（信号与信息处理专业论文）基于数模混合相关测量法的电磁流量计信号调理电路的研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 基于数模混合相关测量法的电磁流量计信号调理电 路的研究 摘要 电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律的速度式流量计，其作为流量测 量的一种主要测量仪表，在国内外市场增长迅速。电磁流量计发展和应用的 历史就是其抗干扰技术的发展历史，特别是在微流量测量信号的处理上，由 于其噪声干扰较大，而流量信号又非常弱小，如果不能很有效的除去干扰， 那么流量信号就会淹没在噪声中，造成测量错误。目前在处理微流量信号的 各种方法上，常用信号调理电路方案各有优点，但也有些不足。本文提出 的基于数模混合相关测量法的电磁流量计信号调理方案，从理论上解决了在 消除微分噪声影响的同时兼顾了降低其它各类噪声影响的目标。它不仅对微 流量电磁流量计的研究开发具有重要的理论意义，而且是一个有实际意义的 电磁流量计信号调理技术方案。 论文在阅读国内外大量文献的基础上，了解了电磁流量计发展的历 史、现状，并且介绍了电磁流量计的工作原理，分析了电磁流量计的主要干 扰因素以及励磁方式的种类和选择，重点讲述了数模混合相关测量法的原理 和特点。进行了模数转换的误差分析和消除微分噪声的理论推导，在此基础 上提出了既能消除微分噪声影响又能有效降低其它各类噪声干扰的基于数模 混合最优滤波相关测量法的电磁流量计信号调理技术方案。并在此原理基础 上进行了硬件电路的设计，对硬件电路的组成部分都给出了较详细的阐述。 最后，建立电路系统仿真模型，通过理论仿真，认证了采用数模混合相关测 量法的电磁流量计信号调理技术方案比通常应用的峰值采样保持法的信号调 理电路准确度更高。 关键词电磁流量计；数模混合乘法；信号调理电路；微分噪声 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t h es t u d yo fb a s e do nt h er e l e v a n tm e a s u r e m e n t o f e l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e rs i g n a l c o n d i t i o n i n gc i r c u i td e s i g n a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e r , w h i c hi sb a s e do nf a r a d a y si n d u c t i o nl o w , i s ar a t ef l o wm e t e r e l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e ri sam a i nm e a s u r ei n s t r u m e n tf o r m e a s u r i n gl i q u i df l u x ，w h i c hi sg r o w i n gr a p i d l yg r o w t hi nd o m e s t i ca n df o r e i g n m a r k e t s t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n s h i s t o r yo fe l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ri s a n t i - j a m m i n gt e c h n o l o g yh i s t o r y , e s p e c i a l l ya b o u td e a l i n gw i t ht h e m e a s u r es i g n a lo ft h ew e e n i ef l u x b e c a u s et h em e a s u r es i g n a li sv e r yp u n y , a n d t h en o i s ei sb i g ，i fi tc a l ln o tr e m o v et h en o i s ee f f e c t i v e l y , t h em e a s u r es i g n a lw i l l b ei n u n d a t e di nt h en o i s e ，r e s u l t i n gi nt h ee l l o ro ft h em e a s u r es i g n a l ，b u tt h e m o s t l ym e t h o d sa b o u td e a l i n gw i t ht h ei n e 。a s u r es i g n a l r y ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s t h ep a p e rp u t st h em i x e d - r e l a t e db a s e do nt h em e a s u r e m e n to f e l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e rs i g n a lc o n d i t i o n i n gm e t h o d ，i nt h e o r yt os o l v et h e d i f f e r e n t i a li n t e r f e r e n e ei nt h ee l i m i n a t i o no fn o i s ea tt h es a m et i m et a k ei n t o a c c o u n tt h ei m p a c to fl o w e ro t h e rt y p e so fn o i s ei m p a c to nt h et a r g e t i ti sn o t o n l yt h em i c r o f l o wo fe l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e rw i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e ，b u ti sa l s oap r o m i s i n ge l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e r s i g n a lc o n d i t i o n i n gt e c h n o l o g ym e t h o d t h eh i s t o r ya n ds t a t u so f e l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e ra r es u m m a r i z e d ，a tt h e s a m et i m ei t st h e o r ya n dd e v e l o p e dp r o d u c t i o na r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ；a n dt h e p a p e ra n a l y s e st h em a i ni n t e r f e r e n c ef a c t o r so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e r a n dt h ee x c i t i n gw a y s ，a n dm a k et h ed e c i s i o nt oc h o o s et h el o wf r e q u e n c y r e c t a n g l ew a v ef i n a l l y t h ep r i n c i p l ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fa n a l o g d i g i t a l m u l t i p l i c a t i o na r ed e s c r i b e di nd e t a i l a n dt h ep a p e ra n a l y s e st h ee r r o ro ft h e i i 啥尔滨理工大学工学硕士学位论文 a n a l o gt r a n s f o r mt od i g i t a la n dt h et h e o r yo fr e m o v i n gd i f f e r e n t i a li n t e r f e r e n c e o nt h eb a s eo ft h et h e o r y , t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dt h em e t h o do fd i g i t a l - a n a l o g 。 m i x e dr e l a t e dc l a s s i cf i l t e r , a n dt h i sm e t h o dc a r ln o to n l ye l i m i n a t et h ei m p a c to f t h ed i f f e r e n t i a li n t e r f e r e n c e ，b u ta l s oc a nr e d u c et h e0 t h e l i n t e r f e r e n c e s i t d e s i g n st h eh a r d w a r ec i r c u i to nt h i sc o n d i t i o n ，a n de x p o u n d st h ee l e m e n t so f t h e h a r d w a r ec i r c u i ti nd e t a i l a tl a s t ，t h ep a p e rs e t su pt h ee m u l a t o rm o d e l ，b y 也e w a yo fe m u l a t i n gi nt h e o r y , i tt e s t i f i e st h a tt h es i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i to f t h e m e t h o do fd i g i t a l a n a l o g - m i x e dr e l a t e dc l a s s i cf i l t e ri ss u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a l s i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t i t sp r e c i s i o ni s h i g h e r k e y w o r d se l e c t r o m a g n e t i c f l o wm e t e r ，a n a l o g d i g i t a lm u l t i p l i c a t i o n ，s i g n a l c o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，d i f f e r e n t i a li n t e r f e r e n c e i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于数模混合相关测量法 的电磁流量计信号调理电路的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文 中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作 做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将 完全由本人承担。 作者签名：i j 。j1 夜归期：加。7 年罗月，7 日作者签名：；弋j t j 、凡妇期：加1 ，7 年罗月，7 日 l | 。 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于数模混合相关测量法的电磁流量计信号调理电路的研究系本人 在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本 论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借 阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密刚 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 可，、l 、缸日期：加叶年；月，夕日 导师签名： 邮日期：叫年弓月杪日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 流量测量研究的目的和意义 流量与温度、压力、物位等的测量同为热工测量，是工农业生产过程控制 中的重要测定的参数之一。流量测量还与人们的日常生活有着密不可分的关 系。因此，作为流量测量的流量计应用范围广阔。其应用遍及钢铁、冶金、给 水、排水、石油、化工、食品、医疗、环保、航空_ 航海、航天、农业灌溉等 部门。 然而，就液体流动的流量检测而言，要比温度、压力等参数检测困难得 多。其原因在于，流量这个参数受输送液体的工作条件如压力、温度、流动状 态、流体状态、液体的种类、开关等参数的影响。要达到正确测量流量的目 的，必须采用不同的测量仪表和不同的补偿措施。这就是说，流量计的种类和 品种是十分繁多的。例如，考虑到测量不同的流体状态，则有气体、水、蒸 汽、油等不同的流量计。同样是液体测量，使用的流量计也不同。譬如，使用 电磁流量计可测量导电液体流量，但随着液体导电性质不同，液态金属流量测 量需要使用直流磁场或者低频励磁的电磁流量计；低电导率液体流量要用电容 型电磁流量计等等。因此，研究和使用流量计相对于其他测量仪表要困难得 多。只有结合具体测量的流体对象和测量的目的，针对性地选择适当的流量 计，才能合理、经济、可靠、准确地进行有效的流量测量】。 流量测量的目的和意义，一是“监控目的”。流量测量是在生产过程中给 管理者或控制系统提供流量测量的准确数值，以便做出合理地判断与调节，达 到优良的控制，提高产品的质量与产量譬如化工生产原料的配比、制水与污水 处理的加药、石油采油的高压注水、钢铁的高炉检漏、连铸连轧等；是提高劳 动生产率、提高产品质量的有效手段：也是降低工人劳动强度、改善工人劳动 条件的有效措施；同时为企业管理者提供在生产过程中降低成本、降低能耗和 提高设备的使用寿命等科学的、可靠的数据。所以说，应用流量仪表测量流量 是提高企业科学管理水平和极大发挥经济效益和社会效益的有利措施。二是 “计量目的”。流量测量从经济利益出发，为供需双方计量交接贸易的流体总 量提供合理的贸易结算数值。利用连续累计一段时间内的总量值，为贸易结算 和总量控制提供科学的、可靠的流体总体积或总质量。油、蒸汽、水、热量等 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 产品和资源作为商品买卖，通过流量计能够为供需双方提供交易的依据。对于 一个生产企业内部使用的资源和能源分配管理，流量仪表也是必不可少的手 段。在节约资源和能源越来越为人们重视的今天，流量计能够为企业带来巨大 的经济效益和社会效益。同时，在当今社会人们对赖以生存的地球、环境保护 与污染治理意识日益加强，世界各国都把工业生产排放的污染气体、污水总量 作为控制目标，由流量计给出科学的、可靠总量数据，从而有效的对排放口进 行管理与控制。在许多场合下，“监控目的 与“计量目的 会同时出现。譬 如，土木施工中浇注水泥浆，使用流量计测量水泥浆流量不仅可以控制浇注速 度，保证浇注质量，又不浪费水泥浆。再如，使用流量计可以快速、准确的完 成饮料生产自动装袋、装罐，不仅保证了所装袋、罐饮料的质量，而且提高了 工作效率，减小了工人的劳动强度。 对于“监控目的”的流量计，要求以测量可靠、稳定为主，测量精度为次 要。而对“计量目的”的流量计，不仅要求测量稳定、可靠，对测量精度的要 求也很高。因此，对于同样能够测量流体的流量计，有些只适用于“监控目 的”，有些可以适用于“计量目的 。譬如，容积式流量计多用作“计量目 的”，面积式转子流量计多用作“监控目的”。而电磁流量计是既可以用作“监 控目的”，又可以用作“计量目的”的流量计。 1 2 电磁流量计的发展历史 1 8 3 1 年，法拉第发现电磁感应定律1 8 3 2 年他进行世上最早的电磁流量计 的试验。虽然这次实验以失败告终，但它掀开了电磁流量计发展史的序幕。 1 9 5 0 年代后期，工业发达国家实现了工频正弦波励磁技术。工频正弦波励 磁技术是利用工频5 0 h z 正弦波电源给电磁流量计传感器励磁绕组供电，其主 要特点是能够基本消除电极极化表面的极化现象，降低电极电化学电势的影响 和传感器的内阻。另外采用了工频正弦波励磁技术其传感器输出流量信号仍然 是工频正弦波信号，易于信号放大处理，而且能够避免直流放大器存在的实际 困难，励磁电源简单方便。但是其存在着难以消除的工频干扰，同时存在电源 电压幅值和频率波动干扰。 1 9 5 3 年，工业用电磁流量计首先由荷兰的t o b l 公司( a l t o m e t e ：前身1 推向市 场。1 9 5 4 年，f o x b o 公司也推出了电磁流量计产品。 1 9 5 5 年，日本也制成了电磁流量计，几乎同时前苏联、英国、前西德也相 继试制成功。这些产品采用的都是直流励磁技术。直流励磁技术是利用永磁体 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 或者是直流电源给电磁流量传感器励磁绕组供电，以形成恒定的励磁磁场。具 有方法简单可靠、受工频干扰影响小以及流体中的自感现象可以忽略不计等特 点。但是，直流励磁技术的最大问题是直流感应电势在两电极表面上形成固定 的正负极性，导致电极表面极化，使得感生的流量信号电势减弱，电极间等效 电阻增大，电极极化电势漂移，严重影响信号处理。另外，直流励磁在电极间 产生不均横的电化学干扰电势叠加在直流流量信号中，无法消除，并随着时间 的变化、流体介质特性以及流体流动状态而交化。第三，直流放大器的零点漂 移、噪声和稳定性问题难以获得很好的解决。目前直流励磁仅在原子能工业中 用于导电率极高，而又不产生极化效应的液态金属流量测量中百 一 19 5 5 年，a b d e n i s o n 、m p s p e n e e r 、h d g r e e n 首先提出了低频矩形波励 磁思想。此项励磁技术既具有直流励磁技术不产生涡流效应、变压器电势( 正 交干扰和同相干扰) 等优点，又具有工频正弦波励磁基本不产生极化效应，便 于放大信号处理，而能避免直流放大器零点漂移、噪声、稳定性等问题的优 点，具有较好地抗干扰性能。从1 9 7 0 年代，工业发达国家先后研制成功单极 性和双极性低频矩形波励磁电磁流量计开始，在电磁流量计中得到了广泛应 用。 2 0 世纪6 0 年代初，希克里夫( j as h e r e l i f f ) 在柯林( a k o l i n ) 等前人在无限 长均匀磁场的电磁流量计的数学解析基础上，完成了有限长均匀磁场下等流速 情况的数学解析，并用权重函数的理论提示了产生感应电动势的微观性，使得 电磁流量计有了系统的基础理论i s , 6 。 2 0 世纪8 0 年代以来，微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使电磁流量 计制造技术更加成熟和完善，其应用领域更加扩大。当代的电磁流量计采用单 片机技术，用数字信号的处理方法等措施使电磁流量计的测量精度和性能不断 提高，并可充分利用计算机具有信息贮存、分时处理、运算和控制能力的优 势。比较容易实现了双向测量、空管检测、多量程自动切换、人机对话、与上 位机通信、自诊断等智能功能。因此本文将从研究基础的低频智能电磁流量计 入手，并为其他类型的电磁流量计的开发奠定基础【7 母】。 1 9 5 7 年，机电部上海工业自动化仪表研究所采用直流励磁技术试制成功我 国第一台工业应用电磁流量计 19 8 2 年，上海工业自动化仪表研究所成功地研制了单极性低频矩形波励磁 电磁流量计，标志了我国电磁流量计也进入低频矩形波励磁技术的时代。 1 9 8 3 年，国外多家公司均研制成功三值低频矩形波电磁流量计。三值低频 矩形波励磁技术最大特点是实现在零状态时校正零点，因而具有更优良地零点 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 稳定性，利用微处理器技术的逻辑判断功能和运算功能可解决尖峰状干扰电势 地影响，但降低了电磁流量计响应速度。1 9 8 6 年，东北工学院和河南开封仪表 厂合作，于1 9 8 8 年研制成功三值低频矩形波励磁电磁流量计，使我国电磁流 量计生产技术跨上新的台阶。 1 9 8 8 年7 月，为了克服三值低频矩形波励磁技术不能兼顾消除低频尖峰噪 声和流体流动噪声和保持零点稳定性的矛盾，日本横河北辰电机株式会社提出 双频矩形波励磁技术以解决泥浆、纸浆、矿浆等液固两相导电性流体和低导电 率流体流量测量。日本横河北辰电机株式会社首先推出了双频矩形波励磁电磁 流量计。同年1 0 月，武汉水利电力学院进行跟踪研究，并于1 9 9 0 年代初步取 得多项研究成果t 1 0 , u 。 1 9 8 9 年，上海光华仪表厂和德国冷k r o h n e 公司及荷兰a l t o m e t e r 公司共同 投资建设的合资企业上海光华爱而美特仪器有限公司投产，生产m t g o o f 系 列、k 3 0 0 e x 系列低频矩形波励磁电磁流量计，通过引进、吸收、消化使我国 电磁流量计整体生产技术达到国外发达国家8 0 年代初的水平。 1 9 9 2 年，德国f i s e h e r p o r t eg m b h 在i n t e r k a m a 展览会上展出了称为 p a t t i m a g 的非满管电磁流量计。1 9 9 5 年7 月，日本“9 5 水道展”上，爱知时计 电机公司和东芝公司也分别展示了其非满管电磁流量计。 1 9 9 0 年代以后，在技术原理上电磁流量计无重大突破，研究方向多转入多 电极方向。1 9 9 6 年，b h o m e 等人研制出了工业用非轴对称流量测量的多电极 电磁流量计。同年，我国清华大学的张小章提出了基于流动电磁测量理论的流 场重建理论。 我国1 9 8 0 年制定了电磁流量计行业标准。随着技术发展和进步，1 9 9 9 年 又进行了修订，等同采用i s o 国际标准0 s 0 9 1 0 4 ：1 9 9 1 和i s 0 6 8 1 7 ：1 9 9 2 ) 的 国家标准：g b t 1 8 6 5 9 2 0 0 2 封闭管道中导电液体流量的测量电磁流量计的性 能评定方法1 和g b t 1 8 6 6 0 2 0 0 2 封闭管道中导电液体流量的测量电磁流量计的 使用方法 已经颁布。使得今后我国的电磁流量计能够与国际接轨，为发展我 国的电磁流量计创造了条件 1 2 , 1 3 1 。 我国电磁流量计的发展较早，2 0 世纪8 0 年代以来较成功地走引进国外先 进技术以及与国外先进企业合资的改革之路。这不仅使电磁流量计骨干生产企 业得以迅速发展，而且带动了其他生产电磁流量计的中小型企业的技术进步。 产品口径系列3 m m 到3 0 0 0 m m ，测量精度在士o 3 r 或士i f s 范围。生产厂家 2 0 世纪8 0 年代初期4 家发展到目前大约3 0 多家；产量由年产不足千套到今天 已年产近三万套( 1 4 l 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 但是，电磁流量计在设计制造过程中有许多技术难点需要攻克，国内生产 厂家基本仅生产电磁流量计传感器，而测量流量信号的关键部分转换器基 本采用进口，如光华爱尔美特进口德国科隆、上海横河电机进口日本横河、开 封仪表厂进口英国肯特、上海威尔泰引进德国菲波、北京瑞普三元引进西门子 等等【1 5 】。 2 0 0 0 年，浙江大学研制成功了多电极成像式电磁流量计。 2 0 0 2 年，北京佛利蒙特自动化工程有限公司公开报道了推出的f z 系列电 磁流量计传感器。该传感器实现了管道式与插入式的统一，突破了管道式电磁 流量计精度高而不易检修，插入式电磁流量计易于检修而精度低，人们往往只 能二者取其一的限制。它的优点是可以在线带压安装和方便地进行电极检修， 解决传统电磁流量计传感器电极污染后的检修问题f 1 6 1 。 我国早在2 0 世纪5 0 年代末就开始研制电磁流量计，上世纪6 0 年代初上 海光华仪表厂开始向社会提供产品。2 0 世纪7 0 年代中期，受先进工业国对电 磁流量计的影响，我国电磁流量计理论的研究也进入了高潮。1 9 7 5 年，著名物 理学家、北京大学王竹溪教授和赵凯华教授对电磁流量计权重函数理论进行了 严谨的数学解析，带动了华中工学院、华北工学院、上海交通大学等众多高校 积极参与电磁流量计理论的研究，并开发出我国的权重分布磁场电磁流量计产 品。 1 3 电磁流量计的发展趋势 1 非均匀磁场的电磁流量计现今世界各国生产的工业用电磁流量计，其 传感器绝大多数是属于均匀型的，励磁线圈尺寸较大，轴向长度较长，测量管 也就较长，这样才能消除磁场边缘不均匀的影响，因此，这种传感器体积较 大，并且它难以准确测量流速分布为非轴对称状态的流体流量。 非均匀磁场电磁流量计通过改变励磁线圈的尺寸形状、增加附加线圈来改 变磁场的分布：或改变电极形状来改变权重函数( 表示在工作磁场有效区域中 任何微小体积元在切割磁力线时对电极间信号所做贡献的大小) 的分布，使得 非均匀磁场的磁场强度和权重函数的乘积为一常数，也就说通过该非均匀磁场 运动的每一个流体微元所产生的感应电动势的大小相同，此时被测流体对称性 受到破坏时也不致影响感应电动势的大小，即流量计可用来测量非对称流的流 量。 非均匀磁场的轴向长度只要能保证在两电极所在的平面内具有所需要的磁 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 通密度即可，因此其长度远比均匀磁场的长度短。这样就便于缩小传感器的长 度，实现传感器的小型化。 非均匀磁场的电磁流量计同均匀磁场的电磁流量计一样，都是基于法拉第 电磁感应原理。但前者传感器励磁线圈的设计完全遵循一种新的理论基础，涉 及的大多是较繁琐和复杂的数学推导等理论问题，至今仍无大的进展，且由于 目前工艺水平的限制，理论设计结果难于实现，使得6 0 年代就己出现的非均 匀磁场电磁流量计至今仍处于发展阶段。 唯有理论上取得突破性进展和微机械加工技术达到一定水平，非均匀磁场 一才可能代替均匀磁场，进行非轴对称流的准确测量和实现传感器的小型化。 一 2 电容式电磁流量计电容式电磁流量计【1 7 】又称为无电极电磁流量计， “无电极 并非真的没有检测信号的电极，而是指检测信号的敏感元件不与被 测介质直接接触。由于衬里的隔离作用，在流体与电极之间形成很小的静电电 容，流体产生的电动势通过信号电极和流体间的静电电容祸合，实现流量信号 的检测。 无电极式电磁流量计与电极式电磁流量计的不同点，是它的信号电极设置 在衬里的外表面上，被测流体与电极通过衬里隔离，不与流体直接接触。由于 衬里的隔离作用，在流体与电极之间形成很小的静电电容，流体产生的感应电 动势通过信号电极和流体间的静电电容耦合，从而实现了非接触检测。 无电极式电磁流量计的优点在于其适用于泥浆混入型流体，适用于低导电 性流体，适用于附着性流体。 电极式电磁流量计由于电极与流体直接接触，流动的泥浆会冲击电极，加 之电解作用，会产生杂波，而无电极式电磁流量计由于电极不直接接触被测流 体，故而能从根本上解决电位变化引起的杂波，达到稳定测量的目的，适用于 泥浆混入型流体的流量测量。 无电极式电磁流量计由于利用静电电容耦合检测电势，信号源具有极高的 阻抗。检测器内设置了具有高输入阻抗的前置放大器，为此信号衰减被控制到 了最小程度。其结果是，即使对阻抗很高的低导电性流体，也可稳定测量。其 最小可测定5 s m 的流体。 在测定附着性流体时，电极式电磁流量计的电极表面容易附着物质，使输 出出现偏差而不稳定。特别是绝缘附着物更会影响测量的精度。而无电极式电 磁流量计，绝缘附着物不会影响流体与信号电极之间的静电电容，可稳定的测 旦 夏0 由上可见，无电极式电磁流量计由于其真正的非接触测量，使得它能应用 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 于一些电极式电磁流量计难以胜任的场合，正因为如此，许多研究者早已致力 于无电极式电磁流量计的研制，日本日立公司也已研制成功。虽然无电极式电 磁流量计如此诱人的非接触测量的特点，但离工业化应用还有一定的距离，主 要原因在于静电电容的检测存在难度，检测信号电容时易受杂散电容、分布电 容的影响，有时信号电容被完全淹没在干扰电容中，致使无法测量。随着电子 技术的不断发展和研究的深入，技术难题将逐步被攻克，无电极式电磁流量计 的工业化应用也将指日可待。 3 多电极电磁流量计尽管多年来还有许多研究者仍在进行两电极电磁流 量计的研究，如励磁线圈的优化设计，零点稳定的实现等【1 啪7 】。有的研究者还 进行了两电极电磁流量计用于两相流和多相流测量的研究1 2 8 - 3 1 1 。但两电极电磁 流量计不能用于测量非轴对称流型流体和小流量测量，其根本原因在于靠近电 极区域对流型变化的“过度敏感 。当流型为轴对称时，电极附近的过度敏感 区被远离电极的欠敏感区所平衡，故流量计可以准确测量。而当流速分布偏离 轴对称时，这种敏感平衡关系被破坏，测量将会出现误差。为了解决非轴对称 流条件下上述敏感平衡关系被破坏这一问题，研究者提出了两种方法。一种就 是前面提到过的非均匀磁场电磁流量计，但由于理论求解的难度和工艺水平的 限制，对非均匀磁场的研究没能深入进行，多年来进展不大。另一种方法就是 采用多对电极、多对感应线圈的多电极电磁流量计。多电极电磁流量计不但能 解决非轴对称流型的流量测量，还可用于流场速度分布的求解 3 2 - 4 0 】。从8 0 年代 开始，许多学者对多电极电磁流量计进行了理论上和工程上研究，并取得了不 少成果1 4 1 4 7 。 1 4 电磁流量计的工作原理及特点 利用电磁感应原理测量是众多流量测量方法中最普遍的方法之一。它能够 测量多种形状流道内导电液体的流速和流量，是法拉第电磁感应定律的应用。 法拉第最早通过实验发现电磁感应现象。实验表明，通过导体回路所包围 的面积的磁通量发生变化时，在回路中就会产生感生电动势及感生电流。感生 电动势的大小正比于与回路相交的磁通随时间的变化率，其方向由楞次定律决 定。楞次定律告诉我们：感生电动势及其所产生的感生电流总是力图阻止回路 中磁通的变化。 因此，回路中感应电动势e 的大小和方向可表示成： e d e ) ( 1 - n 田 其中，磁通的正方向与感生电动势的正方向符合右手定则。 实际实验中，导体回路所包围的面积的磁通量发生变化，通常有两种表现 形式：一是导体在磁场中切割磁力线运动；另一种是导体在磁场中并未做切割 磁力线运动，但导体回路所包围的磁通量是交变的。 如图1 1 所示： 图卜1 电磁流量计原理 f i g 】- i t h et h e o r 、 o f e l e c l r o n m g n e t i cf l o wm e t e r s 导体在磁场中做切割磁力线运动，导体两端就会产生感生电动势。由电磁 感应定律可知： 置一等一等一b d ：d 础l = b d v - 2 ) o - 2 ) 6 ，一百一百一2 础2 式中占磁感应强度； a 磁通量变化的面积： d 导体长度； l 运动的距离； v 运动的速度； e 感应电动势。 电磁流量计传感器能够把流速这个物理量线性地变换成感应电动势。 我们把在管道内流动的导电液体流动看成导体的运动。当管道置于磁场 内，在与磁场方向、管道的中心轴、管道的直径三者相互垂直的管道位置，装 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 两个与液体相接触的电极，如图( 1 1 ) ，那么，管道的直径可以看成导体的长 度，液体相对于电极流动，这样就可以看成导体在磁场内做切割磁力线运动。 显然，这时候两电极能够感应出电动势来。其大小遵循公式( 1 - 2 ) 。那么当磁感 应强度b 一定时，测量的感应电动势与管道内的平均流速成正比。流过管道一 定断面的体积流量等于该断面的面积与流速的乘积。对于圆形测量管流过的体 积流量为： 栌三9 2 ；( 1 - 3 ) 吼= 。v 4 代入( 1 - 2 ) 可得- 曰。= 竺d 2 笠 ( 1 - 4 ) 4刀 、 从以上公式可以看到，电磁流量计的流量测量与其他物理参数的变化无 关，这就是电磁流量计的最大优点。 以上公式只是粗略的说明电磁流量计的工作原理。其实，它必须在一定条 件下才能成立： 1 磁场在无限大的范围内，且磁感应强度曰是均匀分布的。 2 流体如同固体导体一样，其内部质点的速度处处相等，与平均流速相 同。 实际的情况是磁场只能在有限范围内磁感应强度召相对均匀分布。而且对 于空间中的质点，磁场中的磁感应强度召是有方向性的矢量。这样看来，导电 流体在磁场内流动产生的感应电动势远比一般导体在磁场内做切割磁力线运 动，导体两端产生电动势的情况复杂得多。因此必须从微观上去认识电磁流量 计是如何工作的。问题的解决必须通过微分方程的建立与解析，得到电磁流量 计的工作前提条件。 电磁流量计具有以下主要特点： 1 结构简单，无活动部件和阻碍被测介质流动的扰动件或节流件，不会 发生管道阻塞、磨损等问题。 2 电磁流量计是一种测量体积流量的仪表，其测量不受流体的密度、温 度、压力、粘度、雷诺数以及在一定范围内电导率变化的影响。 3 电磁流量计的测量范围很大。 4 测量原理上是线性的，测量精度高。 5 耐腐蚀性能好。 6 原理上是测量过水断面的平均流速，信号按权重分布面积分，对流速 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 分布的要求较低。 7 使用可靠，维护方便，寿命长。 1 5 课题来源：大庆纽斯达采油技术开发有限公司。 1 6 本课题的研究任务 虽然电磁流量计从诞生至今已经经历了几十年的发展历程，但是其在工农 业生产中得到广泛应用和迅速发展还是在二十世纪后期电子技术、半导体技术 特别是微处理器、微型计算机技术飞速发展和广泛应用之后。尽管国内已有若 干厂家生产电磁流量计产品，但总体上技术水平与国际上先进的产品还有一定 的差距，主要是测量精度不高( 这里面有基础理论研究、硬件和软件开发研究 等一系列问题) 、流量测量范围偏窄量程比以及通用性( 不同介质) 和互换性( 产 品使用元件、工艺) 不好等诸多问题，迫使使用部门每年不得不从国外进口大 量仪表。目前国内厂家生产的电磁流量计平均价格在1 4 0 0 0 元左右，而国外同 类产品的价格国内产品价格的几倍甚至十几倍以上，不仅花费了大量外汇，同 时也制约了民族工业的振兴和发展。 因此，扩大流量测量范围，提高精度等级，降低功耗，提高产品性能和稳 定性，进一步降低成本是电磁流量计今后的研究方向。 从设计任务实际出发，分析与解决电磁流量计在设计与实际应用过程中遇 到的实际问题，提出合理的解决方案是本设计的主要任务。 本课题的研究内容： 1 分析电磁流量计的基本原理和各种噪声来源。 2 分析消除电磁流量计各种噪声的常用方法。 3 研究基于数模混合相关测量法在电磁流量计信号调理电路上应用的基 本原理及系统误差分析。 4 提出基于数模混合相关测量法的电磁流量计信号调理电路的技术方 案，并完成了硬件电路的设计，它满足微流量液体的流量测量。 5 进行仿真对比及误差分析 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章电磁流量计的干扰和励磁方式的分析与选择 2 1 电磁流量计的干扰 电磁流量计在研制过程当中，有许多实际问题需要解决。如干扰信号分析 与抑制、浆液燥声产生的原因与抑制等等。 在实际测量过程当中，感应信号相当微弱，属于微伏级信号，加上该信号 与大地不隔离，信号内阻大，容易引入各种干扰。传感器感应的流量信号是电 极间的电位差，由于电磁感应、静电感应以及电化学电势等原因，电极上所得 到的电压不仅仅是与流速成比例的电动势，也包含各种各样干扰成分在内。因 此，要正确测量流速，排除干扰，必须分析干扰的成分与来源，对症下药，采 取合理的、有效的措施才能达到目的。 2 1 1 传感器产生的流量信号特征 传感器测量电极上得到的电压信号提供给转换器，由。f 式表示： e ：b v d + _ d 了b + 万d 2 b + 巳+ e d + p ：( 2 - 1 ) 出 出2 。“ 2 其中b v d 流量信号( 流速信号) ； 辈馓分干扰电压； 窖同相干扰电压； e共模干扰电压；c e d 串模干扰电压； e ：直流极化电压。 ( 2 - 1 ) 式右边第一项与流速( 或流量) 成正比，称流速信号( 或流量信- g - ) ，其 他与流速无关的部分认为附加噪声。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 1 2 正交干扰( 微分干扰) 多数电磁流量计的磁场都是由通电线圈所产生。我们知道电磁感应定律不 管是正弦波交流电励磁还是矩形波电流励磁，励磁线圈都会像一个变压器的初 级那样，当初级产生的磁力线穿过次级电流，然后在次级回路中的负载电阻两 端出现感应电压。如果磁力线完全平行于闭合次级回路，回路负载上则不会产 生感应电压。 在传感器中，由于两电极的引线处于交变磁场中，从电极a 一引出线一转 换器输入电阻。一另一引出线一电极b 一被测流体电阻一回到电极a ，形成一 个闭合回路。这个回路相当于1 匝的变压器次级绕组。实际的传感器装配工艺 很难做到电极引出线回路平面完全平行于磁力线，总会有一部分交变的磁力线 穿过闭合电极回路平面。所以，即使流速等于零，没有流量信号感应，也会在 电阻上感应出一种电压。这种电压与流量无关，是干扰电压。这个过程像变压 器的工作过程，所以通常称为“变压器效应”当变压器通电后，在次级感应的 电动势大小可以表示如下： 气= 警( 2 - 2 ) 式中e 。一正交干扰( 或微分干扰) 电动势。对于交流正弦波励磁， 吃c o s ( c o t ) ， 代入后得： e 。= 2 n f b c o s ( c o t ) ( 2 3 ) 式中厂为励磁频率。从上面公式可以看出，正交干扰比流量信号相要滞后 9 0 。磁场由励磁电流所激励，磁场的波形相位与磁化电流一致，也就是说， 磁场的相位滞后励磁电压9 0 。作为一匝次级的电极引出线回路，负载上的电 压与初级电压相位差1 8 0 。，于是，正交干扰波形与流量信号波形相差9 0 。因 此，我们把这种电压称为正交干扰( 曾经称9 0 。干扰) 。实质上，公式( 2 3 ) 反映的 正交干扰是磁感应强度b 对时间f 的微分，因此又把正交干扰称为微分干扰。 励磁线圈存在着电感和电阻，低频矩形励磁电流流过励磁线圈时，由一个稳态 换向另一个稳态时，磁化电流并不是立刻达到稳态，而是需要一段时间。也就 是说，矩形波磁场的上升沿和下降沿都存在一段随时间的积分变化过程。微分 干扰产生过程是：当励磁电流由一个稳态转换为另一个稳态时，磁场开始以一 定的速率向另一个稳态转换。于是这一周期过程中，电极引出回路得到的感应 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 电压是一个正的微分变化状态的电压波形和一个负的微分变化状态的电压波 形。式( 2 - 3 ) 反映出正交干扰的幅度与励磁频率成正比。这就是低频励磁具有微 分干扰小优越性的根本原因。 2 1 3 同相干扰与零点漂移 电磁场理论告诉我们：交变的电场能够产生交变的磁场，交变的磁场能产 生交变的电场，交变的电场和磁场总是相互交连，相互转换的。传感器内部分 主磁通形成的正交干扰的闭合涡电流流线。同时，也会有与正交相连的闭合二 次磁通发生，并又有与二次磁通正交相连的涡电流流线发生。这个过程可以用 磁场对时间的二次微分来描述，于是同相干扰电势，g r 写作： 白：掣：丁d z ( b s i n c o t ) = c 0 2 b i nc a t ：( 2 万硝b s i nc o t ( 2 - 4 ) s ms i l lg o t 白2 j 万2 j 广 2 瞄万，) 其中，e ，与磁感应强度b 同相位，也就是与流量信号的相位同相。但是它 的幅度大小与流量无关，这是一种干扰，这种干扰称为同相干扰。这里也可以 看出，同相干扰是正交干扰的再次微分所得到的。因此，正交干扰大，引起的 同相干扰也大。根据电磁场相互转换的说法，正交干扰与同相干扰也是能够相 互转换的。所以，尽量降低正交干扰，同相干扰也会降低。因同相干扰与流量 信号的相位相同，幅度大小与流量无关，使得很难从电极测量信号中把同相干 扰与流量信号分开。于是，同相干扰便成为传感器的零点输出和零点漂移的根 源。 从式( 2 - 4 ) 中可以看出同相干扰的幅度大小与频率的平方成正比。低频矩形 波励磁能使传感器的零点大幅度地降低，这也是低频矩形波励磁零点稳定的原 因所在。 2 1 4 共模干扰 共模干扰其定义是：相对于公共的电位基准点，在转换放大器的两个输入 端子上同时出现的干扰。虽然它不直接影响测量结果，但是当转换放大器的输 入参数不对称时，它会转化成串模干扰影响测量结果。 电路与共模干扰发生的情况如图2 1 所示： a 和b 表示两个测量电极，流量信号被分为幅度相等、方向相反的+ p 2 和一e 2 两部分，2 是它们内阻。这是有用的流量信号，显然这是双端差动输 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 出信号。图中，琢表示地电流在接地电阻匕上形成的干扰压降。当电极a 和 b 开路，或者接到输入电阻非常大的转换器输入端，琢不会被分压而是作为电 位同样地传递到电极a 和b 上。这时，电极a 和b 的电位对地表现出的是幅 度大小相等，极性相同的干扰电压，因此是一种共模干扰电压。 总之，交流共模干扰产生的原因多数是静电干扰引起的。降低传感器交流 共模干扰的方法是良好接地与静电屏蔽。所谓良好接地，指采用一点接地法， 接地并不要求十分小的接地电阻。静电屏蔽是指对励磁线圈与电极的屏蔽。铁 芯( 磁轭和极靴) 也必须接地，以消除涡电流的影响。 励磁线圈l 图2 - 1 传感器等效电路与共模干扰 f i g 2 一lt r a n s d u c e re q u i v a l e n tc i r c u i ta n dg