无元件流体发电机

1、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，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

2、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：1. 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。2. 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

3、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。3. 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。4. 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

4、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：1. 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。2. 不會產生一般接觸式流量計所造成的壓力損失。3. 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。4. 可測得之流量範圍大，通道口徑範圍寬。5. 可應用於具腐蝕性之流體。缺點：1. 不能測量導電率很低的液體，如石油製品。2. 不能測量氣體、蒸氣和含有較大氣泡的液體。3. 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

5、之液體。4. 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

6、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，及其移動速度v成正比，如下式所示： E=Bv （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：1. 磁場是均勻分布的；2. 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= KBDv （1-2）式中，E為兩電擊端

7、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的截面積，如下式所示： 由此可知，我們即可用兩個電擊端所得到的感應電動勢，經過信號處理電路的轉換，而得到我們所要的流量值。另外，其中需要說明的事，K值為一校準係數，其值會隨溫度、待測流體，管壁材質以及測量管形狀等條件的不同而有不同的數值。1.3研究方法 利用固定元件 放置於一流場，利用液體切割磁力線 來達到與線圈切割磁力線一樣的效果，產生電位差，未來可在定點的河川 海中(有黑潮) 放置 無動的元件 來達到產生電能的效果，介以產

8、生更多了綠色能源 。第二章 電磁流量計之基本架構2.1前言 本章將對電磁流量計的基本結構做一個說明，並對各種激磁電流技術做一番比較，最後會闡述一些流體發電時所會遇到的問題與注意事項。2.2電磁式流量計之結構 對整個電磁式流量計來說，整體的架構可主要分為激磁電流驅動部與信號處理電路，如圖2-1（a）所示。其中激磁電流驅動部包含了線圈、導磁性材料、激磁電流驅動電路、測量管、電擊與外殼，如圖2-1（b）所示，2-1（c）則為電磁流量計測量管之剖面圖；信號處理電路則包含了信號放大與濾波電路、保持與取樣電路、AD轉換器、微處理器與LCD顯示模組等。 其中，特別要注意的事，測量管通常採用非磁性材料，以免磁

9、場無法穿透，且激磁電流驅動部其上游不應有任何阻擾水流之設施。由國家測流規範第三章第149條可知，其所需直管長度應不小於5倍管路直徑，且下游之直管長度也應不小於2被管路直徑。電極的部份，對點電極而言，必須注意要與流體接觸，通常與流體接觸所凸出的部份為一半球形，直徑約為520mm，材料通常使用不銹鋼、白金、鉭、鈦等等。若流體中含有固態懸浮物時，通常建議採用不銹鋼，而流體具有腐蝕性時，則通常建議使用白金、鉭、鈦等材料。而內襯的部份，必須採用絕緣塗層，以免造成兩個電極之間短路的情形，且針對具腐蝕性的流體也需用抗腐蝕性的內襯塗層。另外，考慮到流體溫度與流體的沖刷，也必須選用適當的塗層材料，以免被流體破壞

10、。 而參考電磁式樓量計之國家測流規範，我們可知電流驅動部與信號處理電路可以整體型式或分離型式進行設置，如圖2-2所示。一、 整體型式是將激磁電流驅動部與信號處理電路合為一體，可於現場讀取顯示直，然兩者對水體溫度、管路震動、設置廠所等之限制應同時兼顧，且流量測定之各項參數應於現場設定。如圖2-2所示。二、 分離型式是將激磁電流驅動部安裝於現場管路上，信號處理電路則安裝於儀控室內，兩者間以專用訊號電纜相連接，其距離應儘可能縮短。如圖2-2（b）所示圖2-2第三章 實驗原理及介紹3.1實驗原理 由電磁效應可以得知，一導體快速經過磁場時會產生感應電動勢，而無元件流體發電機以幫浦製造水流，並用水做為導體

11、來切割磁場以便產生感應電動勢。3.2實驗設備圓管方管流量計幫浦水槽3.3實驗步驟1.確實連接各管路，並供水至蓄水槽八分滿。2.調節供水的流量，使蓄水槽保持八分滿。3.開馬達的開關，並由節流閥控制水量，使流速穩定。4.移動磁鐵，調整磁鐵與感應中心的相對位置。5.調節不同流量並紀錄。6.重覆做圓形管，並記錄之。第四章 實驗討論及分析4.1雷諾係數 在管流的問題中，流體之流動常受到各種力量之影響，如壓力、重力、黏滯力、彈性力、表面張力等，其中與流體關係最大者當屬黏滯力，即由真實流體所具有之黏性而產生之力，使得流體的流動呈現兩種差異性較大的分類層流與擾流，此兩種流動現象之區別可由慣性力與黏滯力之比值顯

12、現出來。 在流速低時，流體分子的動量低、黏滯力大於慣性力，流體不會上下混合，亦即流體分子沿鄰近薄層流動，而不干擾其他層面，此種流動現象稱為層流。而當流體速度超過臨界速度時，流體分子的動量增加，使慣性力大於黏滯力，染色絲即在管中擴散，流體分子發生了上下左右不規則的混合，此種流動現象稱為擾流。4.2層流及擾流 層流：平滑有序的均勻流動流體截面的粒子都有相同的速度。 擾流：非規則、漩渦狀混亂的流動兩者由雷諾數來區分。Re = VD/ Re4000為擾流，Re2000為層流如下圖4.3實驗結果 經實驗後德雷諾數為表一，並以圓管連接幫浦得表二、表三和圖3-1（a）、圖3-1（b），連接方管得表四、表五和

13、圖3-2（a）、圖3-2（b）流量計電壓 (V)流量雷諾數 (Re)0.20.0001046883749.719321直徑 (m)面積 (m2)0.10.0025密度 (kg/m3)流速998.970.041875表一流量計電壓 (V)流量0.20.000104688位置 (cm)電壓 (V)90.0039100.0043110.0039120.0295130.0311140.018150.0043180.0037210.004240.0037270.0036300.0035330.004360.004390.0036420.0038磁鐵各數管徑 (起始內徑:終點內徑)60.05:0.1表二圖

14、3-1（a）流量計電壓 (V)流量1.60.0008375位置 (cm)電壓 (V)80.034190.033100.0295110.0057120.01130.011140.0089150.0071160.007170.007180.0066210.0065240.0072270.007300.0066330.0063360.0062390.006420.0062磁鐵各數管徑 (起始內徑:終點內徑)60.05:0.1表三圖3-1（b）流量計電壓 (V)流量0.20.000104688位置 (cm)電壓 (V)90.0196100.0158110.0131120.0123130.0101140

15、.0092150.0121180.0053210.0052240.005270.0028300.003330.0033360.0027390.0029420.0028磁鐵各數管徑 (起始內徑:終點內徑)801:01表三圖3-2（a）流量計電壓 (V)流量1.60.0008375位置 (cm)電壓 (V)80.009590.0101100.0073110.0069120.0069130.0067140.0072150.007180.0067210.0055240.0053270.005300.0052330.0039360.0038390.0032420.0027磁鐵各數管徑 (起始內徑:終點內

16、徑)801:01表四圖3-2（b）第五章 結論 在無元件流體發電機發展過程中，抗干擾的能力是相當重要的一環。為了克服磁場干擾、流體介質的影響等因素，也試用許多不同的方法。在本文中以自來水為流體介質，並用不同形狀的管子，來量測取得感應電動勢的最佳位置，在實驗中得到些許電壓可經由改變流體介質和流速，可以獲得更高更有效率的電壓。 在未來期待使用於海上，經由海流來產生能量，來達到發電的效果。參考文獻1 彭瑞，電磁流量計勵磁技術的過去、現在和未來，自動化儀表，14期，頁1-7，1993。2 張振堶，流量計市場與技術發展趨勢，工研院經資中心，2001。3 R. C. Baker, Flow Measure

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