电磁超声流量计的研制

　　1　引　言

　　90年代初电磁超声技术进入工业化阶段。电磁超声的核心器件是电磁超声换能器(EMAT),E-MAT可以产生和检测多种超声波型,在工业无损检测中已有较多地应用并取得较好的效果。本文探讨电磁超声换能器在流量测量中的应用,研制了电磁超声流量计,解决高温流体流量的测量问题。

　　2　电磁超声换能器的研制

　　电磁超声技术是以洛仑兹力、磁致伸缩力、磁性力为基础,用电磁感应涡流原理,激发超声波。当通以高频电流的线圈靠近金属试件时。试件表层会感生高频涡流,若在试件附近再外加一个强磁场,则涡流在磁场作用下将变成高频的力,即洛仑兹力。实质上这个力是高频机械振动,所以它能在试件中传播,即产生超声波。超声振动一旦产生,就会以波的形式,沿一定指向传播出去。对于纵波超声信号产生的原理,如图1(a)所示,直流磁场方向平行于金属试件表面,而与流过线圈电流方向垂直,则超声波振动方向(即洛仑兹力方向)与超声的传播方向一致,垂直于金属试件表面。而横波超声信号产生的原理,如图1(b)所示,直流磁场方向垂直于金属表面和流过线圈导体的电流,其超声振动方向与其传播方向垂直。电磁超声转换的过程是可逆的,利用电磁超声转换的逆效应,可以拾取超声波信号。这时振动的金属件可视为在偏置磁场中运动的导体,其表面会产生电动势,从而在接收线圈感应出电流。

　　电磁超声换能器按提供偏置磁场的方式分为电磁铁式和永磁体式。探头线圈分为螺旋线圈和曲折线圈。采用电磁铁提供偏置其优点是,结构相对简单、成本低、并且磁路中的非线性元件少;缺点是,体积相对较大,发热现象比较严重。我们研制的电磁超声换能器结构简图如图2所示,由永磁体提供偏置磁场,其线圈结构为螺旋型,线圈中间的金属体作超声振子。经过实验,通入频率为200 kHz高频信号,电磁超声换能器可以很好地发射、接受超声波信号。

　　3　频差法超声流量计的原理(图3)

　　———流体的流速;τ———脉冲信号传播的附加时间(包括在声楔和管壁中传播时间及电路中延迟时间,即声波不在被测流体中的传播时间)。

　该超声波在顺流和逆流方向上传播的频率为f1、f2,由式(1)、(2)可得出频差Δf:

　　4　电磁超声流量计的设计方案

　　电磁超声流量计框图如图4所示,上、下游换能器采用电磁超声换能器,得到的差频Δf送微处理器进行处理,计算得出单位时间平均流量,并且显示、打印结果。软件流程框图如图5所示。