基于電磁感應(yīng)法測量流體的流速

陳藝斐，楊雨琪，汪子維，趙 雨

(上海電力大學 數(shù)理學院，上海 201300)

1 實驗背景

測量流速的方法有許多種，有些流速計基于流體流動的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時產(chǎn)生的壓力差而實現(xiàn)流量測量的。這類流速儀種類繁多[1-3]，如：均速管型流量測量裝置；文丘里型流量測量裝置。有直接利用水流動能測流速，如旋槳式流速儀[4]。有利用熱傳導原理測流速，如熱絲流速儀、熱膜流速儀等；有利用其他與流速相關(guān)的物理效應(yīng)測流速，如激光流速儀[5]、超聲波測速儀[6，7]等?？偠灾?，這些物理方法直接或間接地通過各種物理知識制作測量流速的裝置來測定液體地流速，方便生產(chǎn)生活。

2 實驗原理

2.1 獲得多組流速的原理

2.2 計算流速原理

2.3 標定原理

實驗中使用的小型水流發(fā)電機是根據(jù)電磁感應(yīng)原理所制造的，E=BLvsinθ，流經(jīng)水流發(fā)電機的液體推動小型水流發(fā)電機進行發(fā)電，當流速越大時，發(fā)電機的渦輪轉(zhuǎn)速就越快。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，切割磁力線所產(chǎn)生的電動勢就越大。在這個基礎(chǔ)上，把計算得到的液體流速與該流速下對應(yīng)的水力發(fā)電機所發(fā)出的電壓對應(yīng)起來，以此來對指針式電壓表進行流速表的標定。

3 實驗裝置

所需實驗配件如下：小型水流發(fā)電機(0～80 V，帶穩(wěn)壓，40元)、帶閥門的水桶(5 L，32元)、塑料軟管(20米，120元)、5 L量杯(35元)、剪刀(10元)、指針式電壓表(0～100 V，50元)、數(shù)字式萬用表(70元)、密封膠帶(3元)、大型水桶(20元)。裝置成本：(指針式電壓表、小型水流發(fā)電機)共計90元。

圖1 水流發(fā)電機流速計裝置圖

4 實驗過程

首先將塑料軟管分成了不同的長度。將塑料軟管的兩端分別接在帶閥門的水桶和小型水流發(fā)電機上，在接口處用密封膠帶封緊，防止漏水。將水流發(fā)電機與萬用表的電壓擋相連，并在水流發(fā)電機的下端放置水桶，這樣實驗的基本儀器就組裝完成了。

水桶上的閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，向桶內(nèi)加水，打開閥門，用手堵住水流發(fā)電機的下端口，待水注滿塑料軟管，把桶內(nèi)的水加到4.5 L，松開堵住水流發(fā)電機的手，并一直向桶內(nèi)加水，使水面保持在4.5 L刻度處，待萬用表示數(shù)穩(wěn)定后，讀取記錄示數(shù)后開始計時，在開始計時的同時將量杯接入水流發(fā)電機的下端，計時結(jié)束，將量杯移開，待量杯內(nèi)水面穩(wěn)定后讀取并記錄量杯的示數(shù)即水的體積V。設(shè)定不同的時間段T多次測量求平均值，以減少人為因素對實驗結(jié)果的影響。

5 數(shù)據(jù)結(jié)果及討論

按照上述操作，我們得到了實驗數(shù)據(jù)記錄處理如表1。

表1 感應(yīng)電動勢與三次流速及其平均值的關(guān)系

以感應(yīng)電動勢為橫坐標，以平均流速做縱坐標，我們做出了流速與感應(yīng)電動勢之間的關(guān)系曲線。見下圖2。

圖2 感應(yīng)電動勢與流速的關(guān)系

由圖2可見，本設(shè)備對于流速在16～196 cm/s之間水的線性度非常高，精度高，可達到±5%，結(jié)構(gòu)輕便小巧，便于安裝與維護，響應(yīng)速度快，只要流體流過就能直接讀數(shù)，不需要額外計算，對原始流體影響較小。

如果把流水發(fā)電的尺寸做得更小一些，對于低于流速低于16 cm/s的流體，也會有較好的線性度和靈敏度。

由于實驗過程中對于水流速的控制受裝置所限，高于196 cm/s的流速，我們沒有標定。但是按照實驗的原理來說，水流發(fā)電機產(chǎn)生的感應(yīng)電壓與流速的線性度仍然會非常高。從原理上來說，沒有任何因素會降低較高流速下該實驗裝置的線性度。

該裝置在標定過程中是把流水發(fā)電機與軟管連接，這并不意味著該裝置僅適合測量管道內(nèi)液體的流速。把該裝置放置于開放的待測液體中(比如水槽、河道等)，只要把水流發(fā)電機的進水口正對待測液體流入的方向，也照樣可以完成流速儀的定標。

圖3 感應(yīng)電動勢與流速的標定表頭

6 系統(tǒng)誤差分析

(1)流速恒定的保持：在實驗過程中，由于需要保持液面的高度來達到恒定的流速，需要人為的不斷地向水桶中加注水流，人為無法精確地將水位保持一個恒定的高度，這就導致了方法誤差。

(2)液體體積測量：在實驗過程中，由于需要兩個不同的人來分別進行計時以及收集一定時間內(nèi)的水流，兩個人無法做到完全同步，而且對于液體體積的讀數(shù)也可能會有因為觀測者的感官或測量習慣所導致的個人誤差。

(3)軟管橫截面均勻性：在實驗過程中，由于采用的是塑料軟管，雖然塑料軟管非常容易進行長度的控制，但是由于是軟管，它的橫截面的均勻性可能會有所差別，這是由于實驗裝置導致的儀器誤差。

7 總 結(jié)

通過對水管高度的控制，獲取不同大小的水壓，以得到不同流速的流體，將其通過小型水流發(fā)電機，得到不同流速下的感應(yīng)電壓。在實驗的前期，我們也就實驗裝置的可行性進行了驗證，通過引接機械裝置固定的水壓來對我們的裝置進行測試，多次改進之后，得到了線性良好的數(shù)據(jù)，我們才開始下一步的實驗。后續(xù)實驗證明了流速與電壓之間的正比關(guān)系。我們用該裝置實現(xiàn)了水在16 cm/s至196 cm/s流速的高精度測量。