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电磁流量计

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利用高中物理模型知识分析影响EMF电磁流量计测量结果的相关因素

来源:www.sancdc.com作者:发表时间:2018-04-18

  摘 要:在高中物理学习过程中,传感器这一章并不是高考的重点方向,但对于学习的创造性思维和应用能力的培养却是比较重要的内容。电磁流量计(以下简称EMF)作为传感器家族中的杰出代表,在不断深入的学习探究过程中,我发现之前学习的电磁学知识可以在EMF中得到巧妙的应用,EMF原理模型其实就是导电流体中带电粒子以一定速度进入预设磁场,切割磁力线,产生感应电动势,形成电压和电流输出回路,电量信号经处理后,供测量获取数据。如果用户获得的测量数据不准确,那就失去了EMF利用的价值意义。因此,利用高中物理模型知识,对影响EMF测量结果的相关因素进行分析,采取匹配调整对策,避开测量误差,取得正常的测量结果,尤显必要。

 
在“人工智能”不断发展的今天,科技进步在许多领域的应用,已经把人类从繁杂的体力劳动中解救出来。传感器的出现,把人类感知世界的能力进行了无限可能的延伸,而EMF就是这样的自动化测量仪器之一。
 
1 EMF流量测量的目的
1.1 检测、控制、决策的要求
企业在生产过程中给管理者或控制系统提供流量参考的准确数值,以便做出合理地判断与调节,达到优良的控制,提高产品的质量与产量。
 
1.2 节能、高效、经济的需求
在节约资源和能源越来越为人们重视的今天,流量测量的另一目的是从经济利益出发,对于一个生产企业内部使用的资源和能源分配和管理,EMF测量是实现其目的必不可少的手段之一。
 
2 电磁流量计
2.1 基本概念
电磁流量计(简称EMF)是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的传感器仪表。
原理模型示意图
2.2 EMF基本原理及示意图
2.2.1 基本原理
导电的流体介质在磁场中做垂直方向流动而切割磁力线,会在两电极上产生感应电势,形成电压和电流输出回路。
2.2.2 原理模型示意图
原理模型图如图1所示。
2.3 EMF外形图列举
EMF外形图如图2所示。
EMF外形图流体流径图和电阻图
3 EMF高中物理基本模型
经典引入--平板流体槽模型如下。假设流体流经如图3所示的横截面为长方形的一段管槽,其中空部分的长、宽、高分别为图中的 a 、 b 、 c 。电磁流量计的两端与流体的管槽相连(图中虚线)。图中流量计的上下两面是金属材料,前后两面是绝缘材料。现于流量计所在外加磁感应强度为 B 的匀强磁场,磁场方向垂直于前后两面。当导电流体稳定地流经电磁流量计时,在流槽外将电磁流量计上、下两表面分别与一串接了电阻 R 的电流表的两端连接, I 表示测得的电流值。已知流体的电阻率为ρ ,不计电流表的内阻,则可求得流量为(A)。
20180315104841.jpg
 
解析:设管中流体的流速为 v ,则在 Δt 时间内流体在管中向前移动的距离为 vΔt ,这样如图画线的流体在 Δt 时间内都将流过横截面,设此横截面积为 S ,则画线的流体体积Δ V = Sv Δ t ,除以时间Δt,则得到流体在该管中的流量为 Q =Sv 。对于题干所给的流量计,横截面积 S = bc ,故流过流量计的流量 Q = vbc ,对于给定的电磁流量计, b 与 c 是常量,可见测流量实质是测流速。
 
当可导电流体稳定地流经电磁流量计,流量体将切割磁感线,这样在电磁流量计的上、下两面产生的感应电动势 E = vBc ,其中 B 是垂直于电磁流量计前后两面的匀强磁场的磁感应强度,c 是流过流量计流体的厚度, v 是可导电流体流经流量计的流速。这样在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R的电流表的两端连接,如图4所示,则将有电流流过闭合电路。这个闭合电路中的电动势就是由可导电流体沿流量计流动切割磁感线而产生的感应电动势,如图4所示,电阻包括外接的电阻 R 和可导电流体的电阻20180315104940.jpg
这样根据欧姆定律,得到闭合电路中的电流等于:
20180315104944.jpg
 
4 EMF测量精度
4.1 测量精度
测量结果与被测量真值之间的一致程度,测量精度是考量EMF测量结果准确程度的重要指标,精度高的基本误差为(±0.5%~±1%)R,精度低的则为(±1.5%~±2.5%)FS。
 
4.2 测量数据不准确可能带来的危害
(1)测量数据误差较大,造成经济损失,引起交易纠纷。
(2)测量上传数据异常,可能引发相关控制设备误动或拒动,引发安全生产事故。
(3)其他影响及危害。
 
5 高中物理模型参数对EMF测量结果的影响分析
5.1 EMF高中物理模型参数
流经EMF的流量:
20180315105644.jpg
式中,Q为流经EMF的流量,I为闭合电路中的电流,B为外加磁感应强度,R为串接电阻,P为可导电流体的电阻率,a、b、c为流体输送管槽尺寸。
 
5.2 各参数对EMF测量结果影响及对策分析
影响分析的前提:EMF与被测流体已匹配安装。
5.2.1 串接电阻 R 分析
作为串接电阻 R ,若为可变的外接电阻,人为调节时,一般是对EMF校验时进行。当然, R 在EMF正常运行情况下是个固值,不会对测量结果产生影响。校验举例:EMF长时间运行后,如槽(管)壁污垢增加,测量误差增大,校验时调节加大外接电阻,降低回路电流I,达到测量结果与实际流量趋于一致的目的。
 
5.2.2 可导电流体的电阻率 ρ 影响分析
(1)金属混入影响。
被测流体介质中含有金属时,流体材料性质发生变化,流体电阻率 ρ 变小,EMF的电极容易发生短路现象,这时候测量结果明显偏小或为零。
对策:在EMF安装位置上游侧安装流体过滤设备或沉降排污池(沟),防止金属等杂物进入下游流道。
(2)真空气泡影响。
被测流体中存在大量真空气泡时,可导电流体在槽(管)内分布不均匀,流体材料性质发生变化,流体电阻率 ρ 变化,同时槽(管)震动增加,EMF测量数值的波动,造成测量误差。
对策:在EMF上游侧安装自动真空配压阀。
 
5.2.3 流体输送管槽尺寸 a 、 b 、 c 影响分析
(1)流体非满槽(管)情况影响。
被测管槽尺寸在安装时已经固定,即EMF默认尺寸。但如果被测流体在非满槽(管)情况下,则流体流过EMF形成的流体截面积实际已经小于 a 、 b 、 c 尺寸槽(管)的截面积,造成测量结果大于实际值。
对策:正确选择EMF安装位置,如:选择流体爬升直槽(管)段安装,受流体自身重力影响,正常情况下该槽(管)段满流体。或:于“U”形槽(管)底部直段安装。
 
(2)槽(管)壁污垢影响。
长期运行,流体中部分物质附着在槽(管)壁上,形成污垢,流体流过槽(管)时的截面积变小,造成测量结果大于实际值。
对策:按照定期计划维护,对流体槽(管)进行排污处理,必要时采取物理或化学措施对槽(管)壁污垢进行清除。
 
5.2.4 闭合电路中的电流 I 影响分析
(1)接线盒端子虚接影响。
接线盒端子虚接或接触不良,造成闭合回路开路或回路电阻增大,EMF测量结果为0或减小。
对策:更换接线端子,拧紧压实端子。
(2)回路接线绝缘下降影响。
回路接线有破皮接地或对地绝缘下降,造成闭合回路电压下降至0或电压降低,EMF测量结果为0或减小。
对策:更换回路接线,测量对地绝缘合格。
 
5.2.5 磁感应强度 B 影响分析
(1)外部环境磁场干扰影响。
正常情况下,EMF的自带磁场为恒定匀强磁场,但离EMF较近的变压器或电机运行时产生的外部磁场,会与EMF的恒定磁场产生叠加,EMF的匀强磁场被改变,其磁感应强度 B 发生变化,造成测量结果误差。
对策:调整EMF安装位置。
 
(2)EMF恒定磁场电源回路故障影响。
EMF供电电源系统故障,无法提供恒定磁场,造成测量系统不能正常工作。
对策:检测电源回路绝缘,正常后恢复EMF电源系统开关。必要时返厂维修。
 
6 结语
高中物理模型中每个参数变化对EMF的测量结果均会产生影响。对于测量结果使用者来说,在一定程度上,某些测量结果误差带来的影响可能会是致命的。因此,在EMF出现测量误差时,要具体问题具体分析,找到影响误差产生的因素,采取相应的对策,解决问题,确保EMF测量结果在正常范围内。
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