響。
      （2）流量計內(nèi)部直通光滑，不對流體產(chǎn)生阻力，無壓力損失。
      （3）直接進行電測量，響應(yīng)速度快。
      （4）檢測部無運動部件，不會發(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。
      （6）輸出電壓正比于流量，計量精度高。
      （7）內(nèi)襯可采用聚四氟乙烯塑料和氧化鋁陶瓷，具有很強的抗腐蝕性，可以測量強酸強堿等流體。
      （8）量程比寬^[2]。

      插入式電磁流量計的工作原理實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。

      相對管道式電磁流量計來說，插入式電磁流量計有如下特點：

      （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。
      （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，有優(yōu)越的性能價格比。
      （3）精度較低，一般為±1% ~2%。但是采取一定的措施后，完全有可能提高精度，從而降低成本，替代管道式。

      2 插入式電磁流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計

      現(xiàn)在某些插入式電磁流量計，雖然也是將線圈和電極都納入一個探頭中，但是探頭體積較大，以至于兩個探頭就可產(chǎn)生布滿整個管道的磁場，（一般插入式電磁流量計往往只在電極周圍產(chǎn)生一個局部磁場）。因此對于特大管徑的電磁流量計來說，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，實際上這種插入式結(jié)構(gòu)不適合特大口徑的電磁流量計。因此將設(shè)計定位在一般性的（探頭體積較?。⒛軌驊?yīng)用于特大口徑的插入式結(jié)構(gòu)。

      與管道式電磁流量計相比，插入式所產(chǎn)生磁場的線圈要小得多，插入式的難點之一在于探頭內(nèi)部的線圈怎樣才能在電極周圍產(chǎn)生均勻磁場。

      為達此目的，采取了以下措施：（1）將線圈設(shè)計成扁平型，使得線圈形狀與工作區(qū)形狀達到最大程度的吻合，同時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）來增強磁場。（3）在保證強度的情況下，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)計的扁平型進行磁場仿真，在兩電極連線上的磁場強度曲線如圖3所示，可見其磁場效果，不管是強度還是均勻度都比一般的螺線管要好很多。而實際的實驗結(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?？梢姡撾姶盆F的結(jié)構(gòu)設(shè)計是能夠滿足要求的。

      插入式電磁流量計的難點之二在于插入式的探頭對管道中的流場有一定的影響，探頭背部可能會產(chǎn)生擾動，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放。在前置放大級上，采用零點隔離法，通過電容耦合來隔離零點漂移干擾。采用反饋，做到零點自動檢測。該電路采用MSP430芯片作為微控制器，為低功耗的實現(xiàn)提供可能。

      所設(shè)計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，但并不局限于插人式電磁流量計，而是拓展開來適合所有的電磁流量計，基本上實現(xiàn)了智能電磁流量計的一般功能：具有良好的界面顯示、多種功能參數(shù)輸入、多種控制信號輸出及網(wǎng)絡(luò)通信功能，同時還具有零點檢測、故障診斷、參數(shù)保護等功能。其原理框圖如圖4所示。

      4 試驗結(jié)果

      最后，用水流量標(biāo)定裝置進行了5個流量點的標(biāo)定，各特性曲線如圖5所示。

      5 結(jié)論

      為設(shè)計插入式電磁流量計，首先進行了電磁鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過采用獨特的線圈電磁鐵結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了滿足要求的磁場。所研制的樣機能較準(zhǔn)確地測出實際流量，示值誤差為1.59%。但重復(fù)性有待進一步提高。

      參考文獻：

      [1] 范紅衛(wèi)，江增延，黃良榮.電磁流量計在工程中的應(yīng)用[J].礦冶，2001，10（3）：78- 81
      [2] 戴忠明，郝瑞云.電磁流量計的應(yīng)用與發(fā)展[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，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.