流量測量的目的和意義 流量與電磁感應法的流量測量 電磁感應法的流量測量 電磁流量計的特點 電磁流量計的測量原理和理論 電磁流量計的組成 法拉電磁感應定律 電磁流量傳感器的工作原理 流體的定義和連續介質的形態 壓縮性與膨脹性對電磁流量計測量的影響 表面張力對流量測量帶來的影響 液體的電性質在電磁流量計測量時的表現 電磁流量計權重函數的物理意義 電磁流量計權重函數的實際應用 流速分布對電磁流量計的影響 磁場邊緣效應對測量的影響一渦電流的產生 磁場在管軸線方向有限長情況下的靈敏度 電磁流量傳感器的基本結構 電磁流量計勵磁方式及其特點 電磁流量計勵磁線圈的形狀

電磁流量計勵磁線圈的形狀


    勵磁系統由勵磁線圈和導磁的鐵芯組成。從物理學的知識知道,通電線圈周圍產生磁場,磁場的大小與線圈的匝數、通電電流的大小有關。為了減小磁阻和漏磁,磁路中使用導磁性能好的鐵磁材料以減小空氣隙長度和磁阻,改變磁通的分布,獲得所需要的工作磁場,這就是鐵芯(磁扼)的作用。
    上面曾提到,電磁流量計有均勻分布磁場和權重分布磁場之分,而測量管內的磁感應強度的分布是由勵磁線圈的形狀和尺寸決定的,下面分別敘述。
1.均勻磁場傳感器的勵磁線圈  
(1)集中繞組
    二章曾討論到當傳感器磁場有效長度在側量管直徑的2.8一3倍以上時,測量管電極附近一段距離內的磁場分布是均勻的。所以,均勻磁場的線圈應該是長方形的。如圖3一9所示,長方形線圈的長邊安裝在與測量管中心軸平行的位置、測量管內磁感應強度(磁通密度)大小主要決定于線圈的兩條長邊通電產生磁力線的密度,線圈的兩條短邊周圍的磁力線多形成漏磁通,較小地影響測量管電極測量部位的磁感應強度。我們討論的均勻磁場正是指與測量管中心軸垂直、靠電極附近的磁場分布。線圈的長邊磁通決定磁感應強度大小的假設,可以通過比奧一薩伐定律給予解釋。

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圖3一9(a), (b)的線圈結構被稱為集中繞組結構。


圖3 -9(a)是變壓器鐵芯型繞組。它的結構猶如兩個“E'’字型的變壓器鐵芯相連而成,測量管安裝在兩個磁極之間,磁極的寬度大于測量管的直徑。因此,保證了電極附近區域的磁感應強度是均勻分布的。插人線圈的“E"型鐵芯中間舌部形成的磁極,上下磁極緊貼測量管,空氣隙較短.磁感應強度也較強,在流速下獲得的信號比較大。由于結構和制造的問題.變壓器型結構僅使用于小口徑傳感器。
    圖3一9(b)是磁扼式集中繞組型。這種結構的勵磁線圈是在測量管的上、下各安裝一只無骨架的馬鞍形線圈,線圈的外側采用多層電工硅鋼片制成磁扼代替“E”型鐵芯,并且在線圈中間部分平行安裝兩塊導磁體作為磁極,產生的磁場比較均勻,這種勵磁結構比較適合于中小口徑的傳感器。
(2)分段繞組
    磁扼式分段繞組型的結構是把勵磁線圈分成若干個小線圈,然后把它們串聯一起,安裝在測管上、下側,外面用電工硅鋼片制成的半圓形磁扼,把線圈緊箍在測量管上。所以,這種形式的勵磁結構緊湊,適合中、大口徑傳感器。

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    因為用兩個平面的磁極,保證測量管處于等長的空氣隙長度.得到相同的磁感應強度。所以,變壓器鐵芯結構和磁扼式集中繞組結構的磁場分布均勻。磁扼式分段繞組的空氣隙長度,如圖3-10所示,L的長是圓內平行于y軸直徑的無數條弦長,這些弦長是不相等的。也就是說,磁扼式分段繞組的空氣隙長度是不相等的。安培環路定律告訴我們.測量管內磁場大小和通電線圈電流與匝數的乘積成正比,與空氣隙長度成反比。串聯線圈的電流是相等的。當線圈的匝數按余弦規律分布時??拷緙掌凍ざ榷?,影響該處磁場強度是其周圍線圈產生的磁力線;離開電極,盡管靠近測量管中心(y軸)處的空氣隙長度長。但該處的磁場強度會受整個線圈磁力線的影響。從效果看,空氣隙長度長的地方,線圈的匝數多;空氣隙長度短的地方,線圈匝數少,總是維持不同地方的磁通密度相同,使得處于測量管內的磁場強度呈均勻分布狀態。下面用磁路分析給予說明??悸塹講飭抗苤本督洗?,也就是空氣隙較長,通常用遠大于空氣磁導率的電工硅鋼片制成的磁扼。其磁壓降可以忽路不計

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式(3-5)說明:在Y軸的方向不同位置的磁感應強度B與線圈的安匝數成正比,與直徑成反比。也就是說,測量管內x軸方向的磁場是均勻的。實際線圈繞制時,按余弦分布的規律繞制比較困難,于是就采用按余弦分布的分段繞組形式,近似地達到均勻磁場的要求。一般將勵磁線圈分成五段,各段線圈的間隔為15º (見圖3-11)。

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2權重轉換磁場傳感器的勵磁線圈
(1)短矩形、鞍狀線圈

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    二章曾經討論過“權重轉換磁場”流量計,它應滿足在電極截面x、y軸坐標內,W·B=常數 的磁場分布規律。為此,除了在電極形狀與結構上設法滿足這一條件外,可以從勵磁線圈的形狀上設法達到這一要求。于是,就出現了菱形、鞍狀線圈、圓筒形線圈、方形平面線圈以及短矩形、鞍狀線圈等。權重函數W的分布規律是:在電極附近大(電極處為無窮大);電極斷面的中心W=1;小為緊貼線圈的部位W=0.5。根據W·B=常數的要求,如果電極斷面中心的磁感應強度為B,那么,要求電極處的磁感應強度為零,緊貼線圈的部位磁感應強度大。圖3一12所示為短矩形、鞍狀線圈,線圈長為a。文獻[2〕分析表明,一般a≈0.6D, D為測量管直徑。電極斷面在馬鞍狀線圈下磁場長的空氣隙是中心軸,慢慢地到電極處空氣隙長度接近于零。線圈圓弧是120 º,線圈的短邊投影到x軸的距離為原點至0.866 R處。盡管該處的空氣隙長度短,但是這里的磁力線只有上、下線圈的兩個短邊通電所提供,因此磁感應強度比較低。雖然y軸線的空氣隙長,由于兩個通電線圈的八個邊產生的磁力線都向這里集中,所以磁感應強度比較大。離開x軸中心點的地方,通電線圈的八個邊的投影距離變長,即氣隙長度加大。與中心點相比,總的磁通量將減小,磁感應強度相對降低。y軸緊貼線圈的地方,通電線圈的四個邊距這里的距離近,磁感應強度大。這樣,短矩形鞍狀的勵磁線圈能夠近似地獲得權重分布磁場。盡管這種解釋磁場強度分布非常近似與粗糙,但是可以看到有符合W·B=常數要求的趨勢。短矩形、鞍狀勵磁線圈適用于中等口徑和大口徑傳感器。   
(2)菱形、鞍狀線圈

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    菱形、鞍狀線圈如圖3一13所示。菱形、鞍狀線圈勵磁形成的權重分布磁場,同樣可以用比奧一薩伐定律和短矩形鞍狀的勵磁線圈的方法分析。
(3)圓筒形勵磁線圈

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    如圖3一14所示,通電圓筒形勵磁線圈產生的磁力線通過鐵芯能夠在電極截面的區域獲得權重分布磁場,這種圓筒形線圈的結構被用于小口徑傳感器。


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