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電磁感應法的流量測量 電磁流量計的發展

電磁感應法的流量測量  電磁流量計
    1.電磁流量計的發展
    利用電磁感應原理測量流量是眾多流量測量方法中普遍的方法之一。它能夠測量多種形狀流道內導電液體的流速和流量,是法拉電磁感應定律的應用。
   電磁感應定律是1831年英國物理學家法拉發現的。法拉電磁感應定律講:當導體在磁場中作切割磁力線運動時,在導體兩端就會感應一個與磁場方向和導體運動方向相互垂直的感應電動勢。感應電動勢的大小與磁感應強度和運動速度成正比。   
   1832年法拉在泰晤士河滑鐵盧橋的兩岸,選擇與水流方向垂直的地磁場方向的地方,放下兩個金屬棒當作電極來側量河水的流速。這是世界上一次電磁流量計的試驗。但是.由于電化學反應、熱電效應等原因,測出的信號是虛假的,并且流速信號被河床短路。加上當時的測量條件限制,所以他失敗了。有幸的是,他在1851年見到了Wollsaton等人利用電磁感應法測量英吉利海峽潮汐試驗的成功。
    到了1917年,史密斯和斯皮雷安獲得了應用電磁感應的原理制造船舶測速儀的專利,并推薦使用交流勵磁來克服水的極化影響,從而開辟了電磁流速計在海洋學上的應用。
    1930年,威廉斯將硫酸銅溶液在置于直流磁場中的一個不導電圓管內流動,檢測圓管兩電極間的直流電壓與流速成正比,這種裝置成為一種簡單的電磁流量計。威廉斯一次用數學上的方法分析圓管內流速分布對測量的影響,提出了以管中心軸為對稱的流速分布不影響電磁流量計測量精度的理論。盡管他的分析在數學上有錯誤,但自此有了電磁流量計的基礎理論。
    1932年前后,根據Fabre的建議,生物學家Willams, A.柯林利用電磁流量計測量和記錄瞬時的動脈血液流量獲得了成功。
    二次世界大戰以后,原子能工業有了迅猛的發展,因而能夠測量液態金屬的永磁,使電磁流量計得以發展和應用。但是,由于當時電子技術尚還落后,它的使用領域還不能擴大到一般工業中去。
    1950年,荷蘭人首先在挖泥船上使用電磁流量計測量泥漿流量。后來電磁流量計在美國的一般工業生產中得到了應用。1955年日本的北辰電機和橫河電機分別引進美國Fischer & Porter公司和Foxboro公司的電磁流量計產品,經過不斷地消化、吸收和改進,其電磁流量計很快進人世界行列。1955年前后,前蘇聯、英國、德國也成功地生產出電磁流量計。
    20世紀印年代初,??死鋟?J. A Shercliff)在柯林(A. Kolin)等前人無限長均勻磁場的電磁流量計的數學解析基礎上,完成了有限長均勻磁場下等流速情況的數學解析,并用權重函數的理論揭示了產生感應電動勢的微觀特性,使得電磁流量計有了系統的基礎理論。同時,在電子工業飛速發展和工業自動化程度不斷提高的條件下,電磁流量計逐漸完善、成熟起來,發展成為一種性能優良的流量儀表,在工業中得到了廣泛的應用。
    20世紀60年代后期到70年代中期,隨著對三維權重函數的深人研究,出現了權重分布磁場的電磁流量計,使得有限的磁場長度大大縮短,并在程度_L改善了測量對流速的不敏感性。同時,也有利于流量計制造簡化與降低成本。三維權重函數的研究成果,對這時期電磁流量計的發展有重大的指導意義。由于這一時期集成電路的迅速發展和世界能源?;粵髁坎飭懇潛硤岢齙母咝閱芤?,出現了低頻矩形波勵磁的新技術。低頻矩形波勵磁電磁流量計,集中了交流勵磁流量計能抑制直流磁場信號中的極化干擾和降低交流磁場流量計中信號所含電磁感應干擾信號成分兩方面的優點,提高了流量計的零點穩定性、靈敏度和測量精度,降低了功率消耗,解決了互換性等問題,形成了電磁流量計發展的一次高潮。
    20世紀so年代以來,微電子技術和計算機技術的迅猛發展,使電磁流量計制造技術更加成熟和完善,其應用領域更加擴大。當代的電磁流量計采用單片機技術,用數字的處理方法等措施使電磁流量計的測量精度和性能不斷提高,并可充分利用計算機具有信息貯存、分時處理、運算和控制能力的優勢。因此,比較容易實現了雙向測量、空管檢測、多量程自動切換、人機對話、與上位機通訊、自診斷等附加功能。新一代具有HART協議及其他現場總線的電磁流量計更為用戶實現全新的現場總線生產控制與管理提供了條件。所以,一體型、兩線制、防爆型、高壓型、具有通訊功能的電磁流量計在化工、石油、鋼鐵、冶金等工業生產過程自動控制中越來越受歡迎。
    使用領域的擴大,出現了應用電磁感應法的各種新型導電液體流量測量儀表和系統,譬如能測量低電導率的電容式電磁流量計、用于測量自流排水的非滿管電磁流量計、用于明渠測量的潛水電磁流量計、使用能測量明渠和大口徑管道點流速的電磁流速計與插人電磁流量計以及組成電磁流速一水位法的明渠測量系統等。
    我國早在20世紀50年代末就開始研制電磁流量計,60年代初上海光華儀表廠開始向社會提供產品。1967年由上海工業自動化儀表研究所、上海光華儀表廠、開封儀表廠、天津市自動化儀表三廠等參加,在上海工業自動化儀表研究所組織了全國電磁流量計統一設計。盡管時間不長,大家集思廣益,提高了對電磁流量計的認識,在不到一年的時間設計開發出系列的國產產品。更重要的是這次全國電磁流量計統一設計為我國電磁流量計后來
的發展打下基礎,培養了人才,
    20世紀70年代中期,受工業國對電磁流量計的影響,我國電磁流量計理論的研究也進人了高潮。1975年6月,著名物理學家、北京大學王竹溪教授和趙凱華教授受開封儀表廠之邀,對電磁流量計權重函數理論進行了嚴謹的數學解析,并授業講演,帶動了華中工學院、東北工學院、上海交通大學等眾多高?;斡氳绱帕髁考評礪鄣難芯?,并開發出我國的權重分布磁場電磁流量計產品。
    我國的電磁流量計是較早、較成功地走引進國外技術以及和國外企業合資的改革之路的高科技產品之一。這不僅使電磁流量計骨干生產企業得以迅速發展,而且帶動了其他生產電磁流量計的中小型企業的技術進步。目前,我國生產電磁流量計基本是以低頻矩形波勵磁為主,逐步進人權重磁場和智能化流量計時代。產品口徑系列由3mm到3000mm,測量精度在10.3%R或1 1%FS范圍。生產廠家由20世紀80年代初期的4家發展到目前大約30多家;產量由年產不足干套到今天已年產近三萬套。無論制造技術水平、開發能力還是市場發展,我國的電磁流量計與世界水平的距離在迅速地縮小。
    我國1980年制定了電磁流量計行業標準。隨著技術發展和進步,1990年又進行了修訂,等同采用LSO國際標準( ISO 9104:1991和ISO 6817: 1992)的國家標準:GB/T 18659-2002〔封閉管道中導電液體流量的測量電磁流量計的性能評定方法]和GB/T18660-2002〔封閉管道中導電液體流量的測量電磁流量計的使用方法〕已經頒布。使得今后我國的電磁流量計能夠與國際接軌,為發展我國的電磁流量計創造了條件。


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