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无元件流体发电机
無元件流體發電機
張峻維 陳仲豪 彭宇煊 宋世平
摘要
本論文旨在對整個電磁式流量計之基本設計和流體發電機做探討並予以試製。電磁式流量計是基於法拉第電磁感應定律以測量流體的流量。文中以水來切割磁線圈以產生磁場,且於測量管兩端之電極測量感應電動勢。經電磁式流量計以公式處理可得雷諾係數,並由實驗取得磁場與兩極相對位置的最佳值。最後,兩極的輸出電壓最佳值。由實驗結果顯示,此發電機於層流時有最大發電量。
第一章 緒論
1.1研究動機與背景
測量流體流量的儀表統稱為流量計或流量表。流量計是工業測量中重要的儀器之ㄧ,隨著工業生產的發展,對量測流量的要求越來越高,為了適應各種用途,各種用途的流量計相繼問世。
目前市面流通的流量計可供工業用的流量儀表有相當多種。種類如此多的原因就再於至今還沒找到一種對任何流體、任何流量、任何流動狀態以及任何使用條件都適用的流量儀表。其中包含了:葉輪流量計、變面積式流量計、電磁流量計、超音波流量計等等。分別介紹如下:
葉輪流量計
葉輪式流量計的工作原理是將葉輪至於被測流體中,受到流體流動的沖擊而旋轉,以葉輪旋轉的快慢來反映流量的大小。典型的葉輪式流量計,其結構為機械傳動輸出式。
變面積式流量計
在上大下小的錐形流道中的浮子受到自下而上流動的作用力而移動。當流量越大時,浮子與周圍管壁之空隙就越大,經由此空隙流經的流體就越多。因此浮子的重量與流體的反作用力之間會形成一個平衡。浮子即會靜止於此作用力平衡時。浮子靜止的高度即可作為流量大小的量度。
電磁流量計
電磁流量計是應用導電流體在磁場中運動產生感應電動勢,而感應電動勢又和流量大小成正比;精油量測其感應電動勢即可反映管道中流體流量的大小。其測量精度和靈敏度都較高。工業上多用以測量污水、化學物質、等介質的流體。但氣體、蒸氣等則不能應用。
超音波流量計
固定於封閉管路中之測定管式超音波流量計,是利用超音波於充滿流體之封閉管路中傳播,以測定流動流體之流速,同時考慮截面積與流速分佈,並配合流量補償運算,進而求出通過流體之流量。超音波流量計是主要採用傳播時間差法及都普勒效應法兩種測流原理來進行測量。
其中,本論文所要探討的電磁式流量計,即是利用法拉第電磁感應定律,所製成之測量導電液體流速或流量的一種儀表。
以下簡述電磁流量計的優缺點及應用概況:
優點:
測量管道不易阻塞,適用於測量含固體顆粒的液 固二項流體,如紙漿、妮漿、污水等。
不會產生一般接觸式流量計所造成的壓力損失。
所測之流量值不容易受到流體密度、黏度、溫度、壓力和導電率變化明顯的影響。
可測得之流量範圍大,通道口徑範圍寬。
可應用於具腐蝕性之流體。
缺點:
不能測量導電率很低的液體,如石油製品。
不能測量氣體、蒸氣和含有較大氣泡的液體。
由於測量管絕緣內襯材料受到溫度的限制,故目前工業電磁流量計還不能測量較高溫度之液體。
電磁流量計受到流速分佈的影響,所以電磁流量計前後也必須有一定長度的前後直管段,使得流速分佈呈軸對稱的狀態。
應用概況:
電磁流量計應用領域廣泛,大口徑儀表較多應用於排水工程;中小口徑常於高要求或較難測量的場合,如鋼鐵工業高爐風口冷卻水控制,造紙工業的紙漿液,化學工業的強腐蝕液等等;小口徑,微小口徑的常用於醫藥工業、食品工業、生物化學等有衛生要求的場所等。
1.2電磁流量計基本原理
電磁式流量計的基本原理即是利用法拉第電磁感應定律,而法拉第定律的基本原理為,運動中的導線在磁場中切割磁力線時,會產生感應電動勢,如圖1-1所示。由佛萊明右手定則,導線在垂直於磁場的方向移動時,在與移動方向垂直的方向上,會產生與其速度成比例關係的感應電動勢。其大小與磁通密度B,導線長度λ,及其移動速度v成正比,如下式所示:
E=B?λ?v (1-1)
以上即為電磁式流量計的基本原理,但應用在電磁式流量計時,若要使式(1-1)嚴格成立,則必須使測量條件滿足下列假定:
磁場是均勻分布的;
被測流體的流速是軸對稱分佈的。
然而,在實際的電磁式流量計中,以上兩個條件其實是不容易完全符合的,且對於圓形管測量管中的流體而言,如圖1-2所示,可視為有許許多多的導線並聯而成的。故在這些條件之下,若要將式(1-1)應用於電磁式流量計時,則需外加一校準係數K值,可表示如下:
E= K?B?D?v (1-2)
式中,E為兩電擊端所產生的感應電動勢,B為磁通密度大小,D為測量管之內徑,v為流體的平均流速。故流體的平均流速可表示為:
V=E/KBD (1-3)
而所流經的流量F,即為平均流速乘上測量管
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