（精密仪器及机械专业论文）交流励磁电磁流量计新型转换器设计.pdf

摘要 论文题目。交流励磁电磁流量计新型转换器设计 学科专业：精密仪器及机械 研究生：蒋程军 指导教师：高宗海教授 摘要 签名：藉程军签名：殛亟主 签名： 电磁流量计是依据法拉第电磁感应原理来测量导电流体体积流量的流量仪表。转换器 将传感器感应电动势信号转换成统一的标准电流输出或数字通讯信号，是电磁流量计的关 键组成部件。转换器的设计主要涉及两个问题：一是由前端传感器励磁方式决定的信号处 理方式，二是转换器抑制、消除各个干扰的处理能力。 工频励磁流量计测量窗口比较宽，而且可以测量液固两相混合液，可以弥补低频 ( 1 8 - - 1 3 2 工频) 矩形波励磁流量计只能测量液体流量的缺陷。但采用工频励磁会引入 微分干扰、同相干扰，给转换器的设计带来很大难度。以前的转换器集成度不高，其稳定 性、抗干扰性等各方面比较差，且体积庞大，无法满足当前工业生产现场的需要。 针对以上问题，本文设计了一种基于工频励磁的电磁流量计新型转换器，主要工作为： ( 1 ) 着重解决转换器的抗干扰问题：提出了一种消除微分干扰和同相干扰的新方法，即 通过三角函数关系来消除微分干扰和同相干扰，并采用集成电路实现了基于此方法的硬件 电路：( 2 ) 对于参考信号的选取，采用变压器作为参考信号；( 3 ) 对于励磁频率波动导致 流量信号和参考信号带来相位差不确定的问题，利用对称方法使得两信号相位差恒定；( 4 ) 对于电源电压幅值的波动带来的误差，利用除法器来消除。 实验表明：新型转换器提高了抗干扰性、零点的稳定性和测量精度。转换器还增加了 液晶显示、实时时钟、r s 2 3 2 接口等智能模块，使用方便，成本较低。 关键词：电磁流量计、转换器、微分干扰、同相干扰、抗干扰 a b s t r a c t t i t l e ：d e s i g no fn e wt r a n s d u c e rf o ra ce x c i t a t i o n e l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e r m a j o r ：p r e c i s i o ni n s t r u m e n ta n dm e c h a n i s m n a m e ：c h e n g j m rj i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f z o n g h a ig a o a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： e l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e r ( e m f ) ，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 a w , i sa l l i n s t r u m e n tt om e a s u r et h ev o l u m ef l o wo fc o n d u c t i n gf l u i d a sak e yp a r to ft h ee m f , t h e t r a n s d u c e rw h i c hc o n v e r t si n d u c e de l e c t r o m o t i v ef o r c es i g n a l si n t ou n i f i e ds t a n d a r dc u r r e n t o u t p u to rd i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns i g n a l s t h e r ea r et w op r o b l e m sf o rt h et r a n s d u c e rd e s i g n t h e o n ei st h ei n p u ts i g n a l sp r o c e s s i n gm o d ei nt r a n s d u c e r , w h i c hi sd e c i d e db yt h ee x c i t a t i o h p a t t e r no ff r o n t - e n ds e n s o r , a n dt h eo t h e ro n ei st h ec a p a b i l i t yo ft r a n s d u c e rt oi r t h i b i ta n d e l i m i n a t ed i s t u r b a n c e c o m p a r e dw i t he m fe x c i t e db yl o wf r e q u e n c yr e c t a n g l ew a v ed e s i g n e do n l yf o rl i q u i d f l o wm c a s u r e m e n t s ，e e x c i t e db yp o w e rf r e q u e n c yh a sw i d e rm e a s u r e m e n tb a n d w i d t h a n d a l s oc a nm e a s u r el i q u i d s o l i dt w o - p h a s em i x e df l o w , w h i c hc o v e rt h es h o r t a g eo ft h ef o r m e r b u tw h e np o w e rf r e q u e n c ye x c i t a t i o ni sa d o p t e d , i tw i l li n c u rd i f f e r e n t i a li n t e r f e r e n c ea n d i n - p h a s ei n t e r f e r e n c e ，a n dt h u sb r i n g sal a r g ed i f f i c u l t yi nt r a n s d u c e rd e s i g n ，1 1 1 et r a d i t i o n a l t r a n s d u c e rw i t hl o wi n t e g r i t yh a sd i s a d v a n t a g e ss u c ha sp o o rs t a b i l i t ya n da n t i - i n t e r f e r e n c e ， h u g es i z ee t c ，w h i c hc a nn o tr e a c ht h er e q u i r e m e n t so fi n d u s t r yp r o d u c t i o nf i e l d i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，an e wt r a n s d u c e rb a s e do ne m fe x c i t e d b yp o w e rf r e q u e n c yi sd e s i g n e d 。t h em a i nw o r k si nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ( 1 ) m o r e e m p h a s i si sp u to nh o w t os o l v et h ea n t ii n t e r f e r e n c e a n dan e wm e t h o db a s e do nt r i g o n o m e t r i c f u n c t i o ni sp r o p o s e dt oe l i m i n a t et h ed i f f e r e n t i a li n t e r f e r e n c ea n di n - p h a s ei n t e r f e r e n c e ( 2 ) i n o r d e rt oc h o o s er e f e r e n c es i g n a l ，i n n o v a t i v ea d o p tt r a n s f o r n l e ra sr e f e r e n c es i g n a l w h e n t r a n s f o r m e ri sc h o s e 鹪t h es o u r c eo f r e f e r e n c es i g n a l t h ec i r c u i td e s i g ni se a s ya n dt h es a f e t yo f c i r c u i ti si m p r o v e d 。( 3 ) s y m m e t r ym e t h o di sa d o p t e dt ok e e pt h ep h a s ed i f f e r e n c ec o n s t a n t ， s o l v i n gt h ep r o b l e mo ft h eu n c e r t a i np h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ef l o ws i g n a la n dr e f e r e n c e s i g n a lc a u s e db ye x c i t a t i o nf r e q u e n c yf l u c t u a t i o n ( 4 ) d i v i d e ri su s e dt oe l i m i n a t et h ee r r o r , w h i c hi sc a u s e db yp o w e rv o l t a g ef l u c t u a t i o n t l l ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h en e wt r a n s d u c e r sn o i s ei m m u n i t y , z e r op o i n ts t a b i l i t ya n d m e a s u r e m e n tp r e c i s i o na r eg r e a t l yi m p r o v e d ，a n ds o m ei n t e l l i g e n tm o d u l e ss u c ha sl c d d i s p l a y , r e a l t i m ec l o c k ，r s 一2 3 2i n t e r f a c ea r ea l s oi n t r o d u c e d ，w h i c hm a k e st h ei n s t r u m e n t c o n v e n i e n ta r i dl o wc o s t k e yw o r k s ：e l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e r , t r a n s d u c e r , d i f f e r e n t i a li n t e r f e r e n c e ，i n p h a s e i n t e r f e r e n c e ，a n t i i n t e r f e r e n c e 2 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申嚷；二：本大所里交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果0 尽我所知除特别加以标注和致谢的地 方外l 论文中不包含其他人的研究成果二与我同蔓作的同恚对本丈所论述的士饴和成 果的任何贡献均已在论文中作了- 明确的说蹲辩已致谢q 奉论文及其相关资料若有不实之处，：? 由本人承担。切相关责任 论文作看签名：蕴堡生j ：谚牵7 多4 身彩霞 学位论文使用授权声明+ 靖揩w一一一 本人疆重叠二在导师的指导下刨作完成毕业论文! 本犬己通过论文的答辩：j ：算 已经在西安理王大学申请博三硕擎戡一举火作为学位论文著作权拥有者壬：同意授权 西安理工犬学拥有学位论文韵鄂分使用杈i 艇：t ) 已获学位舱研究生撩学靛规定提交 印刷版和电子版学位论文# 学校可以采用影印缩印或其他复翘手段保存研究生上交蜉 学位论交i 可以将学位艳支的全部或部夯内容编父有关数据库进行检索 彩为教学穰 科研目晦i ：学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆：j 资料室1 筹场所或在校园网j 上供校肉师生阅海j ：制览盘 1 l 率太学位语文全部或部分内容的公带鹫包括到叠羔! 授杈西安理王蕉学砸究里部燕 理： ! ( 保密的学位论戈掷密届遣甫本授权说明蔓 诒文作者签；蕴蕴薹每i 零师签笤疆奄二参旁蕊 绪论 1 绪论 1 1 引言 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1 1 。 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。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、热量等产品和资源 作为买卖商品。流量计能够为供需双方提供交易的依据n o 。 通常，依其测量原理，将流量测量方法分成四大类： ( 1 ) 利用伯努利方程原理来测量流量的流量计是以输出流体的差压信号来反映流 量： ( 2 ) 利用测量流速来得到流量的称为速度式流量测量方法； ( 3 ) 利用4 个标准小容积连续地测量流量的测量方法称为容积式流量测量方法； ( 4 )以测量流体质量流量为目的的流量测量方法与仪表称为质量流量测量方法和 质量流量计。 利用电磁感应原理测量流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，属于速度式流量计，再由于本身的特点，使之在流 量计市场和工业应用领域占据着较大的比重m ： 1 2 电磁流量计概述 1 2 电磁流量计的优缺点 电磁流量计由传感器和转换器组成。由于电磁流量计的设计原理和它的结构特点，它 有以下优点“1 ： ( 1 ) 传感器结构简单，没有可动部件，也没有任何阻碍流体流动的节流部件，无机 械惯性，反映灵敏，所以当流体通过时不会引起任何附加的压力损失，同时也不会引起诸 如磨损，堵塞等问题，特别适用于测量带有固体颗粒的矿浆，污水等液固两相流体，以及 各种粘性较大的浆液等，同样可以测量瞬时脉动流量和快速累积流量，而且线性好。由于 它结构上无可动部件，故可通过附上耐腐蚀绝缘衬里和选择耐腐蚀材料制成电极，起到很 好的耐腐蚀性能，使之可用于各种高腐蚀性介质的测量。 ( 2 ) 电磁流量计是一种体积流量测量仪表，在测量过程中，它不受被测介质的温度， 西安理工大学硕士学位论文 粘度、密度以及电导率( 在一定范围内) 的影响。因此，电磁流量计只需水作为试验介质 来标定，就可以用来测量其它导电性液体的流量，而不需要附加其它修正。 ( 3 ) 电磁流量计的量程范围极宽，同一台电磁流量计的量程比可达l ：1 0 0 此外，电 磁流量计只与被测介质的平均流速成正比，而与轴对称分布下的流动状态( 层流或紊流) 无关。 电磁流量计具有众多独特的优点，但它仍有一些不足之处，限制了电磁流量计应用领 域的进一步扩大，主要有如下几点： ( 1 ) 电磁流量计不能用于对气体、蒸汽以及含有大量气体的液体测量： ( 2 ) 由于测量管绝缘衬里材料受温度的限制，目前工业电磁流量计还不能测量高温 高压流体； ( 3 ) 电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律的仪表，所以在原理上就决定它容易受 外界电磁干扰的影响； ( 4 ) 电磁流量计管道中的流速分布是不均匀的，在轴对称分布的条件下，流量信号 与平均流速成正比。所以电磁流量计前后也必须有一定长度的前后直管段； ( 5 ) 电磁流量计只能测量导电性流体，而且被测液体介质的电导率不能低于( 1 5 ) s c m 。所以它对一些低电导率的流体，如对石油制品或者有机溶剂等还无能为力。 1 2 2 电磁流量计与其他流量计的比较及市场状况 日本学者认为宏观地看，电磁流量计和科里奥利质量流量计的用途扩展已告一段落。 今后将是超声流量计市场的扩大，但是电磁流量计由于具有可靠性高，耐腐蚀性强，测量 精度高，容易变更测量范围的特点，目前在石油、化工、冶金、造纸等行业仍得到广泛应 用，并且各类电磁流量计的发展与应用得以进一步深化，其市场仍有很大的扩展空间“1 。 m i c o n e x2 0 0 流量仪表参展商1 0 0 余家，占全部参展商的5 0 左右，其中国内厂商 5 3 家，国外厂商或代理商4 8 家。参展产品几乎包含了各大类流量仪表。 由表1 一l 可见，国内厂商主要集中在差压、电磁、涡街、流量显示仪几大类，而电磁 量计参展商占比例的1 2 ，在流量仪表参展商中仅次于涡街流量计。 表i - i 国内外各流量计参展数量 t a b 。1 - 1t h en u m b e ro f f l o wd o m e s t i ca n df o r e i g nf a c t o r yi nt h ee x h i b i t i o n 2 差疰差疰嘲叶轮 峨 涡节拳 鼹 疆 谚履 描萤送 赍差搠i 事时轮i 盼 擅叭 噘 显示甜 器式式 温宝祸 式漩温 温漉 弑 式联 涣忡器计轮计计 计馕 鬟式 匡网糙 76168 61 嘎 51z1 967z 5z z1 51 z 日 j 面z 5513651 241z1 555z哇zz1 z1 日日 匡p 卜数量 311 36361 日61 6 1 z44z31 9 日 j 两 311 48 3日1171 813 44z 311 日日 召计糙 1 日7z91 492 日1 51zz 5z z 1 969嘎51 8z1 3 z531474i 日7日11 z1 日93哇zz 81 b 日 根据a r c 咨询集团的最新调查报告“中国的电磁流量计市场趋势调查反映，2 0 0 3 绪论 年中国市场的电磁流量计超过4 6 0 0 万美元，然而到2 0 0 8 年，预计将达到大约7 7 0 0 万美 元。 由于水资源供需不平衡，中国政府将在供水、排水处理方面计划投资2 2 0 亿美元。 a r c 预测，该领域将需要大量电磁流量计。业界认为，非满管用的电磁流量计不能仅满 足现有的性能要求，而且还要适合将来的满刻度的条件，这样的流量计市场需求量很大。 1 2 3 电磁流量计的发展历史 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。它已能够测量多种 形状管道内导电液体的流速和流量，是法拉第电磁感应定律的具体应用。 电磁感应定律是1 8 3 1 年英国物理学家法拉第发现的。当导体在磁场中作切割磁力线 运动时，在导体两端就会感应一个与磁场方向和导体运动方向相互垂直的感应电动势。感 应电动势的大小与磁感应强度和运动速度成正比。 1 8 3 2 年法拉第在泰晤士河滑铁卢桥的两岸，选择与水流方向垂直的地磁场方向的地 方，放着两个金属棒当作电极来测量河水的流速。由于电化学反应、热电效应等原因，测 出的信号是虚假的，并且流速信号被河床短路。加上当时的测量条件限制，所以失败了。 有幸的是，他在1 8 5 1 年见到了w o l l s a t o n 等人利用电磁感应法测量英吉利海峡潮汐试验 的成功。 1 9 1 7 年，史密斯和斯皮雷获得了应用电磁感应的原理制造船舶测速仪的专利，并推 荐使用交流励磁来克服水的极化影响，从而开辟了电磁流速计在海洋学上的应用。 1 9 3 0 年，威廉斯将硫酸铜溶液置于直流磁场中的一个小导电圆管内流动，检测出圆 管两电极间的直流电压与流速成正比，这种装置成为一种简单的电磁流量计。威廉斯第一 次用数学上的方法分析圆管内流速分布对测量的影响，提出了以管中心轴为对称的流速分 布不影响电磁流量计测量精度的理论。尽管他的分析在数学上有错误，但自此有了电磁流 量计的基础理论。 1 9 3 2 年前后，根据f a b r e 的建议。生物学家w i l l a m s a 柯林利用电磁流量计测量和 记录瞬时的动脉血液流量获得了成功。 t 9 5 0 年，荷兰人首先在挖泥船上使用电磁流量计测量泥浆流量。后来电磁流量计在 美国的一般工业生产中得到了应用。1 9 5 5 年日木的北辰电机和横河电机分别引进美国 f i s c h e r & p o r t e r 公司和f o x b o r o 公司的电磁流量计产品，经过不断地消化、吸收和改进， 其电磁流量计很快进入世界先进行列。1 9 5 5 年前后，前苏联、英国、德国也成功地生产 出模拟信号传输的电磁流量计。 二十世纪九十年代以后问世的新一代具有h a r t 协议及其他现场总线通信协议的电 磁流量计更为用户实现全新的现场总线生产控制与管理提供了条件。一体型、两线制、防 爆型、高压型、具有通信功能的电磁流量计在化工、石油、钢铁、冶金等工业生产过程自 动控制中越来越受欢迎 。 西安理工大学硕士学位论文 1 2 4 电磁流量计的未来发展方向 从电磁流量计的发展来看，电磁流量计的发展动向基本存在两种趋势：第一，向普及 型仪表发展。即低功耗、性能适中、传感器小型轻量、传感器体化、使用简便、功能略 少、价格相对便宜的普及型。第二，向高精度、特殊介质测量、多功能、微机智能化以及 新型化方向发展，适应较高要求的自动化生产装置。 ( 1 ) 非满管电磁流量计的研究：传统电磁流量计只能测量满管液体流量，非满管电 磁流量计应用于具有自由表面自然水流下的排放领域，并提高该领域的测量精确度。将传 统非满管流或明渠流流量误差从+ 3 5 f s 降低到( 1 2 ) f s 。非满管电磁流量计仍以法 拉第电磁感应定律测量流速，再利用某种方法测量流通截面的液位高度，从而求得流通面 积，两者相乘获得流量。自1 9 9 2 年f i s c h e r + p o r t e r 公司首次向人们展示非满管电磁流量计 以来，迄今共有4 家制造厂的4 种型号仪表推向市场。口径范围为( 1 5 0 - 1 0 0 0 ) m m t s l 。 ( 2 ) 绝缘介质流量测量：传统的电磁流量计使用低频矩形波励磁，无静电噪声，可 测量导电性流体。不能测量湍流非不导电性流体带有静电噪声，且通过光谱密度实验测得 噪声频率约为厂2 6 ( 厂为励磁频率) 。在上世纪六十年代，电磁流量计首次应用于测量绝 缘液体流量9 1 。当时，为了修正静电噪声，采用了理论上类似于迪拉克( d i r a c ) 脉冲的 频率为1k h z 的矩形波励磁方式。然而，磁芯和旁边的导电材料中的涡电流产生了衰退脉 冲余波，导致为了等待衰退脉冲余波消退而信号采样每半周期均产生滞后。但是，由于使 用高频励磁，没有足够的时间等待余波完全消退，因此产生了零点迁移。对此v c u s h i n g 提出一种根据零点迁移电压方程的时间独立性来剔除零点迁移的电磁信号处理方法，在高 频励磁下，可以校正零点迁移，使得电磁流量计可以测量包括绝缘流体在内的各种流体1 0 1 。 ( 3 ) 应用多电极解决非对称流速测量和流场重建。实验结果表明，两电极电磁流量 计对于轴对称流型及稍微偏离轴对称流体流量的测量效果还好，但轴对称偏离程度较大 时，测量误差太大，无法接受。而多对电极、两对线圈的多电极电磁流量计能改善这一情 况，即使流型严重偏离轴对称，误差也不大，测量精度仍能满足一般的工程需要。多电极 电磁流量计不但能解决非轴对称流型的流量测量，可用于流场速度分布的求解，而且还可 以改善权重函数的分布。国内外有许多研究者正在进行该方面的研究i l t i 。我国清华大学 的张小章于1 9 9 6 年提出了基于流动电磁测量理论的流场重建，即用多电极电磁流量计测 量管道截面流速分布，并对多电极电磁流量计用于流速分布的测量进行了数值模拟，证实 了采用流动的电磁测量方法求解流场速度分布的可行性 1 2 1 1 3 1 。自1 9 9 9 年开始，浙江大学 的张宏建教授、胡赤鹰高工、黄显元及管军等人在基于电磁感应原理的多电极流量测量方 法方面做了深入的研究，取得了一系列的研究成果，并于2 0 0 0 年开发成功多电极成像式 电磁流量计t 1 4 1 。 ( 4 ) 零点稳定性及测量下限拓展：电磁流量计的零点稳定性决定了仪表的测量准确 度和测量下限。目前，实际现场使用中的电磁流量计的测量下限基本停留在0 2 m s 的水 4 绪论 平，而若想进一步拓展测量下限，则必须提高零点稳定性。为此，许多学者进行了大量的 研究，例如从电路抗干扰角度入手，希望设计出高信噪比的电路；根据零点的变化方式， 李忠诚、邦菲克k w 提出了插入法等预测零点电平变化的软件处理方法；通过电路反馈 法来消除零点漂移等，以上方法均是针对某种噪声信号直接通过硬件电路消除或在采样后 通过软件消除。另一方而，2 0 0 3 年，浙江大学的张宏建教授及管军提出了基于相关检测 原理的电磁流量计，通过硬件电路将信号中的所有干扰噪声提取出来，不论噪声是由何产 生，然后根据相关检测原理，对感应电动势信号进行相位相关处理，将实时变化的零点噪 声抵消，从而提高了零点稳定性和低流速下测量准确度，拓展了电磁流量计的测量下限。 ( 5 ) 电磁流量计励磁技术的研究。在电磁流量计中，传感器的工作磁场是由励磁系 统产生的。由于传感器励磁线圈的磁路不饱和性，即线性化磁路，励磁波形与工作磁场强 度波形基本一致，励磁方式决定了传感器工作磁场特征和电磁流量计的抗干扰能力大小和 零点稳定性能的好坏。励磁技术始终是电磁流量计的一个重要的研究方向，从法拉第的时 代开始利用地磁场测量泰晤士河水流速，到今天流行的低频矩形波、低频三值矩形波和双 频矩形波等智能化控制励磁方式的实现，使电磁流量计不断成熟、不断完善，成为流量测 量仪表中最重要的品种之一。 1 3 本文的项目来源和主要工作 1 3 1 项目来源 由于西安理工大学水力水电学院近1 0 台8 0 年代的电磁流量计都已经不能工作，主要 是转换器不能工作，而它们的一次仪器即传感器却能继续工作。本文主要目的是基于8 0 年代市电励磁传感器的基础上重新设计电磁流量计的转换器。本文另一目的是为了西安理 工大学水利水电学院研究水锤现象提供瞬时流量信号，以便他们进行更加科学、合理的研 究水锤。由于现在流行的低频矩形波励磁的电磁流量计不能达到设计要求。现在大约8 0 的场合采用低频矩形励磁技术，但是这种技术容易接近其工作极限，造成在过程中产生大 噪声或多峰值的信号，而导致测量结果不确定或重复性较差。还有低频矩形测量窗口很小， 而正弦波测量的测量窗口几乎接近1 0 0 n 钉。由图1 2 所示： 失巨拜茧 ! 盘磁场厉出嗣睦 图1 2 交流励磁与低频励磁测量窗口的比较 f i g 1 - 2t h ec o m p a r i s o no f m e a s u r ew i n d o wo f a ce x c i t a t i o na n dd c e x c i t a t i o n 还有在多相流体的情况下，低频矩形励磁的应用也受到限制，根据流体在电极上的噪 5 西安理工大学硕士学位论文 声频谱，在2 5 h z 以内，噪声含量最大 t 6 1 另外，脉冲磁场励磁频率所产生的奇数谐波也 必须得到处理，导致噪音增加和信号输出不稳定，所以对于交流励磁的电磁流量计的研究 还是有_ 定使用价值。 但是交流励磁电磁流量计存在着以下几个干扰：微分干扰电压、同相干扰电压、共模 干扰电压、串模干扰电压、直流极化电压。 1 3 2 本文的主要工作 根据要求，本文目的设计新型的转换器，转换器要达到低零漂，抗干扰能力强等要求。 因此在设计转换器时，主要工作如下： ( 1 ) 理解电磁流量计的工作原理，以及交流励磁的优缺点，了解交流励磁几个干扰 的来源； ( 2 ) 分析原先电磁流量计的工作原理，重新设计一个电路模型来消除微分干扰和同 相干扰； ( 3 ) 根据设计的电路模型，通过硬件电路来实现设计功能； ( 4 ) 完成响应的软件程序； ( 5 ) 最后进行实验标定来验证转换器的精度； 其中的难点是如何设计一个合适的电路模型来消除微分干扰和同相干扰。 6 电磁流量计的工作原理及励磁系统 2 电磁流量计的工作原理及励磁系统 下面介绍的电磁流量计的工作原理及励磁系统。励磁系统包括磁路以及励磁方式。 2 1 电磁流量计的工作原理 电磁流量计( e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r ，e m f ) 的测量原理是基于法拉第电磁感应 定律：导体回路中产生的感应电动势的大小与穿过回路的磁通量的变化率成正比，只是其 中切割磁力线的导体不是一般的金属导体，而是具有一定导电率的液体流柱，切割磁力线 的长度是两电极之间的距离，近似等于液体的直径，即测量管内径d 。如图2 1 所示，液 体在磁场中切割磁力线运动，导体两端就会产生感应电动势t 4 1 。 感应锄 图2 - 1 电磁流量计原理 f i g 2 - tt h ep r i n c i p l eo f e m f 由电磁感应定律可知： i e = - d e d t = - b d a d t = - b d d l d t = 一丑d 矿 ( 2 1 ) 液体的体积流量为： q = v a = ( e b d ) ( 万d 2 4 ) = ( z e d 4 b ) e ( 2 2 ) 由上可知流量体积q 和e 成正比，通过测量出e 的值就能计算出液体的体积流量。以上结 论是针对金属导体的计算公式。下面通过数学推导可以证明以上结论对于液体也是适用 的。 根据电磁场的理论基础麦克斯韦方程组： d i v d = 户 r o t e 一：一一o b o t d i v b = 0 r o t 万= j + 等 ( 2 3 ) 7 西安理工大学硕士学位论文 以及相应参数之间的关系： 历：秀 b = p h ( 2 4 ) j = t r e 电位【厂的梯度和电场强度吾的关系如下： e = - g r a d u ( 2 5 ) 电磁流量计应用中，假设： ( 1 ) 流体的磁导率均匀，且同在真空中是一样的； ( 2 ) 流体的电导率o r 是均匀的，各向同性的，符合欧姆定律。于是欧姆定律的普遍 公式可写作： j = o r ( e + v b ) ( 2 6 ) 公式中的；是流体流动速度矢量。电场强度矢量面是基于流体内外存在着电荷而存在的 量，第二项一v 一b 是因磁场中流体运动产生洛仑磁力而引起的电磁感应； ( 3 ) 当角频率为彩、流体的介电常数为时，若c o g t r 1 ，液体中的位移电流可以 忽略。得到： r o t h = j f ( 2 7 ) 对上式( 2 7 ) 两边求散度，得到： d i v ( r o t h ) = d i v j 量0 ( 2 8 ) 将公式( 2 6 ) 两边求散度，得到： d i v e + d i v ( v x 曰) = d i v j = 0 ( 2 9 ) 将公式( 2 5 ) 两边求散度，并代入到公式( 1 9 ) 中得到： v 2 u = d i v ( v x 曰1 = b r o t v - v r o t b ( 2 1 0 ) 磁场不会因为流体中的感应电流而受到影响，所以公式( 2 1 0 ) 中的第二项为0 ，得到： v 2 u = b r o t v ( 2 1 1 ) 以上是电磁流量计的基本微分方程。在适当的条件下，根据给定的；，否的空间分布就可以 求出流速矢量；与电位移的相应的关系。对于求解公式( 2 1 1 ) 这里采用a k o l i n 的解法 来充分了解电磁流量计的工作。 二夕 ， ， 身一 l - ；i 二： 图2 2 坐标变换 f i g 2 - 2c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n 电磁流量计的工作原理及励磁系统 首先把直角坐标换为极坐标形式： 謦 旺 由于磁感应强度否的方向与石轴的方向一致。则在对于速度；的旋度的计算，只需要 求出x 轴方向上的旋度值即可。设速度在工轴上的分量为匕= v ( x ) s i n 0 ，由旋度定义计算 公式( 2 i t ) ，并且将攻= v ( x ) s i n a 代入公式( 2 1 1 ) 中得： v 2 u ：b 0 v ( r ) s i n o ( 2 1 3 ) v 2 u = ! r 昙掣o r 卅三r 等o + 警 ( 2 “) o r 秽。o z v 2 u = ! r 掣o r + 粤o r + 三r 雾 旺m 一 d 一 f 1 气l 假定【，= g ( r ) s i n 0 ( 这个假定首先由a k o l i n 提出的) “7 i 则( 2 1 5 ) 可以改写为如下形 v 2 u = 吾导时) s i n 口+ 等g ( ，) s i n o + 7 1 历0 _ 0 时) s i i l 明 = 吾导g ( ，) s i n 0 + 善如) s i i l 口+ 7 1 历0 时) c o s p ( 2 1 6 ) = 吾导舯洫9 号舢协口专品g ( ，) s i n 9 将公式( 2 1 6 ) 代八公瓦( 2 1 3 ) ，网迈渭云s i n 0 得o !拿g(，一一一厂i-王i-gr)_-tg一r)=bro ro r一掣o r 一：一g i ，+ 一 2 厂 将公式( 2 1 7 ) 整理为： 要g ( ，) * ti o g ( ，) 一1 1 时) ；召掣 矿g + 7 百g 一7 9 【，) j 列彳 因为拿( 塑鸟：一1 _ 0 9 ( r ) 一了1g ( ，) ，所以将公式( 2 1 8 ) 整理如下： o r rro rr - 铲- 3 - + o ，i g ( r ) 1 ：bo r 当( r ) o r a r ，4勿 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 9 西安理工大学硕士学位论文 导【昙o r 舯盟rm 掣o r 凹 两边积分得： 【拿g ( ，) + 盟】：b y ( ，) + c o r r 因为管道管壁流速为零。所以掣= o ，艿v ( ，) = 。则积分常数c = 竿。 a ，_ n 善o r g ( r ) + 盟r 州卅譬 瓜 在公式( 2 2 2 ) 两边乘。，因为导【g ( 咖】= ，导o rg ( ，) + 霎o rg ( ，) = ，冬 j 婴r + g ( 厂) ，防 扣咖】圳少+ 警， 所以得到： 在中心轴对称流时， g c r ，r = 了b y ( 0 ，- ，毋+ 了0 墨专宇i 访 g ( r ) r = ，咖毋+ 跏- ：召k + 一r g ( r ) ) r d r = 召，v p+ _ 广 0 一 v2 置 2 v ( ，) d r ：i 一 7 r r 2r 譬= p 将公式( 2 2 7 ) 代到( 2 2 5 ) 得到如下： g ( 尺) = b r v e = 巩一= 2 b r v = b d v ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 所以公式 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) d 为圆管道直径，公式( 2 2 9 ) 与电磁流量计的原理公式一致。由公式可以知道当在 均匀磁场的情况下，感应电压的值与平均流速成正比 4 1 。 1 0 胁 万 2 、， r ，l rp。 电磁流量计的工作原理及励磁系统 2 2 电磁流量计的磁路 电磁流量计的传感器主要是一个励磁系统。目的就是产生一个交变磁场，流体切割磁 力线，液体两端出现感应电压，通过两电极来获得流量信号。 根据被测介质的性质不同，工作磁场有恒定磁场和交变磁场。这里主要介绍的是交变 励磁的磁路。 2 2 1 磁路结构 励磁系统由励磁线圈和导磁部件一磁轭或铁芯组成。变送器的励磁线圈用2 2 0 v 5 0 h z 的市电产生交变磁场，磁轭或铁芯用来减少磁阻和漏磁，改变磁通的分布，获得所需的工 作磁场。 理论上需要一个均匀的工作磁场，实际制造的均匀磁场型变送器，它的工作磁场不可 能完全均匀的，但应该对称分布。 根据传感器的口径的大小，励磁系统主要采用下列三种结构： ( 1 ) 变压器铁芯型，这种结构只适合小口径的变送器； ( 2 ) 磁轭式集中绕组型，这种结构适用于中小1 ：3 径的变送器，国内矽( 2 5 8 0 ) m i t t 口径的变送器就采用这种结构； ( 3 ) 磁轭式分段绕组型，国内矽8 0 m m 以上口径的变送器均采用这种结构2 1 。 2 2 2 交变磁路的特点 恒定磁通的磁路中没有功率损耗。如果磁通随时间变化，这时铁磁物质的磁滞现象将 会产生磁滞损耗，电磁感应现象将会在铁磁物质中产生涡流，引起涡流损耗。通常把磁滞 损耗和涡流损耗的总和称为铁芯损耗1 1 8 。 可以证明磁滞损耗功率与铁磁物质的磁滞回线的面积成正比。对于同一铁芯，磁滞回 线的形状与磁感应强度的最大值玑有关。工程上采用下列经验公式计算磁滞损耗 丑= 吼群矿 ( 2 3 0 ) 式( 2 3 0 ) 中风为磁感应强度最大值：n 由风值决定，当 1 6 t 时，取n 之；厂为工作频率；o h 是与材料有关的系数，同时也取决于所用单位；y 为铁 芯的体积。 铁芯的涡流损耗包括有磁轭内的涡流损耗、金属测量管内的涡流损耗以及介质中的涡 流损耗。损耗功率的计算要在电磁场理论中进行。对于磁轭内的涡流损耗功率与铁芯的几 何尺寸和材料有关。若铁芯是由平行于磁感应强度的硅钢片叠成，涡流损耗与钢片厚度的 平方成正比，还与交变磁通的频率、材料的电导率及磁感应强度最大值有关。所以为了减 少涡流损耗，硅钢片不可能做得很薄，工频下硅钢片的厚度约为0 3 5 m m 至o 5 m m 。涡流 损耗一般与工作频率厂和磁感应强度的最大值战有关。对于金属测量管内的涡流损耗， 它与管内外直径以及管材料的电阻率有关。对于介质中的涡流损耗和介质有关，假如介质 西安理工大学硕士学位论文 电导率和水的电导率相近，可以忽略介质中的涡流损耗。 铁磁物质的磁感应强度与磁场强度之间不成线性关系，所以磁路中的磁通也就是与励 磁电流之间不成线性关系。当磁通是正弦形时，励磁电流则为非正弦形；反之，当励磁电 流是正弦形时，磁通为非正弦形。但是由于电磁流量计的磁场强度不是很大，所以变形很 小。可近似认为正弦波励磁，这样分析容易。 根据电工学原理可知，励磁线圈通交流电时产生交变磁场，这种交变磁场具有以下的 特点。已知交流电源的电压是随时间正弦变化，所以励磁线圈的磁动势，磁通，磁感应强 度等也都随时间变化。忽略磁滞造成的影响，它们可以表示为： ( f ) = 丸s i n 2 z f l ( 2 3 1 ) 曰( f ) = 巩s i n 2 n f l ( 2 3 2 ) 励磁线圈中电流的大小决定于线圈的电阻和电感，而且主要决定于电感，因为励磁线 圈基本上是感性负载，感抗在数值上比电阻大的多，而线圈感抗的大小又与磁路的磁阻等 有关。 在交变磁通的作用下，铁损的存在不仅使激磁线圈的电流增加，而且使磁路中的磁通 与激磁电流之间产生相位差。除了铁损外，线圈导线电阻也造成功率损耗，称为铜损。 利用励磁线圈的矢量图，可以分析交流正弦波励磁的相位关系。图2 1 为励磁系统的 矢量图，来分析励磁的电压、电流、磁感应强度以及信号的相位关系。磁感应强度b 与 磁化电流l m 成正比。磁场强度落后电感的端电压e 。励磁电流尽、磁化电流i m 和铁 损电流死构成了电流矢量三角形。由于电感线圈的作用，励磁电流厶超前于磁化电流i m 一个角度a 。铜损电压是励磁电流a 与励磁线圈的直流电阻，i 的乘积。励磁电压风、铜 损电压( s r ) 和电感端电压e 构成了电压矢量三角形。显然，电感端电压e 超前励磁电 压西一个b 角n 1 。 图2 3 励磁系统各参数矢量图 f i g 2 - 3t h ed e f i n i t i o no fe a c hp a r a m e t e ro fe x c i t a t i o ns y s t e m 对于确定磁场，通过建立合适的数学模型可以计算出感应电压大小和对应的流速实际 测量的值相差不大。这对于分析磁场强度有很大的好处“9 1 。 1 2 电磁流量计的工作原理及励磁系统 2 2 3 权重函数的物理意义及实际应用 从宏观角度来说，电极两端得到的感应电压为：e = 捌毋= _ 删厉= & 嘞应= - b d v ， 但是从微观角度来说，应该这样来分析。假设管道内某一点p 的流体微元，该点的感应 电动势大小不仅与磁场和流速成正比，而且与权重函数的大小有关。所谓权重函数就是表 示工作磁场的有效区域内任何微小流体微元切割磁力线所产生的感应电动势对两电极间 的电位差所起的作用大小。也就是说假如磁场和流速场在管道内处处相等，但是在管道内 不同位置的流体微元切割磁力线所产生电动势不会等同地提供给两电极产生的流量信号。 这就是说，权重函数是描述有效区域内各点产生的电动势不能完全贡献给电极间的流量信 号，而由几何位置所造成的衰减系数。权重函数是一个与测量尺寸