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電磁流量計(jì)

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利用高中物理模型知識分析影響EMF電磁流量計(jì)測量結(jié)果的相關(guān)因素

來源:www.wxchgg.com作者:發(fā)表時間:2018-04-18

  摘 要:在高中物理學(xué)習(xí)過程中,傳感器這一章并不是高考的重點(diǎn)方向,但對于學(xué)習(xí)的創(chuàng)造性思維和應(yīng)用能力的培養(yǎng)卻是比較重要的內(nèi)容。電磁流量計(jì)(以下簡稱EMF)作為傳感器家族中的杰出代表,在不斷深入的學(xué)習(xí)探究過程中,我發(fā)現(xiàn)之前學(xué)習(xí)的電磁學(xué)知識可以在EMF中得到巧妙的應(yīng)用,EMF原理模型其實(shí)就是導(dǎo)電流體中帶電粒子以一定速度進(jìn)入預(yù)設(shè)磁場,切割磁力線,產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,形成電壓和電流輸出回路,電量信號經(jīng)處理后,供測量獲取數(shù)據(jù)。如果用戶獲得的測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,那就失去了EMF利用的價(jià)值意義。因此,利用高中物理模型知識,對影響EMF測量結(jié)果的相關(guān)因素進(jìn)行分析,采取匹配調(diào)整對策,避開測量誤差,取得正常的測量結(jié)果,尤顯必要。

 
在“人工智能”不斷發(fā)展的今天,科技進(jìn)步在許多領(lǐng)域的應(yīng)用,已經(jīng)把人類從繁雜的體力勞動中解救出來。傳感器的出現(xiàn),把人類感知世界的能力進(jìn)行了無限可能的延伸,而EMF就是這樣的自動化測量儀器之一。
 
1 EMF流量測量的目的
1.1 檢測、控制、決策的要求
企業(yè)在生產(chǎn)過程中給管理者或控制系統(tǒng)提供流量參考的準(zhǔn)確數(shù)值,以便做出合理地判斷與調(diào)節(jié),達(dá)到優(yōu)良的控制,提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量。
 
1.2 節(jié)能、高效、經(jīng)濟(jì)的需求
在節(jié)約資源和能源越來越為人們重視的今天,流量測量的另一目的是從經(jīng)濟(jì)利益出發(fā),對于一個生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)部使用的資源和能源分配和管理,EMF測量是實(shí)現(xiàn)其目的必不可少的手段之一。
 
2 電磁流量計(jì)
2.1 基本概念
電磁流量計(jì)(簡稱EMF)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種測量導(dǎo)電液體體積流量的傳感器儀表。
原理模型示意圖
2.2 EMF基本原理及示意圖
2.2.1 基本原理
導(dǎo)電的流體介質(zhì)在磁場中做垂直方向流動而切割磁力線,會在兩電極上產(chǎn)生感應(yīng)電勢,形成電壓和電流輸出回路。
2.2.2 原理模型示意圖
原理模型圖如圖1所示。
2.3 EMF外形圖列舉
EMF外形圖如圖2所示。
EMF外形圖流體流徑圖和電阻圖
3 EMF高中物理基本模型
經(jīng)典引入--平板流體槽模型如下。假設(shè)流體流經(jīng)如圖3所示的橫截面為長方形的一段管槽,其中空部分的長、寬、高分別為圖中的 a 、 b 、 c 。電磁流量計(jì)的兩端與流體的管槽相連(圖中虛線)。圖中流量計(jì)的上下兩面是金屬材料,前后兩面是絕緣材料。現(xiàn)于流量計(jì)所在外加磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的勻強(qiáng)磁場,磁場方向垂直于前后兩面。當(dāng)導(dǎo)電流體穩(wěn)定地流經(jīng)電磁流量計(jì)時,在流槽外將電磁流量計(jì)上、下兩表面分別與一串接了電阻 R 的電流表的兩端連接, I 表示測得的電流值。已知流體的電阻率為ρ ,不計(jì)電流表的內(nèi)阻,則可求得流量為(A)。
20180315104841.jpg
 
解析:設(shè)管中流體的流速為 v ,則在 Δt 時間內(nèi)流體在管中向前移動的距離為 vΔt ,這樣如圖畫線的流體在 Δt 時間內(nèi)都將流過橫截面,設(shè)此橫截面積為 S ,則畫線的流體體積Δ V = Sv Δ t ,除以時間Δt,則得到流體在該管中的流量為 Q =Sv 。對于題干所給的流量計(jì),橫截面積 S = bc ,故流過流量計(jì)的流量 Q = vbc ,對于給定的電磁流量計(jì), b 與 c 是常量,可見測流量實(shí)質(zhì)是測流速。
 
當(dāng)可導(dǎo)電流體穩(wěn)定地流經(jīng)電磁流量計(jì),流量體將切割磁感線,這樣在電磁流量計(jì)的上、下兩面產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢 E = vBc ,其中 B 是垂直于電磁流量計(jì)前后兩面的勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度,c 是流過流量計(jì)流體的厚度, v 是可導(dǎo)電流體流經(jīng)流量計(jì)的流速。這樣在管外將流量計(jì)上、下兩表面分別與一串接了電阻R的電流表的兩端連接,如圖4所示,則將有電流流過閉合電路。這個閉合電路中的電動勢就是由可導(dǎo)電流體沿流量計(jì)流動切割磁感線而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢,如圖4所示,電阻包括外接的電阻 R 和可導(dǎo)電流體的電阻20180315104940.jpg
這樣根據(jù)歐姆定律,得到閉合電路中的電流等于:
20180315104944.jpg
 
4 EMF測量精度
4.1 測量精度
測量結(jié)果與被測量真值之間的一致程度,測量精度是考量EMF測量結(jié)果準(zhǔn)確程度的重要指標(biāo),精度高的基本誤差為(±0.5%~±1%)R,精度低的則為(±1.5%~±2.5%)FS。
 
4.2 測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確可能帶來的危害
(1)測量數(shù)據(jù)誤差較大,造成經(jīng)濟(jì)損失,引起交易糾紛。
(2)測量上傳數(shù)據(jù)異常,可能引發(fā)相關(guān)控制設(shè)備誤動或拒動,引發(fā)安全生產(chǎn)事故。
(3)其他影響及危害。
 
5 高中物理模型參數(shù)對EMF測量結(jié)果的影響分析
5.1 EMF高中物理模型參數(shù)
流經(jīng)EMF的流量:
20180315105644.jpg
式中,Q為流經(jīng)EMF的流量,I為閉合電路中的電流,B為外加磁感應(yīng)強(qiáng)度,R為串接電阻,P為可導(dǎo)電流體的電阻率,a、b、c為流體輸送管槽尺寸。
 
5.2 各參數(shù)對EMF測量結(jié)果影響及對策分析
影響分析的前提:EMF與被測流體已匹配安裝。
5.2.1 串接電阻 R 分析
作為串接電阻 R ,若為可變的外接電阻,人為調(diào)節(jié)時,一般是對EMF校驗(yàn)時進(jìn)行。當(dāng)然, R 在EMF正常運(yùn)行情況下是個固值,不會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。校驗(yàn)舉例:EMF長時間運(yùn)行后,如槽(管)壁污垢增加,測量誤差增大,校驗(yàn)時調(diào)節(jié)加大外接電阻,降低回路電流I,達(dá)到測量結(jié)果與實(shí)際流量趨于一致的目的。
 
5.2.2 可導(dǎo)電流體的電阻率 ρ 影響分析
(1)金屬混入影響。
被測流體介質(zhì)中含有金屬時,流體材料性質(zhì)發(fā)生變化,流體電阻率 ρ 變小,EMF的電極容易發(fā)生短路現(xiàn)象,這時候測量結(jié)果明顯偏小或?yàn)榱恪?/div>
對策:在EMF安裝位置上游側(cè)安裝流體過濾設(shè)備或沉降排污池(溝),防止金屬等雜物進(jìn)入下游流道。
(2)真空氣泡影響。
被測流體中存在大量真空氣泡時,可導(dǎo)電流體在槽(管)內(nèi)分布不均勻,流體材料性質(zhì)發(fā)生變化,流體電阻率 ρ 變化,同時槽(管)震動增加,EMF測量數(shù)值的波動,造成測量誤差。
對策:在EMF上游側(cè)安裝自動真空配壓閥。
 
5.2.3 流體輸送管槽尺寸 a 、 b 、 c 影響分析
(1)流體非滿槽(管)情況影響。
被測管槽尺寸在安裝時已經(jīng)固定,即EMF默認(rèn)尺寸。但如果被測流體在非滿槽(管)情況下,則流體流過EMF形成的流體截面積實(shí)際已經(jīng)小于 a 、 b 、 c 尺寸槽(管)的截面積,造成測量結(jié)果大于實(shí)際值。
對策:正確選擇EMF安裝位置,如:選擇流體爬升直槽(管)段安裝,受流體自身重力影響,正常情況下該槽(管)段滿流體。或:于“U”形槽(管)底部直段安裝。
 
(2)槽(管)壁污垢影響。
長期運(yùn)行,流體中部分物質(zhì)附著在槽(管)壁上,形成污垢,流體流過槽(管)時的截面積變小,造成測量結(jié)果大于實(shí)際值。
對策:按照定期計(jì)劃維護(hù),對流體槽(管)進(jìn)行排污處理,必要時采取物理或化學(xué)措施對槽(管)壁污垢進(jìn)行清除。
 
5.2.4 閉合電路中的電流 I 影響分析
(1)接線盒端子虛接影響。
接線盒端子虛接或接觸不良,造成閉合回路開路或回路電阻增大,EMF測量結(jié)果為0或減小。
對策:更換接線端子,擰緊壓實(shí)端子。
(2)回路接線絕緣下降影響。
回路接線有破皮接地或?qū)Φ亟^緣下降,造成閉合回路電壓下降至0或電壓降低,EMF測量結(jié)果為0或減小。
對策:更換回路接線,測量對地絕緣合格。
 
5.2.5 磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 影響分析
(1)外部環(huán)境磁場干擾影響。
正常情況下,EMF的自帶磁場為恒定勻強(qiáng)磁場,但離EMF較近的變壓器或電機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生的外部磁場,會與EMF的恒定磁場產(chǎn)生疊加,EMF的勻強(qiáng)磁場被改變,其磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 發(fā)生變化,造成測量結(jié)果誤差。
對策:調(diào)整EMF安裝位置。
 
(2)EMF恒定磁場電源回路故障影響。
EMF供電電源系統(tǒng)故障,無法提供恒定磁場,造成測量系統(tǒng)不能正常工作。
對策:檢測電源回路絕緣,正常后恢復(fù)EMF電源系統(tǒng)開關(guān)。必要時返廠維修。
 
6 結(jié)語
高中物理模型中每個參數(shù)變化對EMF的測量結(jié)果均會產(chǎn)生影響。對于測量結(jié)果使用者來說,在一定程度上,某些測量結(jié)果誤差帶來的影響可能會是致命的。因此,在EMF出現(xiàn)測量誤差時,要具體問題具體分析,找到影響誤差產(chǎn)生的因素,采取相應(yīng)的對策,解決問題,確保EMF測量結(jié)果在正常范圍內(nèi)。
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