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                      非满管电磁流量计测量方法
                      发布时间2019-04-04

                      电磁流量计由于具有众多的优点广泛应用于工业各种场合近年来已经逐步向民用领域扩展传统的电磁流量计仅能用于满管的流量测量对于非满管流体或者流体在满管与非满管之间变化的流动时的流量测量研究较少非满管流体流动时,由于管内的流体截面积是变化的,或者流体流动一直处于非满管状态非满管流量的测量需要测量流体平均流速和液位这两个参数非满管状态下,测量管内流体流速分布不对称,导致权重函数的分布和液位有关同时电极上的感应信号是两电极横断面内所有质点电位的集合,即电势一定要处于电极可测量范围之内,所以进行非满管的流量测量电极必须浸入流体内,否则电极得不到感应信号[17-19]
                      1 非满管电磁流量计的结构设计
                      1.1 非满管电磁流量计的测量原理
                      管道式电磁流量计在工作的过程中可能会出现管道中流体未充满或者在流体流动过程中流体流动处于满管向非满管道的转换状态中使管中流体流动有两种流动状态对流体未充满管道式 1如图 3-1 所示此时如果?#22253;?#20256;统流量计的测量原理则
                      ?#23548;?#20540;=测量值-上部空气部分

                      由权重函数的理论可知感应信号电压是两电极横断面内所有质点电位的集合不论流体在管道中横截面如何变化流动流体的质点都会有感应电势但是这些电势一定要处于电极的集合范围内如果电极暴露在空气中电极得不到信号[19]流体未充满管道式 2 就是这?#26234;?#20917;当流体未充满管道时管中流体的?#23548;?#27969;量值Q实=A实?`V而管中流体的截面积为:

                      式中 h 为液面高度 D 为测量管内径而不再是由此可知非满管电磁流量计的流量测量必须同时测量平均流速和液位高度这两个物理量
                      1.2 非满管电磁流量传感器流速测量机构
                      根据电磁流量计的基本原理当流体充满管道时管中流体的平均流速和两电极之间的感应电势之间的关系如式2-1所示当管中流体未充满时如前面所述测得的信号不准确或者根本得不到感应电势信号本机构在传统电磁流量计的基础上将流速检测电极在高度方向上设计在距测量管底端 10%D处其中 D 为测量管直径这样能保证管中流体液位高于 10%D 时根据传统电磁流量计基本原理传感器能准确测得流体的平均流速其结构如图 3-3 所示
                      非满管电磁流量计流速测量机构图示
                      此时两极间的感应电动势 E 与两电极间的距离 d 之间的关系为

                      E =k Bd`V ?????????????????????3-2
                      1.3 非满管电磁流量传感器液位测量机构
                      本结构基于电容式传感器的基本原理就是将液位的变化转换成电容值的变化在测量的过程中测量电压频?#30465;?#33033;宽等容易测量的物理量从而实现电容值的测量结合电容式传感器和电磁流量计的基本原理流体在管中流动的过程中利用流量计衬里和管内流体作为介质同时在流量计衬里与管壁之间采用两片?#19981;?#24418;电极片电极片与衬里和管中流体形成一电容器根据电容式传感器的基本原理液体作为一种介质是电容器的一个组成部分液体液位的高低直接影响电容器的电容值即电容器的电容量是液位高度的单值函数其相应结构如图 3-4 所示
                      为了降低信号之间的干扰和便于控制非满管电磁流量计采用流速机构和液位机构分体但是同时同步测量再将两信号进行整合得出流量信号
                      非满管电磁流量计液位测量机构图示
                      2 非满管电磁流量计原理
                      2.1 非满管电磁流量计测量原理
                      流体在管道内沿与磁感应线垂直的方向流动时根据法拉第电磁感应定律会产生感应电动势通过感应电动势值即可得到流体的平均流速在两电极片间有激励电压的作用下两电极片衬里和流体一起构成电容器根据电容式传感器基本原理此传感器的等效电路如图 3-5 所示电极片衬里和流体一起构成了一变介电常数型电容器两极片间电容为上下两部分电容并联而成其中 C1和 C3C2和 C4之间为串联其总电容的计算如式3-3

                      如图 3-6 所示管中液体将测量管分为上下两部分其中空气的介电常数为0ţ流体的介电常数为1ţ衬里的介电常数为2ţ根据电容式传感器模拟计算方法可计算其电容值[20],1C 和2C 由于极板间间距没有改变而且两极板之间是单一介质其电容值可近似作为平行板电容器来计算[21]如下所示

                      式中
                      a 为衬里内半径 m ???????
                      h 为液位高度?? m ???????
                      b 为电极内径?? m ??
                      l 为电极片轴向长度 m
                      2.2 非满管电磁流量计工作原理
                      非满管电磁流量计采用励磁激励和电压激励双激励机制在励磁激励的作用下通过励磁电路产生相应的磁感应强度从而在电极上得到与流速对应的电势信号经过计算得到流体的平均流速值在激励电极的作用下向激励电极通入高频电压使两?#19981;?#24418;电极片与其之间的介质形成电容式传感器通过电容量的测量经过控制系统处理后得到与电容对应的液位高度信号两个过程互不干涉然后经过控制系统分析处理后得到管中流体流量值整个系统框图如图 3-7 所示

                      3 信号转换电路的构成
                      传统的电磁流量计的信号转换电路包含励磁电路和信号处理电路两部分组成非满管电磁流量计除?#33487;?#20004;部分以外还有激励电压电路
                      3.1 励磁电路参数确定
                      励磁系统是电磁流量计的一个关键部分其?#27809;?#30452;接影响到测量结果的精确程度高低励磁系统的参数主要是励磁方式和励磁频?#30465;?#24120;用的励磁方式有以下几种[8]
                      1.直流励磁
                      直流励磁方式是用直流电或永久磁铁产生一个恒定的均匀磁场直流励磁可以忽略流体中的自感现象同时受交流影响很小但是由于管中流体电解质的电离直流励磁易产生极化现象极化电压和流量信号混杂在一起不容易区分所以?#35805;?#22312;测量非电解质流体的情况下才采用这种方式

                      2. 交流励磁
                      交流励磁方式是上世纪 50 年代工业电磁流量计主要采用的励磁方式它的磁场是由正弦交变电流产生一个交变磁场

                      交变磁场能消除极化干扰,同时产生的交变信号经过放大和转换要比直流信号容易但是交变磁场易产生正交微分干扰

                      和同相干扰

                      这些干扰降低电磁流量计的信噪比这些干扰信号与流量信号e=emsint 混杂在一起难以区分

                      3.低频矩形波励磁
                      上世纪70-80 年代出现了低频矩形波励磁这种励磁方式兼有直流励磁和交流励磁的优点同时很好的避免了它们的缺点如图 3-10 所示在半个周期内磁场是直流磁场低频矩形波励磁有直流励磁的特点但从整个过程来看磁场?#36136;?#22788;于周期性变化的过程中低频矩形波?#36136;?#19968;个交变信号便于放大和处理所以低频方波励磁现阶段应用非常广泛的励磁方式

                      综合上面所述非满管电磁流量计选择低频矩形波作为励磁方式
                      电磁流量计采用较高的励磁频率可以有效降低信号源内阻当频率提高到100Hz 时信号源内阻约为几百兆继续提高励磁频率可以进一步降低信号源内阻和流动噪声但是随着励磁频率的提高由式3-7和式3-8可知正交干扰和同相干扰会变得更?#29616;أ?#30005;极上的涡电流也随之增大根据日本专家 Nakatani 的研究成果流动噪声和微分干扰强度随励磁频率变化规律如图3-11所示从中可以看出使流动噪声和正交干扰到达最小的最佳励磁频率应该在 100-400Hz 范围内 [22]

                      3.2 信号处理电路
                      信号处理电路的主要作用是将传感器得到是带有很多干扰而且信号非常微弱的电压信号转换成AD 采样器可以?#37038;?#30340;直流信号从传感器得到的信号如下式所示[23]

                      ec 是共模干扰电压ed 是串模干扰电压ez 是直流极化电压其中正交干扰和同相干扰是由于磁场的突变引起的主要干扰源共模和串模干扰是由于电磁干扰和静电干扰产生的?#25105;?#24178;扰源可以通过静电屏蔽和接地加以?#31181;?#26497;化电压是直流极化现象产生的可通过提高励磁频率消除[24]电磁流量计采用低频矩形波励磁能很好消除直流极化现象在低频矩形波的上升沿和下降沿当励磁电流进入稳态的时候再进行信号采样能消除部分正交干扰电压? [25] 但是信号处理的时间较长
                      由于传感器得到的信号非常微弱并且带有很多干扰所以信号处理电路必须有放大以及抑制噪声和干扰的功能图 3-15 表示信号处理电路的组成部分

                      电磁流量传感器的内阻很大传感器和转换器的等效电路如图 3-13 所示

                      图中 e 是传感器产生的流量电势信号r 是传感器内阻RL是转换器的输入阻抗eX是转换器得到的流量电势信号根据欧姆定律可知

                      从上式可以得知RLr 所以要使信号足够精确转换器必须有很高的输入阻抗[2]
                      从传感器出来是非常微弱且带有干扰的信号信号预处理是首先去除信号中的高频信号然后再用放大器将信号放大同时放大器能很好地抑制共模干扰经过前面的处理之后信号中还会有部分干扰噪声无法直接检测得到滤波器的主要作用是去除剩余部分的干扰和噪声得到模数转换能直?#37038;?#21035;的信号然后传输给单片机控制
                      3.3 激励电压电路
                      非满管电磁流量计以电容式传感器为基本原理向激励电极通入高频电压以形成电容式传感器激励电压电路框图如图 3-14 所示

                      由于激励电极安装在测量管和衬里之间激励电压电路在工作的过程中需要一定大小的高频电压用以击穿衬里材料所以采用变压器以得到不同大小的击穿电压值工控板用来控制整个激励电路
                      4小结
                      本章介绍了非满管电磁流量计的测量方法其中重点介绍了一?#20013;?#30340;非满管电磁流量计的结构该结构是以电容式传感器为基本原理利用电容和液位的高度关系来进行测量同时分析了非满管电磁流量计基本的工作原理简要介绍了流量信号的处理方法为后面实验方案及装置的设计打下了基础

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