介質電導率對下水管道流量計測量的影響分析
點擊次數:1523 發(fā)布時間:2021-01-16 13:31:00
下水管道流量計是一種安裝與使用都相當方便簡單的流量測量儀表,我們在安裝使用過程中對于下水管道流量計要注意以下三點:流速分布、磁場邊緣效應以及被測介質電導率,對于基于電磁感應原理工作的流量計類型,這三個方面的因素是在其使用過程中特別重要的。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分布,則電*上產生的感生電動勢大小與流動狀態(tài)無關,不論它是層流還是紊流,僅與流體的平均流速成正比.因此,流速分布為軸對稱是下水管道流量計必須滿足的工作條件之一.
假如,流速分布相對管中心為非對稱時,測量就會產生誤差.因為電*上得到的感生電動勢e是測量管內所有液體共同貢獻的結果,所以每一個流體質點都有貢獻。但由各個流體質點相對于電*的幾何位置不同,故即使各質點速度一樣,它們對電動勢e的貢獻也是不同的.越靠近電*的質點對電動勢e的貢獻越大.也就是說,電*附近的感生電動勢較大,與兩電*平面成90°的地方的流體產生的感生電勢就?。?,如果電*附近的流速非軸對稱的偏大,測得的流量信號就比實際流量值大;反之,電*附近的流速非軸對稱的偏小,測得的流量信號也就偏?。虼耍瑸榱讼捎诹魉俜植级a生的測量誤差,在電磁流量變送器的應有一定長度的直管段,以保證流速的鈾對稱分布.
(二)磁場邊緣效應的影響
由前述的基本假定可知,e=DB 這一基本表達式是在“長筒流量計”的模型條件下推得的,即假定沿流體的流動方向上磁場始終是均勻的.實際上,這意味著沿管軸方向上的磁場為無限長,而實際流量計的磁場是有限長的,所以就必須考慮有限長磁場產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.設磁場長度為2L,測量管半徑為a.電*A和B在磁場中部。則從圖中可見:磁場的中間部分,即電*附近大致是均勻的,兩端則逐漸減弱,形成不均勻的磁場邊線,段后下降為零.這樣,在電*附近產生的感生電勢較大,兩端則較小,從而造成液體內部電場外有的不均勻而產生渦電流.由渦電流產生的二次磁通,反過來又改變磁場邊緣部分的工作磁通,使磁場的均勻性進—步遭到破壞。所以,電*上得到的感生電勢與無限長磁場下的感生電動勢有差別,使測量信號產生誤差.
圖3-34磁場邊緣效應
設在磁場軸向長度為2L時,電*A和B之間的感生電動勢用eAB表示,而無限長磁場時(L→ )的感應電動勢為e.用S來表示它們的比值,即
S=
顯然,我們希望S值越接近于1越好。也就是說,希望磁場軸向長度為有限長時電*上產生的感生電動勢盡可能接近于無限長時的值.若以L/d表示磁場軸向長度與管道內徑之比,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/d=2.8—3.04.這就是說,為了減少磁場地緣的影響,勵磁線圈的長度應為測量管內徑的2. 8—3.04倍,這樣才可以使電*上產生電動勢接近于無限長磁場時的值。
圖3-35 S與L / d的關系
2.導電管壁
圖3-36 導電管壁S與L / a的關系
圖3-37液態(tài)金屬磁場邊緣效應
如果測量管是導電的,由于導電管壁的短路作用,磁場邊緣效應就會更加明顯,并導致電*上感生電動勢損失的增加.隨著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,對下水管道流量計來說,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,使被測介質在磁場的邊緣區(qū)域內產生渦電流,對測量產生影響.當被測介質是電導率*高的液態(tài)金屬時,這個渦電流的影響就很大。
如圖3-37所示,由磁場邊緣效應產生的渦電流會引起二次磁通,使工作磁場的邊緣發(fā)生畸變,出于左側邊緣的磁場是逐漸增強的,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,由于右側的磁場逐漸減弱,阻止這種削弱.這樣就造成了整個磁場的畸變,便它相對于電*軸不對稱.
上述這種效應在值流勵磁的情況下雖有一定影響,但問題不大.如果采用交流勵磁的話,隨著勵磁電流頻率的增加,這種邊緣效應的影響就比較嚴重.
如果被測介質中含有導磁性物質,例如含有鐵、鉆、鎳之類的金屬時,磁場邊緣效應的影響就更加復雜化.在理論上研究這種效應時,常用一個純數,即磁雷諾數RM= ud來表征這個效應影響的大?。渲?, 和 分別是介質的磁導率和電導率;u為介質流速;d為測量管半徑.研究表明,如果RM值不大,并且磁場邊緣離電*不太近的情況下,即使介質中含有微量的導磁性物質,對測量的影響仍可忽略.相反RM值很大,而且磁場邊緣離電*又比較近的,則由于工作磁場的畸變將給測量造成嚴重的影響。所以,下水管道流量計要求被測介質非磁性是必要的.另外,對于液態(tài)金屬,一般采用直流勵磁以減少磁場邊緣效應.
(三)被測介質電導率的影響
目前,下水管道流量計轉換路的輸入阻抗已有所提高,測量導電性液體時,一般不會因介質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,被測介質的電導率有一個下限值 min,不能低于該下限值.
被測介質的電導率太大也是不允許的。例如當電導率超過10-1(S/cm)左右時,就會降低流量信號,改變指示值,即指示流量值小于實際流量值.這是因為在電磁流量變送器中,磁場為有限長,被測的導電液體只有流過有限磁場時,才能產生感生電動勢e.所以,代表流量信號的感生電動勢e是磁場部分的導電液體切割磁力線的結果,磁場兩端以外的導電液體沒有對e作出任何貢獻.相反,由于它們也是和兩個電*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,這部分外電路就與轉換器輸入阻抗相并聯而成為變送器的負載.當被測介質的電導率很大時,外電路的電阻較小,達時不管轉換器的輸入阻抗有多高,并聯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,對一個下水管道流量計來說,測量不受介質電導率影響是有一定范圍的,被測介質電導串既不能太大,也不能太小。隨著電子技術的發(fā)展,轉換器輸入阻抗的提高,必將可以降低被測介質電導率的下限。
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(一)流速分布的影響
只要管內流速為軸對稱分布,則電*上產生的感生電動勢大小與流動狀態(tài)無關,不論它是層流還是紊流,僅與流體的平均流速成正比.因此,流速分布為軸對稱是下水管道流量計必須滿足的工作條件之一.
假如,流速分布相對管中心為非對稱時,測量就會產生誤差.因為電*上得到的感生電動勢e是測量管內所有液體共同貢獻的結果,所以每一個流體質點都有貢獻。但由各個流體質點相對于電*的幾何位置不同,故即使各質點速度一樣,它們對電動勢e的貢獻也是不同的.越靠近電*的質點對電動勢e的貢獻越大.也就是說,電*附近的感生電動勢較大,與兩電*平面成90°的地方的流體產生的感生電勢就?。?,如果電*附近的流速非軸對稱的偏大,測得的流量信號就比實際流量值大;反之,電*附近的流速非軸對稱的偏小,測得的流量信號也就偏?。虼耍瑸榱讼捎诹魉俜植级a生的測量誤差,在電磁流量變送器的應有一定長度的直管段,以保證流速的鈾對稱分布.
(二)磁場邊緣效應的影響
由前述的基本假定可知,e=DB 這一基本表達式是在“長筒流量計”的模型條件下推得的,即假定沿流體的流動方向上磁場始終是均勻的.實際上,這意味著沿管軸方向上的磁場為無限長,而實際流量計的磁場是有限長的,所以就必須考慮有限長磁場產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.設磁場長度為2L,測量管半徑為a.電*A和B在磁場中部。則從圖中可見:磁場的中間部分,即電*附近大致是均勻的,兩端則逐漸減弱,形成不均勻的磁場邊線,段后下降為零.這樣,在電*附近產生的感生電勢較大,兩端則較小,從而造成液體內部電場外有的不均勻而產生渦電流.由渦電流產生的二次磁通,反過來又改變磁場邊緣部分的工作磁通,使磁場的均勻性進—步遭到破壞。所以,電*上得到的感生電勢與無限長磁場下的感生電動勢有差別,使測量信號產生誤差.
圖3-34磁場邊緣效應
設在磁場軸向長度為2L時,電*A和B之間的感生電動勢用eAB表示,而無限長磁場時(L→ )的感應電動勢為e.用S來表示它們的比值,即
S=
顯然,我們希望S值越接近于1越好。也就是說,希望磁場軸向長度為有限長時電*上產生的感生電動勢盡可能接近于無限長時的值.若以L/d表示磁場軸向長度與管道內徑之比,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/d=2.8—3.04.這就是說,為了減少磁場地緣的影響,勵磁線圈的長度應為測量管內徑的2. 8—3.04倍,這樣才可以使電*上產生電動勢接近于無限長磁場時的值。
圖3-35 S與L / d的關系
2.導電管壁
圖3-36 導電管壁S與L / a的關系
圖3-37液態(tài)金屬磁場邊緣效應
如果測量管是導電的,由于導電管壁的短路作用,磁場邊緣效應就會更加明顯,并導致電*上感生電動勢損失的增加.隨著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,對下水管道流量計來說,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,使被測介質在磁場的邊緣區(qū)域內產生渦電流,對測量產生影響.當被測介質是電導率*高的液態(tài)金屬時,這個渦電流的影響就很大。
如圖3-37所示,由磁場邊緣效應產生的渦電流會引起二次磁通,使工作磁場的邊緣發(fā)生畸變,出于左側邊緣的磁場是逐漸增強的,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,由于右側的磁場逐漸減弱,阻止這種削弱.這樣就造成了整個磁場的畸變,便它相對于電*軸不對稱.
上述這種效應在值流勵磁的情況下雖有一定影響,但問題不大.如果采用交流勵磁的話,隨著勵磁電流頻率的增加,這種邊緣效應的影響就比較嚴重.
如果被測介質中含有導磁性物質,例如含有鐵、鉆、鎳之類的金屬時,磁場邊緣效應的影響就更加復雜化.在理論上研究這種效應時,常用一個純數,即磁雷諾數RM= ud來表征這個效應影響的大?。渲?, 和 分別是介質的磁導率和電導率;u為介質流速;d為測量管半徑.研究表明,如果RM值不大,并且磁場邊緣離電*不太近的情況下,即使介質中含有微量的導磁性物質,對測量的影響仍可忽略.相反RM值很大,而且磁場邊緣離電*又比較近的,則由于工作磁場的畸變將給測量造成嚴重的影響。所以,下水管道流量計要求被測介質非磁性是必要的.另外,對于液態(tài)金屬,一般采用直流勵磁以減少磁場邊緣效應.
(三)被測介質電導率的影響
目前,下水管道流量計轉換路的輸入阻抗已有所提高,測量導電性液體時,一般不會因介質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,被測介質的電導率有一個下限值 min,不能低于該下限值.
被測介質的電導率太大也是不允許的。例如當電導率超過10-1(S/cm)左右時,就會降低流量信號,改變指示值,即指示流量值小于實際流量值.這是因為在電磁流量變送器中,磁場為有限長,被測的導電液體只有流過有限磁場時,才能產生感生電動勢e.所以,代表流量信號的感生電動勢e是磁場部分的導電液體切割磁力線的結果,磁場兩端以外的導電液體沒有對e作出任何貢獻.相反,由于它們也是和兩個電*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,這部分外電路就與轉換器輸入阻抗相并聯而成為變送器的負載.當被測介質的電導率很大時,外電路的電阻較小,達時不管轉換器的輸入阻抗有多高,并聯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,對一個下水管道流量計來說,測量不受介質電導率影響是有一定范圍的,被測介質電導串既不能太大,也不能太小。隨著電子技術的發(fā)展,轉換器輸入阻抗的提高,必將可以降低被測介質電導率的下限。
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