（控制理论与控制工程专业论文）多电极插入式电磁流量计的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 传统的单电极插入式电磁流量计由于自身传感器会对流体流速分布产生影 响，因此其测量精度一直无法提高。本文在回顾国内外关于插入式电磁流量计的 研究概况的基础上，针对插入式电磁流量计传感器对流场分布产生的影响，及传 感器两侧的绕流现象，提出并研究了能对受影响流场进行测量分析的一种多电极 插入式电磁流量计的传感器组成结构，并实现了能对该方案进行验证测试的多电 极插入式电磁流量计实验系统。 电磁流量计一般根据电极处的流速推算出整个管道的平均流速。由于传感器 的插入，插入式电磁流量计的流场比非插入式电磁流量计复杂得多，论文运用流 体力学原理对插入式电磁流量计的流场进行了分析，并通过c f d 仿真软件观察 到了传感器两侧的绕流现象。论文对国内外现有的插入式电磁流量计传感器进行 了分析研究，提出了由传统底端电极和新的侧面电极组成的可测量多点流速的传 感器结构，以获得更多的流场信息。 论文根据多电极入式电磁流量计的励磁系统以及信号处理系统的特点，以 c y g n a l 公司的混合信号片上系统芯片c 8 0 5 1 f 0 2 0 为中心构建了具有多条信号处 理通道的硬件系统，以满足多电极多通道信号处理要求，同时还设计了能与上位 机进行数据通信的通信模块，为今后的研究搭建了一个实验平台。论文详细介绍 r，-一 了整个系统的软硬件设计。 最后，通过实验证实了多电极传感器新增电极上信号的大小与流速呈线性关 系，能真实反映流速的变化情况；验证了多电极传感器对流场分布和绕流信号的 可测性，为最终降低流场分布对传感器测量的影响，以及提高插入式电磁流量计 的精度提供了依据。 关键词：插入式电磁流量计，流场分布，多电极 上海大学硕士学位论文 a bs t r a c t b e c a u s eo ft h ei m p a c to nt h ef l o wr a t e ，t h ep r e c i s i o no fs i n g l e e l e c t r o d ei n s e r t i o n e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ri sl o w e rt h a n t h a to ft h et r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e r b a s e do nt h er e v i e wo fi n s e r t i o ne l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ra th o m ea n d a b r o a d ，as t u d yh a sb e e nm a d eo nt h em u l t i e l e c t r o d ei n s e r t i o ne l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e rs e n s o rs 仃1 l c t l 盯et oa n a l y z et h ee f f e c t f i n a l l y , a l le x p e r i m e n ts y s t e mo f m u l t i e l e c t r o d ei n s e r t i o ne l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rh a sb e e nr e a l i z e d c o m m o n l y , t h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rd e d u c e st h ea v e r a g ef l o wr a t eo ft h e w h o l ep i p ef r o mt h em e a s u r e df l o wn e a rt h ee l e c t r o d e t h ef l o wf i e l do ft h ei n s e r t i o n e l e c t r o m a g n e t i c f l o w m e t e ri sm o r e c o m p l e x t h a nt h a to ft h et r a d i t i o n a l e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r t h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s o f t w a r ef l u e n t i se m p l o y e dt oa n a l y z et h es i m u l a t i o no ff l o wf e l do ft h ew h o l ep i p e an e ws e n s o r s t r u c t u r e 、历t 1 1m o r ee l e c t r o d e si sp r o p o s e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ei n s e r t i o n e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rs e n s o r sa v a i l a b l e ，t oo b t a i nm o r ef l o wf i e l di n f o r m a t i o n b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x c i t a t i o ns y s t e ma n ds i g n a lp r o c e s ss y s t e mo f t h em u l t i - e l e c t r o d ei n s e r t i o ne l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r , t h em u l t i - c h a n n e ls i g n a l p r o c e s s i o ns y s t e mi sd e v e l o p e dw i t hc 8 0 51f 0 2 0 ，am i x e d - s i g n a ls o cf r o mc y g n a l ， e m p l o y e d ac o m m u n i c a t i o nm o d u l eu s e dt oc o m m u n i c a t ew i t ht h em o n i t o rp ca l s o i sd e s i g n e dt op r o v i d ea ne x p e r i m e n tp l a t f o r mf o rt h ef u t u r er e s e a r c h t h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r es y s t e md e s i g no ft h ew h o l es y s t e mi si n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef l o ws i g n a lf r o m t h ea c c e s s o r i a le l e c t r o d e sa n dt h ef l o wr a t e t h em e a s u r a b i l i t yo ft h ef l o wf i e l da n d t h er o u n d a b o u tf l o wp h e n o m e n o ni sv e r i f i e d t h er e s e a r c hi sh e l p f u li na l l e v i a t i n gt h e m e a s u r e m e n tp r e c i s i o nd e t e r i o r a t i o nd u et ot h ec o m p l i c a t e df l o wf i e l dr e s u l t i n gf r o m t h ei n s e r t e ds e n s o r k e y w o r d s ：i n s e r t i o ne l e c t r o m a g n e t i cf i o w m e t e r ，v e l o c i t yd i s t r i b u t i o n , i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 期： 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 眸嗍学 上海大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 流量是指流体在任何形状、一定面积的截面内流动，流过该截面的体积或质 量对时间的比值。用流过的体积与时间的比值来表示流量时，称为体积流量( 或 容积流量) 。用流过的质量与时间的比值来表示流量时，称为质量流量【l 】。由于 被测流体的多样化，如测量对象有气相、液相及多相混合流体；而同相不同种流 体的温度、密度、压力等参数也均有较大的差异，因此，流量测量的任务就是根 据测量目的，被测流体的种类、流动状态、测量场所等测量条件，研究各种相应 的测量方法，并保证流量量值的正确传递。 流量与温度、压力、物位等的测量同为热工量测量，是工农业生产过程控制 的重要测定参数之一。不管是用于计量还是用于控制，流量测量涉及人们日常生 产和生活的各个领域，如工业生产、石油天然气的开采和运输、化工及日常的生 活用水、煤气等。流量是一个动态量，通常被测对象是气体、液体和混合多相流 体这三种具有不同物理特性的流体：而测量流量需要考虑的条件又是多种多样 的，如腐蚀性、测量时的温度、压力范围，流量大小，被测流体的流动状态如层 流、紊流等等。对液体而言还存在着粘度大小、导电与否等的不同情况。因此， 为准确的测量流量，就必须研究不同流体在不同条件下的流量测量方法，并提供 相应的测量仪表，这是流量计量技术研究的主要工作之一。由于被测流体的特性 复杂，测量条件又各不相同，从而产生了各种不同的测量方法和测量仪表【2 卅。 人类在很久以前就开展了流量测量活动。古埃及人用尼罗河流量来预报年成 的好坏，古罗马人修渠引水，采用孔板测量流量【5 】。我国著名的都江堰水利工程 应用宝瓶口的水位观测水量大小等等。第二次世界大战后，随着国际经济和科学 技术的迅速发展，流量计量日益受到重视，流量仪表随之迅速发展起来。如到二 十世纪5 0 年代，工业中使用的主要流量计已经有孔板、皮托管、浮子流量计三 种，被测介质的范围也较窄，但测量准确度已开始满足一些低水平的生产需要。 而近6 0 年来，为满足不同种类流体特性、不同流动状态下的流量计量的需要， 先后研制出并投入使用的流量计有速度式流量计、容积流量计、动量式流量计， 上海大学硕士学位论文 电磁流量计、超声波流量计等几十种不同测量原理的新型流量计。 目前流量计量广泛应用于工农业生产、国防建设、科学研究、对外贸易以及 日常生活各个领域之中，随着工业生产向自动化方向的发展及人们日常生活发展 的需要，流量仪表在整个仪表生产中所占比重越来越大，资料表明，在不同的工 业部门中所使用的流量仪表占整个仪表总数的1 5 3 0 。流量仪表的配备很大程 度上直接影响企业的经营与成本核算，目前国内外投入使用的流量计有百十多个 品种。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种流量仪表能适用所有流量测 量的场合，每种产品都有它特定的适用性，也都有它的局限性。由于流量测量条 件的复杂性以及科学技术的迅速发展，人们对流量计量提出更新更高的要求，流 量计量的现况远不能满足生产生活的需要，还有大量的技术问题有待进一步研究 解决。目前主要存在的问题如下： ( 1 ) 流量仪表的品种、规格、准确度和可靠性尚不能完全满足要求。特别 对腐蚀性流体、脏污流体、高粘性流体、多相流体、特大流量、微小流量等的测 量问题，有待发展有效的测量手段； ( 2 ) 流量标准装置不能满足流量计检定要求，尤其是缺乏现场进行实时检 定流量计的技术手段。 针对上述问题，随着科学技术的发展，人们利用最新的技术成果研制新型流 量计，将超声波、激光、电磁、核技术及微计算机等新技术引入流量计量领域， 使得无接触无活动部件间接测量技术大大发展，流量传感器趋向电子化、数字化、 多功能化，为流量计量开拓新的领域。新型流量计已具有量程比宽、智能化、可 靠性高、价格低廉、维修方便的特点。 1 2电磁流量计的基本原理 1 2 1 法拉第电磁感应定律 十九世纪英国物理学家法拉第最早通过实验发现了电磁感应现象。实验表 明，当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应 电动势及感应电流。感应电动势的大小与回路相交的磁通随时间的变化率成正 比，其方向由楞次定律决定。楞次定律表示感应电动势及其所产生的感应电流总 2 上海大学硕士学位论文 是力图阻止回路中的磁通的变化【。因此，回路中感应电动势e 的大小和方向可 表示成： e = - 辈 ( 1 _ 1 ) 其中，磁通的正方向与感应电动势的正方向符合弗来明右手定则。式( 1 1 ) 称为法拉第电磁感应定律。 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：一是导体在磁场中作切割磁力线运动；另一种是导体在磁场中并未作切割磁 力线运动，但是导体回路所包围的磁通量是交变的。电磁流量计主要是根据导体 作切割磁力线运动所产生的感应电动势与被测流体的流速的一一对应关系实现 流量测量的。导体在磁场中作切割磁力线运动，导体两端就会有感应电动势产生。 如果只考虑大小，就可略去式( 1 1 ) 前面的负号，式( 1 1 ) 变为： e ：华：掣：b 掣：b d v ( 1 - 2 ) d td td t 式中：b 磁感应强度( t ) 彳磁通量变化面积( m 2 ) d 导体长度( m ) 班导体运动距离( m ) 矿导体平均运动速度( m s ) e 导体两端感应电动势( v ) 导体切割磁力线时形成的导体回路磁通量( t m z ) 式( 1 2 ) 说明，导体在磁场内作切割磁力线运动时，导体两端产生的感应电动 势的大小与磁感应强度b 成正比，与导体的长度d 成正比，与导体运动的速度矿 成正比。 1 2 2 电磁流量计的基本原理 电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电性液体流量的 仪表，它能够把流速或流量信号线性的变换成与之对应的感应电动势。只是此时 切割磁力线的导体不是一般的金属导体，而是具有一定电导率的液体流柱，切割 磁力线的长度是两电极之间的距离，近似等于液体流柱的直径( 如图1 1 ) 。 3 上海大学硕士学位论文 图1 - 1 电磁流量计的工作原理示意图 在测量管内，穿过测量管横截面的液体瞬时流量为q = 三d 2 矿，由式( 1 2 ) 可知，电极两端的感应电动势大小近似等于： e = 肋矿= 历4 bq ( 1 - 3 ) t u 由式( 1 3 ) 可以看出，当磁感应强度b 和测量管内径d 一定时，感应电动势e 与瞬时体积流量q 是线性关系，而与其它物理参数无关，这也是电磁流量计的最 大优点之一。 1 2 3 电磁流量计的特点 电磁流量计从法拉第提出概念到实际的商品化应用经过了一百二十多年的 发展，与其它类型的流量计相比，电磁流量计是一种测量精度高、应用范围广的 流量仪表，具有以下显著优点【6 ，8 】： ( 1 ) 测量通道是光滑直管段，不因流量检测的方法原因产生压力损失，压 力损失极小，无可动部件； ( 2 ) 流量测量不受流体温度、压力、密度、粘度等条件影响； ( 3 ) 可对多相流进行测量，精度高，量程宽； ( 4 ) 输出电动势正比与流体的截面平均流速，且动态范围不受限制； ( 5 ) 输出电动势与流速变化同步，响应速度快； ( 6 ) 可测流体的正反向流量。 尽管电磁流量计具有上面所述的许多优异的性能，但在使用上也存在着一定 的局限性，其不足之处有： ( 1 ) 要求被测量流体必须是导电的，因而有可测量最低电导率的限制，如 4 上海大学硕士学位论文 不能测量电导率很低的液体，如石油制品； ( 2 ) 不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体； ( 3 ) 流速分布影响测量精度，对直管段有要求； ( 4 ) 因传感器材料原因不能用于较高温度的测量场合。 1 3电磁流量计的发展现状 一、电磁流量计的技术发展现状 从2 0 世纪5 0 年代发展起来的交流正弦波工频励磁到7 0 , - - 8 0 年代出现的低频 矩形波励磁，再到9 0 年代以后的高频励磁、双频励磁、可编程控制励磁等，励 磁方式的不断改进代表着电磁流量计技术的不断进步。随着电子学和计算机技术 的发展，更加速了电磁流量计技术的大发展。当前电磁流量计的技术发展可归纳 为以下几个方面【9 】： ( 1 ) 高精确度 与早期的工频励磁相比，低频矩形波励磁、双频励磁等新的励磁方式电磁流 量计，提高了传感器输出流量信号的信噪比，降低并稳定了仪表的零点。转换器 应用先进的集成运算放大器大幅度降低了器件的噪声。采用数字的处理方法，较 模拟电路的转换器能使电磁流量计的测量精确度大幅度提高。感应信号的权重函 数理论研究，一定程度地改善了管道内流速分布非轴对称流量准确测量的影响。 因此，现代的电磁流量计有可能达到o 5 ，甚至o 2 示值误差的测量精确 度。 ( 2 ) 高可靠性、多功能化 流量计零点变化主要是由于处于交变工作磁场的金属测量管和导电液体中， 即使流体流速为零的情况下，因为电磁感应的作用，仍会产生涡电流，形成的二 次磁通所引起的。低频矩形波励磁能有效地减少二次磁通的产生，因而零点较稳 定。矩形波磁场的频率为工频频率的整数倍，信号采样时其平均值为零，可消除 工频串模干扰的影响。调制的双频励磁在测量固液两相浆液流量时，能减小电极 上产生的低频电化学噪声的影响，提高了传感信号的可靠性。高集成度的电子元 器件减少了硬件的故障率，硬件、软件的屏蔽技术等，都是增加转换器可靠性的 有效措施。 5 上海大学硕士学位论文 嵌入式技术的应用，使电磁流量计具有信息储存、分时处理、运算和控制能 力的功能，能比较容易的实现流量的双向测量、空管检测、多量程自动切换、人 机对话、与上位计算机通信、自诊断等附件功能。新一代具有h a r t 协议和其 他类型现场总线的电磁流量计，更为用户实现全新的生产控制与科学管理方式提 供了条件。 ( 3 ) 小型化 权重分布型磁场的电磁流量传感器磁场线圈较均匀分布磁场励磁线圈的长 度大大的缩短；低频励磁信噪比的提高，可使磁感应强度也大幅度地降低。因而， 线圈铁心尺寸能够减小，传感器长度得以缩短。所以，与早期的电磁流量计相比， 当前的电磁流量计能够实现产品的小型化。传感器与转换器合二为一的一体型结 构，更能有效的降低流量计的制造成本。 ( 4 ) 低功耗 早期交流励磁的电磁流量计，存在大的涡流损失。为了得到高的测量精度， 需要产生较强的感应电动势，这时设计的传感器磁场约为流速l m s 产生l 2 m v 的感应信号电压。因此，交流励磁型的电磁流量计消耗功率往往在数十瓦至上千 瓦。低频矩形波磁场大部分时间处于直流状态，其铁心涡电流损失很小，磁感应 强度很低。这样设计的传感器磁场，大约是l m s 流速能够产生0 1 - - 4 ) 2 m v 的感 应信号电压。因此，低频矩形波励磁的电磁流量计与交流励磁型电磁流量计比较， 能耗大幅度的降低。如今，一般电磁流量计的总功耗在1 0 w 以内。 ( 5 ) 适用范围扩大 随着现代电子技术的发展和新型绝缘材料、磁性材料不断地出现，有条件开 发不同型式的电磁流量计，来解决测量介质对电极的腐蚀、污染问题，解决电导 率低于1us m 介质的测量，例如电容式电磁流量计就可替代传统的机械式容积 流量计，以测量纯水、制糖脱盐液和含有油分等低电导率流体的流量。 二、电磁流量计的市场现状 电磁流量计具有高精度、高稳定性、快响应、小型化等性能特点，而且种类 很多，因此已成为流量测量技术中应用最广泛，产品附加值最高的流量仪表之一。 在各种流量仪表的应用中，目前电磁流量计的年销售台数大约占流量传感器及其 仪表总数的5 ，销售份额约占总量的2 0 t l o ，1 1 1 。 6 上海大学硕士学位论文 经过几十年的发展，国内外生产电磁流量计的厂家也如雨后春笋般迅速发展 起来。目前国外主要厂家有：日本横河公司、日立公司，美国b r o o k s 公司、f o x b o r o 公司、f i s c h e r p o r t e r 公司，德国k r o h n e 公司、e n d r e s s + h a u s e r 等著名厂家。 目前我国已有上百家电磁流量计制造厂。 根据a r c 近期的一项研究，全球电磁流量计在未来5 年的年复合增长率可 达到3 5 。这一市场2 0 0 6 年达到7 3 0 4 亿美元，预计至2 0 11 年将达到8 6 6 亿 - “一 夫兀。 综上所述，在这一发展趋势下，电磁流量计将仍然是国内外流量仪表市场的 领导者，其市场前景将继续保持旺盛的态势和巨大的潜力。 1 4 插入式电磁流量计的发展 插入式电磁流量计是从传统电磁流量计演变过来的，基本原理几乎相同。它 的出现历史不比传统电磁流量计短，但是由于其自身精度差等一些缺点，过去未 得到深入的试验研究，大都把它视为一种辅助性的流量计，仅在精度较低的场合 使用。所以目前市场上的电磁流量计主流产品是传统电磁流量计，插入式电磁流 量计占有的比重还不大。 但是随着现代工业的发展，传统的电磁流量计已经无法解决流量测量的一些 问题，或者是解决的成本非常高。应用瓶颈主要有以下两点： ( 1 ) 工业及民用的输送管道的直径越来越大，这使得传统电磁流量计的制 造、使用成本急剧的提高，管径越大，所耗材料越多，价格自然也就升了上去。 ( 2 ) 传统电磁流量计与工艺管道为法兰连接，只有在管道内流体断流时才 允许拆卸仪表，这势必提高维修费用。 因此，插入式电磁流量计的研究在最近几年得到了足够的重视，新的理论和 方法不断地推出，各大流量计厂家也不断推出新的产品。由于其结构特点使得它 在大口径流量测量中有着突出的优点，成本价格大幅度降低，在现场使用时易于 拆卸维修，并且往往无须截断管道流体即可进行，因而深受广大用户的欢迎。特 别是多电极插入式电磁流量计，由于精度高，正成为一大研究热点，本文的研究 内容就是多电极插入式电磁流量计。 7 上海大学硕士学位论文 1 5 本课题的研究内容及论文编排 1 5 1 本课题的研究内容 本课题针对目前市场上国产插入式电磁流量计的精度不高、而精度高的插入 式电磁流量计技术又被国外厂商垄断的情况，在对现有的插入式电磁流量计结构 进行细致的分析及参考国外关于多电极的技术资料后，发现测量精度不高的主要 原因是对被传感器破坏后的流场分布情况没有进行详细的研究，进而提出了一种 多电极插入式电磁流量计分析在插入传感器情况下流体被破坏的流场分布情况， 为最终提高测量精度作可行性验证。 首先，在对国内外的插入式电磁流量计传感器结构进行研究分析后，提出了 多电极插入式电磁流量计传感器。 接着，根据多电极插入式电磁流量计传感器对信号处理的要求，设计了能同 时对多路信号进行处理的硬件电路。同时，在设计的硬件电路上进行了软件系统 的编写，最终构建了一个多电极插入式电磁流量计的实验平台。 最后，使用设计的系统对流体进行实验测量。验证了多电极传感器上新增加 的电极上存在流速信号，电极能很好的捕捉到传感器两侧产生的绕流现象。为以 后研究流场分布以提高测量精度提供了研究基础。 1 5 2 论文编排 本论文共分七章，后续章节安排如下： 第二章介绍了插入式电磁流量计的基本原理、特点、励磁技术及信号处理方 法。由于流量计传感器在流体管道中的存在，介绍了管道内无阻碍流体的流速分 布情况及流体受阻碍后的绕流现象对流速分布的影响。 第三章介绍了目前的一些插入式电磁流量计传感器的结构设计以及国外研 究机构在提高测量精度方面提出的一些设计方案，在此之上，提出了本课题设计 的一种高精度插入式电磁流量计传感器的设计方案。 第四章在第三章提出的传感器方案基础上，设计一种新的能够同时处理多通 道数据的硬件电路。硬件电路主要包括转换器( 包括阻抗变换、信号放大、滤波、 零点漂移消除和v f 转换) 、工频检测单元及单片机相关的外围电路等部分。 上海大学硕士学位论文 第五章主要介绍了多电极插入式电磁流量计的软件系统设计，系统的底层软 件设计采用了结构化和模块化的设计思想，整个系统程序包括主程序模块与中断 程序。主程序主要介绍了信号反馈控制，脉冲计数，串口通讯功能模块及数据处 理程序。中断服务程序，通过对外部工频脉冲信号进行采样，校准每个励磁周期 的时间，以消除外部工频干扰。 第六章使用本设计系统在真实流体中进行了实验。通过在实验中取得的数据 来验证新增电极上是否有流量信号，各电极之间的关系，并与计算机仿真得到的 数据进行比较分析。 第七章对本课题进行了总结，指出了研究内容的不足，并针对有待完善的研 究内容和方向，提出了下一步的工作展望。 9 上海大学硕士学位论文 第二章插入式电磁流量计的相关理论研究 2 1 插入式电磁流量计的工作原理及特点 一、插入式电磁流量计的基本原理 插入式电磁流量计与传统电磁流量计一样，是利用法拉第电磁感应定律制成 的一种测量导电性液体流量的仪表，它能够把流速或流量信号线性的变换成与之 对应的感应电动势。只是此时切割磁力线的导体不是一般的金属导体，而是具有 一定电导率的液体流柱，切割磁力线的长度是两电极之间的距离d ( 如图2 1 ) 【1 2 】。 b 号 口 图2 1电磁流量计的工作原理示意图 电极两端的感应电动势大小近似等于： e ：后b d v ( 2 1 ) 式中，肭仪表系数。 二、插入式电磁流量计的特点 电磁流量计从法拉第提出概念到实际的商品化应用经过了一百二十多年的 发展，与其它类型的流量计相比，电磁流量计是一种测量精度高、应用范围广的 流量仪表，具有很多显著优点【l 】，而插入式电磁流量计在原理上继承了传统电磁 流量计，在结构上有别于传统电磁流量计，与传统电磁流量计最大的不同是，插 入式电磁流量计的制造、维修成本将远低于传统电磁流量计，随着管径越大，差 别越明显。 插入式电磁流量计虽然具有许多优异的性能，但除了传统电磁流量计已有的 缺点外，由于流体中插入了传感器测量探头，必然会产生绕流现象，对流速破坏 l o 上海大学硕士学位论文 的影响很大，导致测量精度低。 2 2 插入式电磁流量计的励磁技术及信号处理方法 2 2 1 插入式电磁流量传感器的励磁技术 在电磁流量计中，电磁流量传感器获取流体的流量信号，并将其转换为相应 的电信号。因此，传感器的好坏直接影响了流量计的测量精度。传感器的一个重 要部分是由励磁系统产生的工作磁场，故励磁方式决定着电磁流量计的抗干扰能 力大小和零点稳定性能的好坏。目前励磁方式主要有直流励磁、工频正弦波励磁、 双值波励磁、三值波励磁及双频励磁方式【。 一、直流励磁 直流励磁技术是利用直流电源给电磁流量传感器励磁绕组供电或者永磁体 以形成恒定的励磁磁场。直流励磁技术具有励磁方法简单、可靠，受工频交流电 磁场干扰影响很小，流体中的自感现象可忽略不计等优点。然而，直流励磁技术 存在的最大问题是直流感应电势在两电极表面形成固定的正负极性，从而引起被 测流体介质电解，导致电极表面出现极化现象。这种现象的存在将使由流量信号 感应的电势减弱，电极间等效电阻增大，同时出现电极极化和电势漂移，以至严 重影响信号转换放大部分的工作。其次，直流励磁在电极间所产生的不均衡的电 化学干扰电势叠加在直流流量信号中，不仅无法消除，而且还随着时间、流体介 质特性以及流体流动状态等变化而变化。再次，直流放大器的零点漂移、噪声和 稳定性等问题难以获得很好解决。 二、工频正弦波励磁 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传感器励磁绕 组供电，使之形成正弦波励磁磁场。其主要特点是能够基本消除电极表面的极化 现象，降低电极电化学电势影响和传感器内阻。另外，采用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，工频正弦波励磁技术的采用会带来一系列电磁感应干扰和噪声。首先， 电磁感应产生的正交干扰( 又称为变压器效应) ，其干扰幅值与频率成正比，相 上海大学硕士学位论文 位比流量信号滞后9 0 度，而且实际中一般又远远大于流量信号，因此如何克服 正交干扰电势的影响是正弦波励磁技术的主要难题。其次，工频正弦波供电电源 存在电源电压幅值和频率波动的影响，产生供电电源性干扰。第三，存在电磁感 应的涡流效应、静电感应的分布电容、杂散电流产生同相干扰，且此干扰电势的 频率和工频完全一致，并叠加在流量信号之中难以消除，以致电磁流量计零点不 稳定。所以，工频正弦波励磁技术在电磁流量计中己使用不多。 三、低频矩形波励磁 低频矩形波励磁技术是一种介于直流励磁和工频交流励磁之间的励磁技术， 其励磁波形如图2 2 所示。 b ( a ) 单极性低频矩形波( b ) 双极性低频矩形波 图2 - 2 低频矩形波励磁 低频矩形波励磁技术既具有直流励磁技术不产生涡流效应、变压器效应( 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 信号放大处理，并能避免直流放大器零点漂移、噪声、稳定性等问题的优点，具 有较好的抗干扰性能。正是基于以上优点，低频矩形波励磁技术得以在电磁流量 计中获得广泛应用。但是，由于励磁线圈并非理想电阻，励磁电流在上升和下降 阶段存在的微分干扰使矩形波前后沿变平坦，而且在测量浆液等液固两相导电性 流体时电极表面还会产生尖峰电势干扰。这些缺点限制了该励磁技术的广泛应 用。 四、三值低频矩形波励磁 三值低频矩形波励磁技术采用工频频率的整数分之一为周期，采用正零负 零正的规律变化的激磁波形，其励磁波形如图2 3 所示。 1 2 上海大学硕士学位论文 jb 厂。 uu 7 图2 3 三值低频矩形波励磁 三值低频矩形波励磁技术的最大特点是能够通过零值励磁时进行动态零点 校正，进一步提高了零点稳定性。当励磁电流发生变化时，电磁感应出现的微分 干扰同样利用励磁电流稳定时段采样加以消除，此时微分干扰按照指数规律衰减 至零。其次同样采用宽脉冲采样，借以消除混在流量信号电压中的工频干扰电压。 第三，通过一个周期内的四次采样值，近似认为极化电势恒定，利用微处理器的 逻辑判断功能和数值运算功能消除极化电势的影响。因此，三值低频矩形波励磁 技术能够进一步提高零点的稳定性，抗工频干扰能力增强，测量精度进一步提高。 同时，传感器单位流速的流量信号电压比工频励磁时减少了很多，降低了励磁功 耗，进一步实现了电磁流量计小型轻量一体化。另一方面微处理器技术的引入， 增强电磁流量计功能，开辟了电磁流量计智能化的时代。正是基于以上的优点， 三值低频矩形波励磁技术成为当代电磁流量计中应用最为广泛的一种励磁技术。 五、双频矩形波励磁 双频励磁方式是日本横河电机公司研究开发的一种高、低频矩形波调制波的 励磁方式，其励磁波形如图2 4 所示。 jl b nr nnnr r 。 uuuu 7 图2 4 双频矩形波励磁 双频矩形波励磁的主要目的是使电磁流量计对流量的变化响应快、零点稳 定，同时对流动噪声影响不敏感。其基本原理是综合利用低频励磁来提高零点稳 定性和高频励磁的快速动态响应特点，使两者性能互补。因此，双频励磁的电磁 上海大学硕士学位论文 流量计既有零点稳定性和测量精度高的优点，又具有响应速度快和抗干扰能力强 的优点，是低频和高频矩形波励磁的结合，缺点是硬件结构实现起来比较复杂。 综合上面对各种励磁方式的分析，不难发现，无论是哪种励磁方式都有各自 的优缺点。低频励磁可以降低微分干扰和同相干扰，而且零点的稳定性高；高频 励磁可以减小极化现象，浆液噪声降低，而且响应速度快。由于结构简单，目前 在电磁流量计的励磁系统中主要采用的是三值低频矩形波励磁方式，插入式电磁 流量计由于原理与传统电磁流量计相似，其励磁方式也主要以三值低频矩形为 主。 2 2 2 插入式电磁流量计的信号处理 一、信号处理问题 在上节介绍的几种励磁方式中，低频矩形励磁具有能够克服直流励磁存在极 化电压大的优点，又有避免交流励磁存在电磁感应干扰引起正交干扰和同相干扰 的优点，是兼顾直流励磁和交流励磁两者优点的一种励磁方式。在理论上，它使 工频干扰、励磁相位干扰、电极极化以及零点漂移等干扰有了可克服的途径。 但在实际中，由于电磁感应、静电效应以及电化学反应等原因，电极输出的 电压不仅仅是与流体流速成比例的感应电动势，也包含了各种干扰成分在内。因 此，必须在后续的信号放大处理部分予以消除。在实际的电磁流量计中，电极输 出信号的表达式如下【1 4 】： e = + 警+ 窘 白+ 巳 流速信号5 磁场变化时产生的正交干扰； 磁场变化时产生的同相干扰： 巳共模干扰； 串模干扰； 吒零点漂移干扰，包括极化电压干扰等。 1 4 ( 2 2 ) 塑彩塑舻 中式 上海大学硕士学位论文 在交变励磁的电磁流量计中，正交干扰和同相干扰是由于励磁磁场的突变引 起的，是交变励磁的电磁流鞋汁的丰要干扰，如果在测量时保持磁场不变化，则 此两项十扰为零。共模干扰和串模干扰主要是由于电磁流量计附近的电磁干扰和 静电干扰产生的，可以通过电磁屏蔽和良好的接地加以抑制，并通过后接一个具 有高分贝共模抑制比( c m r r ) 的差分放大器予以基奉消除。所以在对插入式电 磁流量计电极输出的信号进行处理时只需考虑式2 2 中的。项和项。励磁磁 场和理想信号波形图关系如图2 5 ( 左图) 。 ；r 亡t 产、产厣瑟季 嗡簿 卜一一一墓一一一。 。二二二。j 幽2 - 5 理想信号和实际信号波形图 另外，电磁流量计是用来测量各类流体的仪表必然将被使用在工业检测控 制生产中，此时，流量计周围充满自身产生的或其他工业设备辐射过来的工频干 扰信号，使得最终的流量信号上将叠加工频信号具体信号波形如图2 - 5 ( 有图) 所示。 针对工频干扰，选择励磁周期( 信号周期) 是工频信号的整数倍，那么在每 个周期信号中必有两个点受到的工频干扰近似( 如图2 - 5 中的t 2 和t 3 点) 。此时， 两点信号幅值相减可以消除工频串模干扰。此时，流体流速的感应电动势基本算 式如下： = 坐乓三盟 ( 2 - 3 在确定励磁周期为工频周期的整数倍后，插入式电磁流量计的信号处理将需 要解决以下两个方面： 第一，现代智能化仪表都追求高动态响应速度，这就需要励磁周期必须足够 小( 最小为工频周期) 。但是过高的励磁频率将使零点漂移不稳定，加大了对信 上海大学硕士学位论文 号处理的难度。所以在电磁流量计的信号处理中必须在响应速度和信号稳定性方 法之间综合考虑。 第二，在实际的流量信号中，( 微伏级) 和e o ( 最大达到几百毫伏) 相差 很大，差不多将近千倍以上。此时如果用放大器直接对信号进行放大计算， 则由于的存在而使放大器输出饱和，无法精确测得值。所以在信号处理中 必须在尽量消除e o 的影响的前提下有效的放大值。 二、基线控制的反馈式信号处理方法 目前，电磁流量计的信号处理方法一般由以下几种：电容隔离法、零点漂移 反馈法和三次采样法。但是，电容隔离法由于在处理过程中信号会失真，无法使 用在高精度测量场合，零点漂移反馈法的响应时间过长，无法用在需要快速反应 的环境中，而三次采样法则由于是建立在零点漂移是均匀的假设上的。所以，这 三种方法在需要高精度，高响应速度的环境中可能会无法很好的满足要求，需要 另外设计一种信号处理方法【1 4 】。 上海大学李斌教授结合早期反馈是信号处理方法和零点漂移反馈法的各自 优点，提出了一种基线控制的反馈式信号处理方法。提出将矩形负( 或正) 恒定 励磁段下的某个信号值作为后续信号的相对基线值，经放大器放大后直接送入基 线调节器与期望基线值进行比较，实现以基线为标准的平移控制。放大后的信号 经过两个采样保持器的操作输入到差分减法器实现高精度减法，最终获得精确的 流量信号。基线控制法能在消除零点漂移的基础上，采用较高励磁频率实现电磁 流量计高动态响应的特性，同时又有效地放大了信号，使低励磁电流下的测量也 具有较高的信噪比【1 7 1 。 1 6 上海大学硕士学位论文 图2 - 6 基线控制反馈法的基本原理图 1 传感器2 采样保持器s h l3 采样保持器s h 2 4 采样保持器s h 35 基线调节器 图2 - 6 是这种方法的基本原理框图。以图2 5 中的信号图为例，在时刻采 样信号值并与某一参考基准值进行比较反馈控制，使信号在这一时刻的值始终保 持在参考基准值上，以达到在消除零点漂移下对感应电势信号的有效放大。 在每个励磁周期的零励磁阶段，基线控制法的信号动态响应过程即完成，且 在信号放大中消除了零点漂移干扰。因此，在低频矩形波励磁方式下，基线控制 法可以成为电磁流量计较理想的信号处理方法。由于插入式电磁流量计的工作原 理与传统电磁流量计相似，所以此方法也适用于插入式电磁流量计的信号处理。 2 3 管道流速分布相关理论 插入式电磁流量计本质上来讲是点速计，测量的管道中流体的某一点的流 速，主要是流体的平均流速，然后通过流速计算出流量参数。所以，管道中流体 流速分布的变化对测量结果的精度有重要影响。 2 3 1 层流与紊流 由于流体粘性的存在，使液体在管道或渠道中流动时呈现两种不同的状态： 层流和紊流。 当管道或渠道内流动的液体全部质点是以平行面不相混杂的方式分层流动 1 7 上海大学硕士学位论文 的情况，也即是说，管道内的流体可以看成与管同轴的许多液层，每层内的流体 速度相同，并且只有沿管轴( 中心轴) 方向的运动，称为层流【l 】。 当管道内的液体流速增大到一定数值后，液体的质点不再是有秩序地分层， 而是相互混杂、穿插，即流体除了做轴向流动以外，同时还伴有径向流动。这就 是紊流，也叫湍流。 当流体作层流流动时，随着流速的增加，速度达到某一数值时，层流会变成 紊流。相反，作紊流流动的流体在流速逐渐减低到某一数值时，紊流也能转变成 层流。从一种流动状态转变为另一种流动状态时的流速成为临界流速。由层流状 态改变为紊流状态时的流速，称为上临界流速，有紊流状态改变为层流状态时的 流速称为下临界流速。实验证明，下临界流速远小于上临界流速。英国人雷诺用 实验证明，临界速度与流体的密度、管径和流体的运动粘度系数有关。并根据详 实理论和量纲分析，引入一个叫雷诺数的表征流体流动特性的参数。雷诺数等于 流体流动时的其惯性力与粘滞力之比 每2 等2 争 协4 ， 式中e 惯性力5 巴粘滞力； p 流体密度； ，流体通道的特征长度。对圆形管道，特征长 度就是管道直径； 1 ，流体的平均流速； a 流束的面积； 7 7 动力黏度； u 运动黏度。 当圆形管道的平均流速为；时，相应的雷诺数为r e ：业，d 是管道直径。 d 通过雷诺数的大小可以判别流体流动状态，一般管道雷诺数r e 1 2 0 0 0 为紊流状态。 2 3 2 管内速度分布与平均流速 1 速度分布 在管道横截面上流体速度轴向分量的分布模式称为速度分布，这是由于实际 流体都具有粘性而造成的。一般的规律是，越靠近管壁，由于流体与管壁的粘滞 作用，流速越小，管壁上的流速为零；越靠近管中心，由于流体与管壁的这种粘 滞作用越小，流速就越大，管道中心的流速达到最大值。 管内的流动状态不同，所呈现的流速分布也不同。人们在长期的生产实践中 对管内流体的速度分布做了不少研究，提出了很多流速分布模型。其中，比较简 单的流速分布模型为【1 8 】： 层流流动时： 紊流流动时： = x 1 一( 素) 2 】 ( 2 - 5 ) 旷甜一c 一 协6 ， 式中： 距管道中心的径向距离； u 。距管道中心处的流速； u m a x 管道中心的最大流速； r 管道半径； 刀素流时随雷诺数不同而变化的指数； 从上面两式可以看出，在层流状态下，流速分布是以管道中心线为对称轴的 一个抛物面。在紊流状态下，流速分布是以管道中心线为对称轴的一个指数曲面。 轴向剖视图如图2 7 所示。 1 9 上海大学硕士学位论文 4 ”嗽聪曲瓣国毛| | 4 ” 一圆 图2 7 层流( 左) 和紊流( 右) 状态下的流速分布示意图 值得注意的是，如上图这样的典型的管内流速分布，是指充分发展了的管内 流动所具有的流速分布，也就是说，管内流体只有在通过足够长的直管段以后才 能形成上述分布情况。 2 平均流速及平均流速点 1 8 】 所谓平均流速，平时总是指管道截面上的平均流速。其含义是当管内流体以 某一流速“均匀分布时，通过管道某截面的流量正好等于管内流体以某一速度分 布咋时通过该管道截面的流量，贝uu 就是该截面上速度分布为时的平均流速。 其数学表达式为 云= 鱼= 监丝 ( 2 7 ) 彳彳 对于圆管，将式2 5 、式2 6 代入上式，得： 层流状态下平均流速为 “=竺= 竺竺坠受! 竺 x r 2万r 2 1 ( 2 8 ) = j “一 云= 一u x 2 x r d r = 一1 = 鼎( 2 n “一亿9 ， 万尺